城市建筑群地震災(zāi)害數(shù)值仿真與風(fēng)險控制

林旭川

城市建筑群地震災(zāi)害數(shù)值仿真與風(fēng)險控制

林旭川

林旭川，中國地震局工程力學(xué)研究所副研究員，碩士生導(dǎo)師，從事城市地震災(zāi)害仿真、基于高強鋼與阻尼器的新型減震結(jié)構(gòu)體系等的研究工作，兼任建筑學(xué)會抗震防災(zāi)分會建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌專業(yè)委員會委員。2007 年和2009 年先后獲清華大學(xué)土木工程工學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，2012 年獲日本京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。2012—2014 年在京都大學(xué)防災(zāi)研究所、東京大學(xué)地震研究所從事科研工作。先后主持國家自然科學(xué)基金青年基金項目、中央級公益性研究所基本科研業(yè)務(wù)項目、教育部留學(xué)回國人員科研啟動項目、黑龍江省自然基金項目、黑龍江省博士后科研項目等；作為子課題負(fù)責(zé)人，參加國家科技支撐項目、地震行業(yè)科研專項等多個項目。先后發(fā)表科技論文50 余篇，其中SCI 收錄11 篇，EI 收錄13 篇；軟件著作權(quán)1 項，實用新型專利4 項。曾獲清華大學(xué)優(yōu)秀碩士論文，2篇入選中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文（F5000）。

我國地震災(zāi)害多發(fā)，破壞性地震既發(fā)生在板塊交界附近，也發(fā)生于大陸板塊內(nèi)部。特別是，約三分之二百萬以上人口城市位于Ⅶ度及Ⅶ度以上的高烈度區(qū)。近四十年來，我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，城鎮(zhèn)化水平不斷提高。大量人口進(jìn)入城市工作、生活，社會財富急劇增加并在城市聚集，城市變得越發(fā)“高級”而脆弱。一方面，很小的因素有可能對城市造成重大影響，如一起小型交通事故或臨時橋梁搶修作業(yè)可能導(dǎo)致大半個城市交通癱瘓，一座城市核心區(qū)大樓的垮塌將引起重大人員傷亡和財產(chǎn)損失；另一方面，發(fā)展中的大城市具有大量不確定因素，如大量新建建筑、新建基礎(chǔ)設(shè)施和大量流動人口。我國大部分城市并未經(jīng)過大地震考驗，且缺乏應(yīng)對此類破壞性地震的經(jīng)驗。一旦在城市附近發(fā)生破壞性大地震，后果將如何？以現(xiàn)階段的技術(shù)經(jīng)濟水平，我們?nèi)绾稳シ治霾⒁宰钚〉拇鷥r應(yīng)對未來發(fā)生在城市附近的破壞性地震？本文以建筑與城市建筑群為切入點，闡述對上述問題的思考與理解。

近年的大地震對城市防震減災(zāi)新理念的思考

地震本身并不是災(zāi)害，而是地球的一種固有運動變化特性。大地震也不一定必然引發(fā)災(zāi)害，如多次發(fā)生在新疆昆侖山無人區(qū)的7.0級以上大地震，均未產(chǎn)生災(zāi)害。地震災(zāi)害是地震引起的對人類及其工程結(jié)構(gòu)的破壞作用，災(zāi)害的最終受體是人，而致災(zāi)媒介主要是人類所處的環(huán)境（特別是工程結(jié)構(gòu)）。

人類歷史上曾發(fā)生過很多次特大地震，包括有記錄或沒有記錄的，有時甚至毀掉整個城市。僅我國，1976的唐山大地震，將整個唐山市夷為平地，造成超過24萬人死亡；2008年的汶川大地震，幾乎毀掉整個北川老縣城。發(fā)達(dá)國家也很難幸免，2011年的日本東北大地震，其震源雖然在海中，卻引發(fā)了巨大的海嘯，造成沿岸2萬人死亡或失蹤，并導(dǎo)致了嚴(yán)重的核泄漏事故，福島核電站附近的土地和海水被嚴(yán)重污染；2010—2011年的新西蘭坎特伯雷系列地震，將其第二大城市基督城市中心變成廢墟。地震給人類帶來了巨大的損失和悲痛，痛定思痛之后，我們需要牢記和吸取教訓(xùn)，并探索抵御未來破壞性地震更有效的方法。

