建設地震韌性城市所面臨的挑戰

陸新征 曾翔 許鎮 楊哲飚 程慶樂 謝昭波 熊琛

建設地震韌性城市所面臨的挑戰

陸新征 曾翔 許鎮 楊哲飚 程慶樂 謝昭波 熊琛

陸新征，清華大學土木工程系教授、博士生導師，防災減災工程研究所所長，《工程力學》期刊主編。2005年獲清華大學土木工程系博士學位，2008—2009年美國斯坦福大學訪問學者，2011年日本神戶大學客座副教授，現主要從事工程防災減災和結構非線性分析方面的研究工作，成果被我國國家、行業標準、美國混凝土學會指南及國際重要結構計算軟件采納，應用于中國尊等多個超高層標志性工程，并獲授權美國發明專利1項，中國發明專利10余項；作為救災專家，參與汶川、玉樹、蘆山、魯甸和西藏地震等的抗震救災工作。先后發表論文200余篇，出版中英文專著多部，論著累計被引用萬余次，多次入選Elsevier“中國土木和結構工程學科高被引學者”。2016年入選國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，2015年入選“長江學者獎勵計劃”青年長江學者，2012年獲國家自然科學基金委優秀青年科學基金，并榮獲國家自然科學二等獎等獎勵。

由于地震的人員傷亡主要是由建筑物倒塌造成的，因此傳統地震工程主要關注如何減輕因地震導致的建筑物倒塌破壞。20世紀90年代后，為了減輕地震的經濟損失，基于性能的抗震設計得到了廣泛的重視和發展。進入21世紀，特別是在2011年日本“3·11”大地震和新西蘭基督城地震后，人類多次面臨城市遭受嚴重地震破壞后重建難度大、時間長，社會代價巨大的挑戰，城市的抗震“韌性”（Resilience）問題得到了廣泛的重視。

美國紐約布法羅大學地震工程多學科研究中心（MCEER）等研究機構建議，可以通過降低地震發生時的功能損失或提高震后修復速度來實現“韌性”抗震。基于這一理念，美國舊金山、洛杉磯等城市陸續提出了“地震韌性城市”的建設目標。其具體內容包括：在遭遇中小地震時城市的基本功能不喪失，可以快速恢復；在遭遇嚴重地震災害時，城市應急功能不中斷，不造成大規模的人員傷亡，所有人員均能及時完成避難，城市能夠在幾個月內基本恢復正常運行等。“地震韌性城市”代表了國際防震減災領域的最新前沿趨勢，也成為我國很多城市防震減災工作的奮斗目標。中國地震局已將“韌性城鄉”作為地震科技創新項目計劃的4個重點工程之一。

雖然建設地震韌性城市已經成為國內外防震減災領域的共識，但是真正實現地震韌性的挑戰是非常大的。由于韌性抗震的理念還比較新，而我國建設規范的更新周期長，且基礎研究存在不足，導致即便是按照我國最新的抗震規范建設的建筑，也無法充分滿足韌性抗震的需求。此外，由于我國近代長期貧窮落后的歷史，留下了大量低設防水平的既有建筑和基礎設施，也成為實現地震韌性的主要軟肋。本文結合作者課題組近年來開展的相關工作，對我國建設地震韌性城市所面臨的挑戰以及有待開展的工作加以分析，供相關讀者參考。

新建建筑實現韌性抗震所面臨的挑戰

一般而言，新建建筑反映了地震工程領域的最新進展，通常應具有更好的抗震性能。我國建筑抗震設計規范也規定了“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”三個水準的設防要求。然而，即使城市內所有建筑都依據目前最新版的抗震規范進行設計建造，仍然難以保證足夠的地震韌性。具體表現在：

