基于PTVA模型的木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性評(píng)估方法研究

傅政杰 郭小東教授 王志濤副教授

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124；2.木結(jié)構(gòu)古建筑安全評(píng)估與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地，北京 100124)

0 引言

自然災(zāi)害是當(dāng)今人類面臨的全球性重大問(wèn)題之一。熱帶氣旋災(zāi)害更是全球發(fā)生頻率最高、影響最嚴(yán)重的一種災(zāi)害[1]，也是我國(guó)東南沿海遭受最嚴(yán)重且頻率最高的自然災(zāi)害[2]。作為文化遺產(chǎn)大國(guó)，在我國(guó)不可移動(dòng)文物分布數(shù)量排名靠前的省份中，浙江、廣東、福建每年都面臨著臺(tái)風(fēng)的威脅。例如，2006年，受“桑美”臺(tái)風(fēng)影響，福建省千年古寺資國(guó)寺有20多間建于唐宋時(shí)期的木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑倒塌；2016年，受“尼伯特”臺(tái)風(fēng)影響，全國(guó)最大、保存最完好的古民居單體建筑宏琳厝有100多間房屋倒塌。為最大限度地減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的破壞，有必要對(duì)古建筑進(jìn)行臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過(guò)分析古建筑在不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生不同破壞狀態(tài)的可能性(即臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性)，來(lái)制定相應(yīng)的保護(hù)加固措施及備災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)策略。

為加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害下對(duì)古建筑的保護(hù)，許多學(xué)者在古建筑抗風(fēng)領(lǐng)域進(jìn)行不同角度、不同層次的分析。鄭力鵬[3]基于實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)資料，從規(guī)劃布局、民居建筑以及大型建筑3方面對(duì)古代建筑的防風(fēng)經(jīng)驗(yàn)和措施進(jìn)行分析與總結(jié)；單文珊[4]對(duì)中國(guó)殿堂式古建筑的典型屋蓋特征進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，給出不同典型特征下屋面風(fēng)壓的分布形式；任蘭紅[5]圍繞“街區(qū)—建筑—構(gòu)造”3方面分析影響風(fēng)荷載的因素，并給出歷史文化街區(qū)減緩風(fēng)災(zāi)的相應(yīng)措施。

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)多從規(guī)劃布局、結(jié)構(gòu)體型特征及其對(duì)風(fēng)荷載影響角度進(jìn)行分析，對(duì)于文物建筑應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的預(yù)防性保護(hù)措施，缺乏一種行之有效的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估方法。海嘯脆弱性評(píng)估(Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment，PTVA)模型被廣泛應(yīng)用于單災(zāi)種物理脆弱性評(píng)估，并已成功應(yīng)用于馬魯布拉、科林斯灣等地區(qū)[6]。辜智慧等[7]基于修正PTVA方法給出臺(tái)風(fēng)災(zāi)害下建筑脆弱性評(píng)估方法，并應(yīng)用于廣東省東部地區(qū)。本文以PTVA模型為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建木結(jié)構(gòu)古建筑脆弱性指標(biāo)體系，提出一種基于PTVA模型的木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性量化評(píng)估方法，從而為古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供技術(shù)支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 PTVA模型介紹

PTVA模型是一款基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的單體建筑臺(tái)風(fēng)脆弱性評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)海嘯現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查分析，得到影響單體建筑在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害下破壞程度的相關(guān)屬性，將屬性進(jìn)行歸類，確定屬性的范圍變化值，給出每個(gè)屬性的脆弱性描述并進(jìn)行賦分?；赑TVA模型中的屬性，可以對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中的建筑物計(jì)算得到“相對(duì)脆弱性指數(shù)”(Relative Vulnerability Index，RVI)。

PTVA模型里的RVI為2個(gè)獨(dú)立的加權(quán)和：建筑結(jié)構(gòu)的脆弱性(Structure Vulnerability，SV)和建筑與水接觸的脆弱性(Water Contact Vulnerability，WV)。研究表明，結(jié)構(gòu)薄弱的建筑物(如層數(shù)較低、木結(jié)構(gòu)、地基較淺、保存條件較差等)，即使僅浸泡在水中，也會(huì)造成嚴(yán)重的破壞。RVI的得分可以表示為：

