城市建筑群地震災(zāi)害風險評估技術(shù)探索及應(yīng)用

侯林鋒，徐 超，石樹中，路建波

（1. 浙江省地震局，杭州 310013；2. 中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

國內(nèi)外地震災(zāi)害經(jīng)驗表明，地震給人類社會造成的巨大災(zāi)害以發(fā)生在城市或城市附近時后果最為嚴重[1]。中國城市化進程的加快使人口與財富高度集中，城市向大型化、復雜化發(fā)展，在地震面前變得越發(fā)脆弱，而國內(nèi)多數(shù)城市位于地震高危險區(qū)，災(zāi)害風險迅速攀升。以災(zāi)害防御和災(zāi)后救援為主要目標的傳統(tǒng)防震減災(zāi)手段已不能適應(yīng)新時期城市發(fā)展對地震安全的需求。風險評估是風險管理的重要內(nèi)容，可以為有效應(yīng)對災(zāi)害、減少災(zāi)害造成的損失提供基礎(chǔ)依據(jù)。相關(guān)研究表明，實施以預(yù)防為基本理念的災(zāi)害風險管理可將自然災(zāi)害損失降低50%～80%[2]。因此，采取科學合理的方法開展城市建筑群的地震災(zāi)害風險評估，可以有效減輕地震災(zāi)害風險。

本文在分析國內(nèi)外地震災(zāi)害風險評估研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用情景構(gòu)建與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，從地震災(zāi)害風險形成機制的角度出發(fā)，圍繞地震危險性、承災(zāi)體脆弱性和暴露量3個方面構(gòu)建城市建筑群的地震災(zāi)害風險評估模型。以浙江省嘉興市為例，通過開展地震工程多學科的交叉研究，綜合考慮震源破裂過程、地震動傳播路徑、場地條件、建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)等因素，構(gòu)建城市建筑群地震災(zāi)害風險評估體系，并設(shè)計了城市建筑群地震災(zāi)害可視化分析平臺。城市建筑群地震災(zāi)害可視化分析平臺集合了地震、地質(zhì)、地球物理、巖土工程勘察、建筑屬性信息等資料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可實時開展建筑群地震反應(yīng)和破壞分析，并給出城市群體震害模擬結(jié)果和3D震害場景展示。

1 地震災(zāi)害風險評估研究現(xiàn)狀

自20世紀70年代以來，災(zāi)害風險評估開始由定性評估轉(zhuǎn)向半定量或定量評估，之后陸續(xù)出現(xiàn)諸多涉及風險評價理論、方法、技術(shù)等方面的研究成果，但由于對自然災(zāi)害風險形成機理的不同理解，導致對自然災(zāi)害風險度的表達不盡相同。

目前，世界各多震國家都在積極探索如何采取有效措施減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，注重建設(shè)地震災(zāi)害風險動態(tài)評估與震后災(zāi)害快速獲取能力，并依據(jù)地震災(zāi)害風險動態(tài)結(jié)果從建筑物工程建設(shè)、地震災(zāi)害風險分析、承災(zāi)體脆弱性評價、災(zāi)害動態(tài)預(yù)測與風險評估多個環(huán)節(jié)，綜合眾多學科的發(fā)展，從多種技術(shù)途徑、多對象建立地震災(zāi)害風險動態(tài)評估體系[3]。美國的FEMA（Federal Emergency Management Agency）負責各類自然災(zāi)害和突發(fā)事件，其中基于GIS的自然災(zāi)害損失評估軟件系統(tǒng)（Hazus MH）[4]，可對地震、颶風和洪水等自然災(zāi)害造成的危險源及其危險性進行風險評估，為美國政府應(yīng)急處置過程中提供必要的數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，用于提升防災(zāi)能力、應(yīng)急準備等各項相關(guān)工作；日本東京和兵庫的防災(zāi)中心則集成了各種軟硬件新技術(shù)，平時注意收集更新各類承災(zāi)體數(shù)據(jù)，震后根據(jù)已有模型和實際地震動參數(shù)分布快速進行災(zāi)害評估和災(zāi)情匯總，形成相對比較成熟的地震防災(zāi)與應(yīng)急處置一體化的服務(wù)體系[3]。

