在地面震動頻發的日本，爲了能在特大地面震動發生後迅速恢復社會和經濟活動，建築物的安全非常重要。東京工業大學科學技術創成研究院的吉敷祥一副教授着眼於彙集了大城市樞紐功能的超高層建築的安全，嘗試構建讓生活在這些建築裏的人們無論是在日常生活中還是在發生災害時都能感到安心的系統。

吉敷 祥一
東京工業大學 科學技術創成研究院副教授
2020年起擔任OPERA領域總負責人

結構材料的「尺度效應」
透過足尺實驗進行性能分析

東日本大地面震動已經過去10年。爲實施安心安全的社會，從明確地面震動的機制開始，到地方政府重新評估避難計劃，各個領域都在吸取地面震動的教訓並重新制定對策。建築行業也開發了使建築物免受地面震動晃動影響的抗震技術，並逐漸普及開來（圖1）。

圖1：東京工業大學鈴懸臺校區J2棟基礎部分設置的隔震橡膠裝置。此外還引入了隔震層阻尼器、感測器和強震儀等各種裝置，是一座彙集了城市地面震動工程學精華的建築。

另一方面，近年來以城市爲中心，超高層建築紛紛湧現。能容納整條街的人口、高度超過100米的超高層建築被廣泛用於商業、住宅、辦公和教育等用途，堪稱社會和經濟樞紐。

如果高樓林立的城市遭遇特大地面震動，一旦超高層建築遭受地面震動破壞，影響將無法估量。東京工業大學科學技術創成研究院的吉敷祥一副教授正在以發生特大地面震動後也能維持日常生活的超高層建築爲目標，透過產學共創平台共同研究推進項目（OPERA）的「社會活動持續技術共創聯盟」（SOFTech）開發相關技術。

通常透過向圓柱和橫樑等結構構件施加荷載以類比地震作用來評估建築物的抗震性能。對於超高層建築和橋樑等大型結構，日本沒有能夠對大型結構的抗震性能進行實驗的大型實驗裝置，所以目前通常利用能夠放到實驗裝置上的縮尺試驗模式進行安全能驗證實驗。這種實驗方法如果能明確足尺構件和縮尺模式的尺寸差異所帶來的物理可用能特性的差異，那麼可以認爲這是一種有效的評估方法。

然而目前只能設想各種尺寸效應，透過計算來推測結構是否安全。結果不得不採取多重安全對策，導致建築成本不斷升高。吉敷表示：「如果製造出可以評估足尺試驗體抗震性能的大型實驗裝置，就可以準確地進行評估。由於需要更多的建設資金，所以必須讓儘可能多的人瞭解大型實驗裝置的必要性」。

爲此，爲應答結構材料有多大的尺度效應，吉敷在實驗中對具有不同尺寸和不同焊接缺陷的鋼框架結構模式施加荷載，考察了足尺結構在多大的力和變形在才會發生斷裂（圖2）。此次實驗結果表明，結構構件連接部位的變形能力具有明顯的尺寸效應，這使得參加實驗的很多技術人員重新認識到足尺實驗的必要性。吉敷指出了大型結構存在的課題：「隔震裝置之一的疊層橡膠拱臺是採用層狀重疊鋼板和橡膠製成的。其尺寸越大，就越難在批量生產中將二者均勻且沒有缺陷地結合在一起」。另外，一次焊接的熔接寬度通常爲3毫米至4毫米，如果要精確地製作四分之一縮尺模式，熔接寬度必須小於1毫米，這樣的精細焊接也是無法實施的。

圖2：在參加SOFTech的諸多企業和結構技術人員的注視下實施的足尺破壞性實驗。準備了三種不同尺寸的幾何形狀相似的鋼樑，考察了使鋼樑斷裂所需的力和變形。結果表明，如果以相似形狀改變鋼樑焊接時的缺陷，則尺寸越接近足尺，鋼樑的變形能力越小，焊接部位容許的缺陷尺寸具有尺寸效應。

另外，如果想製作鋼筋混凝土的縮尺試驗體，則水泥中混合的碎石和沙子的尺寸也必須以嚴格的比例等比縮小，這在現實中也是不可能實施的。如上所述，透過縮尺試驗推算建築結構抗震性能的做法存在侷限性。因此吉敷的研究團隊表示，今後將繼續操作敦促相關部門以建設能夠準確評估結構構件抗震性能的大型實驗裝置。

還需要非結構構件的評估方法
安裝感測器進行實驗

超高層建築内部受損的話就難以繼續操作使用。實際上就有很多雖然結構構件沒有受到太大的傷害，但因牆壁和天花板等非結構構件受損而導致建築物無法使用的情況。

建築物的設計一般分爲圓柱和橫樑等結構構件以及天花板和隔牆等非結構構件。即使在東日本大地面震動後，抗震性能的評估也仍以結構構件爲主要研究物件。吉敷介紹說：「必須對非結構構件的抗震性能也進行準確的評估和改進，否則無法建造出災後仍能繼續操作安全使用的建築物」。

由於以前沒有像研究結構構件那樣研究過非結構構件的抗震性能，並不清楚測量什麼以及如何測量才能合理評估非結構構件的安全。因此，SOFTech在實驗中類比了實際建築物的鋼柱和隔牆，並透過施加類比地震作用的變形對其進行破壞性測試（圖3）。牆壁上安裝了大量監測構件變形和晃動的感測器。目的是明確地面震動的晃動是如何傳遞給牆壁並造成破壞的。