以下僅針對近年發(fā)生的大地震，闡述作者在建筑震害方面感觸較深的幾點認(rèn)識：

（1）2008年四川汶川大地震——居安思危與抗震技術(shù)同等重要。該地震為里氏8.0級，地震災(zāi)害固然與技術(shù)、經(jīng)濟等因素有關(guān)，但由于距離唐山大地震已30余年，在震前，除了云南、四川等近期地震活躍的區(qū)域外，很多老百姓不相信大地震會離自己如此之近。人們不在乎把房屋建造在地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域。開發(fā)商和老百姓對減隔震等新技術(shù)的接受度很低，甚至有些土木工程專業(yè)的學(xué)生懷疑抗震設(shè)計的必要性，更是有施工企業(yè)在施工中私下偷工減料。遺忘或輕視憂患，可能是最大的憂患。從另一個側(cè)面也說明了建立全民科普教育長效機制的重要性，現(xiàn)代城市的防災(zāi)減災(zāi)工作更是離不開地震防災(zāi)意識、知識的普及。

（2）2011年日本東北大地震——大地震的破壞力有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程設(shè)計預(yù)期。日本是個經(jīng)常受到地震海嘯威脅的國家，其在海嘯預(yù)警、堤壩建設(shè)等方面投入巨大。這次地震的震級達(dá)到9.0級，震源位置位于海中，離岸有一定距離，減小了地震對房屋的直接破壞。不幸的是此次地震引發(fā)的海嘯明顯超過了堤壩最大高度，導(dǎo)致沿岸的城鎮(zhèn)被毀，大量人員傷亡或失蹤。地震時，東京的高層建筑也發(fā)生了大幅的長時間搖動，并導(dǎo)致大量人員無法回家。日本學(xué)者意識到大地震的破壞力常常遠(yuǎn)超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并以此舉一反三，進(jìn)一步研究其經(jīng)濟政治中心東京如何面對類似的明顯超越設(shè)計預(yù)期的地震作用。

（3）2010—2011年新西蘭坎特伯雷系列大地震——城市的可恢復(fù)性與重要建筑的抗震性能緊密相關(guān)。這一系列地震的震級最大到7.1級，最終2011年2月的一次6.3級地震將新西蘭第二大城市基督城幾乎摧毀。大量建筑倒塌不僅導(dǎo)致了數(shù)以百計的人員死亡或失蹤，也導(dǎo)致城市各項基本活動無法進(jìn)行，進(jìn)而引起不少人離開城市，使城市的災(zāi)后重建和恢復(fù)非常困難。為此，新西蘭的不少建筑，特別是工業(yè)和商業(yè)建筑，在災(zāi)后重建過程中大量采用減震與隔震的各種新技術(shù)，確保重要建筑和關(guān)鍵建筑在大地震下不中斷使用功能或可快速恢復(fù)使用。

圖1 2014年魯?shù)榈卣鸬凝堫^山鎮(zhèn)建筑群破壞狀況

（4）2014年云南魯?shù)榈卣稹≌鸩坏扔谛?zāi)。該地震的震級為6.5級，但是引起的人員傷亡和房屋倒塌要遠(yuǎn)超相同震級的地震。首先，當(dāng)?shù)卮迕翊罅坎捎靡恍┥两Y(jié)構(gòu)或無約束砌體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性較差。更糟糕的是，地震來臨之前當(dāng)?shù)厍∮龊闉?zāi)，大量的生土房屋被淹，導(dǎo)致土墻松散開裂、搖搖欲墜，地震發(fā)生時一些位于地震烈度較低區(qū)域的房屋也倒了。當(dāng)然，這里涉及了多災(zāi)種耦合作用的問題。其次，可能是由于地表附近土層對地震波的放大作用，震中龍頭山鎮(zhèn)的部分區(qū)域，測到的峰值加速度約1g，大量建筑垮塌，其中有不少經(jīng)過抗震設(shè)計的建筑垮塌，不少房屋看似基本完好，實際上首層已經(jīng)完全垮塌或剪壞，如圖1。一些重要公共建筑（如醫(yī)院、避難場所）的倒塌，不僅對救災(zāi)產(chǎn)生影響，也直接導(dǎo)致了無法為雨季中的受災(zāi)群眾提供室內(nèi)的避難場所。重要防災(zāi)建筑需要具有比一般建筑更高的抗震性能目標(biāo)。

