《Science》：地震发生后你的建筑还安全吗？让这些便宜的传感器告诉你吧
地震发生后你的建筑还安全吗？让这些便宜的传感器告诉你吧
SCIENCE
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By Lizzie Wade | Feb. 27, 2019, 1:15 PM
赵鹏举 译
译者注：文中时间均为墨西哥当地时间
一幢位于墨西哥城的办公楼在2017年的一场地震发生后50分钟才倒塌，而这时，人们已经重新返回了办公楼内。（图 RODRIGO JARDON ）
JANTETELCO, 墨西哥 —— 2017年9月19日下午1点14分，Mariano Matamoros 小学遭受了地震。这场7.1级地震的震中在40公里之外，附近的土地被撕裂，在墨西哥造成了近400人死亡。这所小学所在的小镇上，常见的土坯建筑已经开裂和倒塌。学校里，一个二楼的楼梯平台在一根破裂的混凝土柱上倾斜着，岌岌可危。校长 Casimiro Enríquez Vergara 说，所有的学生和老师都被安全疏散，教学楼也已经被修缮，但在地震发生后的几个月里，年幼的学生们还是担心回到二楼的教室。他说：“我们现在听到任何响亮的声音，都以为是地震”。
现在，这所学校已经成为墨西哥首批装备有一种廉价的传感器系统的学校之一，在未来的地震中，该系统将监测震动并自动评估结构是否发生了损坏。这套名为 Pulse 的系统由墨西哥城的 Grillo 公司销售，它背后的创意并不新鲜。长期以来，地震工程师一直在桥梁和摩天大楼等大型关键建筑中安装传感器，以便发现地震发生后结构中隐蔽的致命破坏。传感器成本的直线下降以及处理所有数据所需的云计算的支持，使得公共和私营部门的研究人员得以在世界许多地方部署传感器。科学家们希望该系统能够拯救生命，并在发生致命地震后帮助确定维修的优先顺序。
“长期以来，这一直是工程界的梦想。”位于帕萨迪纳市的加州理工学院 (California Institute of Technology) 的土木工程师和地球物理学家 Thomas Heaton 说。他将这个被称为“结构健康监测”的领域比作“测量建筑物的血压”，并希望有一天，地震危险地区的所有建筑物都能得到持续监测。Heaton 说，多亏了这些新的廉价设备，现在“这真的是可行的”。
近年来，小型加速度计——一种能精确测量三维空间中物体随时间运动的设备，已经变得更好、更便宜。在智能手机、汽车和视频游戏控制器中使用的加速度计现在已经足够灵敏，可以探测到远处的震动和细微的建筑震动。
当这个红绿灯安装在建筑物外面时，如果进入室内是不安全的，它会进行预警。（图 LIZZIE WADE/SCIENCE）
Grillo 公司的研究人员表示，在建筑物的每一层安装 Pulse 传感器，可以让它们测量与结构健康有关的一个关键指标，即层间位移角——地震时楼层突然偏离垂直方向的程度。加州理工的土木工程师和地震学家 Monica Kohler 说: “建筑物可以承受一定的层间位移”。但如果超过了建筑的特定界限 (不同的建筑物有不同的界限)，它们就会受到永久性的破坏，甚至会倒塌。为了确定破坏程度，这些系统将建筑物的层间位移与计算机模型所确定的极限进行比较——理想情况下，计算机模型是根据该建筑物的结构图制作而成。
对于像墨西哥这样的发展中国家的个人住宅或者学校来说，这是不现实的。相反，Grillo 公司使用各种建筑类型的标准蓝图。例如，这里的混凝土框架，一个两层的小学，它“就像你在墨西哥所看到的其他混凝土框架一样典型”，作为建筑师、Grillo 公司创始人兼首席执行官的 Andrés Meira 说。“除非他们建造它时没有依据标准，否则我们应该非常清楚它应该如何移动。”Grillo 公司拒绝在不遵循标准设计的建筑中安装 Pulse 传感器系统。
使用标准化模型有助于降低成本。Grillo 和与其类似的系统，比如P-Alert (由台北三联科技公司制造并部署在台湾和菲律宾的建筑物中)，价格为1000美元或更低，相比之下，在政府机构的地震学家使用的传统传感器网络需要数万美元。
在最近的一天，Meira 和Grillo 团队在学校每层楼的教室墙壁上安装了含有 Pulse 传感器的橙色塑料盒，并用网线连接起来。然后，他们将一个薄的圆柱形红绿灯固定在建筑物的外面。Grillo 的地震学家 Luis Rodríguez Abreu 表示，地震发生后，如果绿灯亮起，建筑很可能是安全的，红灯或橙灯分别意味着破坏或可能破坏，在工程师进行检查之前，任何人都不应该进入建筑物。
他说，Pulse 传感器不会取代那些专家检查，但应该成为专家在强烈地震后混乱的几小时或几天内确定工作优先顺序的工具。它还可以警告人们建筑可能有隐蔽的破坏，而这可能是致命的。例如，在2017年墨西哥地震中，当震动结束50分钟后，墨西哥城的一幢四层办公大楼发生倒塌，而此时，一些人已经重返办公楼内进行工作。
“如果您安装了传感器，您可以快速识别受损和未受损的建筑物，并专注于可能受损的建筑物，”位于台北的台湾大学的地震学家吴逸民 (Yih-Min Wu) 表示赞同，正是他开发了P-Alert。同样重要的是，这种系统可以让人们知道他们的家和办公室是安全的。
Kohler 说，在确定建筑物是否受损时，这种低成本的系统“确实能做到非常好的初判”。然而，作为加州理工社区地震网络项目的一部分，她进一步与加利福尼亚州的洛杉矶联合学区 (Los Angeles Unified School District) 合作，在约300所公立学校安装了已针对特定建筑模型进行校准的传感器。她希望有一天能看到几乎每个建筑物都受到监测，并且结构图纸常规可用，这样科学家们可以为每个建筑物量身制作模型。
Posted in : Latin America, Technology
doi:10.1126/science.aax1677
赵鹏举
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