風(fēng)災(zāi)致村鎮(zhèn)建筑損失評(píng)估及臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理系統(tǒng)*

王國(guó)新，李明鑫

(大連理工大學(xué) a.海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.建設(shè)工程學(xué)部水利學(xué)院工程抗震研究所，遼寧 大連 116024)

歷次風(fēng)災(zāi)調(diào)查報(bào)告[1-3]表明，東南沿海地區(qū)低矮房屋由于其抗風(fēng)能力較差，經(jīng)常遭受嚴(yán)重的損失.因此，開(kāi)展風(fēng)災(zāi)對(duì)低矮房屋的危害性評(píng)估工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前，低矮房屋在風(fēng)災(zāi)作用下的研究多側(cè)重于房屋表面風(fēng)荷載的模擬[4-8]，而針對(duì)整體結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)中的損失評(píng)估研究較少.鐘興春等[9]通過(guò)蒙特卡洛模擬，以屋面瓦及墻體的破壞情況為主要判斷對(duì)象評(píng)估農(nóng)村房屋的破壞狀態(tài)；劉學(xué)敏[10]對(duì)砌體房屋的主體結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速下的表現(xiàn)情況進(jìn)行了有限元模擬，并將層間位移角及頂點(diǎn)位移作為評(píng)估指標(biāo)對(duì)房屋在不同風(fēng)速下的損壞做了定量定性的分析；文獻(xiàn)[11-12]對(duì)低矮房屋的圍護(hù)構(gòu)件(門窗、屋面板、屋面瓦)和墻體在風(fēng)災(zāi)作用下的損壞進(jìn)行了預(yù)估.

本文基于Li等[13]對(duì)風(fēng)災(zāi)作用下低矮民居圍護(hù)構(gòu)件的損失研究，結(jié)合工程實(shí)際中不同類型低矮房屋在風(fēng)災(zāi)中的表現(xiàn)，提出了一種風(fēng)災(zāi)對(duì)低矮房屋危害性評(píng)估的方法.該方法考慮了風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)致干擾效應(yīng)、圍護(hù)構(gòu)件間相互作用、結(jié)構(gòu)類型及保存完好程度等因素的影響，并作出相應(yīng)的建筑直接經(jīng)濟(jì)損失預(yù)估，最后將該方法應(yīng)用到自主開(kāi)發(fā)的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)中，能夠便捷地為風(fēng)災(zāi)預(yù)防及災(zāi)后救援提供幫助.

1 風(fēng)災(zāi)作用下低矮房屋損失評(píng)估

不同地區(qū)低矮民居的外形、結(jié)構(gòu)類型以及建筑材料等存在較大差異，因此，為了提出一種通用的低矮房屋風(fēng)災(zāi)評(píng)估方法，本文將房屋的評(píng)估對(duì)象分為兩部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體承重結(jié)構(gòu).由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)中更易破壞，損失更為嚴(yán)重，因此，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損失評(píng)估需要更為細(xì)致.Li等[13]考慮了圍護(hù)構(gòu)件(屋面瓦、屋面板、門窗)的物理屬性、面積密度、不同構(gòu)件間相互作用等影響因素，基于蒙特卡洛模擬得到了不同風(fēng)速風(fēng)向下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損失，其結(jié)果將作為本文中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞矩陣.

災(zāi)后調(diào)研表明，風(fēng)災(zāi)中主體結(jié)構(gòu)的破壞不如圍護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重.因此，評(píng)估方法將主要考慮結(jié)構(gòu)類型以及保存完好程度的影響，結(jié)合文獻(xiàn)[9-10]的研究成果，得到主體結(jié)構(gòu)的破壞概率，即

P=Pm，wCsCp

(1)

式中：Pm，w為同一風(fēng)速下砌體結(jié)構(gòu)保存較差時(shí)的破壞概率；Cs為房屋的結(jié)構(gòu)類型對(duì)主體承重結(jié)構(gòu)破壞概率影響系數(shù)；Cp為房屋的保存完好程度對(duì)主體承重結(jié)構(gòu)破壞概率影響系數(shù).

圖1為蕓美村結(jié)構(gòu)類型分布.依據(jù)作者實(shí)地調(diào)研及參考東南沿海風(fēng)災(zāi)調(diào)研報(bào)告，東南沿海常見(jiàn)的低矮民居結(jié)構(gòu)類型主要有三種：砌體結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)如表1所示.