基于逐棟精細(xì)建模的城市建筑群地震災(zāi)害仿真技術(shù)探索

建筑是城市各項活動的主要載體，其抗震性能與城市的抗震能力密切相關(guān)，而歷次的震害經(jīng)驗表明，建筑的倒塌往往是造成人員傷亡與財產(chǎn)損失的主要因素。如何確保城市建筑群的抗震防災(zāi)能力已成為地震工程領(lǐng)域重要的研究課題之一。試驗研究和現(xiàn)場調(diào)查為建筑抗震能力與災(zāi)害預(yù)測提供了直接而寶貴的數(shù)據(jù)，但仍難以滿足現(xiàn)代大規(guī)模城市建筑群分析的需求，特別是在分析新興城市或含有大量新建建筑區(qū)域時遇到了一定困難。近年來數(shù)值仿真軟硬件的快速發(fā)展，為采用數(shù)值手段分析建筑群地震災(zāi)害奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)外的研究人員通過不同技術(shù)手段對地震災(zāi)害模擬系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，根據(jù)是否逐棟直接模擬建筑地震響應(yīng)，可分為直接模擬方法和間接模擬方法兩類。在間接模擬方法方面，研究人員基于地理信息系統(tǒng)（GIS）、人工智能或遙感等技術(shù)研發(fā)出各種地震災(zāi)害分析與預(yù)測平臺，為地震區(qū)劃、震害預(yù)測與損失評估等工作提供了很好的技術(shù)支持。然而，間接預(yù)測方法高度依賴震害經(jīng)驗，難以直觀分析地震動特性差異、建筑破壞細(xì)節(jié)與建筑群體震害的內(nèi)在聯(lián)系，在討論成災(zāi)機理方面存在不足。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和計算能力的快速提升，直接建立城市每一棟建筑的彈塑性分析模型已成為可能，包括東京大學(xué)Hori教授、清華大學(xué)陸新征教授等團隊在內(nèi)的不少學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究與探索。作者基于在東京大學(xué)和中國地震局工程力學(xué)研究所的科研工作，通過編制程序源代碼，建立了基于快速逐棟建模技術(shù)的城市大規(guī)模建筑群地震災(zāi)害模擬與三維可視化系統(tǒng)（后文簡稱城市仿真系統(tǒng)）。

圖2 城市仿真系統(tǒng)各功能模塊及其運行流程

為實現(xiàn)城市中大量存在的各類建筑的地震災(zāi)害模擬，仿真系統(tǒng)至少需要具備三個基本模塊：城市群建筑自動建模模塊（建模模塊）、地震響應(yīng)高性能計算模塊（計算模塊）、結(jié)果深度分析與三維動態(tài)可視化模塊（分析模塊）。城市仿真系統(tǒng)各功能模塊及其運行流程如圖2，每部分的具體功能與特點詳見表1。

表1 城市仿真系統(tǒng)的組成與各部分特點

基于研發(fā)的城市仿真系統(tǒng)，對我國東部某大型城區(qū)的70多萬棟建筑進(jìn)行震害分析。程序自動完成了不合理錯誤數(shù)據(jù)的糾正、快速自動化建模、地震響應(yīng)計算和三維動態(tài)可視化的各個環(huán)節(jié)，分析過程采用普通性能較好的移動工作站，整個分析過程耗時3天。圖3給出了建模中的關(guān)鍵圖形以及不同視角下城市建筑群的變形狀態(tài)與位移云圖，程序可實現(xiàn)根據(jù)需要觀察城市中各個建筑、任意時刻、各樓層的地震響應(yīng)。

