利用船舶外形和压舱石原理设计的地震中不倒的建筑的制作方法

本发明涉及建筑抗震技术领域，具体地讲，是涉及一种利用“船舶外形”和“压舱石”原理设计的地震中不倒的建筑。

背景技术：

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带，是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震强度大、分布广、频率高、损失重。20世纪全球大陆7级以上地震35％发生的我国。1970年7月28日凌晨发生的唐山大地震倒塌房屋321.9万间，死亡24.4万人，直接经济损失54亿元。当时人口65万，房屋95％以上倒塌。

地震具有突发性强、难以预测的特点，目前地震的监测预报还是世界性难题，而且即使做到了震前预报，但如果建筑工程自身的抗震能力薄弱，也难以避免建筑遭受巨大的损失(资料来源《地震破环与建筑设计》，中国建筑工业出版社2017年5月第一版，建筑防灾系列丛书编委会主编，‘前言’页)。

当代建筑防震技术绝大多数采用了传统防震技术。为了减轻地震对建筑的影响，传统的设计方法是将结构设计为“抗震”结构，通过增加结构构件截面和强度来抵抗地震作用。多次地震震害表明，这样设计的结构虽然能够在大震中不至于倒塌，但建筑内部设备和装修的破坏所造成的损失往往也是巨大的，因此对建筑内的设备、设施有更高保护要求的建筑，所采用传统的抗震设计方法有时难以满足需求，所花费的代价也是巨大的(资料来源《隔震建筑设计指南》，中国建筑工业出版社2016年12月第一版，薛彦涛等编著，序页)。

另有一本中立的并对当现代各种建筑有客观分析的书。此书由建筑科学院48位专家编著，当为权威看法。书中指出：传统建筑物基础固结于地面，地震时建筑物收到的地震作用由底向上逐渐放大，从而引起结构构件的破坏，建筑物内的人员也会感到强烈的振动。为了保证建筑物的安全，必然加大结构构件的设计强度，耗用材料多，而地震力是一种惯性力，建筑物的构件断面大，所用材料多，质量大，同时受到地震作用也增大(资料来源《地震灾后建筑修复加固与重建技术》，中国建筑工业出版社2017年第一版，仇保兴主编，192页)。

在建筑抗震领域，另一大门派为隔震技术。

隔震技术有100多年历史。1881年日本学者何合浩藏提出：先在地基上纵横交错放置几层原木，在上面浇灌混凝土，然后再在上面盖房。但隔震技术适用条件比较严苛，适用范围比较狭窄：1、要求“体形基本规则，高度不超过40m”；2、只适用地震区各类中、低层工业民(用)建筑；3、建筑场地只适宜i、ii、iii类，对松软的场地并不适合(资料来源《地震灾后建筑修复加固与重建技术》，中国建筑工业出版社2017年第一版，仇保兴主编，195页)。

“铅芯橡胶支座”据称被广泛应用于实际结构，但研究表明这种支座受地震波的频率的影响较大，对以具有地频率特性的地震波，安装铅芯橡胶支座反而会放大结构地震响应，产生对抗震不利的作用。“聚四氟乙烯支座”这种支座虽然“隔震范围广泛，但这种装置不易控制，上部结构与隔震装置间会发生相对位移”(资料来源《建筑抗震设计》，科学出版社2007年第二版，薛素铎等编著，304页)。其他资料表明，这种企图达到隔震消能目的的防震技术，由于材料要求严、制作技术难、成本偏高等原因，很难在全世界大面积推广。

日本是世界“地震强国”，也是隔震技术的发明国，但经历了一百多年的隔震技术在事业上的发展，日本全国到目前只有两千余栋。到目前为止，美国已建筑和加固的隔震建筑仅有百个(资料来源《隔震建筑设计指南》，中国建筑工业出版社2016年12月第一版，薛彦涛等编著，5-6页)。虽然隔震建筑只比非隔震建筑增加5％左右造价，但有其他资料表明，全世界只有隔震建筑3100多栋。

1998年1月17日，日本阪神大地震中房屋倒塌10.4万栋，直接经济损失约10万亿日元。

看来隔震技术也不灵了。

有资料显示“叠层橡胶支座”基础防震体系上部建筑设防烈度仅“可降低1～2度”。另外，隔震技术设计复杂，监测、管理都非常繁琐。

上述传统的抗震技术和近百年发展起来的隔震技术都是采用“直线思维”的方式，片面加强建筑物梁、柱等主要受力部分的直径或强度、刚度、或加粗钢筋等，或将建筑物置于多处叠层橡胶支座之上。

