搭建在三维振动台上的10层模拟办公楼。通过安装在立柱和墙壁上的多个传感器，获取振动台晃动时的测量数据（图片由防灾科学技术研究所兵库耐震工学研究中心提供）
【科学大设施】的第3回将向大家介绍日本防灾科学技术研究所（简称“防灾科研”）建造于兵库县三木市的全尺寸三维地震破坏实验设施“E-Defense”。这个巨大的振动台是在1995年的阪神/淡路大地震之后建造的，2005年开始运行，20多年来，一直活跃在日本的抗震技术研发一线。
震毁建筑是为了造出不会坍塌的建筑
从神户市中心的新开地车站乘40分钟电车后在绿丘站下车，再开车约10分钟后，一座巨大的白色建筑物便映入眼帘。这就是坐落于郁郁葱葱三木综合防灾公园的一角的、隶属于防灾科研的E-Defense。
位于E-Defense中心的实验栋，面积约5200平方米
外部有些底层结构暴露在外的建筑物，内部几乎空无一物，有的建筑物甚至没有窗户，乍一看根本看不出这是用来做什么的。这些建筑物是为了进行地震模拟实验而建造的建筑模），通过施加与大地震相同的振动来确认剧烈震动带来的影响。
东京大学生产技术研究所教授、兵库耐震工学研究中心主任中埜良昭解释道：“为了造出不会倒塌的建筑，就需要一个可以被破坏全尺寸模型的实验设施，E-Defense就是为此而建造的。”
用于实验的10层办公楼建筑模型。左侧是1～4层，右侧是5～9层，组合在一起后进行试验
为再次发生阪神/淡路大震灾而做准备
1995年1月17日上午5点46分，发生了以淡路岛北部为震源的大地震（兵库县南部地震）。地震造成了严重的灾害，许多房屋倒塌，超过6400人死亡或失踪。这场地震也被称作“阪神/淡路大震灾”。当时发布的最大烈度是6，但后来的调查显示，神户市中心和淡路岛北部记录到了的地震烈度为7。
阪神/淡路大震灾的受灾情况
中埜教授回忆说：“地震发生前，我一直在进行建筑物的结构评估，以及抗震诊断和抗震加固方面的研究。因此地震后，我想作为工程师我应该能做些什么，于是就去调查受灾的房屋，检查它们是否安全，为灾民提供一些帮助。”
为了确保再次发生如此大规模的地震时建筑物不会倒塌，应该采取哪些措施呢？在制定对策之前，要对这次地震到底引发了什么进行验证。为此，就有必要重现建筑物在地震中倒塌的过程。
中埜教授说：“我们在大学里也做实验，但由于规模的限制，只能使用缩小后的模型。但这样就无法知道在实际大小的建筑物中会发生什么。”于是防灾科学技术研究所便建造了新的耐震工程实验设施，地点选在神户市西北方与之相邻的三木市。中埜教授于2022年8月开始担任该中心的主任。
介绍E-Defense建造经过的中埜教授
E-Defense自2005年建成以来，18年里进行了120多次实验。2006年一家大型住宅建筑公司在此进行了大规模地震模拟实验。他们在振动台上设置了一栋使用了多种技术的独栋住宅，共进行了85次剧烈震动实验，包括18次烈度为6～7的非常强烈的地震模拟。
实验结果显示，建筑物没有出现重大损伤，研究和开发的成果以显而易见的方式得到了验证。这些技术已经作为原创的地震防护系统品牌化，被应用到各地的住宅中，守护着人们的安全。
可产生最大2米/秒的水平方向的摇摆
下面就来看看E-Defense的构造。为笔者讲解的是地震减灾实验研究部的佐藤荣儿和福井弘久。
置于实验栋中央的三维振动台的尺寸为15米×20米，是世界上最大的振动台。对此，佐藤先生解释道：“如果是紧凑型住宅可以并排放两栋，因此可以放一栋老旧建筑和一栋有抗震加固的建筑，或者一栋有隔震结构的建筑和一栋没有隔震结构的建筑，实际施加振动加以比较。”
E-Defense的高度约为 43 米，即使10层的建筑物也能放入其中， 2015年就在这里进行过10层楼的测试。但是建筑物的入口和出口的高度只有20米，因此，如果高度超过20米，就需要要将建筑模型分为两部分建造，运进来之后再连接到一起。为此，实验栋配备了两台起重能力达到400吨的高性能起重机。
在振动台上进行解说的佐藤先生（左）和福井先生