與美日等國相比，我國地震災(zāi)害風險監(jiān)測與評估理論研究偏少，技術(shù)薄弱，缺少綜合風險評估體系和系統(tǒng)平臺。目前國內(nèi)開展地震災(zāi)害風險評估較常用的方法主要包括：基于指標體系、基于GIS、基于情景模擬和基于風險概率的建模和評估[5-7]。基于指標體系的風險評估在各災(zāi)種中曾廣泛應(yīng)用，通過選取表征風險的指標因子，賦權(quán)重后收集相關(guān)數(shù)據(jù)進行模型計算，其優(yōu)點在于方法簡便易行，可按照風險管理的具體內(nèi)容進行指標選取，不足之處在于指標因子的選取和權(quán)重分配主觀性較大，雖然通過專家調(diào)查和層次分析等方法盡可能將定性問題定量化解決，但依然受人為主觀因素影響較大。國內(nèi)現(xiàn)今采用基于情景構(gòu)建模式的地震災(zāi)害風險評估正逐漸成為主流，本文通過開展地震動影響場模擬仿真、房屋建筑抗震性能的空間分布研究、結(jié)合地基基礎(chǔ)條件的典型結(jié)構(gòu)易損性分析，可以給出符合當?shù)貙嶋H情況的地震災(zāi)害風險分布。

2 城市建筑群地震災(zāi)害風險評估

地震災(zāi)害風險是地震危險性、承災(zāi)體脆弱性和暴露量綜合作用的結(jié)果。本文地震危險性分析在工作區(qū)建立了震源破裂模型，開展淺層三維速度結(jié)構(gòu)探測，給出反映場地特征的寬頻帶地震動時程和多概率水準的地表地震動參數(shù)。承災(zāi)體的脆弱性分析收集了工作區(qū)的建筑物詳細屬性信息，構(gòu)建符合當?shù)靥卣鞯牟煌ㄖY(jié)構(gòu)的易損性模型。最終考慮土結(jié)相互作用開展地震危險性水平下城市群體建筑結(jié)構(gòu)地震時程反應(yīng)分析及震害模擬，構(gòu)建城市建筑群地震災(zāi)害可視化分析平臺，給出城市群體震害模擬結(jié)果和3D震害場景展示（圖1）。

2.1 地震危險性分析

1）速度結(jié)構(gòu)模型的建立

圖 1 城市建筑群地震災(zāi)害風險評估技術(shù)路線

杭嘉湖平原作為浙江省最大的堆積平原，主要由長江、錢塘江泥沙和海潮淤泥堆積而成，表層以細粉砂、粘土等河流湖泊相沉積為主，第四系沉積層厚度變化大且沉積旋回眾多，是典型的厚軟土層場地。本項目將3種無損地球物理探測淺層速度結(jié)構(gòu)的方法（單點H/V譜比法、雙臺噪聲互相關(guān)和淺層高分辨率地震勘探）有機地相結(jié)合起來，結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔和淺勘資料聯(lián)合構(gòu)建研究區(qū)厚軟沉積層三維結(jié)構(gòu)模型，為建立厚軟沉積層的地表地震動經(jīng)驗關(guān)系提供基礎(chǔ)資料。

內(nèi)容主要包含以下4個方面：①用雙臺噪聲互相關(guān)法測定研究區(qū)域內(nèi)數(shù)百米至幾千米內(nèi)的淺部區(qū)域尺度三維速度結(jié)構(gòu)；②用單點H/V譜比法與微動臺陣探測技術(shù)的組合探測手段獲得目標區(qū)不同類型厚軟沉積層局部小尺度淺層速度結(jié)構(gòu)；③用淺層高分辨率地震勘探資料并結(jié)合鉆孔資料標定和驗證無損探測結(jié)果，并確保面上的測點密度和探測精度符合技術(shù)要求；④綜合主、被動源探測結(jié)果，建立起目標區(qū)淺層三維速度結(jié)構(gòu)，構(gòu)建目標區(qū)典型厚軟沉積層淺層三維速度結(jié)構(gòu)模型。

2）地面運動影響場構(gòu)建

鑒于嘉興地區(qū)周圍的地震構(gòu)造環(huán)境，本次地面運動影響場設(shè)計了2種震源模型。一種基于近場中小地震的特點而設(shè)定，此種地震震級較小，一般不超過6.0級，離研究區(qū)較近，產(chǎn)生的地震動通常含高頻成分多而長周期成分少，對自振頻率較高的建筑結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的破壞作用；另一種是基于遠場強震特點而設(shè)定，位于長江口岸附近，離示范區(qū)較遠，震級為7.0級左右，此類地震可產(chǎn)生較豐富的長周期成分，經(jīng)過工作區(qū)厚軟土層的共振放大作用，可以加強長周期地震動分量，因而可能對長周期建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為嚴重的地震災(zāi)害。

采用有限差分方法，通過聯(lián)立求解一階應(yīng)力-速度方程組和本構(gòu)方程模擬低頻地震動，隨機振動合成方法模擬高頻地震動，2種方法在模擬不同頻段的地震動時各有優(yōu)勢且正好互補，將高頻地震動和低頻地震動進行疊加合成示范區(qū)內(nèi)基巖寬頻帶地震動時程，最后通過土層反應(yīng)分析計算得到研究區(qū)土層地表寬頻帶地震動時程。

