日本最新隔震、减震技术介绍
暨广东省建筑设计研究院
2013/11/22
讲演内容日本建筑隔减震技术应用冯德民,deminf@微信：deminf日本FUJITACorp.(藤田)首席研究员广州大学，同济大学，南京工业大学客座教授1
Fujita公司概况日本的抗震设计，长周期地震动隔减震,TMD技术概要隔减震结构设计隔减震结构施工隔减震结构维护管理和中国的合作模式隔减震技术在311地震中的表现
个人简历 1985年毕业于同济大学 1986年赴日于东京都立大学攻读硕士，博士 1992年3月获东京都立大学工学博士 1992年4月进入FUJITACorp.工作至今– 1995年阪神大地震后访问华南建设学院– 1997年把国产橡胶支座引入日本至今已应用50个项目
株式会社藤田 (Fujita)http://www.fujita.co.jp 日本大和ハウス工業集团创业：1910年12月建筑总承包业(建筑70%,土木30%) 2012营业额30亿美元。集团240亿美元员工1,900人中国分公司500人，日资最大完成隔震项目100(5%),减震项目40(5%)设计院150人科研所70人
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Fujita技术中心简介
技术中心设施
日本的地震环境
8
土木学会HPより
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20世纪发生在中国的大地震
中日地震级别对比邢台地震1966 M6.8死者8064昌馬地震1932 M7.6死者7万海原地震1920 M8.5死者24万畳渓地震1933 M7.5死者2万四川汶川地震2008 M8.0死者7万古浪地震1927 M8.0死者4万海城地震1975 M7.5死者1328唐山地震1976 M7.8死者24.2万華県地震1556死者83万
回归周期层间变形角 (混凝土框架)结构构件
地震大小小震中震大震小震大震小震大震
日本 50a 500a 1/200 1/50a不屈服塑性状态
中国 50 4751600~2500
1/550 1/50弹性状态塑性状态
通海地震1970 M7.7死者1.5万
瀾滄 耿馬地震1988 M7.6/7.2死者743
中日地震级别对比Response acceleration (g)1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 Period (s) 5 6 h=5% Japan China USA(IBC)500年 1975年 475年
日本的抗震设计 地震力相当于8.5度。基本上没有地区差别。 分50年，500年回归周期两阶段设计。要进中国规范小震设计，大震变形验算。行第二阶段的弹塑性设计(Pushover)。 结构设计为性能设计，没有结构体系的限制。如中国框架结构7度区限高55m,而日本 150m也可。 超过60m的超高层结构必须经过审查。几乎 100%采用隔减震技术。
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日本的抗震设计 多采用钢楼梯，和主结构采用铰接。不影响地震时主结构水平力的传递模式。 采用高强混凝土如C150级。用预制混凝土结构(预制柱，梁，半预制楼板)模式保证质量并缩短工期，配合隔震减震体系保证抗震性能。 多采用ALC干式，轻质隔
间墙或轻钢龙骨石膏板墙，这样减少自重，并追随主体结构的较大的层间变形。
日本的隔震减震设计 规范对于隔震结构设计，隔震器材认证有明确规定。但对于减震结构没有规定。 关于隔震结构设计，视其复杂程度可以选用简易计算或时程分析法。 主要隔震器材有橡胶支座(天然，铅芯，高阻尼),滑板支座，滚动支座；油阻尼器，钢阻尼器，铅阻尼器，摩擦阻尼器。 如采用减震结构，减少断面时，则需要通过结构审查。(采用钢阻尼器的结构可以使用能量设计法)
日本抗震设计法的变迁1924年 1950年 1981年 2000年 2005年「市街地建築物法」 (导入震度法)「建築基準法」(抗震设计法的法律化)「新耐震設計法」(导入弹塑性大震演算法)「基于性能的抗震设计法的导入」 (除结构安全性外，重视修复性)「基于能量平衡原理的抗震设计法」
建築物の区分と構造計算
神戸大孫教授
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RC建築物の一次設計と二次設計
RC建築物の二次設計と耐震計算ルート
許容応力度とは 部材を構成する材料の破壊強度を安全率で除した応力度を許容応力度という。 許容応力度には、長期と短期とがある。長期は常時荷重に対して、短期は地震時、暴風時、積雪時に対して検討を行うための許容応力度である。 具体的な許容応力度の値は、行政や学会から示されている。
钢材的容许拉应力