圖1 蕓美村結(jié)構(gòu)類型分布

表1 東南沿海民居常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型

風(fēng)災(zāi)中，低矮房屋的結(jié)構(gòu)類型對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響難以進(jìn)行量化估計(jì).本文將風(fēng)災(zāi)調(diào)查報(bào)告[14]中以砌體結(jié)構(gòu)房屋的倒塌數(shù)量作為參照對(duì)象，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型房屋的倒塌比例進(jìn)行歸一化，初步得到結(jié)構(gòu)類型對(duì)主體承重結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的影響系數(shù)，如表1所示.影響系數(shù)越大，代表該結(jié)構(gòu)類型的房屋抗風(fēng)能力越差.

主體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的另一個(gè)影響因素是結(jié)構(gòu)保存完好程度，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的保存現(xiàn)狀和建造年代等對(duì)其分為三類：保存完好、保存一般、保存較差.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，建筑保存完好程度對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力影響系數(shù)如表2所示.

表2 抗風(fēng)能力影響系數(shù)

由于針對(duì)風(fēng)災(zāi)中低矮民居的破壞定義較少，本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)并參照地震災(zāi)害評(píng)估研究進(jìn)行了破壞等級(jí)劃分.各破壞等級(jí)的定義主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體承重結(jié)構(gòu)的破壞情況來(lái)定義，如表3所示.

2 建筑直接經(jīng)濟(jì)損失

風(fēng)災(zāi)過(guò)后，每棟建筑的直接經(jīng)濟(jì)損失是指基于當(dāng)前價(jià)格，修復(fù)被破壞房屋，恢復(fù)到災(zāi)前同樣規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)所需的建筑價(jià)格.建筑的直接經(jīng)濟(jì)損失可劃分為各構(gòu)件的替換成本，即

C=DC0V

(2)

式中：C為構(gòu)件的置換成本；D為構(gòu)件的破壞率；C0為構(gòu)件成本在房屋總成本中的占比；V為房屋的建造成本.

表3 風(fēng)致破壞等級(jí)劃分

受地區(qū)、建筑樣式和結(jié)構(gòu)類型等因素影響，房屋的單位造價(jià)及各構(gòu)件的具體成本占比難以給出統(tǒng)一的估計(jì).通過(guò)實(shí)地調(diào)研并結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，擬定的沿海地區(qū)低矮民房平均造價(jià)及各構(gòu)件成本占比如表4、5所示.

表4 低矮民房平均造價(jià)

表5 房屋各部分成本平均占比

表5中的房屋內(nèi)部組成包含了安裝工程和水電暖工程等，不包括房屋內(nèi)的財(cái)產(chǎn)，其經(jīng)濟(jì)損失模型采用文獻(xiàn)[11]中提出的模糊模型，即

(3)

式中：LRC、LS分別為由失效屋面瓦及屋面板造成的房屋內(nèi)部損失；RRC為屋面瓦失效比例；ARC為失效屋面瓦所占面積；VI為房屋內(nèi)部建造成本；RS為失效屋面板占比；VRF為屋面結(jié)構(gòu)成本占比.與失效屋面瓦有關(guān)的三個(gè)函數(shù)f1、f2、f3具體計(jì)算過(guò)程可參考文獻(xiàn)[11].

3 臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)

針對(duì)風(fēng)災(zāi)的危險(xiǎn)性分析以及對(duì)低矮民居的危害性評(píng)估具有現(xiàn)實(shí)意義，但更為重要的是怎樣將其應(yīng)用到實(shí)際中并發(fā)揮應(yīng)有的作用.鑒于此，本文開(kāi)發(fā)了臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理系統(tǒng)，主要分為三個(gè)具體的功能：臺(tái)風(fēng)風(fēng)速預(yù)測(cè)、單體建筑損失預(yù)測(cè)、群體民居建筑損失預(yù)測(cè).