2.2 城市建筑群脆弱性模型研究

結(jié)構(gòu)脆弱性的一般表述為：在給定強度水平的地震動作用下，結(jié)構(gòu)超越某個破壞狀態(tài)的條件概率。脆弱性分析作為災(zāi)害風險分析的3個主要部分之一，其核心是要建立結(jié)構(gòu)出現(xiàn)或超越各種破壞狀態(tài)的概率與地震強度之間的關(guān)系。開展結(jié)構(gòu)的地震脆弱性分析對于地震破壞和損失預(yù)測以及減輕地震災(zāi)害風險具有十分重要的意義。

我國長期實際地震和震害預(yù)測工作中，積累了大量的基于烈度的建筑結(jié)構(gòu)震害經(jīng)驗關(guān)系，即用烈度-震害程度的比例或概率構(gòu)成的脆弱性矩陣，即表示不同結(jié)構(gòu)在不同烈度下各種破壞狀態(tài)的概率[8]。為了準確預(yù)測建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，更好地進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，完成對現(xiàn)有建筑物的加固和維修，加快地震災(zāi)害風險評估工作的推進，基于烈度的脆弱性矩陣很難滿足實際需要，完善現(xiàn)有的脆弱性矩陣，并將基于烈度的脆弱性矩陣轉(zhuǎn)化為更為合理的基于地震動參數(shù)的脆弱性矩陣勢在必行[9]。

基于精細化模型和非線性動力時程分析的城市區(qū)域建筑群地震災(zāi)害模擬方法是城市地震災(zāi)害風險評估的發(fā)展趨勢。由于城市區(qū)域內(nèi)建筑物數(shù)量極其眾多，一般難以獲取每棟建筑物的設(shè)計圖紙，因此必須提出適當?shù)挠嬎隳Ｐ秃蛥?shù)確定方法，可以保證計算精度的同時，能夠根據(jù)易于調(diào)查的建筑物宏觀參數(shù)（如結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)、面積、建造年代等信息），確定結(jié)構(gòu)的非線性計算模型和模型參數(shù)。本項目城市建筑群結(jié)構(gòu)分析模型采用陸新征等人提出的適用于一般多層結(jié)構(gòu)的多自由度集中質(zhì)量剪切層模型[10]，采用尹之潛等[11]建議的基于承載力關(guān)鍵點的方法確定輕度破壞和重度破壞層間位移角限值，然后再基于Hazus建議的數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)的嚴重破壞和損壞層間位移角限值。

2.3 區(qū)域建筑群地震災(zāi)害模擬及風險評估

建筑的破壞甚至倒塌是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要因素。目標區(qū)域的地震危險性、房屋建筑抗震能力及承災(zāi)體的暴露程度共同決定了相應(yīng)的地震風險水平。震害指數(shù)是衡量震害大小的量化指標，這一指標及其評定方法被中國地震烈度表采用，并在多次破壞性地震震害調(diào)查評價及震害預(yù)測中使用。相應(yīng)的，在已知研究區(qū)地震危險性水平的前提下，則可以用震害指數(shù)來評價區(qū)域內(nèi)建筑群防震減災(zāi)能力水平。目前，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306—2015）提出了雙調(diào)整的四級地震動作用[12]，結(jié)合新一代地震動參數(shù)區(qū)劃圖特點和基于地震動參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)脆弱性模型，本文提出了以下地震災(zāi)害風險評估模型。

一個區(qū)域內(nèi)某一類房屋的平均震害指數(shù)可以按下式計算：

式中：dij為i 類房屋破壞等級為j 的震害指數(shù)；nij為i 類房屋破壞等級為j 的房屋棟數(shù)或面積。

房屋的抗震能力表示結(jié)構(gòu)在地震作用下保持完好、不發(fā)生破壞的能力。

式中：Di為衡量結(jié)構(gòu)抗震能力的指數(shù)，分別為強、較強、中等、較差、差 5個等級。

一個目標區(qū)域可能包括多種類型房屋結(jié)構(gòu)，評價區(qū)域內(nèi)可對各類型房屋震害指數(shù)進行加權(quán)平均：

基于地震區(qū)劃四級地震動作用綜合反映區(qū)域內(nèi)建筑的地震災(zāi)害風險指數(shù)E：

式中：DI,j為在I級地震動作用下，第j類建筑的平均抗震能力指數(shù)；E為在I級地震動作用下的地震災(zāi)害風險指數(shù)，I級地震動作用可為基本、多遇、罕遇和極罕遇4個級別；dk為破壞等級為k的震害指數(shù)；λI,j,k為在I級地震動作用下，第j類建筑發(fā)生k等級破壞的概率，可從易損性獲得；βj為第j類建筑的面積比；γI為對應(yīng)于第I級地震動的加權(quán)系數(shù)，可由年發(fā)生率來確定權(quán)重。

