“NS Wave®”——一种定制设计的地震运动模拟，用于结构安全验证。
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日本是世界上地震最频繁的国家之一。由于建筑物直接暴露于地震中，每次发生造成重大损失的大地震后，建筑规范都会进行修订和完善。日建设计始终致力于保障客户及其建筑物使用者的安全，不断探索结构技术方面的知识和方法，并在法律修订之前就着手研发我们独有的抗震措施。
回顾过去三十年左右的时间，日本各地发生了各种类型的特大地震，包括持续时间较长的长周期地震（会导致建筑物长时间摇晃）和对建筑物产生瞬时冲击力的内陆地震。虽然“地震烈度”是地震领域常用的指标，但还有其他一些指标用于验证建筑物的安全性。本文将介绍由日建设计株式会社开发的用于建筑结构设计的地震运动模拟软件NS Wave®。
什么是用于设计目的的模拟地震运动？
在解释 NS Wave® 之前，我们先来解释一下什么是用于设计目的的模拟地震运动。
在建筑物抗震设计中，利用计算机进行振动模拟，以验证建筑物在地震中的响应。用于验证的模拟地震动称为设计模拟地震动。此外，包含设计模拟地震动和观测地震动的验证地震动称为设计输入地震动。
什么是 NS Wave®（Nikken Site Wave）？
NS Wave® 是由日建设计株式会社开发的地震动作用模拟系统。虽然超高层建筑规范中规定的地震动作用模拟系统是全国统一使用的，不考虑场地位置或地震条件，但 NS Wave® 是基于规划场地实际可能发生的地震动作用模拟系统。
地震运动导致建筑物摇晃的过程可以解释如下：
地震是由于断层破裂引起的，地震产生的震动会穿过坚硬的地壳传播。这种震动以波的形式传播，因此被称为地震波。最终，这些地震波会到达预定地点以下数公里深处，并上升到建筑物地基正下方，在较软的沉积层中得到放大。地基正下方的这种地面运动会使建筑物摇晃，从而使建筑物内的居住者感受到震动。
在上述过程中，从震中传播到地基正下方的地震动特征分三个阶段进行捕捉：震源特征、传播特征和地层特征。NS Wave® 是一款设计模拟地震动软件，它针对每个规划场地在每个阶段设定条件。
直到地震波到达建筑物
NS Wave® 结合了地震学领域广为人知的理论和我们独创的波形理论，其概念基于地震学和地震工程知识。为每个规划场地生成设计模拟地震动所需的参数，均基于公共机构提供的公开数据和场地特定勘测数据。这些参数仅包含有限数量的数值，充分考虑了地震和场地特定条件，并且地震动生成方法本身的设计也力求让结构工程师能够直观地理解。正是由于这些精心设计的方法，NS Wave® 才能基于客观数据，从而被建筑设计人员充分理解。
关于地震动模拟设计（NS Wave®）的关键在于它能否捕捉到实际的地震动现象。本文给出一个实例。我们将2011年日本东北地震的观测波形与NS Wave®生成的地震动进行比较，后者是假设地震发生在该地震的断层上生成的。如下图所示，各周期分量的地震动强度变化趋势与观测记录非常相似。因此，可以说NS Wave®是一种能够生成与实际地震动现象趋势相符的地震动模拟方法。
NS Wave® と東日本大震災の観測記録の比較
※仙台市の観測記録は国立研究開発法人建築研究所の強震観測で得られたものを使用しています。
引用元：鹿嶋俊英, 小山信, 大川出: 平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震における建物の強震観測記録, 建築研究資料 No.135,国立研究開発法人建築研究所, 2012年3月
日建设计针对设计输入地震运动的专有开发演变。
日建设计一直走在抗震设计的前沿，紧跟每次地震后修订的建筑法规。
20世纪60年代末，摩天大楼设计尚处于起步阶段，当时仅使用少数几种实际观测到的地震动数据进行建筑振动模拟。例如，1940年帝国谷地震期间加利福尼亚州埃尔森特罗的观测记录，以及1968年十胜冲地震期间青森县八户市的地震动数据。换句话说，当时的设计中使用的地震动数据并非来自规划场地，而是来自其他地区。这些地震动强度不足以被视为会对30层以上建筑产生显著影响的长周期地震动，因此人们担心实际的震动强度可能被低估了。
最初，在讨论地震动强度时，通常评估的是地表加速度。然而，日建设计很快采用了地表速度的评估方法，因为地表速度与建筑物损坏的相关性高于加速度，并一直使用这种方法来考虑设计中的地震动输入。
1988年，我们独立开发了一种具有足够长周期分量的设计级模拟地震动（ART WAVE），并将其应用于摩天大楼的结构计算中。ART WAVE开发12年后，即2000年，一项法律修订在建设部发布的通知中规定了在摩天大楼和其他结构的设计中应考虑的地震动强度，其中需考虑长周期地面运动。根据该规定生成的地震动有时被称为通知波。然而，无论是ART WAVE还是通知中规定的设计级模拟地震动，都未能充分反映个别地震的特征或规划场地的独特地质特征。
1995年兵库县大地震后，日本迅速建立了国家地震观测系统，地震研究取得了长足进步，在地震学、地震工程和抗震工程领域积累了丰富的知识。基于这些知识，日建设计株式会社自1999年起历时六年开发了NS Wave®，用于模拟在结构设计中考虑实际场地地震现象的地震动，并自2005年起将其应用于结构设计中。随后，2016年，国土交通省发布了一种名为“长周期通知”的设计模拟地震动，该地震动模拟了南海海槽地震。这种地震动被称为“基本级涌浪”，并考虑了规划场地的特殊情况。日建设计株式会社也率先开发了这种能够考虑规划场地特殊情况的地震动模拟，领先于相关法规的出台。
我们相信，我们之所以能够以这种方式引领法律修订，是因为我们始终致力于考虑与时俱进的建筑物、建筑物所有者和用户的重要事项，而不是仅仅遵守修订后的法规，并在进行结构设计的同时，创造为此目的所必需的新技术。
设计输入地震运动的历史
设计输入地震动对比
考虑输入地震动是结构设计的第一步。
建筑本质上都是独一无二的创作；没有两栋建筑在场地、客户或用户方面是完全相同的。因此，每栋建筑都有不同的性能要求，必须根据这些特定的性能需求来设计每栋建筑。
此外，在抗震设计方面，地震条件和建筑物的抗震性能要求始终各不相同。NS Wave® 是一款可定制的地震运动模拟软件，能够根据这些具体情况进行调整。在设计中考虑地震运动是打造安全建筑的第一步。
日建设计的结构设计方法包括与项目相关人员进行广泛的沟通，以 NS Wave® 模拟的地震运动为前提，并在设计建筑物时考虑其预期用途和客户要求，以确定其抗震性能。
