为了设计能够承受最大风暴的建筑，麻省理工学院混凝土可持续发展中心的博士生 Kostas Keremidis 正在进行最小尺度-原子尺度的研究。该方法部分源自材料科学，将建筑物建模为原子尺度上一系列力的相互作用点。当您看建筑物时，它实际上是一系列柱子、窗户、门等之间的连接。新框架侧重于不同的建筑组件如何连接在一起形成建筑物，就像原子形成分子一样。

相似的力量将它们结合在一起，该框架被称为基于分子动力学的结构建模，无论是在原子级别还是在建筑规模上。最终，Keremidis 希望它可以为开发商和建筑商提供一种新方法，可以轻松预测飓风和地震等灾害造成的破坏。但在他预测建筑物的损坏之前，Keremidis 必须先组装一个模型。以建筑物为例，将其各自的元素划分为节点或“原子”。这是一种称为“离散化”的标准程序，它将建筑物划分为不同的点。

制作模型

然后根据每个“原子”的材质赋予它们不同的属性。例如，每个“原子”的权重可能取决于它是否是地板、门、窗等的一部分。对它们进行建模后，定义了它们的键。在建筑模型中，点之间的第一种键合称为轴向键合。这些模型描述了单元在荷载作用下如何在其延伸方向上变形——换句话说，它们模拟柱在荷载作用下如何收缩。 ，然后像弹簧一样反弹。第二种连接是角键连接，它表示梁等元素如何在横向上弯曲。 Keremidis 使用这些垂直和水平相互作用来模拟不同建筑元素的变形和破坏。

当断裂发生时，这些键变形太多，就像在现实结构中一样。为了了解建筑物在风暴或地震等条件下的行为，Keremidis 必须在大量模拟实验中彻底测试这些组合原子及其键。一旦您研究了这些模型和建筑物，您就可以运行模拟，您可以为元素或建筑物分配不同的负载，或为元素分配不同的属性。为了评估这些模拟条件或属性的结果，当它们在模拟过程中变形时，这些键将尝试将建筑物恢复到其原始位置。

细节受损

但它们也可能受到损害。这就是构建损坏模型的方法——计算损坏的钥匙数量以及损坏的位置。该模型的创新之处在于其损伤预测。传统上，工程师使用一种称为有限元分析的方法来模拟建筑物的损坏情况。就像麻省理工学院的方法一样，它也将建筑物分解成不同的部分。但这通常是一项耗时的技术，围绕元素的弹性而构建。这意味着它只能模拟建筑物的小变形，而不能模拟飓风载荷下经常发生的大尺度非弹性变形，例如裂缝。本研究的分子动力学模型的另一个优点是。

Keremidis 可以研究原子的布局并探索“不同的材料、不同的结构特征和不同的建筑几何形状”的特性及其结合。这意味着分子动力学可以模拟建筑物的任何元素，而且速度更快。通过将这种方法扩展到单个建筑物之外，分子动力学还可以为城市和减灾工作提供更好的信息。为了减少灾害，需要历史天气数据和十多种标准建筑模型来预测社区在灾害期间可能遭受的破坏。尽管 HAZUS 很有用，但它并不理想。它仅提供大约 12 种标准化建筑类型，并提供定性而非定量结果。

然而，MIT 的模型将允许利益相关者输入更详细的细节。相反，这项研究应该有 50 或 60 种建筑类型，该模型将使我们能够收集和建模更广泛的建筑类型。由于它通过计算原子之间断裂的化学键来衡量破坏程度，因此分子动力学方法也将更容易量化风暴或地震等灾害对社区造成的破坏。这种对灾害损害的可量化理解应该会导致对缓解成本和恢复的更准确估计。使用分子动力学方法，开发人员和机构将拥有更多工具来预测和减轻这些损害。

博克公园｜研究/来自：麻省理工学院/Andrew Logan

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