城市建筑群地震災(zāi)害風險評估等級劃分可以參照《地震災(zāi)害應(yīng)急評估》（GB/T 30352—2013）和《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335—2009），并參考相關(guān)國內(nèi)研究案例[7]給出表1劃分標準。

表 1 地震災(zāi)害風險等級評估

3 案例研究

以嘉興市南湖區(qū)建設(shè)街道作為研究區(qū)，構(gòu)建了城市建筑群地震災(zāi)害可視化分析平臺。綜合考慮嘉興地區(qū)地震活動性和地震構(gòu)造的特征，地震動影響場仿真模擬采用了地震動參數(shù)區(qū)劃圖四級地震作用（50年超越概率63%、10%、2%、0.5%）與設(shè)定地震相結(jié)合的方法，設(shè)定地震模擬了本地近場6.0級地震和遠場7.0級地震，可以根據(jù)需要選取不同的地震作用加速度時程曲線進行研究區(qū)建筑群的地震災(zāi)害反應(yīng)分析和破壞分析，給出相應(yīng)地震作用下的示范區(qū)建筑群三維震害場景展示（圖2），并據(jù)此給出破壞狀態(tài)的分布（圖3）。

圖 2 50年超越概率2%地震動作用下區(qū)域建筑物地震反應(yīng)3d動態(tài)展示

圖 3 50年超越概率2%地震動作用下區(qū)域建筑物破壞狀態(tài)分布

研究區(qū)以磚混結(jié)構(gòu)（設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)）為主，棟數(shù)占比為62%；不設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)次之，棟數(shù)占比為25%；鋼混結(jié)構(gòu)數(shù)量最少，占比為13%。由于鋼混結(jié)構(gòu)一般為多層和多高層，而未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)一般為1～3層低矮房屋，分析不同類型房屋的面積分布，其中仍以磚混結(jié)構(gòu)（設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)）居多，面積占比59%；鋼混結(jié)構(gòu)次之，面積占比34%；不設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)面積占比7%。從建筑群破壞狀態(tài)分布可以看出，地震災(zāi)害風險較高的區(qū)域主要為老舊不設(shè)防砌體較多的區(qū)域。

基于城市群體建筑物震害模擬展示平臺開展結(jié)構(gòu)非線性動力分析及震害模擬，對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析可得不同類型結(jié)構(gòu)的易損性。結(jié)合上述地震災(zāi)害風險指數(shù)模型、房屋建筑易損性分析結(jié)果和研究區(qū)的房屋建筑統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可計算研究區(qū)基于房屋建筑的地震災(zāi)害風險指數(shù)為0.13，表明研究區(qū)房屋建筑抗御地震災(zāi)害風險的能力較好，地震災(zāi)害風險相對較低。

4 結(jié)論與討論

1）分析了國內(nèi)外地震災(zāi)害風險評估研究現(xiàn)狀，提出基于地震危險性、房屋建筑易損性及承災(zāi)體暴露程度的地震災(zāi)害風險評估方法，將城市建筑群地震災(zāi)害風險等級劃分為低、較低、較高、高和非常高風險。

2）開發(fā)了城市群體建筑物基于多自由度層剪切模型的精細化結(jié)構(gòu)建模和地震反應(yīng)分析程序，構(gòu)建了城市建筑群地震災(zāi)害分析及模擬展示平臺。以設(shè)定地震和多概率水準地震動作為輸入，開展了研究區(qū)范圍內(nèi)建筑物的震害模擬和3D震害場景展示，計算出研究區(qū)設(shè)定地震和不同超越概率水準下的建筑物破壞狀態(tài)分布及直接經(jīng)濟損失。

3）結(jié)合本文地震災(zāi)害風險指數(shù)模型、房屋建筑易損性分析結(jié)果和研究區(qū)的房屋建筑統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算出研究區(qū)基于房屋建筑的地震災(zāi)害風險指數(shù)為0.13，表明區(qū)域內(nèi)房屋建筑抗御地震災(zāi)害風險的能力較好。

本文的相關(guān)研究成果可服務(wù)于城市建筑群抗震能力薄弱區(qū)的精準識別，可為防震減災(zāi)能力提升和地震災(zāi)害風險隱患排查提供參考，可用于開展防震減災(zāi)工作的投入效益量化分析和績效評價。但相關(guān)研究僅僅限于城市的房屋建筑，作為承擔日益復雜功能的城市，生命線系統(tǒng)（交通、供水、供電、供氣、通信等）的地震災(zāi)害風險排查、評估與治理還有待進一步研究。