前者，没有解决地震时，建筑物受到的惯性力消除的问题，而是全靠建筑物本身“消化”。因此，造成建筑本身破坏或倒塌。后者，企图利用叠层橡胶等方法来达到隔震的目的，但巨大的建筑产生的巨大重量会压得叠层橡胶几乎像一张报纸一样薄，达不到强力减震的目的，所以隔震建筑通常不会超过40米。地震中巨大的惯性冲击力，只能减少隔震支座上层的建筑物一两度地震烈度。

技术实现要素：

针对上述现有技术的问题，本发明充分利用半球体及其“衍生物”本身具有承重和瞬间均匀分散受到的压力或外力特性，尽其所能地将其“特长”发挥到极致，提出一种利用船舶外形和压舱石原理设计的地震中不倒的建筑。发明人利用“曲线思维”巧妙地将建筑物修筑在一座用钢筋混凝土浇筑的具有半球体形一部分特征的船形基座之上，在船舱底部中心位置放置比重较大的金属或非金属物体，作为“压舱石”。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种利用船舶外形和压舱石原理设计的地震中不倒的建筑，包括建筑物本体，埋置在地基内与建筑物本体固为一体的基座，以及填置于基座内的压舱石结构；该基座设计成由钢筋混凝土或其他材料构成的船舶外形结构，该船舶外形结构的两端呈1/2半球体、中间呈半圆柱体，且该1/2半球体和半圆柱体的直径相匹配，该基座的弧面部分朝向地基一侧、平面部分朝向建筑物本体一侧，所述建筑物本体的高和重与基座重呈正相互关系，所述建筑物本体(在满负荷情况下)的重心在所述基座中心位置。

进一步地，所述基座之船体部位放置的压舱石结构为比重较重的金属体或非金属体，作为压重。所述压舱石结构为铅块、钢块、铁块或钢筋混凝土块等。

进一步地，所述基座的外沿船舷部分设置有向外凸出的由钢筋混凝土或其他材料构成的缓冲压板；在发生地震使建筑倾斜时，该缓冲压板使建筑物本体和基座的最大倾斜角度不超过45°。

进一步地，所述缓冲压板在所述基座的船舷部分布置一周。

进一步地，所述基座边沿的缓冲压板以下设置有多个由钢筋混凝土或其他材料构成的肋板，该肋板的一部分与缓冲压板连接、一部分与基座连接。

进一步地，多个所述肋板间隔排布。

进一步地，所述基座及缓冲压板周围设置有填置于地基内的由烧结砖或根据设计要求定制的混凝土或其他材料构成的缓冲构筑体，当建筑物本体和基座发生倾斜时，缓冲压板通过压碎该缓冲构筑体以减缓倾斜速度。

当强震来袭时，这种船舶外形结构的基座本身的外形和具有的重量，将大部分吸收这种地震传来的惯性力，极少部分传到上部的建筑物本体上。而上部的建筑物本体可以按高抗震结构设计，剩余的微不足道的一点惯性力，很容易就被建筑物本身吸收、消化。

作为地面以下的船舶外形基座，可看作是由无数个拱形曲线构成的物体，它们具有抵御和快速分散惯性力的能力，其会在瞬间将受到的绝大部分惯性力传至整个船舶外形基座，再将受到的惯性力传到周围填置的缓冲构筑体上。最终，再瞬间传递到地基四壁和地面(大地)。

地面的建筑物本体在向相反方向倾斜时，船舷部分的缓冲压板会压碎它下面的部分缓冲构筑体。而那些“缓冲构筑体”会“吸收”建筑物本体晃动时传导出来的大部分惯性力。有关地震资料显示全世界的地震，70％-80％的地震通常只有2-3秒，记录最高的也只有80秒。由于船舶外形结构的基座没有完全固定在地基内，它可以通过小幅度的来回晃动，将受到的地震波传来的惯性力，瞬间传到周围地下布置的缓冲构筑体上。上层的建筑物本体受到的惯性极小，还由于船舶外形基座外沿有一圈“缓冲压板”，使得建筑物本体的倾斜度最大不超过45度。所以地震发生中的建筑物本体只会缓慢晃动，而且最大的倾斜度不超过45度，不会发生建筑倒塌现象。

本发明遵循牛顿第二运动定理(f＝ma)和达朗伯原理之核心本质：当地震发生时，如果一个刚性体，没有任何约束，放在地面上，那么它在惯性力作用下，将会向地面相反的方向移动。相反，它被固定在地面上不能自由移动，那么它必然内部消化这个惯性力，在它的基础附近会产生大量裂缝，甚至倒塌(资料来源《地震破坏与建筑设计》，中国建筑工业出版社2017年5月第一版，建筑防灾系列丛书编委会主编，13-15页)。

本发明就是利用钢筋混凝土浇筑的船舶外形结构的基座，在地震造成的晃动中来分散地震带来的惯性力，以确保建筑物本体绝对不会倒塌，并将损失减少到最小。

1/2半球体及其衍生物(如本设计中的船舶外形)本身可以看成是“由无数拱形曲线构成的物体”。和拱桥一样，拱形曲线的物体，可以将任何部位受到的外力均匀地传到整个物体，如果某一部位与地面有受力关系，它会将这种力传至地面。万事同一理，船舶外形基座同样具有这种作用。