鋼材の破壊強度は、降伏強度になります。 鋼材の長期許容引張応力度は、降伏強度の3分の2です。安全率は1.5になります。 また、鋼材の短期許容引張応力度は、長期の1.5倍。すなわち、降伏強度と同値です。この場合の安全率は、1.0です。
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中日钢筋强度比较呼中国称引張設計強度 270 300 360 200 220(*200) 220(*200)圧縮設計強度 270 300 360 295 345 390降伏標準値 300 335 400基準強度 295 345 390 HPR300 HRB335 HRB400日本 SD295 SD345 SD390
混凝土
長期引張、圧縮短期引張、圧縮
コンクリートの破壊強度は圧縮強度、すなわち、最大圧縮応力度になります。 コンクリートの長期許容圧縮応力度は、圧縮強度の3分の1です。このときの安全率は3.0です。 また、コンクリートの短期許容圧縮応力度は、長期の2倍です。すなわち、圧縮強度の3分の2です。このときの安全率は1.5になります。
中日混凝土强度换算中国
中日混凝土强度比较強度等級 fcuk圧縮強度標準値 fck圧縮強度設計値 fc基準強度 Fc日本長期許容圧縮応力度短期許容圧縮応力度 C30 20.1 14.3 Fc22 7.3 14.7 C35 23.4 16.7 Fc26 8.7 17.3 C
40 26.8 19.1 Fc30 10.0 20.0 C45 29.6 21.1 Fc34 11.3 22.7 C50 32.4 23.1 Fc38 12.7 25.3 C55 35.5 25.3 Fc42 14.0 28.0
95% reliability
Fc 0.82 C 3Japan China
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地上部分の地震力の計算
BuildingCenterofJapan(BCJ).1965~http://www.bcj.or.jp/en/index.html
日本的抗震设计(时程反应分析)性能评定机关http://www.gbrc.or.jp/english/index.html
TheGeneralBuildingResearchCorporationof Japan(GBRC).1964~
TheJapanSocietyofSeismicIsolation(JSSI). 2002?~
JAPANERICO.,LTD.(ERI).2002?~ TheCenterforBetterLiving(CBL) HouseplusArchitecturalInspectionInc. BureauVeritasJapanhttp://www.j-eri.co.jp/
http://www.jssi.or.jp/English/eng0.html
Private Companies
etc.
日本的抗震设计(时程反应分析) 设计内容不受规范限制(没有强条)分小震，大震两阶段设计。上部结构多采用质点系。地震波各用3条以上。一般采用拟合工学场地的加速度反应谱而成的地震加速波。为评价其相对强度，同时采用最大速度峰值标准化为25cm/s,50cm/s的实际加速度记录。 大震地震波可以选用安评的场地波(不需要资质，设计院可自行决定)
PerformanceTarget地震水准水准1(小震)下述1)或2)分析用地震波 1)告示波+记录波×25/PGV 2)记录波×25/PGV满足1)和2)评估标准 1)层间变位角≤1/200 2)构件应力≤短期容许应力度水准2(大震)下述1)或2) 1)告示波+记录波×50/PGV 2)场地波+记录波×50/PGV满足1)至3) 1)层间变位角≤1/100 2)层间塑性变形率≤2.0 3)构件塑性变形率≤4.0
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结构概要①使用材料及び許容応力度②固定荷重、積載荷重、積雪荷重及びその他の荷重に関する検討(固定荷重、積載荷重、積雪荷重等に関する構造計算書)③設計用層せん断力の検討(層せん断力の分布形等)④応力解析概要⑤応力図⑥部材設計(部材断面、継手、仕口等の設計)⑦地下階及び基礎の設計⑧耐震設計に関する検討(建築物に作用する地震力に関する構造計算書)⑨耐風設計に関する検討(建築物に作用する風圧力に関する構造計算書)⑩風圧、地震等に対する屋根ふき材、外装材等の検討(い) 土砂災害特別警戒区域内における居室を有する建築物にあっては、土砂災害に対する検討等
时程反应分析概要①時刻歴応答解析の方針(解析手法、使用プログラム)②採用地震動(地震動の選択作成方法等)③応答解析結果(応答最大加速度分布、応答最大層せん断力分布、応答最大転倒モーメント分布、応答最大層間変位(変形角)分布、応答最大塑性率分布及び構造計算書)等
