科研人员在为产生裂缝的点位做标记。
本报记者 康 朴摄
振动台上，液压杆通过剧烈晃动模拟地震。（俯视图）
受访者供图
海外客户在交付现场了解中科视界的超高速摄像机使用方法。
受访企业供图
本报记者 康 朴摄
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在河北省三河市燕郊经济开发区潮白大街1号，中国地震局工程力学研究所（以下简称“工力所”）科技园区，由智能建造、建筑结构和工程抗震专家组成的科研团队正在紧张地进行一场“破坏性”实验。振动台上，一座3D打印民居模型正经历“生死”考验，来自浙江大学、大连理工大学和工力所的师生密切关注它的表现。
为啥要做这场实验？实验是如何进行的？房屋模型表现如何？记者来到现场探访。
“测试目标就是把它震坏”
走进工力所科技园区，几排露出裂痕的废弃建筑物模型引起记者注意。“这些都是我们震坏的。”工力所博士生赵登科说。
戴好安全帽，赵登科带记者走进实验场地。
这座3D打印混凝土民居模型，是浙江大学建筑工程学院副教授孙晓燕团队送来测试的。模型原型也是3D打印的，位于河北省故城县房庄镇，由孙晓燕团队建造，建成后成了当地一个“景点”，吸引不少行业专家和当地老百姓前去“打卡”。
打印的房子，结实吗？这是孙晓燕被问得最多的一个问题。
结不结实，最关键得看抗震性能。她曾联合专注数字建筑与打印设计业务的灵砼科技（杭州）有限公司，用三维数字模型精确计算过，理论上，这座建筑的抗震性能很优异。
为进一步验证理论分析和模拟测算结果，孙晓燕与多领域多学科专家研讨决定，开展振动台模型实验。房子搬不来，根据工力所振动台尺寸限制，孙晓燕委托工厂做了5米长、1米多宽的最大尺寸缩尺比例全屋模型。
此次实验总共设定6个工况，每种工况下要进行7次测试。“测试目标就是把它震坏，看看究竟能闯到第几关，承受多强的地震。”孙晓燕笑着说。
到第二个工况时，还没有出现明显裂痕。
振动台，是一种能模拟地震发生的设备。眼前的这台三向六自由度振动台，既可以水平方向震动，也可以产生竖向震动，还可以产生不同方式的转动，是国内最先进的一套地震模拟设备，房屋、桥梁、隧道、大坝、管道、输电线路的抗震测试它都能干。
一边跟记者介绍设备情况，作为现场总指挥的赵登科一边拿起对讲机发出指令：“工况3—1，实验准备。”
“可以测试。”对讲机那头，中控室工作人员已准备就绪。
一架无人机从地面起飞，飞向房屋模型后方。“它可以记录下房屋整体情况。”孙晓燕说。
“开始！”
随即，耳畔传来一阵蜂鸣，振动台液压杆剧烈抖动——地震来了。房屋出现轻微晃动。
震动消失后，几名科研人员箭步迈上振动台，目光仔细扫描房屋模型的每个角落，对产生裂痕的地方做下标记。
肉眼观测只是辅助。布置在模型上的加速度传感器、位移传感器、应变片和基于视频识别的光斑跟踪技术，加上房屋两侧的4台超高速摄像机，可以更精准捕捉房屋经历模拟地震后发生的细微变化。
超高速摄像机厂商合肥中科君达视界（以下简称“中科视界”）工作人员祝良应告诉记者，普通单反相机，可以拍摄帧率为120的视频，也就是每秒钟成像120个画面。“这台超高速摄像机，帧率可以达到3000，每秒产生6GB的图像数据，房屋的每个细微变化都逃不过它的‘法眼’。”
“对科研水平和工业制造能力的检验”
在现场，看着各方争相亮出“绝活儿”，记者颇有感触：支撑这场实验的，是多学科的扎实科研成果和多领域的成熟技术装备。
拿超高速摄像机来说，它可以观察到肉眼和普通相机难以捕捉的画面，在工业生产、航天发射、汽车碰撞实验等很多场景都有用武之地。比如在生产车间，机械臂快速运动，超高速摄像机能记录下每一个瞬间，从而帮助企业校准机床或改进生产工艺。
“接下来将要发布的一款新品，可以达到10万帧/秒，对标国际领先水平。”中科视界副总经理雷秀军表示，“帧率的大幅度提升，对处理器和存储性能提出了极高要求，这些构成了公司的技术‘护城河’。”
记者观察到，超高速摄像机使用的长焦微距镜头，来自国产品牌“老蛙”。雷秀军说：“国外品牌镜头在一些焦段有优势，但国产镜头厂商凭借差异化竞争，近年来技术上取得长足进步，国产镜头也已进入我们的供应链体系。”