本发明还进一步通过设置缓冲构筑体来提高对地震带来惯性力的吸收。缓冲构筑体可以是红砖、青砖等烧结砖，也可以是按设计要求定制的混凝土块等材料，混泥土块因采用的水泥标号和沙石比例以及体积不同，使其产生的抗压性能不同。这些缓冲构筑体的作用就是根据要保护的建筑物自身重量，达到建筑物在强震中缓慢倾斜或摇晃的目的。因此构成缓冲构筑体的材料既不能太软又不能太硬，在实际应用中可通过计算和试验确定。

以上是普通低层、多层、小高层建筑和高层建筑的防震方法。

对于超高层或本身自重较重的建筑物，又因可使用的土地面积有限，可采用加高(深埋)基座船帮船舷部分，同时增加压重，并在增高的船帮船舷和原基座外侧增加一定数量的缓冲压板，同时配置相应的肋板。由具体设计需要决定哪一层缓冲压板能触及基坑地面来确定建筑物限制的倾斜角度。

这种加高型基座的优点是：一、稳定性更高，二、地震、特别是强震发生时可以用来作为缓冲材料的缓冲构筑体更厚，三、由于缓冲压板数量增加，可以更快捷地将基座受到的惯性力传递出去，使基座本身和其上的建筑物本体所受到的影响减少到最低。

有益效果：传统的防震技术虽然比较简单，但效果不太好，已有大量的事实证明，本发明不再赘述。隔震技术虽然有一些减震效果，但只对中、低层建筑有效(40m以下)，对高层建筑基本上没用，而且其设计、建造、检测、监测非常复杂、繁琐。

当现代最伟大的科学家爱因斯坦说过：科学的本质实际上最简单、最朴实，而且明白如画(意译)。

“大道至简，衍化至繁”，语出中国道教经典《道德经》，“大道至简”还成了四字“真言”，是说万事万物其基本原理、方法和规律是极其简单。

中国最古老，也是名气最大的经典是易经。在《周易.系辞》上，老祖宗也是古代的先哲们明明白白的写着“曲成万物而不遗”，也就是说万事万物都是由曲线构成的，一句话“曲成万物”。

本发明原理简单、结构简单、耐用、成本低，设计、建造、计算、检测、管理都非常简单、方便、高效，工程量远远低于传统抗震技术，更大大低于隔震技术，投入的成本和后期维护成本更远远在隔震技术以下。

本发明的发明人认为：本设计是近现代唯一的，能将各种有效的防震措施“一体化”，并“一站式”解决任何地震问题最佳的技术方案。

本发明结构简单、效益宏大、经久耐用，在运行过程中检测、管理容易，在设计和建造前期计算并预计使用后最高入住率后，整个建筑物的重量(自重)，使整个建筑物的重心始终落在基座的中心位置，在这个基础上，设计出按比例缩小的模型，在推算出基座的长、宽、高和应有的重量进行建造即可。

本发明设计应用广泛。因为城镇街道一般都是直线形式，沿街道两旁的建筑物为长方体形式，因此发明设计所占宽度并不大，具有很高的实用性。

从宏观世界来看本设计，以印证本发明的结构、形状能够保证建筑在地震中“不倒”。其一，世界上所有的大桥(公路和铁路)70％是拱形桥，因为拱形结构可以将受力迅速传至全部拱体、直至传到大地或岩体；其二，世界上自然形成的所有山洞都是圆拱形顶(其他形状的顶、早就垮了)，只有这种形状才能“顶”住“头”上和四周成千上万吨山体的重量；其三，世界上所有人工建造的住人窑洞，全部是模仿自然山洞造成的圆拱形；其四，世界上所有的物体形状中，只有球形和半球形才是由“无数拱形曲线”构成的物体，它们抵御和快速分散惯性力的能力是任何其他形体都达不到的。