除了樓層位移時程，該系統(tǒng)也可提供建筑各樓層最大層間位移角、樓層損傷指標(biāo)、整樓損傷指標(biāo)、街區(qū)避難需求等衍生的指標(biāo)。圖4給出了我國西南某城區(qū)在2016年新西蘭8.0級地震最大地震動作用下的模擬算例。依據(jù)建筑各樓層實際的物理損傷級別（基于樓層剪力-變形本構(gòu)曲線），得到如圖4所示的損傷分布情況。圖4中，損傷由深藍(lán)色到紅色的五級顏色顯示，分別表示結(jié)構(gòu)完好（0.0-1.0）、輕微破壞（1.0-2.0）、中度破壞（2.0-3.0）、嚴(yán)重破壞（3.0-4.0）以及倒塌（4.0以上）五種情形。從圖中可以清晰觀察到建筑損傷或倒塌的分布情況。

圖3 建模過程及不同視角下城市建筑群的變形狀態(tài)與位移云圖

圖4

可見，城市仿真系統(tǒng)可以清晰直觀地展現(xiàn)出大規(guī)模建筑群的震害情況，有利于發(fā)現(xiàn)并更好地理解城市地震災(zāi)害的成災(zāi)機理。特別是，仿真系統(tǒng)可作為城市地震災(zāi)害的評估工具，基于結(jié)構(gòu)變形與損傷等基本結(jié)果產(chǎn)出，可根據(jù)實際需要定義各種衍生指標(biāo)，如社區(qū)內(nèi)不同損傷程度建筑面積、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度、建筑地震災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)、城市可恢復(fù)性指標(biāo)等。

城市地震災(zāi)害的風(fēng)險控制展望

有效應(yīng)對地震災(zāi)害風(fēng)險離不開對災(zāi)害風(fēng)險的合理評估和有效控制。

一方面，針對地震高度的不確定性，以不變應(yīng)萬變，通過對新建建筑的合理設(shè)計和既有建筑的加固改造，提高建筑群抵御破壞性地震的能力。對于防災(zāi)重要建筑，需根據(jù)功能特點進(jìn)行性能化設(shè)計，在設(shè)計中采用有效的損傷控制策略和合適的減隔震技術(shù)，不僅需要確保建筑在罕遇地震下的安全，還需要確保其在地震時功能不中斷或快速恢復(fù)。對于一般的城鎮(zhèn)建筑，需因地制宜選取合適的建筑材料與結(jié)構(gòu)形式，在地震高風(fēng)險區(qū)域要加強推廣經(jīng)濟、有效的抗震結(jié)構(gòu)形式和減隔震技術(shù)。

另一方面，高速發(fā)展的城市極其復(fù)雜而脆弱，建筑群地震災(zāi)害的研究只是城市災(zāi)害研究的重要一環(huán)。在充分利用調(diào)研數(shù)據(jù)和總結(jié)震害經(jīng)驗基礎(chǔ)上，仍需持續(xù)不斷地推動基于精細(xì)物理模型的城市仿真系統(tǒng)的發(fā)展，對城市既有和潛在的地震災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行識別和分析。基于仿真平臺，研究災(zāi)害的特點和成災(zāi)機制，探索最大可能降低地震災(zāi)害風(fēng)險的有效途徑。城市地震災(zāi)害模擬系統(tǒng)作為災(zāi)害評估與機理分析的重要手段之一，推動地震學(xué)、土木工程技術(shù)、計算機科學(xué)、通信技術(shù)、人工智能、遙感技術(shù)甚至社會科學(xué)等多學(xué)科的交叉融合與綜合應(yīng)用，具有現(xiàn)實應(yīng)用與科學(xué)研究的雙重意義。在建筑群地震災(zāi)害仿真平臺的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步集成非結(jié)構(gòu)部件、道路橋梁、各種管道、交通工具和人的行為，實現(xiàn)對城市綜合地震防災(zāi)的模擬與研究。

本文由國家科技支撐項目（2015BAK17 B02）和中國地震局創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（中國大陸地區(qū)地震災(zāi)害模擬與評估）資助。