相信大家都看到过建筑物在受到地震或风力影响时，会出现东倒西歪的摇晃现象，即建筑物的振动（建筑物在外力作用下的周期性运动）。而建筑物在振动时产生的各种具体形态，被称为建筑振型。我们可以把这些建筑振型想象成舞蹈的基本动作。

下面就结合人体动作展示一下最常见的三种建筑振型：

第一阶振型 像站立时微微前倾，建筑物整体同向摆动

第二阶振型 如鞠躬姿态，建筑物出现中部弯曲

第三阶振型 类似“S”造型，建筑物呈现多段反向变形

建筑物的每一种振型都会对应一个属于自己的频率。每种振型的形态不同，所对应的振动频率也不同，类似音乐中各音阶对应的频率不同——例如中央C对应的频率是261.63赫兹。地震时，由于地震波是一种混合频率的能量，所以我们能观察到的建筑物的振动其实是由多种振型叠加的效果，其中主要是前面所讲的这三种常见振型的混合。越高阶的振型对应的振动频率越高，所需要的能量越大，越难出现。这就像我们可以很容易地做到身体前倾或鞠躬，但要摆出“S”造型，就需要努力一下才可能做到。

建筑振型对于建筑物的抗震、减震设计有什么意义呢？

在实际应用中，对于高层建筑、复杂建筑进行详细的振型分析必不可少，这有助于发现建筑物潜在的结构弱点，并采取相应的措施进行加强和改造，比如通过调整结构设计来避免与地震波的主要频率产生共振，其本质是改变建筑固有频率，从而抑制相应振型被激发。这一点也可以从音乐理论中得到启示，比如通过调节琴弦的松紧来改变其音调。

建筑振型对于我们的居住安全有什么意义呢？

就像我们平时体检所做的心电图项目，医生通过观察心跳的频率和波形来判断我们是否健康。同理，建筑物每遇一次地震或台风之后，工程师可以通过传感器来监测建筑物的振型发生了什么变化，就像给大楼“听诊”，了解其建筑结构是否安全、是否有损伤，相当于给建筑物做一次体检。

现今的城市建设中，建筑安全越来越依赖超高层结构健康监测系统，全国已有近千栋建筑安装了这种监测系统。这种系统利用北斗增强基站、结构安全监测一体机、单分向加速度计等传感器，对位移、沉降、加速度等数据进行采集测量，最终形成振动状态反应图谱，并与建筑物之前的状态作对比，从而判断其振型是否有改变，进而对建筑物的状态生成最终评估。这种监测系统就像保护建筑物安全的忠实卫士，用科学数据守护千家万户。

完

文 / 张韵子

来源 / 《科学24小时》

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