由于臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)對(duì)海量的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理，并兼有通用及專業(yè)的功能，因而，系統(tǒng)對(duì)電腦的硬件配置具有較高的要求，以免出現(xiàn)系統(tǒng)操作過(guò)慢或出現(xiàn)異常等情況.運(yùn)行該系統(tǒng)所需要的最低配置如下：CPU為Intel Pentium Dual-core；內(nèi)存為1 GB；硬盤為80 GB；操作系統(tǒng)為Window 7.另外電腦需要預(yù)裝ArcGIS Runtime SDK for.NET或者ArcGIS Engine許可.

3.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)速預(yù)測(cè)

由于低矮民居的破壞狀態(tài)受風(fēng)速和風(fēng)向影響較大，因此，在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，建筑位置處風(fēng)速和風(fēng)向的確定尤為重要.該功能采用Rankine漩渦模型，可以計(jì)算風(fēng)場(chǎng)中任意一點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向，計(jì)算過(guò)程為

(4)

式中：vθ為測(cè)點(diǎn)位置處的切向風(fēng)速，方向可由右手螺旋定則確定；vmax為最大風(fēng)速；R為最大風(fēng)速半徑；r為臺(tái)風(fēng)眼至測(cè)點(diǎn)的距離.建筑位置處的風(fēng)速可由兩部分疊加而成，即

v=vθ+vo

(5)

式中，vo為臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)速度.

臺(tái)風(fēng)風(fēng)速預(yù)測(cè)功能主要由四部分組成：臺(tái)風(fēng)信息輸入、測(cè)點(diǎn)信息輸入、臺(tái)風(fēng)路徑顯示和說(shuō)明.用戶點(diǎn)擊左上角工具欄的打開(kāi)文件，系統(tǒng)會(huì)提示用戶選擇含有臺(tái)風(fēng)信息的文本文件，臺(tái)風(fēng)時(shí)程信息讀取完成后會(huì)自動(dòng)填充至各文本框.下一步，用戶需要輸入記錄間隔以及測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、地面粗糙度，點(diǎn)擊“計(jì)算”，每時(shí)刻測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的距離將會(huì)顯示.最后，點(diǎn)擊“顯示路徑”，臺(tái)風(fēng)中心每時(shí)刻的相對(duì)位置及其移動(dòng)路徑會(huì)動(dòng)態(tài)顯示在頁(yè)面的左下角，如圖2所示.

圖2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)速預(yù)測(cè)

3.2 單體建筑損失預(yù)測(cè)

系統(tǒng)的第二個(gè)功能為單體建筑損失預(yù)測(cè)，其基于風(fēng)災(zāi)作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失分析及低矮民居損失評(píng)估，對(duì)單體建筑在風(fēng)災(zāi)中的等級(jí)破壞及直接經(jīng)濟(jì)損失作出分析.

首先需要輸入臺(tái)風(fēng)荷載，用戶根據(jù)實(shí)際需要，可以使用第一部分測(cè)點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向的計(jì)算結(jié)果來(lái)模擬單體建筑的風(fēng)災(zāi)損失，也可以點(diǎn)擊工具欄的打開(kāi)項(xiàng)，讀取另外的風(fēng)速記錄.

下一步，需要用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇或者輸入具體的建筑屬性，結(jié)構(gòu)類型包括三種：砌體結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)，屋頂類型包括單坡屋頂，雙坡屋頂以及平屋頂，安全等級(jí)則需要根據(jù)建筑的保存完好程度選擇“保存完好”、“一般損壞”或者“嚴(yán)重?fù)p壞”，建筑的面積密度依據(jù)實(shí)際而定，取值一般在0.1～0.6之間，建筑的估值是指基于當(dāng)前價(jià)格，重建該房屋所需要的費(fèi)用，單位為萬(wàn)元.

最后，點(diǎn)擊“損失預(yù)測(cè)”，該單體建筑的經(jīng)濟(jì)損失隨時(shí)間的變化將會(huì)顯示在頁(yè)面的左下方，同時(shí)，建筑信息匯、建筑最終的破壞狀態(tài)預(yù)估、建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體承重結(jié)構(gòu)的最終破壞將會(huì)顯示在頁(yè)面右下方的文本框里，用戶可以根據(jù)需要選擇是否將其導(dǎo)出，如圖3所示.