上部结构的模型化(1)建築物の振動系モデルは、建築物の構造方法、振動性状によって建築物の各部分に生じる力及び変形を適切に把握できるように設定されていること。この場合において、特定の部材への応答値を直接評価することが適当な構造方法、振動性状を有する建築物の場合には、その目的に適した振動系モデルが設定されていること。(い) (2)建築物と地盤の動的相互作用が建築物の振動性状に与える影響が大きいと推定される基礎構造を有している場合には、その影響を適切に考慮できる振動系モデルが設定されていること。(い) (3)振動系モデルの復元力特性及び減衰特性は、建築物の構造方法及び振動性状を適切に反映したものであること。(い) (4)層としての復元力特性を設定する場合には、地震力の各階についての分布を適切に仮定し、各部材の弾塑性復元力特性を適切に考慮した上で行った静的弾塑性解析の結果に基づく方法又はそれに準ずる方法によって行われていること。(い)
上部结构的模型化
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水平方向地震反应分析(1)建築物の各応答値は、入力地震動を受ける振動系モデルについての運動方程式を適切な方法によって解くことにより求めていること。 (2)建築物の平面直交主軸2方向のそれぞれに地震動が加わった場合の応答を別途に求めていること。また、2方向同時に地震動が加わった場合の応答又は主軸に対して45度方向に地震動が加わった場合の応答の影響を適切な方法によって評価していること。 (3)上下方向の地震動の影響を水平方向地震動との同時性の関係を考慮して、また建築物の規模及び形態を考慮して適切に評価していること。 (4)平面的に長大な寸法をもつ建築物等、入力地震動の位相差の影響を受けるおそれのある規模及び形態をもつ建築物に対しては、その影響を適切な方法によって考慮していること。 (5)鉛直方向の荷重に対する水平方向変形の影響を適切に考慮していること。
水平向地震动设定(1)告示第四号イに定められた解放工学的基盤における加速度応答スペクトルをもち、建設地表層地盤による増幅を適切に考慮して作成した地震波(以下「告示波」という。)を設計用入力地震動とする。この場合、告示第四号イに定められた継続時間等の事項を満たし、位相分布を適切に考慮して作成した3波以上を用いること。 (2)告示第四号イただし書により、建設地周辺における活
断層分布、断層破壊モデル、過去の地震活動、地盤構造等に基づいて、建設地における模擬地震波(以下「サイト波」という。)を適切に作成した場合は、前項の告示波のうち極めて稀に発生する地震動に代えて設計用入力地震動として用いることができる。この場合、位相分布等を適切に考慮して作成した3波以上(告示波を併用する場合は、告示波との合計で3波以上)を用いること。 (3)最大速度峰值标准化为25cm/s,50cm/s的实际加速度记录。地震波小震(最大速度) cm/s大震(最大速度) cm/s
El Centro NS 1940 Taft EW1952 Hachinohe NS 1968 25.0 50.0
建築物のための設計用地震動の変遷'5 '6 0 0強震観測 '7 0 1968十勝沖 '8 0 1978宮城県沖 '9 0 1995兵庫県南部 '0 0 2003十勝沖 '1 0 2011東北地方太平洋沖
日本设计地震波制作方法 拟合工学基岩反应谱生成地震波–随机波+Jennings包络线–实际地震记录相位
新耐震設計法設計地震力
基準法改正設計地震動
超高層建築物のための設計用地震動
超高層建築物免震建築物時刻歴設計スペクトル告示波
観測波最大加速度弾性設計 200~300ガル弾塑性設計 300~500ガルエルセントロ、タフト、八戸地震動予測手法 (長周期、短周期)経験的方法
最大速度レベル1 25カインレベル2 50カイン
臨海波他地域波
根据地基反应求得地表地震波用于结构反应分析長周期地震動長継続時間エネルギースペクトル
BCJ指針長周期パルス波
サイト波
設計規範 (層間変形角、塑性率など)
– SHAKE等效线性法– RO非线性分析
詳細法(広帯域、ハイブリッド法他)断層モデル(インバージョン、アスペリティ)中防被害想定確率論的予測地図長周期地震動予測地図 35
水平两方向地震输入–其矢量方向最大值和单向输入相同。
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Groundmotiontimehistory120 100 Pseudo velocity (cm/s) 80 60 40 20 0500 Acceleration (cm/s ) 0 -5002
応答波
地盤増幅表層地盤中の波動伝播
加速度
応答波
時間
地盤物性
せん断剛性比;G/G0
