國內(nèi)外群體建筑物震害預測方法研究現(xiàn)狀綜述

郭明珠，呂欣欣，王亞昆

（北京工業(yè)大學城市與重大工程安全減災共建重點實驗室，北京 100124）

國內(nèi)外群體建筑物震害預測方法研究現(xiàn)狀綜述

郭明珠，呂欣欣，王亞昆

（北京工業(yè)大學城市與重大工程安全減災共建重點實驗室，北京 100124）

群體建筑物震害預測是確定一個城市或地區(qū)某一類建筑在確定強度或某一確定時期內(nèi)的地震作用下，發(fā)生某種破壞程度的概率，其目的是分析建筑物在遭受不同地震烈度影響時可能產(chǎn)生的破壞。系統(tǒng)梳理了現(xiàn)今為止國內(nèi)外群體建筑物震害預測的學術研究現(xiàn)狀，總結歸納了國內(nèi)外傳統(tǒng)的群體建筑物震害預測方法和近二十年來國內(nèi)對于傳統(tǒng)震害預測方法的改進研究進展，以期為城市群體建筑物震害預測研究提供新的視角和基礎資料。

震害預測；群體建筑物；預測方法

0 引言

群體建筑物震害預測是確定一個城市或地區(qū)某一類建筑群在確定強度或某一確定時期內(nèi)的地震作用下，發(fā)生某種破壞程度的概率。通常情況下，建筑物震害預測可分為兩類：一類是在詳查基礎上的重點建筑物的單體預測，另一類則是基于普查的群體建筑的震害預測，即不做單體預測。目前，國內(nèi)外對于群體建筑物震害預測的方法很多，傳統(tǒng)的方法一般有經(jīng)驗統(tǒng)計法、半經(jīng)驗半理論方法和理論方法等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，許多專家學者也陸續(xù)提出了各種不同的群體建筑物震害預測的改進方法。

1 經(jīng)驗統(tǒng)計方法

經(jīng)驗分析法是根據(jù)地震震害調(diào)查資料得到的震害預測指標與破壞程度的關系來預測建筑物的震害?？煞譃榻?jīng)驗總結法、統(tǒng)計分析法和模糊綜合評判法等。

1.1 經(jīng)驗總結法

1981年，國家地震局地質(zhì)研究所王立功提出了地質(zhì)因素的易損性分析［2］，以唐山市為例，給出地基土、地下水、斷層、地形等地質(zhì)因素的地震易損性分析指標值，作出與地震易損性分析圖比例尺相同的一系列圖件，如地基土類型及分布圖、地下水最高潛水位埋深圖、地質(zhì)構造圖及地形地貌圖等，求出每個易損性分析單元的總易損性指標值，依據(jù)該值大小對城市未來地震地面反應強弱程度進行分區(qū)。1985年，王立功又提出了基于社會因素的多因素易損性分析法［2］，先確定不同社會因素的易損性指數(shù)，再對各社會因素分配以不同比例，求出總易損性指數(shù)M，依據(jù)M值將城市劃分為易損性較弱、中等、較強三區(qū)。這兩種方法首次比較全面地考慮了地震震害影響因素，用法簡單易掌握，但建筑物的震害程度與各因素的因果關系有待于進一步研究分析。

1.2 統(tǒng)計分析法

統(tǒng)計分析法是依據(jù)以往震害資料，由統(tǒng)計分析和經(jīng)驗判斷對建筑物進行震害預測。該方法主要用于多層磚房和單層工業(yè)廠房的震害預測。

1932年，美國的Freeman對全球性建筑物的破壞進行了統(tǒng)計分析［3］，是目前震害經(jīng)驗判斷法最 全 面 的 匯 總。1978 年 Algermissen 和Steinbrugge等根據(jù)實際經(jīng)驗和工程判斷［4］，將舊金山地區(qū)建筑物進行分類，總結出各種結構地震動一破壞曲線，其成果具有廣泛代表性，至今仍被采用。