(1)

式中：

SV—結(jié)構(gòu)脆弱性的標(biāo)準(zhǔn)化得分；

WV—結(jié)構(gòu)淹沒脆弱性的標(biāo)準(zhǔn)化得分。鑒于結(jié)構(gòu)破壞比建筑浸泡需要更高的維修費(fèi)用，取SV權(quán)重為2/3，WV權(quán)重為1/3[6]。

進(jìn)一步，SV的得分可表示為：

SV=(Bv)·(Ex)·(Prot)

(2)

式中：

Bv—影響防洪能力的建筑結(jié)構(gòu)特征，如建筑層數(shù)、建筑形態(tài)等；

Prot—建筑提供保護(hù)的屏障，如建筑所在行列等；

Ex—為標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)，由建筑物預(yù)期水深給出，范圍在1-5之間(1=最小水深，5=最大水深)。

當(dāng)建筑物被淹沒時(shí)，地板上所有被水損壞的部分(包括墻體)都需要維修或更換。因此，建筑物與水接觸的脆弱性取決于被水淹沒的層數(shù)(包括地下室)。WV的得分表示為：

(3)

式中：

Wf—被淹沒的層數(shù)；

Wl—建筑的總層數(shù)。

1.2 區(qū)域建筑屬性特征及環(huán)境特征整理

傳統(tǒng)PTVA模型的指標(biāo)體系已經(jīng)涵蓋大部分單體建筑的脆弱性指標(biāo)以及環(huán)境因子，并綜合考慮臺(tái)風(fēng)海嘯中風(fēng)與水對(duì)建筑的綜合作用。然而，我國(guó)古建筑無(wú)論從環(huán)境特征，還是從結(jié)構(gòu)特征，均與現(xiàn)代建筑有較大差異。從環(huán)境層面看，我國(guó)古代建筑有藏風(fēng)聚氣、高下適中的選址原則；從建筑特征看，古建筑通常是多進(jìn)院落的布局，建筑層數(shù)低，建筑密度高；從結(jié)構(gòu)特征看，木結(jié)構(gòu)古建筑具有屋蓋厚重、挑檐寬大、屋蓋與梁架連接薄弱等特征。因此，本文對(duì)我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑的典型特征以及環(huán)境因子進(jìn)行梳理，實(shí)現(xiàn)對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的RVI衡量。

1.2.1 環(huán)境特征指標(biāo)選取

結(jié)合現(xiàn)有研究成果[8-13]，環(huán)境特征指標(biāo)根據(jù)其影響程度選取綜合地形、高程坡度、周邊建筑密度、周邊建筑高度、周邊植被/高墻5個(gè)指標(biāo)。

綜合地形指古建筑所處的地形情況，我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)中對(duì)風(fēng)荷載定義以平坦、開闊的地形作為基本地形條件，現(xiàn)實(shí)中風(fēng)災(zāi)較為嚴(yán)重的地區(qū)往往山地以及丘陵地形占據(jù)較大比例。山體由于“爬坡效應(yīng)”導(dǎo)致風(fēng)速增大；風(fēng)流經(jīng)過(guò)與風(fēng)向一致的谷口、山口時(shí)，則由于“狹管效應(yīng)”導(dǎo)致風(fēng)速增大，從而產(chǎn)生不良風(fēng)場(chǎng)。

高程是指建筑所處位置的海拔，坡度是表示地形的變化程度，可以通過(guò)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)獲取。高程與坡度主要是考慮臺(tái)風(fēng)災(zāi)害時(shí)暴雨所帶來(lái)的影響。高程越低時(shí)，雨水就越容易聚集，造成洪水的概率也就越大；地面坡度越小，水流速度越低，越容易聚集大水[8]。高程坡度賦分，見表1(高程坡度為表3中P2，表1列中賦分與表3賦分設(shè)定一致)。

表1 高程坡度賦分Tab.1 The assigned score for the elevation and slope

周邊建筑密度代表建筑所處建筑群的位置以及建筑周邊的密度。隨著建筑密度的增大，對(duì)風(fēng)的流動(dòng)阻礙效果越大，從而能夠降低風(fēng)速，減小風(fēng)對(duì)建筑的作用強(qiáng)度[9]。