G/G0 h
IBC2003 Site class D Random phase El Centro phase Hachinohe phase6 8
波動の入射 反射
0.1
2
4
1 Period (s)
6 8
2
4
6 8
102
IBC2003 RANDOM Amax=439.5 cm/s2
IBC2003 ELNS Amax=453.8 cm/s
スペクトル振幅
工学基盤 Vs=400m/ s地震基盤 Vs=3km/s
せん断ひずみ;γ
地震基盤波動伝播
入射波入射波
入射波の目標スペクトル
入射波模擬地震動のスペクトル
-1000 -1500
IBC2003 HANS Amax=460.4 cm/s
2
周期断層過去の地震
0
20
40
60 Time (s)
80
100
120
加速度
時間
规范反应谱加速度加速度
5%dampingaccelerationandpseud
o velocityresponsespectraResponse acceleration (g)1.5 h=5% 1.0 Japan China USA(IBC) Italy Taiwan
Pseudo response velocity (cm/s/g)
0.15
h=5% Japan China USA(IBC) Italy Taiwan
拟速度谱=加速度谱/ω位移谱=速度谱/ω
周期(秒)
0.10
速度
速度
0.5
0.05
周期(秒)
0.0
0
1
2
変位
変位
3 4 Period (s)
5
6
0.00
0
1
2
3 4 Period (s)
5
6
周期T(秒)地震応答スペクトルの例(El Centro 1940 NS xgmax=341(Gal) )
周期(秒)
加速度谱
拟速度谱
■建物に作用する地震力の全貌を示している点で工学的価値が高い
応答スペクトルの一般的な傾向
減衰定数;h
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基準化した速度SPECTRAPseudo response velocity (cm/s/g)擬似速度
20%dampingaccelerationandpseudo velocityresponsespectraResponse acceleration (g)1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 Period (s) 5 6 h=20% Japan China USA(IBC) Italy Taiwan
Pseudo response velocity (cm/s/g)
0.15
0.10
0.05
h=5% Japan China USA(IBC) Italy Taiwan
0.15
0.10
0.05
h=20% Japan China USA(IBC) Italy Taiwan
0.00
0
1
2
3 4 Period (s)
5
6
加速度谱0.00 0 1 2 3 4 Period (s) 5 6
拟速度谱
小结 比较了中国北京和日本东京反应谱，3s以上北京大于东京。 根据拟合反应谱得到的地震动进行同一个隔震时程反应分析法分析结果和上述现象吻合。 中国规范反应谱长周期下降段及阻尼影响系数亟待改善。
长周期地震动 只有大地震才会产生长周期地震动 直下型大地震 海洋型大地震长周期成分不衰减，对远处的长周期结构影响较大(311地震)
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Types of Seismically Response-Controlled System
耐震 制振 免震の地震時の揺れ
Aseismic building
Seismically isolated building
Response controlled (energy dissipation) building
3.3免震建物加速度応答非免震低層建物減衰小高層建物减震隔震免震建物
Energy absorbed systemHysteresisColumn
StatusColum
Aseismic
Beam
● Yield hinge Ground motion
減衰大周期 (b)加速度応答スペクトル
Isolated
Ground motion「JSSI公塚正行:免震構造スライド」資料
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Earthquakeenergyabsorbedエネルギー(x104tf cm)
Earthquakeenergyabsorbed20 15 10 5 0 5 10 15エネルギー(x104tf cm) (骨組のみ) Aseismic地震入力エネルギー Input energy (制震構造) Response controlled 20 15 10 5 0 5 10 15 20時間(sec)地震入力エネルギー Input energy