1982年，楊玉成提出的以抗震強度為主的震害預測二次判別法［5］，以墻體的抗震強度與震害的統(tǒng)計關系作為主要判據(jù)，通過二次判別綜合性的評定建筑結構各部件的作用和所在場地對房屋的抗震性能的影響。1984年，李荷在多層磚房的震害預測中使用了逐步判別法［6］，以結構的多個參數(shù)作為影響因素，利用結構參數(shù)的震害資料，用逐步判別分析法計算對應各震害程度的判別函數(shù)值。

1982年，吳育才在單層工業(yè)廠房震害預測中提出逐步回歸法［7］，從單層廠房的受力狀況分析人手，選擇影響震害的重要因素，依據(jù)震害資料，采用逐步回歸分析的方法求出震害指數(shù)N與各結構參數(shù)的回歸方程，根據(jù)N與房屋震害程度之間的統(tǒng)計關系來判斷建筑的震害。

1987年，尹之潛等針對單層鋼筋混凝土排架柱廠房提出分項回歸綜合法［8］，把廠房的震害分為抗側力構件的震害、圍護結構的震害和屋面系統(tǒng)的震害。先統(tǒng)計回歸分析得到三個部分的震害指數(shù)與抗力的關系，然后將各震害指數(shù)加權綜合計算得出廠房的震害等級。1990年，尹之潛等又提出了磚結構房屋的樓層平均抗剪強度法［9］。采用樓層單位面積的平均抗剪強度作為磚結構的抗震能力指標，考慮結構質(zhì)量和設計標準等方面的影響進行修正，根據(jù)震害經(jīng)驗，統(tǒng)計出平均抗剪強度的分布規(guī)律，并確定不同烈度下其與震害等級的關系式來判定震害等級。

2007年，高杰等提出了單元破壞度指數(shù)法［10］，通過歷史震害資料分析，采用非線性回歸分析的數(shù)理統(tǒng)計方法求出破壞度指數(shù)和各震害因子影響系數(shù)的關系，然后按照評價單元內(nèi)建筑物的面積百分比和抽樣率取算術平均，得到表征該評價單元破壞等級的單元破壞度指數(shù)。

1.3 模糊綜合評判法

1985年，金國梁等在老舊民房地震破壞預測中采用了模糊綜合評判法［11］。他們利用唐山地震時天津市的震害資料，分析確定了震害預測因子，確定其對應的隸屬度，給出震害指數(shù)論域和震害因子論域的模糊關系矩陣，并引入加權值綜合評判預測房屋可能的破壞比例。該方法簡單實用，但在使用時在震害因子和加權值的選擇上具有很大的人為不確定性。

1.4 專家評估法

1969年，Stembrugge等首次使用專家評估法。1982年，Kustu等提出了建筑物分類方案和由專家評估法得出的破壞概率矩陣。1983年，日本的大橋ひとみ、太田裕與鏡味洋史采用該法對日本地震進行了震害預測。20世紀70年代美國海洋大氣局和美國地質(zhì)調(diào)查局有組織地開展研究，形成了NDAA?USGS方法；20世紀80年代，美國聯(lián)邦緊急事務管理局與應用技術委員會組織專家對未來加利福尼亞州的地震損失進行了系統(tǒng)的研究，即ATC—13方法，用破壞概率矩陣來表征地震與破壞的關系，是國際上地震損失專家評估法最有影響的研究成果之一。1989年，沈建平、楊玉成等也成功地建立了我國的震害預測專家評估系統(tǒng)。

專家評估法依據(jù)專家的經(jīng)驗和地震資料估計某一地區(qū)的震害程度，可以結合不同情況作出較為貼合實際的預測，但該方法歷時時間長且無法直接引用，不同地區(qū)間存在著一定的不確定性。

1.5 城鎮(zhèn)地區(qū)群體震害預測的快速法

1990年，陳有庫提出針對整個城鎮(zhèn)地區(qū)群體震害預測的快速法［14］。該法將房屋建筑進行分類，根據(jù)震害統(tǒng)計資料求得各元素中每個因子在不同烈度下的震害指數(shù)，利用統(tǒng)計部門給出的各類房屋面積比例統(tǒng)計資料，求得該地區(qū)在不同烈度下的平均震害指數(shù)。