周邊建筑高度對(duì)古建筑的影響有3個(gè)方面：當(dāng)建筑高度一致時(shí)，有助于防風(fēng)[10]；低層建筑周邊存在較高建筑會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)荷載[11]；高層建筑對(duì)周邊流場(chǎng)主要有氣流下沖、增速、旋渦形成、形成尾流等幾個(gè)產(chǎn)生極大負(fù)壓的影響[12]，因此當(dāng)周邊存在較高建筑時(shí)對(duì)古建筑抗風(fēng)不利。

植被/墻體的擋風(fēng)原理與建筑之間的風(fēng)致干擾效應(yīng)相似。研究表明，當(dāng)樹木高度小于建筑高度時(shí)，樹木與建筑之間的距離和樹木高度比值為1～2時(shí)，對(duì)建筑的防風(fēng)效果較好[13]。

1.2.2 結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)選取

結(jié)構(gòu)指標(biāo)結(jié)合前人研究[14-19]、實(shí)地調(diào)研以及木結(jié)構(gòu)古建筑抗風(fēng)機(jī)理，選取長(zhǎng)寬比、高寬比、坡度角、坡頂數(shù)、屋脊出山、含柱率、含墻率、門窗、屋面做法以及保存情況10個(gè)指標(biāo)。

長(zhǎng)寬比與高寬比對(duì)木結(jié)構(gòu)的影響集中于2方面[14-15]：隨著長(zhǎng)寬比與高寬比的增大，建筑承受的風(fēng)荷載也隨之增大；長(zhǎng)寬比與高寬比增大時(shí)，在相同風(fēng)速下，木結(jié)構(gòu)古建筑會(huì)產(chǎn)生更大的側(cè)向變形，不利于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)。

屋面坡度角的大小會(huì)影響屋面的風(fēng)壓分布，當(dāng)坡度角較小時(shí)，往往由于角度變小導(dǎo)致氣流分離增強(qiáng)，會(huì)增大屋檐區(qū)域的極值風(fēng)壓[16]。木結(jié)構(gòu)古建筑中最常見的是雙坡屋面以及四坡屋面，四坡屋面相對(duì)于雙坡屋面有更好的均勻性，抗風(fēng)性能更好[17]；屋脊和出山在減小屋面的極值風(fēng)壓方面有較好的作用，同時(shí)兩者的共同作用對(duì)屋面極值風(fēng)壓的減小效果最為明顯[18]。

柱子和墻體是古建筑柱架層抵抗風(fēng)荷載的主要構(gòu)件。風(fēng)載作用于古建筑上時(shí)，主要依靠柱頂與闌額的榫卯鏈接以及增加墻體來(lái)提高抗側(cè)能力。一般平面闊深比大于2的古建筑，通常采用四面橫墻到頂?shù)淖龇?，如溫州匠心寺天王殿、潮州開元寺天王殿等。因此含柱率以及含墻率越高，抵抗風(fēng)荷載的能力越強(qiáng)。門窗不僅是溝通室內(nèi)外的通道，也是臺(tái)風(fēng)下易破損的構(gòu)件。門窗的破壞導(dǎo)致氣流沖進(jìn)建筑內(nèi)，產(chǎn)生較大氣壓，屋頂受到室內(nèi)升力以及室外吸力的聯(lián)合作用易產(chǎn)生破壞?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明[19]：門窗率越大，古建筑抵抗風(fēng)載的能力越弱。

在強(qiáng)風(fēng)作用下，屋面覆面材料(如屋面瓦片、保溫層等)會(huì)脫落和破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)屋蓋的破壞。古代屋面主要從重量以及整體性2方面來(lái)防風(fēng)。屋面整體性越好以及重量越大，抗風(fēng)性能越高。表2給出古建筑中常用的屋面分層做法，從A-D抗風(fēng)能力逐漸提高。保存情況代表古建筑目前的殘損情況，殘損越大，古建筑的抗風(fēng)性能越差。