Input energy Absorbed energy by SI layer Kinetic energy
Kinetic energy
x cx x kxx m x m x yHysteresisDamping energy
主体構造の損傷により Absorbed energy by消費したエネルギー hysteresis damping
20時間(sec)
パネルダンパーが Absorbed energy by消費したエネルギー dampers
Example 1 with elastic upper building Example 2 with under elastic-limit
building
Absorbed energy by SI layer
Absorbed energy by viscous damping
免震構造の考え方
隔震结构
免震構造は、次のような考え方で地震による地面の揺れを出来るだけ伝わらないようにし、さらに揺れを素早く抑えます。免震装置の役割建物を支える元の位置へ戻す地震発生時間
揺れを減衰させる地震発生時間
(Support)
(Restoring)
(Damping)
建物を空中に浮かせて,完全に地面と縁を切るのが理想ですが 。
地面と建物の間にすべり材などを設置して,出来る限り地面と縁を切った状態で建物を支えます。
このままでは建物がどこまでも動いてしまうので,バネ等で元の位置に戻るようにします。
バネだけでは地震の後，長い間揺れ続けるので,ダンパーを設置して揺れを素早く抑えます。
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SeismicIsolationBuildingClearance
Types of seismically isolated buildingsAseismic Base isolated Mid-story isolatedUpper structure Upper structure Upper structureExp.J.
Isolation laye Sub structure
IsolatorIsolation layer
一様な剛性 耐力分布にすることが必要用途と最適な構造形式の整合が困難建築計画に制約
地震入力を低減可能
比較的自由な構造計画が可能用途と構造形式の整合が困難建物周囲にエキスパンションジョイントが必要
マスダンパー効果により、建物全体の地震入力が低減自由度の高い建築 構造計画が可能用途と構造形式の整合が可能
特徴
Worldreport Japan:Building3000+ House5000 China:3500 USA:100 Italy:400 Taiwan:50 NewZealand:20 Russia:650,Armenia,Iran,Korea,Turkey, Philippine,Malaysia
Worldreport China:3500 Japan:Building3000+ House5000 Russia:550 USA:100 Italy:400 Taiwan:90 NewZealand:20 Armenia,Iran,Korea,Turkey, Philippine,Malaysia
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Number of SI Buildings in Japan, by Year(Not including detached houses)
Usage of SI BuildingsUsage RatioMuseumホテル 1% School 2% 8%病院13% 43% 5%
The highest building:54F
三菱地所，三井不动产等开发商的商品房原则上采用隔震技术。
Kobe City severely damaged by the quake in Jan. 1995
告示审查
データセンター事務所28%
集合住宅
57
58
High-rise Buildings (>60m) with SI300棟
用途 Usageホテル 1%学校 2%病院 2%事務所 6%不明 14%
办公楼等住宅
マンション 75%
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结构类型 Super-structuretypeSRC 11% S 6%
Isolators○ Elastomeric Isolator○ Slider○ Linearway BearingElastomeric Isolator