經(jīng)驗分析方法由最初的籠統(tǒng)分析發(fā)展至對建筑物多因素綜合分析，使得其結果具有更高的準確性。其結果通常是建立在大量數(shù)據(jù)的基礎上，對建筑物的震害預測規(guī)律性的綜合分析，適用于群體建筑的震害預測和震后損失的緊急評估，尤其對一些老舊建筑較多的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，該法可得到較為可靠的預測結果。

2 理論計算方法

該方法以理論分析計算為依據(jù)，將結構理想化為數(shù)學模型，通過分析計算結構反應，建立結構失效概率和震害程度的關系，采用基于概率的可靠度方法預測群體建筑震害程度。

1993年，李大華提出基于抗震可靠性指標與震害程度統(tǒng)計關系的多層磚房群體震害預測方法［15］，利用單體震害預測結果得出群體震害預測結果。

由于該方法涉及到的計算及試驗復雜，目前在做群體建筑物震害預測時采用較少。

3 半經(jīng)驗半理論方法

半經(jīng)驗半理論法一方面是通過對過去震害預測經(jīng)驗進行統(tǒng)計分析，另一方面通過理論研究，用嚴格的數(shù)學方法處理各變量之間的關系。在對群體建筑物震害預測時，一般采用基于可靠度理論的引入條件失效概率的概率方法來進行預測。它包括易損性法和貝葉斯逐步判別法。

1991年，尹之潛等提出了易損性破壞概率的概念［16］，依據(jù)建筑結構類型的不同分類分別得出結構的破壞程度與抗力指標之間的關系，得出破壞概率的計算公式，確定震害矩陣。該方法簡單易行，其預測結果能夠達到粗略估計群體建筑物震害的方法，其不足之處在于易損性矩陣因時間、地點等因素的變化要進行修正。

貝葉斯逐步判別法利用集值統(tǒng)計和落影理論解決了各類房屋不同破壞等級的數(shù)量預測問題。1982年，李荷在煙臺市多層磚房震害預測時采用了該方法。1985年，劉錫薈等將落影貝葉斯原理應用于建筑物的震害預測，預測出某小區(qū)中各類建筑物可能遭受不同破壞等級的房屋的具體數(shù)量。1995年，李正農(nóng)等提出了結構物震害預測的灰色貝葉斯方法［17］。2002年，劉章軍等提出基于模糊貝葉斯的震害預測。

半經(jīng)驗半理論方法是震害預測中經(jīng)常被采用的方法。它綜合了統(tǒng)計規(guī)律和理論分析兩種方法，彌補了彼此的不足之處，發(fā)揮了各自的優(yōu)越性，所得預測結果更具有理論依據(jù)和科學依據(jù)。

4 其他方法

4.1 模糊類比法

模糊類比法是建筑物易損性分析方法之一，先將建筑結構類型進行分類，根據(jù)已有震害資料或建筑物震害預測結果，采用模糊數(shù)學的方法建立具有一定可靠性的震害預測數(shù)學模型，通過類比、修正后給出建筑物震害。

1982年，劉錫薈等首次嘗試引入模糊數(shù)學進行震害預測［23］，將破壞等級、場地土類別和烈度模糊數(shù)量化，通過綜合分析擬合出影響震害的每個因素對于各種不同破壞程度的模糊集的隸屬函數(shù)，計算出建筑物對于不同破壞等級的模糊集的隸屬度，判斷建筑物是否會嚴重破壞或倒塌。1984年，劉錫薈等運用模糊邏輯和近似推斷原理［24］，建立了震害預測的總體模型，運用對模糊信息的加工處理，給出了未經(jīng)設防的磚、石、木結構房屋的震害度。1988年，黃崇福、徐祥文提出的模糊貼近進行震害預測［26］，給出了構造離散型多因素預測矩陣的模型，并運用信息分配原理和模糊推理方法，提出利用結構地震反應進行地震震害預測。該方法彌補了震害資料的不足，既考慮了結構地震反應的理論計算，又充分體現(xiàn)了現(xiàn)有震害資料具有模糊性的特點，粗細結合，較為合理。1998年，聶永安提出建筑物震害的類比預測方法［28］，用兩幢建筑物之間的加權海明距離來度量這兩幢建筑物的相似程度，并對不同因素賦予不同權重，利用一個地區(qū)的部分建筑物單體的震害預測結果對該區(qū)其它建筑物單體的進行震害預測。以上方法都需要對建筑物進行逐棟計算，在做群體建筑物震害預測工作時工作量太大。

