3D打印的房子，能扛多強地震？

在河北省三河市燕郊經濟開發區潮白大街1號，中國地震局工程力學研究所（以下簡稱“工力所”）科技園區，由智能建造、建筑結構和工程抗震專家組成的科研團隊正在緊張地進行一場“破壞性”實驗。振動臺上，一座3D打印民居模型正經歷“生死”考驗，來自浙江大學、大連理工大學和工力所的師生密切關注它的表現。

為啥要做這場實驗？實驗是如何進行的？房屋模型表現如何？記者來到現場探訪。

 

“測試目標就是把它震壞”

走進工力所科技園區，幾排露出裂痕的廢棄建筑物模型引起記者注意。“這些都是我們震壞的。”工力所博士生趙登科說。

戴好安全帽，趙登科帶記者走進實驗場地。

這座3D打印混凝土民居模型，是浙江大學建筑工程學院副教授孫曉燕團隊送來測試的。模型原型也是3D打印的，位于河北省故城縣房莊鎮，由孫曉燕團隊建造，建成后成了當地一個“景點”，吸引不少行業專家和當地老百姓前去“打卡”。

打印的房子，結實嗎？這是孫曉燕被問得最多的一個問題。

結不結實，最關鍵得看抗震性能。她曾聯合專注數字建筑與打印設計業務的靈砼科技（杭州）有限公司，用三維數字模型精確計算過，理論上，這座建筑的抗震性能很優異。

為進一步驗證理論分析和模擬測算結果，孫曉燕與多領域多學科專家研討決定，開展振動臺模型實驗。房子搬不來，根據工力所振動臺尺寸限制，孫曉燕委托工廠做了5米長、1米多寬的最大尺寸縮尺比例全屋模型。

此次實驗總共設定6個工況，每種工況下要進行7次測試。“測試目標就是把它震壞，看看究竟能闖到第幾關，承受多強的地震。”孫曉燕笑著說。

到第二個工況時，還沒有出現明顯裂痕。

振動臺，是一種能模擬地震發生的設備。眼前的這臺三向六自由度振動臺，既可以水平方向震動，也可以產生豎向震動，還可以產生不同方式的轉動，是國內最先進的一套地震模擬設備，房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、輸電線路的抗震測試它都能干。

一邊跟記者介紹設備情況，作為現場總指揮的趙登科一邊拿起對講機發出指令：“工況3—1，實驗準備。”

“可以測試。”對講機那頭，中控室工作人員已準備就緒。

一架無人機從地面起飛，飛向房屋模型后方。“它可以記錄下房屋整體情況。”孫曉燕說。

“開始！”

隨即，耳畔傳來一陣蜂鳴，振動臺液壓桿劇烈抖動——地震來了。房屋出現輕微晃動。

震動消失后，幾名科研人員箭步邁上振動臺，目光仔細掃描房屋模型的每個角落，對產生裂痕的地方做下標記。

肉眼觀測只是輔助。布置在模型上的加速度傳感器、位移傳感器、應變片和基于視頻識別的光斑跟蹤技術，加上房屋兩側的4臺超高速攝像機，可以更精準捕捉房屋經歷模擬地震后發生的細微變化。

超高速攝像機廠商合肥中科君達視界（以下簡稱“中科視界”）工作人員祝良應告訴記者，普通單反相機，可以拍攝幀率為120的視頻，也就是每秒鐘成像120個畫面。“這臺超高速攝像機，幀率可以達到3000，每秒產生6GB的圖像數據，房屋的每個細微變化都逃不過它的‘法眼’。”

“對科研水平和工業制造能力的檢驗”

在現場，看著各方爭相亮出“絕活兒”，記者頗有感觸：支撐這場實驗的，是多學科的扎實科研成果和多領域的成熟技術裝備。

拿超高速攝像機來說，它可以觀察到肉眼和普通相機難以捕捉的畫面，在工業生產、航天發射、汽車碰撞實驗等很多場景都有用武之地。比如在生產車間，機械臂快速運動，超高速攝像機能記錄下每一個瞬間，從而幫助企業校準機床或改進生產工藝。

“接下來將要發布的一款新品，可以達到10萬幀/秒，對標國際領先水平。”中科視界副總經理雷秀軍表示，“幀率的大幅度提升，對處理器和存儲性能提出了極高要求，這些構成了公司的技術‘護城河’。”

記者觀察到，超高速攝像機使用的長焦微距鏡頭，來自國產品牌“老蛙”。雷秀軍說：“國外品牌鏡頭在一些焦段有優勢，但國產鏡頭廠商憑借差異化競爭，近年來技術上取得長足進步，國產鏡頭也已進入我們的供應鏈體系。”

