城市建筑群地震災害數值仿真與風險控制

林旭川

城市建筑群地震災害數值仿真與風險控制

林旭川

林旭川，中國地震局工程力學研究所副研究員，碩士生導師，從事城市地震災害仿真、基于高強鋼與阻尼器的新型減震結構體系等的研究工作，兼任建筑學會抗震防災分會建筑結構抗倒塌專業委員會委員。2007 年和2009 年先后獲清華大學土木工程工學學士和碩士學位，2012 年獲日本京都大學工學博士學位。2012—2014 年在京都大學防災研究所、東京大學地震研究所從事科研工作。先后主持國家自然科學基金青年基金項目、中央級公益性研究所基本科研業務項目、教育部留學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；作為子課題負責人，參加國家科技支撐項目、地震行業科研專項等多個項目。先后發表科技論文50 余篇，其中SCI 收錄11 篇，EI 收錄13 篇；軟件著作權1 項，實用新型專利4 項。曾獲清華大學優秀碩士論文，2篇入選中國精品科技期刊頂尖學術論文（F5000）。

我國地震災害多發，破壞性地震既發生在板塊交界附近，也發生于大陸板塊內部。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。近四十年來，我國經濟持續高速增長，城鎮化水平不斷提高。大量人口進入城市工作、生活，社會財富急劇增加并在城市聚集，城市變得越發“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可能導致大半個城市交通癱瘓，一座城市核心區大樓的垮塌將引起重大人員傷亡和財產損失；另一方面，發展中的大城市具有大量不確定因素，如大量新建建筑、新建基礎設施和大量流動人口。我國大部分城市并未經過大地震考驗，且缺乏應對此類破壞性地震的經驗。一旦在城市附近發生破壞性大地震，后果將如何？以現階段的技術經濟水平，我們如何去分析并以最小的代價應對未來發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新理念的思考

地震本身并不是災害，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災害，如多次發生在新疆昆侖山無人區的7.0級以上大地震，均未產生災害。地震災害是地震引起的對人類及其工程結構的破壞作用，災害的最終受體是人，而致災媒介主要是人類所處的環境（特別是工程結構）。

人類歷史上曾發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。發達國家也很難幸免，2011年的日本東北大地震，其震源雖然在海中，卻引發了巨大的海嘯，造成沿岸2萬人死亡或失蹤，并導致了嚴重的核泄漏事故，福島核電站附近的土地和海水被嚴重污染；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，并探索抵御未來破壞性地震更有效的方法。

以下僅針對近年發生的大地震，闡述作者在建筑震害方面感觸較深的幾點認識：

（1）2008年四川汶川大地震——居安思危與抗震技術同等重要。該地震為里氏8.0級，地震災害固然與技術、經濟等因素有關，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災害高風險區域。開發商和老百姓對減隔震等新技術的接受度很低，甚至有些土木工程專業的學生懷疑抗震設計的必要性，更是有施工企業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。從另一個側面也說明了建立全民科普教育長效機制的重要性，現代城市的防災減災工作更是離不開地震防災意識、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遠超出工程設計預期。日本是個經常受到地震海嘯威脅的國家，其在海嘯預警、堤壩建設等方面投入巨大。這次地震的震級達到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的海嘯明顯超過了堤壩最大高度，導致沿岸的城鎮被毀，大量人員傷亡或失蹤。地震時，東京的高層建筑也發生了大幅的長時間搖動，并導致大量人員無法回家。日本學者意識到大地震的破壞力常常遠超設計標準，并以此舉一反三，進一步研究其經濟政治中心東京如何面對類似的明顯超越設計預期的地震作用。

（3）2010—2011年新西蘭坎特伯雷系列大地震——城市的可恢復性與重要建筑的抗震性能緊密相關。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致了數以百計的人員死亡或失蹤，也導致城市各項基本活動無法進行，進而引起不少人離開城市，使城市的災后重建和恢復非常困難。為此，新西蘭的不少建筑，特別是工業和商業建筑，在災后重建過程中大量采用減震與隔震的各種新技術，確保重要建筑和關鍵建筑在大地震下不中斷使用功能或可快速恢復使用。

圖1 2014年魯甸地震的龍頭山鎮建筑群破壞狀況

（4）2014年云南魯甸地震——小震不等于小災。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超相同震級的地震。首先，當地村民大量采用一些生土結構或無約束砌體結構，結構整體性較差。更糟糕的是，地震來臨之前當地恰遇洪災，大量的生土房屋被淹，導致土墻松散開裂、搖搖欲墜，地震發生時一些位于地震烈度較低區域的房屋也倒了。當然，這里涉及了多災種耦合作用的問題。其次，可能是由于地表附近土層對地震波的放大作用，震中龍頭山鎮的部分區域，測到的峰值加速度約1g，大量建筑垮塌，其中有不少經過抗震設計的建筑垮塌，不少房屋看似基本完好，實際上首層已經完全垮塌或剪壞，如圖1。一些重要公共建筑（如醫院、避難場所）的倒塌，不僅對救災產生影響，也直接導致了無法為雨季中的受災群眾提供室內的避難場所。重要防災建筑需要具有比一般建筑更高的抗震性能目標。