2003年，馮志澤提出了大中城市建筑物震害預測中建筑物震害類比方法具體的計算公式和相關參數(shù)。

2009年，陳健云等提出了適于震后快速評估的群體易損性分析方法，該法在確定震害影響因素的權重時應用模糊數(shù)學中的熵權法，通過計算預測房屋與已知房屋的相似度來預測建筑物的震害程度。2011年，李靜、陳健云對建筑物震害類比預測方法進行了優(yōu)化［30］，通過模糊層次分析法對以往類比法的改進，對不同結構類型選取不同的影響因素，并分別賦予不同的權重。該方法突出了不同因素對不同結構抗震性能的差異，可以使預測的結果更加準確，原理也更加符合人們已有的震害經(jīng)驗。同年，李升才、王毅恒選取了建筑物的結構類型、高度、建設年代、現(xiàn)狀質(zhì)量和用途作為震害因子，通過計算加權海明距離得到建筑物破壞指數(shù)的類比預測方法。

孫柏濤等提出了基于已有震害矩陣模擬建立預測區(qū)某種結構類型的震害矩陣；王威、蘇經(jīng)宇等提出了基于范例推理的城市建筑物震害預測方法，并運用Access建立了建筑物震害范例庫，用不同檢索方法來預測城市未知建筑物的震害結果。

類比預測方法在某種程度上具有經(jīng)驗分析法的色彩，是對經(jīng)驗統(tǒng)計法的更深入的研究，比經(jīng)驗統(tǒng)計法更高效更系統(tǒng)。

4.2 動態(tài)分析法

1994年，尹之潛提出了地震災害預測的動態(tài)分析模型［31］，考慮一個城市因建設的發(fā)展對地震損失的影響，提出了動態(tài)震害矩陣和動態(tài)損失矩陣的求解方法，預測未來不同年代的地震經(jīng)濟損失。它將研究動態(tài)震害矩陣最終歸結到研究結構的抗力均值和方差隨年代的變化關系上，給出了一定時間內(nèi)某類房屋遭受地震襲擊后發(fā)生破壞概率。

2004年，金暉提出了基于時變特性的動態(tài)震害預測方法，根據(jù)結構最大時變延伸率的概率統(tǒng)計特征，運用可靠度的失效概率計算方法，預測未來某一時間框架結構房屋不同破壞狀態(tài)的概率，從而形成動態(tài)的震害矩陣。

動態(tài)分析法是易損性分析法在時間函數(shù)上的一種延伸，考慮了時間因素，綜合了兩種方法的優(yōu)越性，適用范圍廣，更適合與其它方法結合使用，有待于進行更深入的研究。

4.3 基于灰色系統(tǒng)理論的震害預測

1995年，李正農(nóng)等提出的結構物震害預測的灰色貝葉斯方法，該方法在求似然率時引用灰色理論，確定結構對震害的灰色聚類向量，得出對震害的似然率，然后求出后驗概率，再據(jù)此作出結構震害預測。2002年，趙艷林等將灰色聚類方法應用于多層磚房的震害預測之中。

該方法充分考慮了某一類型建筑物在地震震害中所表現(xiàn)出的共性和特殊性，通過關聯(lián)分析區(qū)分各因素對震害影響的重要程度，彌補了統(tǒng)計預測方法的不足之處，又有對類比法的改進，為震害預測方法提出了新思路。

