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、建築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&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築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説。

  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，是浙江大學建築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，位於河北省故城縣房莊鎮，由孫曉燕團隊建造，建成後成了當地一個“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築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，這座建築的抗震性能很優異。

  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&模型實驗。房子搬不來，根據工力所振動&尺寸限制，孫曉燕委託工廠做了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。”孫曉燕笑着説。

  到第二個工況時，還沒有出現明顯裂痕。

  振動&，是一種能模擬地震發生的設備。眼前的這&三向六自由度振動&，既可以水平方向震動，也可以産生豎向震動，還可以産生不同方式的轉動，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幹。

  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，飛向房屋模型後方。“它可以記錄下房屋整體情況。”孫曉燕説。

  “開始！”

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

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

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

  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&超高速攝像機，幀率可以達到3000，每秒産生6GB的圖像數據，房屋的每個細微變化都逃不過它的‘法眼’。”

  “對科研水平和工業製造能力的檢驗”

  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，是多學科的紮實科研成果和多領域的成熟技術裝備。

  拿超高速攝像機來説，它可以觀察到肉眼和普通相機難以捕捉的畫面，在工業生産、航天發射、汽車碰撞實驗等很多場景都有用武之地。比如在生産車間，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産工藝。

  “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&&，“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，來自國産品牌“老蛙”。雷秀軍説：“國外品牌鏡頭在一些焦段有優勢，但國産鏡頭廠商憑藉差異化競爭，近年來技術上取得長足進步，國産鏡頭也已進入我們的供應鏈體系。”

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

  再如振動&，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&，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&&陣系統，包括天津大學水下地震模擬振動&系統、北京建築大學大型多功能振動&、河海大學模擬地震水下振動&等。

  市場認可背後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，佔總營收的比重也由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，營收佔比增至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&有100多天都不閒着”。

  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&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、建築工程抗震、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，並出口應用於印尼雅萬高鐵。

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

  “3D打印蓋房子前景廣闊”

  隨着實驗深入，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，以及對民居破壞特徵明顯的汶川臥龍波，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築物倒塌引起的。大連理工大學建設工程學院副教授何化南告訴記者，為了保障建築安全，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。具體來説，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%，震後不需修理；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，但經修理後仍能使用；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、八度地震工況下雖産生裂縫但並未延伸至結構框架，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，並未發生倒塌和嚴重破壞。

  也就是説，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麼，並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，並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打印的混凝土建築堪稱“變形金剛”。一方面，通過數字設計、增材製造、預製裝配，3D打印建築可以快速精準建造，還可以適應多樣化的建築外形需求；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&&，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後續深入科研和相關技術推廣帶來信心。（記者 康樸）