雷秀军忆及创业初期，产品刚问世，国内客户为他们提供了宝贵的机会，并提出很多建议帮助改进产品。“产品只有走向市场，在实际应用中才能不断迭代进步，上下游的互相扶持对产业健康发展十分关键”。
再如振动台，来自一家专精特新“小巨人”企业——博科测试。除了眼前这套振动台，博科测试还落地数个超大规模多自由度振动试验设备及振动台台阵系统，包括天津大学水下地震模拟振动台系统、北京建筑大学大型多功能振动台、河海大学模拟地震水下振动台等。
市场认可背后是实打实的研发投入。2021年至2023年期间，博科测试的研发费用由2469.28万元增至3094.56万元，占总营收的比重也由6.09%增至6.60%。2024年上半年，公司继续加码研发，研发费用支出1858.16万元，营收占比增至8.67%。
还有承担这次实验的工力所。工作人员刘江涛告诉记者，国内能做模拟地震实验的单位屈指可数，“一年下来，这套振动台有100多天都不闲着”。
他指向墙边的一套大型仪器：“不只是抗地震实验，这不，一家创业企业送来了抗震动系统，它可以通过算法帮助船舶在翻滚的海浪中维持稳定，下周它就要上振动台了。”
记者了解到，工力所是国内唯一以地震工程为主攻方向的研究机构，在强震动观测及其应用、建筑工程抗震、地震灾害风险区划与防治、地震工程试验技术、地震与工程振动测量技术等领域成果丰硕。去年，由工力所牵头研发的新一代高速铁路地震预警监测系统，在国内应用线路长度超1500公里，并出口应用于印尼雅万高铁。
做这场实验，门槛不低。孙晓燕说：“一场高水平科学实验，也是对科研水平和工业制造能力的检验。”
“3D打印盖房子前景广阔”
随着实验深入，地震强度越来越高，蜂鸣声也越来越大，房屋开始出现裂痕。
直到第六个工况，液压杆摇动时，记者脚下站立的区域也出现明显晃动，亲身感受到地震带来的眩晕感。
赵登科告诉记者：“实验选择了与民居所在地地震特性接近的唐山波、山东平原波，以及对民居破坏特征明显的汶川卧龙波，按照六度、七度、八度和九度地震强度分别加载。”
地震中，大多数人员伤亡是由建筑物倒塌引起的。大连理工大学建设工程学院副教授何化南告诉记者，为了保障建筑安全，我国制定了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。
抗震设防目标是一个与地域相关的概念，而非震级。具体来说，小震指多遇地震，即在50年设计基准期内，超越该烈度的概率为63%，震后不需修理；中震是指基本烈度的地震，在50年设计基准期内超越概率为10%，允许有一定的损坏，但经修理后仍能使用；大震是指罕见地震，在设计基准期内，超越概率为2%—3%，其设防目标为防倒塌，保护生命安全。
经过一天的实验，房屋模型在六度地震工况下未发生主体结构损坏；在七度、八度地震工况下虽产生裂缝但并未延伸至结构框架，整体结构完整；在九度地震工况下裂缝贯通但结构主体完整，并未发生倒塌和严重破坏。
也就是说，3D打印民居模型经受住了考验。这时，孙晓燕决定，给模型加配重——看看这种新型民居在极端地震荷载下的结构破坏形态是什么，并从中找到抗震设计的关键。
工力所研究团队根据房屋原型，为模型设计了1吨的配重继续实验。结果显示，现有模拟地震所致的裂缝未到达房屋结构内部的钢筋混凝土框架，抗震性能优异。孙晓燕计划继续研究实验中出现的损伤，并适时开展原型抗震试验，进行3D打印混凝土结构优化设计。
在孙晓燕眼中，3D打印的混凝土建筑堪称“变形金刚”。一方面，通过数字设计、增材制造、预制装配，3D打印建筑可以快速精准建造，还可以适应多样化的建筑外形需求；另一方面，墙体内含空腔，嵌合钢筋框架形成钢筋混凝土结构，抗震性能好，安全耐久。
“在广大乡村地区，自建房多为砖瓦结构，壮劳力也存在短缺，用3D打印技术盖房子前景广阔。”孙晓燕表示，作为新型建造工艺，3D打印混凝土民居的可靠性需要经过进一步专业认证和实践检验，缩尺模型的良好抗震性能为后续深入科研和相关技术推广带来信心。