本文由《萬物》雜誌官方微信 “把科學帶回家 ” 提供
撰文 七君
我們知道，日本是一個地震頻發的國家，9年前東日本大地震引發的福島核洩漏事故給日本帶來了深重的災難。
2011年的東日本大地震引發的福島核洩漏事故救災現場
根據美國國家航空航天局（NASA）的數據，2011年的東日本大地震是1900年來世界第五大地震，也是日本歷史上最為慘烈的地震。
2011年的東日本大地震震中（星號）所在位置 圖片來源：wired
東日本大地震的震中離日本東京僅有373千米。可是，東京的不少古建築和近代建築卻毫髮無傷，而它們的建造時間是在現代防震技術出現之前。這是怎麼回事呢？
日本國立西洋美術館
說到這兒，就不得不提一座內藏玄機的近代公共建築——日本國立西洋美術館了。
日本國立西洋美術館位於東京上野公園，設計者是20世紀的著名法國建築師勒·柯比意（Le Corbusier）。
這個美術館館藏著從文藝復興和20世紀初的重要西方美術作品，其中就包括莫奈的睡蓮。
由於其獨特的建築學和對文明的保護意義，2016年日本國立西洋美術館被聯合國列為世界遺產。
日本國立西洋美術館建於1959年，在它建造時還沒有出現現代防震技術。但是在這52年來，它經受住了包括東日本大地震在內的數十次大大小小的地震而完好無損。
這個美術館到底採用了什麼樣的技術，才讓它對地震“無動於衷”呢？
實際上，日本國立西洋美術館除了加強建築結構，安裝了能夠吸收震動的裝置以外，還在20年前加設了一種強悍的防震道具——隔震支座，而它也是日本首個在建成後加裝了隔震支座的建築。
隔震支座是用層層相互交疊的橡膠和金屬片構成的，看起來有點像千層餅。在地震發生時，這塊千層餅會通過形變吸收震動的能量，削弱震波向上方的傳導，墊護上方的建築。
日本國立西洋美術館採用的隔震支座 圖片來源：BridgeStone Corporation
這種在地基上設置隔震支座的基礎隔震技術最初是新西蘭建築師 Bill Robinson 在20世紀70年代提出的，而這種橡膠金屬交疊的隔震支座也是他發明的。
隔震支座有多好用呢？大家看一下日本免震構造協會的演示就清楚了。左邊的建築模型採用了隔震支座，右側的建築模型僅僅採用了普通的防震材料——
即使四處的地面都搖晃得厲害，隔震支座也能讓上方建築不動如山——
剛才說到日本國立西洋美術館是在1959年建成的，顯然那時基礎隔震技術還不存在。而翻新的契機，也是因為25年前的一次災難。1995年慘烈的阪神大地震即使從紀錄片回望也讓人心有餘悸——
在阪神大地震後，日本國立西洋美術館接受了抗震設防檢查。但是這次檢查發現，它的抗震能力只有當時日本國家標準的一半。
為了增強美術館的抗震性，大家想了很多辦法。當時普通建築採用的防護方式是增設抗震牆體，或是增加房梁和房柱的厚度。但是為了不破壞柯比意的建築美學，這類傳統方法被否決了。最後，大家決定使用難度更高，但更好看的基礎隔震。
隔震支座需要搭設在地基上面
在已經成型的建築下增加隔震裝置，就需要在不拆毀建築的情況下，把原本的地基替換為上面的這些千層餅。這就好比在凳子上有人的情況下，把凳子的四條腿換了，這種操作連外行都會覺得驚險。
在實操的時候，大家先挖開建築附近的地磚和土層，然後塞入替代地基的臨時支柱。這種支柱很扁，因為地下沒有很大的作業空間。墊好臨時支柱後，地基就被逐漸拆除，並被替換成隔震裝置。最後，取下臨時支柱，再把附近的土地復原，工程就結束了。