圖3 單體建筑損失預(yù)測(cè)

3.3 群體民居建筑損失預(yù)測(cè)

系統(tǒng)的第三個(gè)功能為群體民居建筑損失預(yù)測(cè)，其是基于VB.NET對(duì)ArcGIS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的.目前公開(kāi)的資料中，臺(tái)風(fēng)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)常以省、市為統(tǒng)計(jì)單位，以區(qū)/縣為單位的較少，而以村鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單位的幾乎沒(méi)有，因此無(wú)法對(duì)某一具體受災(zāi)村莊進(jìn)行臺(tái)風(fēng)災(zāi)害模擬并與其實(shí)際災(zāi)情統(tǒng)計(jì)相比較.此處以廈門地區(qū)實(shí)地調(diào)研的蕓美村為例，對(duì)一實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂(最大風(fēng)速40.8 m/s，13級(jí))的群體民居建筑損失進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果與附近城市的歷史臺(tái)風(fēng)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)做對(duì)比.

蕓美村位于廈門市海滄區(qū)，常住人口加暫住人口2 400余人，居民住宅共547棟，主要結(jié)構(gòu)類型為磚混結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu).其中，磚混結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)房屋占比最高，二者之和達(dá)到83.4%.磚混結(jié)構(gòu)大多為近年新建的樓房，多為2～4層，主要分布在蕓美村西南部.砌體結(jié)構(gòu)多為舊房屋，部分損壞較為嚴(yán)重，主要分布在蕓美村的西北部.框架結(jié)構(gòu)房屋主要分布在蕓美村東北部，層數(shù)較高，一般3～8層.

首先點(diǎn)擊“文件讀取”，可以讀取含有相應(yīng)建筑信息的三種格式的地理文件(*.shp，*.mxd，*.lyr)，左側(cè)上方的圖框顯示各圖層，下方的圖框?yàn)辁椦鄣貓D功能，右側(cè)的圖框?yàn)榈貓D顯示，如圖4所示.地理文件包含的信息可以通過(guò)點(diǎn)擊“地理信息顯示”中的列表查看或者地圖顯示來(lái)查看.另外用戶可以通過(guò)地圖顯示功能查看所需要的建筑屬性，例如，如果想查詢磚混結(jié)構(gòu)類型房屋的分布，依次點(diǎn)擊“屬性選擇-結(jié)構(gòu)類型”、“屬性值選擇-磚混結(jié)構(gòu)”，點(diǎn)擊查詢，村莊中的磚混結(jié)構(gòu)房屋的位置就會(huì)在右側(cè)的地圖中高亮顯示.

圖4 蕓美村磚混結(jié)構(gòu)房屋分布

第二步是定義臺(tái)風(fēng)荷載信息，如同第二功能，用戶可以自行選擇臺(tái)風(fēng)荷載.此處以臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂實(shí)測(cè)風(fēng)速記錄來(lái)模擬該群體民居建筑損失.

第三步是計(jì)算建筑面積密度.點(diǎn)擊“建筑面積密度計(jì)算”后，系統(tǒng)會(huì)以各建筑中心為圓心，周圍50 m圓中所包含的所有建筑面積之和占該圓面積的比例即為該建筑的面積密度.同樣，用戶即可以通過(guò)點(diǎn)擊工具欄中的識(shí)別，可以獲取任意要素的建筑面積密度，也可以通過(guò)列表查詢獲得.

最后點(diǎn)擊“建筑損失分析-開(kāi)始分析”，依據(jù)前面提出的風(fēng)災(zāi)致低矮建筑損失評(píng)估方法，并結(jié)合第三步得到的各建筑面積密度，系統(tǒng)可以得到風(fēng)災(zāi)后村莊中各位置建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的破壞情況，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)判斷各建筑的破壞等級(jí)并計(jì)算相應(yīng)的建筑直接經(jīng)濟(jì)損失.

實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)記錄莫蘭蒂作用下該村莊各建筑遭受的具體災(zāi)害程度分布如圖5所示.由圖5可以看出，如果在經(jīng)歷13級(jí)臺(tái)風(fēng)(10 m高度處最大風(fēng)速40.8 m/s)作用后，村莊的建筑均處于中等破壞及以上，甚至部分建筑達(dá)到了嚴(yán)重破壞.點(diǎn)擊“建筑損失分析-直接經(jīng)濟(jì)損失顯示”，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算所有建筑直接經(jīng)濟(jì)損失之和，顯示村莊的總經(jīng)濟(jì)損失以及將各建筑的經(jīng)濟(jì)損失顯示在右側(cè)的地圖中.