表2 屋面分層做法Tab.2 Roof layering practices

2 脆弱性評(píng)估方法

參考PTVA模型，對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，并將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為1-5分，結(jié)合專家判斷計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的指標(biāo)及計(jì)算權(quán)重，見表3。其相應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)賦分及一級(jí)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化賦分，見表4-6。

3 模型應(yīng)用與驗(yàn)證

3.1 歷史災(zāi)情及研究區(qū)選擇

2016年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”，以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別登陸，中心附近最大風(fēng)力達(dá)17級(jí)以上。受“尼伯特”影響，福建閩清日降雨超過(guò)200mm，中心風(fēng)力達(dá)到10級(jí)。閩清縣文物建筑受損嚴(yán)重，尤以全國(guó)最大古民居宏琳厝最為嚴(yán)重。因此，本文以宏琳厝為研究區(qū)。

3.2 數(shù)據(jù)收集及處理

結(jié)合高精度遙感影像，對(duì)宏琳厝古建筑進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，獲取脆弱性指標(biāo)數(shù)據(jù)資料以及破壞情況。相關(guān)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于以下渠道：遙感數(shù)據(jù)，可獲取建筑位置、地形以及建筑形式等指標(biāo)；文物普查數(shù)據(jù)，可給出古建筑相關(guān)脆弱性指標(biāo)的賦值；網(wǎng)絡(luò)及書籍資料，補(bǔ)齊剩余的脆弱性指標(biāo)。

表3 木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.3 The index system and weight for the typhoon vulnerability of ancient timber buildings

表4 保護(hù)屏障Prot賦分Tab.4 The assigned score for the protection scherm Prot

表5 建筑結(jié)構(gòu)Bv賦分Tab.5 The assigned score for the building structure Bv

表6 脆弱性指標(biāo)賦分Tab.6 The assigned score standard for the vulnerability index

3.3 結(jié)果分析

宏琳厝46幢木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)脆弱性評(píng)估結(jié)果，見表7。將古建筑RVI結(jié)果通過(guò)自然間斷法進(jìn)行等級(jí)劃分，劃分為5個(gè)等級(jí)：高等級(jí)(RVI>2.979)，較高等級(jí)(2.751

表7 木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)脆弱性評(píng)估結(jié)果Tab.7 Assessment results of the typhoon vulnerability of ancient timber buildings

續(xù)表

4 結(jié)論

本文提出一種基于PTVA模型的木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性評(píng)估方法，利用該方法對(duì)宏琳厝進(jìn)行評(píng)估，與“尼伯特”臺(tái)風(fēng)中宏琳厝的實(shí)際受災(zāi)情況進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)實(shí)地調(diào)研、文獻(xiàn)梳理以及分析木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害破壞案例，辨識(shí)出木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性主要體現(xiàn)在綜合地形、高程坡度、周邊建筑密度、周邊建筑高度、周邊植被/高墻5個(gè)環(huán)境特征指標(biāo)和長(zhǎng)寬比、高寬比、坡度角、坡頂數(shù)、屋脊出山、含柱率、含墻率、門窗、屋面做法以及保存情況10個(gè)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。

圖1 宏琳厝臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性圖Fig.1 The vulnerability of Honglincuo to the typhoon disaster

圖2 宏琳厝在“尼伯特”臺(tái)風(fēng)下破壞圖Fig.2 The destruction of Honglincuo under Typhoon Nepartak

(2)采用PTVA模型，構(gòu)建木結(jié)構(gòu)古建筑臺(tái)風(fēng)災(zāi)害脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系，并計(jì)算出指標(biāo)權(quán)重。

(3)運(yùn)用該方法對(duì)宏琳厝中的木結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行脆弱性快速評(píng)估，將評(píng)估結(jié)果與實(shí)際災(zāi)后調(diào)查結(jié)果對(duì)比，符合率為91.3%，說(shuō)明該模型的合理性以及可操作性。

(4)鑒于古建筑的功能和結(jié)構(gòu)形式具有多樣化特點(diǎn)，下一步研究中將考慮構(gòu)建磚石、磚木類型的古建筑脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系，并將評(píng)估方法編制成軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)評(píng)估。