Natural rubber bearing Lead plug rubber bearing High damping rubber bearing
Slider with elastomer
Linearway Bearing
RC 83%
Dampers○ Elastopla
stic Damper○ Fluid Damper○ Friction DamperSteel Damper Lead Damper
Steel damper Lead damper Oil damper Viscous damper
鉛入り積層ゴム
Viscous Damper
シリンダー
ピストン
クレビス
粘性体(シリコンオイル)
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无锡圣丰20,000kN試験機
水平：600T±600mm(单方向1,000mm)鉛直：2,000T,拉伸600T, 700mm(pp)
効果
実験の様子 (8倍速)
鉛入り積層ゴム(600φ)±400% (±480mm) 0.55D=330mm鉛直荷重：15N/mm2 (424T)
BeijingUniv.ofTech.北京工业大学
1200(LRB) =350%2500 2000
710mm(350%)σ=15N/mm2,γ=±100%σ=15N/mm2,γ=+350%
Hor.:400T±600mm(oneway:1,200mm) V=30mm/s Ver.:4,000T
1500
水平荷重(kN)
1000 500 0 -500 -1000 -300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
水平変位(mm)
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两方向实速1000实体试验 背景：2007年8月在美UCSD进行的高阻尼橡胶垫两方向实验表明两方向的极限变形只有单方向实验结果的80%。 水平两方向±1m大位移 水平两方向±1m/s实际速度 直径1000的实体橡胶垫实验
神户三木振动台
滑り支承荷重
滑り支承(開発状況)
フランジプレートエラストマ-
フランジプレートエラストマ-ベアリング (PT FE材 )ベアリングホルダー
変位
ベアリング(PTFE材)
ベアリングホルダー
縮小模型実験
スライドプレート( 素 )
スライドプレート(フッ素 )
機能
S+Dフジタでの実験状況 1250t用実大実験
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滑板支座特点 屈服后刚度为零，可以有效延长隔震结构周期，适合超高层隔震及轻量隔震。 适当的摩擦系数可以兼做阻尼器。 为减轻轴向力影响，滑板支座宜配置在中间轴力变化比较小的地方。 高摩擦系数滑板支座在地震后容易产生残余变形。
隔震技术新趋势 新医院大量采用隔震技术– 2012JSSI特别奖：石巻赤十字病院
物流仓库大量采用隔震技术 隔震技术使建筑设计随心所欲 超高层隔震进入成熟时期 隔震层吸收绝大部分能量，上部结构保持无损伤，提高建筑物的抗震等级。→“安全”,“安心” 隔震层阻尼大，对包括长周期的各种地震波“钝感”
石巻赤十字病院(5+)
プロロジス座間
<急患最大で1251人>地震当日の3月11日は99人 12日には779人に増え 13日は1251人に上った。 14、15の両日も600~700人
竣工： 2009/5◆大型物流倉庫の免震◆杭頭免震◆免震装置318基
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プロロジス座間
37层中间层高层隔震 场所：Osaka City结构： 37层，PH1层高度：结构115.9m (最高116.3 m)平面尺寸： 33.6mx 33.6高宽比：3.45竣工：2006年12月
结构立面图
中間階免震建物の免震部材の耐火被覆材
2F中间层隔震，自行车停放写真3.3-9中間階免震建物(駐輪場)の耐火被覆材
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ParkTower横浜 37F,7F中間層免震,07/12竣工地上 36F塔楼 2F地下 2F总面积 54314㎡高度 143m高宽比 2.7 1~6F框剪 7F以上纯框 T200%5.6s
ParkTower横浜铅芯橡胶支座弹性滑移支座粘滞阻尼器 22 18 6
ParkTower横浜
50层高层隔震(after椿) 场所：Osaka City结构：地下1层，50层，塔楼2层高度：结构168.5m (最高177.4 m)平面尺寸： 40.6mx 29.3高宽比：4.2(短边), 5.7(长边)竣工：2006年12月
粘滞阻尼墙