圖3：在足尺隔牆上安裝感測器進行實驗

如果能透過反復進行這樣的實驗建立評估非結構構件抗震性能的方法，就有望實施更安全的設計。另外，如果能隨時監測整座建築，那麼發生緊急情況時樓裏的客戶就能當場判斷是否需要立即疏散避難。因應不知何時會發生的天然災害的準備工作往往總會被拖延，所以吉敷的團隊還在探索可以在地面震動未發生的平時也能使用的系統，用於譬如建築内設備的故障時的通知或定時維護的通知等用途。

在熊本地面震動中判定建築物的傷害狀況
雖然判斷爲「重新裝修即可」但最後還是被拆卸

吉敷開始關注非結構構件安全的契機是2011年東日本大地面震動和2016年熊本地面震動。吉敷在東日本大地面震動發生1個月後前往災區，調查了建築結構構件是如何損壞的。在宮城縣内的學校體育館裏，天花板掉了下來，散落一地（圖4）。學校的老師詢問吉敷體育館還能不能繼續操作使用。吉敷說：「我當時無法回答。我雖然是作爲建築結構和防災方面的專家去的現場，但只研究了結構構件是如何損壞的，從來沒有想過建築物是否可以放心安全地繼續操作使用」。以這件事爲契機，吉敷開始研究開發透過外觀推測建築物傷害的方法。

圖4：吉敷當初調查的宮城縣體育館。天花板的材料掉下來，散落一地。透過這些經驗教訓，沒有天花板的體育館此後開始增加，爲後來的熊本地面震動減輕了有效能損失。

吉敷着眼於牆壁和天花板破損時裸露出來的鋼框架結構，開發出一種可透過鋼構件上塗覆的防鏽塗料的脫落程度來推測鋼結構傷害的方法。另外，考慮到用來提高抗震性能的斜撐因爲在地震作用下發生彎曲變形的實際情況，還開發出了根據斜撐的彎曲程度來推測結構構件傷害程度的方法。

這些評估方法在熊本地面震動中派上了用場。地面震動發生後立即前往災區進行調查的吉敷評估了建築物的結構構件的傷害情況。訪問某所學校時發現，教室的隔牆倒塌了，但所幸沒有人員傷亡。建築結構完全沒有損壞，因此吉敷判斷這座建築重新裝修的話可以繼續操作使用。不過，據說這座建築幾年後還是被拆卸了（圖5）。

圖5：教室的隔牆在熊本地面震動的搖晃中倒塌。吉敷調查發現，這所學校的建築結構沒有受損，不過最後整個校舍還是被推倒重建了。

「無論怎樣重新修建牆壁，但沒人願意在會讓人想起地面震動災害的教室裏上課」，學校有關人員說的這句話至今仍留在吉敷的腦海中。從那時起，吉敷一直在認真思考建築物使用者所需要的安心感和安全究竟是什麼的問題。

瞭解災民的心理
建造可以避難的高層建築

基於客戶對受災建築物所產生得恐懼心理而無法繼續操作使用的經驗，從心理學角度考慮安心感和安全的專案組也參加了SOFTech。東京工業大學博雅教育研究教育院的永岑光惠副教授利用坐在椅子上就可以類比體驗地面震動搖晃的「地面震動坐椅」，以及可以搖晃實際尺寸房間的「足尺振動產生器系統」，開展了根據心率和出汗情況判斷地面震動中人的心理和生理狀態的實驗（圖6）。如果能在今後的研究中明確該如何提供減輕心裏不安所需資訊的方法，客戶應該就可以放心地使用安全的建築。

圖6：利用VR眼鏡觀看搖晃的室内影像，同時坐在「地面震動坐椅」上體驗晃動，受試者會感覺到強烈的恐懼感。透過這種實驗來探索減輕客戶感到過度恐懼的資訊提供的方法。

除了大學外，還有很多企業參加了SOFTech。吉敷團隊的科學發現和研究成果在早期階段就開始與加盟SOFTech的建築公司和材料廠商共用。吉敷對SOFTech的活動充滿期待。他表示：「如果各公司透過利用大學的研究成果研發出相應的產品上市銷售，那麼安全的建築物會不斷增加。這樣就會誕生出遭遇特大地面震動時能容納很多人的‘可以避難的高層建築’」（圖7）。

圖7：發生東日本大地面震動時，首都圈也有強烈的震感。工學院大學新宿校區的28層建築在應答安全後，於地面震動當天接收了無法回家的人。（圖片由工學院大學建築學部的久田嘉章教授提供）

每當特大地面震動發生後，人們都會積極討論隔震和減震等抗震技術的必要性，但時間一久，這種討論往往就會減量。日本隔震結構協會的調查顯示，阪神大地面震動和新瀉縣中越地面震動等大地面震動剛發生後，採用隔震建築的數量會大幅增加，但之後增幅就越來越小了。吉敷說：「希望能透過產學界的共同努力，將日本打造成世界領先的抗災社會」——在東日本大地面震動十週年之際，吉敷再次堅定了決心。

日文：JSTnews 2021年3月號
中文：JST客觀日本編輯部