基于逐棟精細建模的城市建筑群地震災害仿真技術探索

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，而歷次的震害經驗表明，建筑的倒塌往往是造成人員傷亡與財產損失的主要因素。如何確保城市建筑群的抗震防災能力已成為地震工程領域重要的研究課題之一。試驗研究和現場調查為建筑抗震能力與災害預測提供了直接而寶貴的數據，但仍難以滿足現代大規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域時遇到了一定困難。近年來數值仿真軟硬件的快速發展，為采用數值手段分析建筑群地震災害奠定了基礎。

國內外的研究人員通過不同技術手段對地震災害模擬系統進行研發，根據是否逐棟直接模擬建筑地震響應，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（GIS）、人工智能或遙感等技術研發出各種地震災害分析與預測平臺，為地震區劃、震害預測與損失評估等工作提供了很好的技術支持。然而，間接預測方法高度依賴震害經驗，難以直觀分析地震動特性差異、建筑破壞細節與建筑群體震害的內在聯系，在討論成災機理方面存在不足。隨著計算機技術的迅猛發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Hori教授、清華大學陸新征教授等團隊在內的不少學者對此進行了大量研究與探索。作者基于在東京大學和中國地震局工程力學研究所的科研工作，通過編制程序源代碼，建立了基于快速逐棟建模技術的城市大規模建筑群地震災害模擬與三維可視化系統（后文簡稱城市仿真系統）。

圖2 城市仿真系統各功能模塊及其運行流程

為實現城市中大量存在的各類建筑的地震災害模擬，仿真系統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）、地震響應高性能計算模塊（計算模塊）、結果深度分析與三維動態可視化模塊（分析模塊）。城市仿真系統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 城市仿真系統的組成與各部分特點

基于研發的城市仿真系統，對我國東部某大型城區的70多萬棟建筑進行震害分析。程序自動完成了不合理錯誤數據的糾正、快速自動化建模、地震響應計算和三維動態可視化的各個環節，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給出了建模中的關鍵圖形以及不同視角下城市建筑群的變形狀態與位移云圖，程序可實現根據需要觀察城市中各個建筑、任意時刻、各樓層的地震響應。

除了樓層位移時程，該系統也可提供建筑各樓層最大層間位移角、樓層損傷指標、整樓損傷指標、街區避難需求等衍生的指標。圖4給出了我國西南某城區在2016年新西蘭8.0級地震最大地震動作用下的模擬算例。依據建筑各樓層實際的物理損傷級別（基于樓層剪力-變形本構曲線），得到如圖4所示的損傷分布情況。圖4中，損傷由深藍色到紅色的五級顏色顯示，分別表示結構完好（0.0-1.0）、輕微破壞（1.0-2.0）、中度破壞（2.0-3.0）、嚴重破壞（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與位移云圖

圖4

可見，城市仿真系統可以清晰直觀地展現出大規模建筑群的震害情況，有利于發現并更好地理解城市地震災害的成災機理。特別是，仿真系統可作為城市地震災害的評估工具，基于結構變形與損傷等基本結果產出，可根據實際需要定義各種衍生指標，如社區內不同損傷程度建筑面積、非結構構件的損傷程度、建筑地震災害風險評估指標、城市可恢復性指標等。

城市地震災害的風險控制展望

有效應對地震災害風險離不開對災害風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，以不變應萬變，通過對新建建筑的合理設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。對于防災重要建筑，需根據功能特點進行性能化設計，在設計中采用有效的損傷控制策略和合適的減隔震技術，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。對于一般的城鎮建筑，需因地制宜選取合適的建筑材料與結構形式，在地震高風險區域要加強推廣經濟、有效的抗震結構形式和減隔震技術。

另一方面，高速發展的城市極其復雜而脆弱，建筑群地震災害的研究只是城市災害研究的重要一環。在充分利用調研數據和總結震害經驗基礎上，仍需持續不斷地推動基于精細物理模型的城市仿真系統的發展，對城市既有和潛在的地震災害風險進行識別和分析。基于仿真平臺，研究災害的特點和成災機制，探索最大可能降低地震災害風險的有效途徑。城市地震災害模擬系統作為災害評估與機理分析的重要手段之一，推動地震學、土木工程技術、計算機科學、通信技術、人工智能、遙感技術甚至社會科學等多學科的交叉融合與綜合應用，具有現實應用與科學研究的雙重意義。在建筑群地震災害仿真平臺的基礎上，可進一步集成非結構部件、道路橋梁、各種管道、交通工具和人的行為，實現對城市綜合地震防災的模擬與研究。

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