日本國立西洋美術館的基礎隔震翻新前的地基（上）和翻新後的效果（下）。圖片來源：（DOI）10.2749/101686698780489063
聽起來很簡單，但是實際上基礎隔震技術十分耗時耗力且昂貴。就拿日本國立西洋美術館的基礎隔震工程來說，從1996年5月開始的翻新工作直到1998年4月才完工。
施工難度高之外，具有基礎隔震的房屋因為在地震時會相對附近的地面移動，在建造時要和附近的地面留有一定的間隔。在日本這個間隔通常是50釐米。
此外，因為房屋會相對附近地面移動，和外部聯通的管道也要相應地留出活動的餘地，這樣一來具有基礎隔震的樓房整體造價就會上升。
日本免震構造協會介紹，因為成本和難度，採用隔震技術的的日本建築主要是多層的集合住宅。
不過隔震技術的效果是真的強。在2011年的東日本大地震中，該美術館的最大震動加速度僅為100cm/s2，它所承受的地震加速度265cm/s2被足足降低了一半以上。
大阪地標通天閣（中）
由於效果確實好，現在日本不少具有歷史意義的建築以及公共設施都採用了這種技術增加抗震性，比如大阪地標通天閣還有東京站前的JP塔。
自1995年阪神大地震以來，採用隔震技術的房屋數量大幅攀升。圖片來源：日本免震構造協會
在東日本大地震期間，日本不少公共設施就是因為採用了隔震技術才避免了更大的傷亡和經濟損失。
來看幾個案例。在東日本大地震的時候，石卷市的石卷赤十字病院就是因為採用了隔震技術而倖存的。
這是石卷赤十字病院的基礎隔震支座——
它可以吸收左右和上下的震動——
這是三菱重工公佈的在2011年3月11日的東日本大地震期間，採用了隔震技術的日本仙台市的服務器機房——
大家可以看到，服務器所在的地面和其他部分分隔了開來，這是因為服務器下方有基礎隔震，而右側的房屋下方沒有。
在地震發生的時候，服務器安然無恙。我們覺得服務器晃，實際上是錯覺，因為監控攝像頭被安裝在沒有基礎隔震的那部分建築物上。從將兩部分分離的地板的運動你就可以推測當時地震的強度，以及隔震設備的保護作用了。
你可能想問，東日本大地震的時候福島核反應堆有沒有用上基礎隔震呢？
日本的核設施還沒有全面採用基礎隔震。
根據東京電力（TEPCO）的介紹，由於2007年新潟縣中越衝地震時無法進入核電站的教訓，東京電力為包括福島第一原子能發電站在內的幾個核電站辦公樓增加了基礎隔震支座，這些大樓充當了工作人員的應急避難所。但是由於技術不成熟，在東日本大地震時核反應堆本身是沒有基礎隔震的，但有其他抗震設計。
日本東京大學的學者、通用日立核能公司以及東芝公司的工程師在2014年設計了一種初步的沸水堆（BWR）的反應堆基礎隔震設施。圖片來源：（DOI）10.5516/NET.09.2014.716
在日本的實踐後，隔震技術在全世界推廣了開來。在美國，先吃螃蟹的是地震頻發的加州。
這是加州大學聖迭戈分校利用基礎隔震技術進行的測試——
如果沒有基礎隔震，這棟建築內部是這樣的，小朋友你是否聽到了duang duang 的聲音——
加入基礎隔震（左）後，震感是這樣的，對比相當明顯——
現在，我國地震帶的不少建築就採用了基礎隔震。說個大家都知道的：北京的大興機場使用了1232個橡膠隔震支座以及其他減震裝置。大興機場也因此成為了世界上最大的單體隔震建築。
好的護墊，就是要瞬間吸收，讓你安睡一整夜。
https://shimo.im/docs/d6Ky8wtpdKdCRGTw/
閱讀更多 萬物雜誌 的文章