圖5 群體建筑破壞等級(jí)分布

由于在目前公開(kāi)的資料中，臺(tái)風(fēng)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)常以省、市為統(tǒng)計(jì)單位，以村鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單位的幾乎沒(méi)有，所以無(wú)法將蕓美村在遭遇臺(tái)風(fēng)作用后的模擬結(jié)果與風(fēng)災(zāi)實(shí)例相對(duì)比.表6為近年福建及周圍縣市曾經(jīng)遭遇臺(tái)風(fēng)災(zāi)害后的災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，由于影響經(jīng)濟(jì)損失的因素較多，如地區(qū)GDP和建筑密集度等，因此，導(dǎo)致即使同一臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)，不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)損失也可能發(fā)生較大差異.圖6為群體建筑直接經(jīng)濟(jì)損失圖.模擬結(jié)果顯示蕓美村經(jīng)歷13級(jí)臺(tái)風(fēng)后的直接經(jīng)濟(jì)損失為2 065萬(wàn)元，與表6中的災(zāi)情統(tǒng)計(jì)相比，符合預(yù)期.

用戶可以通過(guò)列表查看以及地圖顯示來(lái)查看各種破壞等級(jí)的建筑.另外，該系統(tǒng)具有一定的數(shù)據(jù)分析功能，例如，用戶可以按照結(jié)構(gòu)類型、屋頂類型、保存完好程度、建筑層數(shù)等來(lái)分別統(tǒng)計(jì)不同破壞等級(jí)房屋的數(shù)量，這樣可以方便用戶進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.圖7為系統(tǒng)分別統(tǒng)計(jì)了各結(jié)構(gòu)類型各破壞等級(jí)的數(shù)量，可以看出相比其他結(jié)構(gòu)類型房屋，砌體結(jié)構(gòu)房屋破壞最為嚴(yán)重，嚴(yán)重破壞占比達(dá)到了75%，符合實(shí)際情況.

表6 部分縣市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計(jì)

圖6 群體建筑直接經(jīng)濟(jì)損失

圖7 群體建筑損失統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本文提出了一種風(fēng)災(zāi)致村鎮(zhèn)建筑損失評(píng)估方法，該方法對(duì)村鎮(zhèn)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體承重結(jié)構(gòu)分別建立破壞矩陣，并根據(jù)二者的破壞狀態(tài)判斷低矮建筑的破壞等級(jí)，結(jié)合實(shí)地調(diào)研和工程經(jīng)驗(yàn)建立了相關(guān)的建筑直接經(jīng)濟(jì)損失模型.開(kāi)發(fā)了臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了各功能的使用原理，并以實(shí)地調(diào)研村莊為模擬對(duì)象，采用實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)記錄對(duì)村莊進(jìn)行破壞狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)損失預(yù)估模擬，模擬結(jié)果與有關(guān)災(zāi)情統(tǒng)計(jì)對(duì)比符合預(yù)期，驗(yàn)證了該系統(tǒng)以及風(fēng)致村鎮(zhèn)建筑損失評(píng)估方法的可行性.得到的結(jié)論如下：

1)提出的風(fēng)致低矮民居損失評(píng)估方法可以綜合考慮房屋的風(fēng)速、風(fēng)向、結(jié)構(gòu)類型、保存完好程度、建筑面積密度等因素對(duì)房屋破壞狀態(tài)的影響，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及災(zāi)后調(diào)查報(bào)告，采用定量和定性的方式實(shí)現(xiàn)了災(zāi)后建筑破壞等級(jí)劃分，并進(jìn)一步拓展和建立了建筑直接經(jīng)濟(jì)損失預(yù)估模型.

2)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)結(jié)合了ArcGIS在分析、計(jì)算地理信息中的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算、建筑破壞等級(jí)評(píng)估、直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等功能.該系統(tǒng)可以方便用戶查看群體低矮建筑中不同破壞等級(jí)的分布，并具有一定的數(shù)據(jù)分析功能，可以為有關(guān)部門及研究人員提供相關(guān)臺(tái)風(fēng)災(zāi)前預(yù)防及災(zāi)后救援等幫助.