雷秀軍憶及創業初期，產品剛問世，國內客戶為他們提供了寶貴的機會，并提出很多建議幫助改進產品。“產品只有走向市場，在實際應用中才能不斷迭代進步，上下游的互相扶持對產業健康發展十分關鍵”。

再如振動臺，來自一家專精特新“小巨人”企業——博科測試。除了眼前這套振動臺，博科測試還落地數個超大規模多自由度振動試驗設備及振動臺臺陣系統，包括天津大學水下地震模擬振動臺系統、北京建筑大學大型多功能振動臺、河海大學模擬地震水下振動臺等。

市場認可背后是實打實的研發投入。2021年至2023年期間，博科測試的研發費用由2469.28萬元增至3094.56萬元，占總營收的比重也由6.09%增至6.60%。2024年上半年，公司繼續加碼研發，研發費用支出1858.16萬元，營收占比增至8.67%。

還有承擔這次實驗的工力所。工作人員劉江濤告訴記者，國內能做模擬地震實驗的單位屈指可數，“一年下來，這套振動臺有100多天都不閑著”。

他指向墻邊的一套大型儀器：“不只是抗地震實驗，這不，一家創業企業送來了抗震動系統，它可以通過算法幫助船舶在翻滾的海浪中維持穩定，下周它就要上振動臺了。”

記者了解到，工力所是國內唯一以地震工程為主攻方向的研究機構，在強震動觀測及其應用、建筑工程抗震、地震災害風險區劃與防治、地震工程試驗技術、地震與工程振動測量技術等領域成果豐碩。去年，由工力所牽頭研發的新一代高速鐵路地震預警監測系統，在國內應用線路長度超1500公里，并出口應用于印尼雅萬高鐵。

做這場實驗，門檻不低。孫曉燕說：“一場高水平科學實驗，也是對科研水平和工業制造能力的檢驗。”

“3D打印蓋房子前景廣闊”

隨著實驗深入，地震強度越來越高，蜂鳴聲也越來越大，房屋開始出現裂痕。

直到第六個工況，液壓桿搖動時，記者腳下站立的區域也出現明顯晃動，親身感受到地震帶來的眩暈感。

趙登科告訴記者：“實驗選擇了與民居所在地地震特性接近的唐山波、山東平原波，以及對民居破壞特征明顯的汶川臥龍波，按照六度、七度、八度和九度地震強度分別加載。”

地震中，大多數人員傷亡是由建筑物倒塌引起的。大連理工大學建設工程學院副教授何化南告訴記者，為了保障建筑安全，我國制定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

抗震設防目標是一個與地域相關的概念，而非震級。具體來說，小震指多遇地震，即在50年設計基準期內，超越該烈度的概率為63%，震后不需修理；中震是指基本烈度的地震，在50年設計基準期內超越概率為10%，允許有一定的損壞，但經修理后仍能使用；大震是指罕見地震，在設計基準期內，超越概率為2%—3%，其設防目標為防倒塌，保護生命安全。

經過一天的實驗，房屋模型在六度地震工況下未發生主體結構損壞；在七度、八度地震工況下雖產生裂縫但并未延伸至結構框架，整體結構完整；在九度地震工況下裂縫貫通但結構主體完整，并未發生倒塌和嚴重破壞。

也就是說，3D打印民居模型經受住了考驗。這時，孫曉燕決定，給模型加配重——看看這種新型民居在極端地震荷載下的結構破壞形態是什么，并從中找到抗震設計的關鍵。

工力所研究團隊根據房屋原型，為模型設計了1噸的配重繼續實驗。結果顯示，現有模擬地震所致的裂縫未到達房屋結構內部的鋼筋混凝土框架，抗震性能優異。孫曉燕計劃繼續研究實驗中出現的損傷，并適時開展原型抗震試驗，進行3D打印混凝土結構優化設計。

在孫曉燕眼中，3D打印的混凝土建筑堪稱“變形金剛”。一方面，通過數字設計、增材制造、預制裝配，3D打印建筑可以快速精準建造，還可以適應多樣化的建筑外形需求；另一方面，墻體內含空腔，嵌合鋼筋框架形成鋼筋混凝土結構，抗震性能好，安全耐久。

“在廣大鄉村地區，自建房多為磚瓦結構，壯勞力也存在短缺，用3D打印技術蓋房子前景廣闊。”孫曉燕表示，作為新型建造工藝，3D打印混凝土民居的可靠性需要經過進一步專業認證和實踐檢驗，縮尺模型的良好抗震性能為后續深入科研和相關技術推廣帶來信心。

（責編：汪翠萍）