4.4 基于地震動參數(shù)的群體建筑物震害預測方法

1997年，美國聯(lián)邦應急管理局和國家建筑科學研究所合作開發(fā)出以地震動參數(shù)作為輸入的地震風險評估軟件HAZUS97，經(jīng)過改進，1999年又提出了HAZUS99方法［38］。該軟件中建筑物震害評估部分以地震動加速度反應譜作為地震動輸入?yún)?shù)，依據(jù)結構的類型、設防水準、建筑高度和建筑材料等確定建筑物的一系列參數(shù)，得出其抗震能力曲線，并與地震動需求譜曲線迭加，得出建筑物的地震動的譜位移反應及加速度反應，從而得到結構對應于各個破壞等級的超越概率，確定建筑物地震易損性。2004年，陶正如、陶夏新提出了基于地震動參數(shù)的群體建筑物震害預測方法［39］，采用遺傳算法與單純形法相結合的混合算法反演典型結構的抗力曲線和易損性曲線的參數(shù)，并與需求譜結合進行結構的震害預測。2004年，鐘德理、馮啟民采用簡化的結構靜力彈塑性分析方法求解群體建筑的與地震動峰值加速度對應的易損性指數(shù)［40］，并通過建筑物平均易損性指數(shù)曲線來評價城市的總體抗震性能。2009年，劉如山、胡少卿等選擇加速度峰值作為地震動參數(shù)，通過烈度和地震動參數(shù)的對應關系，以插值的方式可求得結構破壞比的倍塔概率密度分布及各個破壞等級的概率。

4.5 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡法的震害預測

2000年，袁雪霞等提出的多層磚房震害預測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法［34］，成小平等提出的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的房屋震害易損性估計方法?？娚?、劉本玉等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡法對多層磚房進行了震害預測。2006年，王志濤提出一種以房屋普查數(shù)據(jù)為震害影響因子并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型為工具的進行房屋震害預測。

該方法是在計算機專業(yè)軟件和多學科交叉技術領域高速發(fā)展下創(chuàng)新出的新的震害預測方法，其算法運用非線性的統(tǒng)計方法，引入網(wǎng)絡模型和學習樣本對建筑物進行震害預測。

5 震害預測現(xiàn)存問題分析

綜合以上震害預測方法可以看出，目前我國現(xiàn)有的群體建筑物的震害預測方法很多，由于群體建筑物震害預測工作比較復雜，依據(jù)情況的不同，所采用的方法也不盡相同。各種預測方法之間存在著一定的無法估計的不確定性，群體建筑物震害預測的研究還有待更進一步改進與提高。綜合現(xiàn)有的震害預測方法，可以看出其研究發(fā)方向多為對各因素綜合分析方法的改進。另一方面，在做震害預測輸入時，只是籠統(tǒng)的按烈度等級輸入來計算整個城市在Ⅵ～Ⅺ度下的震害結果，還沒有對城市依據(jù)其在地震作用下的不同而分區(qū)計算。

6 展望

在今后震害預測中是否可以考慮向依據(jù)城市烈度分布規(guī)律方向進行震害預測工作。例如將城市活動斷層探測結果、城市震害預測的設定地震和我國的強震綜合烈度分布規(guī)律應用到我國的城市震害預測中，建立修正的城市震害預測模型，以期達到更貼合實際的效果，使震害預測結果更加準確。

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Research Status Review of Earthquake Damage Prediction Methods of Building Group at Home and Abroad

Guo Mingzhu，Lv Xinxin，Wang Yakun
（Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Earthquake damage prediction of building group is to determine the probability of some degree of damage on a certain type of buildings in a city or a region under the attack of earthquake of certain intensity or in some certain period.The purpose of prediction is to analyze the damage that buildings may suffer from earthquakes of various intensity.This paper systematically reviews the research status of earthquake damage prediction of building group at home and abroad，and then summarizes the traditional damage prediction methods of building group and generalizes the domestic research improvements on traditional prediction methods in the last twenty years，aiming to provide new perspectives and basic documentations for later researches on earthquake damage prediction of urban building group.

earthquake damage prediction；building group；prediction methods

P315.9

1673-8047（2016）04-0008-06

2016-09-13

郭明珠（1963—），男，博士，教授，主要從事工程地震和強震觀測方面的研究。