大自然用了亿万年的时间，人类社会也用古代和当现代的“工业产品”，向我们呈现了十分“完备”，而且“非常精彩”的证据链。

附图说明

图1为本发明实施结构的原理图。

图2为本发明实施结构的侧视图。

图3为本发明实施结构的俯视图。

图4为本发明实施结构在地震中压碎全部缓冲构筑体后缓冲压板触及地基底板的情况示意图。

图5为地震结束后建筑物本体恢复原状的正视图。

图6为本发明另一实施结构的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1-5所示，该利用船舶外形和压舱石原理设计的地震中不倒的建筑，包括建筑物本体6，埋置在地基7内与建筑物本体固为一体的呈船舶外形结构的基座1，填置于基座内的压舱石结构2，在基座的外沿船舷部分设置的向外凸出的缓冲压板3，在基座边沿的缓冲压板下设置的多个间隔排布的肋板4，以及在基座及缓冲压板周围设置的填置于地基内的缓冲构筑体5。其中，所述基座1设计成由钢筋混凝土或其他材料构成的船舶外形结构，该船舶外形结构的两端呈1/2半球体、中间呈半圆柱体，且该1/2半球体和半圆柱体的直径相匹配，该基座的弧面部分朝向地基一侧、平面部分朝向建筑物本体一侧，所述建筑物本体的高和重与基座重呈正相互关系，即建筑物本体越高越重，基座就越重；在正常状态的任何时候，所述建筑物本体的重心在所述基座中心位置，基座及压舱石结构的整体大小、重量，由建筑物主体(地面部分)在“满负荷”(预计最大入住后的重量)时整体中心始终在基座中心位置来确定。所述基座之船体部位放置的压舱石结构为比重较重的金属体或非金属体，作为压重。所述压舱石结构2为铅块、钢块、铁块或钢筋混凝土块等。所述缓冲压板3由钢筋混凝土或其他材料构成，并在基座的船舷部分布置一周；在发生地震使建筑倾斜时，该缓冲压板使建筑物本体和基座的最大倾斜角度不超过45°，即缓冲压板在基座单侧的宽度是建筑物本体倾斜到45°时缓冲压板外侧边缘接触到基坑底面的宽度。所述肋板4由钢筋混凝土或其他材料构成，其一部分与缓冲压板连接、一部分与基座连接。所述缓冲构筑体5由烧结砖或根据设计要求定制的混凝土或其他材料构成，可以是红砖、青砖等，也可以是定制的混凝土块；当建筑物本体和基座发生倾斜时，缓冲压板通过压碎该缓冲构筑体以减缓倾斜速度。所述建筑物本体6可按常规的抗震结构设计，本发明中未对建筑物本体的结构改动。所述地基7可设计为大于基座的基坑形式，其四周及地面可额外通过混凝土或钢筋混凝土加固，其结构还可体现为基座底部接触基坑底部，其余部分由缓冲构筑体填置将基座包围，基坑强度可以与基座强度相当，缓冲构筑体强度略低于底座。

关于基座倾斜问题设计。在地震次数较少、强度较低的地方，有人居住的建筑可设计为最大倾斜度在50-60度范围内；如果仅作储藏作用(不住人)，建筑的最大倾斜度可设计为45度；具体情况可根据建筑本身状态和建筑当地情况来计算确定。

如图4所示，地震发生时，地面的晃动产生的惯性力导致建筑物本体连同基座向相反方向来回晃动。首先，基座上部外沿的缓冲压板压碎其下部的红砖构筑的缓冲区，在这一过程中，下部的每层红砖必然对缓冲压板在整个建筑晃动时，对其施加作用力，产生反作用力。根据能量守恒定律，能量可以转移。整个建筑因地震产生的惯性力，会在缓冲压板压碎每层红砖的过程中，将这种惯性力的能力转移到每层红砖上，最后转移到基坑的周围和地面。同时基座的其他部位在缓慢的倾斜和晃动中也可以压碎红砖产生缓冲压板相同的作用。

即使地震的烈度很高，缓冲压板和基座的其他部位将缓冲构筑体一侧的红砖全部压碎，船舶外形边沿的缓冲压板根据设计已触及到基坑底面，但建筑仍保持60～50度(不住人时可设计为45度)，对人员、设备基本无害。何况，因为缓冲压板和缓冲构筑体的缓冲作用，地震在2-3秒的发生过程中(绝大多数地震是2-3秒，最长不超过80秒)，建筑只产生缓慢晃动，建筑内人员心理上也不会产生紧张和恐惧。再者，因缓冲压板和缓冲构筑体的设计，即使中等强度的地震，也变成了轻微震动。

如图5所示，地震结束后由于船舶外形基座中间下部的压重作用，和船舶外形的半圆柱体结构，整个建筑又回到原状。

作为另一种实施方式，当建筑物本体自重较重或需要修筑为超高层，且建筑所使用的土地面积有限时，可通过对基座部分的加强设计来满足在不明显扩大基座的占用面积情况下的支撑和防倒要求。具体为：在所述基座的船舷部分竖直加高形成船帮部分，所述基座及船帮部分外侧设置有向外凸出的至少两层缓冲压板，这些缓冲压板之间存在一定间隔，且由上至下的宽度逐渐减小，并在其间加设相应的肋板。如图6所示，基座船舷部分加高形成船帮部分，其外侧设置三层间隔的缓冲压板，此种情况下建筑物本体的底部可根据实际情况伸入或不伸入基座上部。

通过上述设计，有效地保证了建筑在地震中不会倒塌。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。