为了使振动台运动，在水平方向设置了纵横各5个致动器，垂直方向设置了14个致动器。这些致动器通过接口连接到振动台，使其能够以每秒2 米的最大速度水平运动，以每秒70厘米的最大速度垂直运动。
振动台的结构。可在水平方向移动±1米、垂直方向移动±50厘米（图片由防灾科学技术研究所兵库耐震工学研究中心提供）
通过液压为这些大型设备提供动力。建设E-Defense的时候利用了当时的最新技术，并增加了“蓄能器”（储压罐）的容量，使其能够实现各种各样的振动效果。
实验栋的地下一层布满了不同粗细的液压管道。就像人体模型的动脉和静脉一样，使用前的液压油管道为橙色，使用后的液压油管道为蓝色。
福井先生讲解油压原栋的蓄能器
考虑整个城市的恢复力，E-Defense不断进化
在E-Defense建成六年后，2011年3月11日发生的东日本大地震，出现了与阪神大地震完全不同的长时间振动。中埜主任介绍说：“以前的E-Defense无法模拟如此长周期的地震运动，为此我们升级了振动台，使其能够振动更长的时间。”
另外，E-Defense的目标不仅仅是为了建造不会倒塌的建筑物。“阪神大地震后，有很多建筑物虽然结构完好，但也无法居住了。所以，建造不会倒塌的建筑物当然是首要目标，但保护建筑物的功能也很重要”，中埜主任如此介绍道。为此，他们也在开展为建筑物附加性能以维持使用功能的研究，并进行了多个实验。
此外，研究课题还包括整个城市的恢复力。2007～2009年以及2018年，研究中心进行了实证实验，调查公路桥梁有无抗震加固件时遭受地震破坏的差异。过去，大地震经常造成桥梁无法使用，给救助伤员和运输救援物资带来困难。通过该实证实验确认了抗震加固件方法的有效性，对“抗震城市”的建设做出了贡献。
中埜主任表示：“到目前为止，我们一直都是对一个个的建筑物进行实验，但我们意识到，必须以街区或城市为单位来思考如何才能减少损害。我还希望研究连续发生多次地震的情况，以及暴雨期间发生地震的情况。”
E-Defense就是这样根据社会的需求而不断进化的。
隔震部件也进行实物大小实验，建筑商参与其中
另一方面，阪神大地震后，作为保护建筑物功能的方法的隔振构造的优越性广为人知。隔振结构是通过在建筑物下方安装隔震部件（装置）以防止地震能量传递到上方结构的系统。
以前隔震部件的开发是通过制作微缩模型进行的，之后需要对全尺寸进行动态实验。因此在今年4月，日本隔震研究推进机构在E-Defense旁边建造了日本第一个实物大小隔震试验设施“E-Isolation”。使用层压橡胶和阻尼器等各种装置作为试验体。
在E-Isolation的中央设置的隔震部件施加振动。可实现水平方向130厘米、垂直方向25厘米的运动。
刚刚投入运转的E-Isolation尚未取得显著的业绩，但很多总承包商和大学都参与了其运营，并寄予了很高的期望。隔震研究推进机构的事务局长宫原贵昭表示：“我们希望通过彻底验证支撑隔震结构的部件，为全球的隔震研究做出贡献。”
站在隔震部件旁边进行解说的宫原局长
为了保护世界各地的人们免受地震伤害
今年2月，地震减灾实验研究部的福井先生被派往因地震而受灾严重的土耳其，对灾区进行调查。福井先生回忆道：“虽然每个人都热情地接待我，但我能感受到他们内心的痛苦。作为一名工程师，希望将来能与当地人一起做些力所能及的事”。
还有很多海外的研究机构提出使用E-Defense的请求，研究中心与台湾、意大利、美国等多个国家和地区都有合作。中埜主任展望未来时表示：“地震多发国有很多共同的课题。我们希望组建一个全球团队来制定研究主题，通过将海外进行的模拟与在这里进行的实物大小实验相结合等手段来推进研究，并推广应用研究成果。”
日本是地震多发国，历史上曾多次发生过大地震，因此拥有丰富的地震知识，在地震对策方面也走在世界前列。E-Defense和E-Isolation在保护世界各地的人们免受地震破坏方面发挥着极其重要的作用。
日文：JST Science Portal 编辑部
中文：JST客观日本编辑部
【相关链接】
•E-Defense官网
•E-Defense介绍视频
•申请参观E-Defense
•E-Isolation官网