小震能否做到不壞？

“小震不壞”是我國抗震規范的設計目標之一，即在遭遇重現期50年左右水平的地震作用時，建筑物應基本保持完好，一般不需要修理就可以正常使用。相應的，城市的功能應保持完好，人民生活不應受到重大影響。我國抗震規范主要通過控制結構的構件承載力和側向變形來實現“小震不壞”的抗震目標。然而，隨著我國城市建設的發展，現有的抗震設計手段已經不足以保障“小震不壞”的要求。

（1） 小震作用下高層建筑樓面加速度引起的非結構構件破壞問題

高層建筑已經成為我國城市建筑的主要組成部分。地震引起的加速度響應往往會沿著建筑高度不斷放大，進而導致高層建筑頂層加速度可能遠大于地面加速度。強烈的樓面加速度作用會導致建筑內部的空調、電梯等設備和非結構構件被破壞。本文作者對一棟按照我國規范設計的43層的鋼筋混凝土框架—核心筒高層住宅進行了分析。結果表明，小震下頂層樓面加速度可以達到地面峰值加速度的1.8倍。雖然在該工況下高層建筑結構基本保持完好，但是加速度響應可以給空調等非結構構件造成300萬元～400萬元人民幣的損失，且修復時間超過50天。這顯然不能滿足“小震不壞”的性能目標要求。而現階段我國抗震規范對如何控制小震下樓層加速度引起的破壞還沒有給出充分的設計規定。

（2） 小震作用下建筑樓面加速度引起的人員恐慌問題

建筑的加速度響應除了會引起非結構構件破壞外，還可能引起樓內人群的恐慌。研究表明，當加速度達到0.015 g～ 0.05 g時，人就會出現不適感。例如發生在2016年12月18日的山西清徐4.3級地震，此次地震震級很低，記錄到的地面加速度很小，但太原市民反映震感非常強烈。本文作者采用城市抗震動力彈塑性分析方法，將實測地震動輸入到太原市中心城區4萬余棟建筑模型中。分析結果表明雖然建筑基本都為完好狀態，然而地震引起的樓面加速度會引起相當數量的人員不適（圖1）。

圖1 2016年12月18日山西清徐4.3級地震中，太原中心城區的人員感受

隨著我國社會經濟的發展，出現了很多人口和建筑密度很高的城區。例如在上海陸家嘴核心區，高峰時期人群密度超過每平方千米5.4萬人。在這樣的地區，大量人群因恐慌在短時間內迅速逃離建筑物將造成地面人口密度驟增，室外空間可能根本無法容納如此高密度的人群，會導致嚴重的擁擠與踩踏等后果。從這一角度來看，即使是小震，也可能給城市區域帶來遠超預期的人員傷亡和社會問題。

中震能否做到可修？

我國抗震設計規范的第二水準是“中震可修”，它要求建筑在遭遇設防地震（重現期475年）作用下，可以通過對震損進行修理而重新使用。但是，現行規范對“中震可修”的規定可操作性不夠強，且僅僅達到“可修”并不能滿足地震韌性城市的目標，因為除了“可修”以外，地震韌性城市還需要回答“是否值得修？”，“需要花費多少時間去修？”等問題。而按照現行抗震規范設計的結構，在這些方面還存在較多的不足。

（1） 修復成本非常高昂

建筑震后修復的代價是非常高的，特別是我國建筑多采用混凝土結構或砌體結構，其變形能力差，修復難度大。本文作者對清華大學校區的619棟建筑進行了分析。研究結果表明，在遭受中震作用后，地震損失高達72.3億元人民幣。其中60%以上的損失是因為部分建筑震后的殘余變形太大，以至于修復成本太高，拆除重建反而比維修更經濟（圖2）。也就是說，按照現行的抗震規范設計的建筑，有相當比例的建筑在中震后即使技術上是可以修復的，經濟上也是不可行的。而重建這些建筑物造成的經濟成本和社會沖擊也顯然不滿足地震韌性城市的要求。

（2） 修復周期非常長

即便是中震后修復在經濟上和技術上都是可行的，修復的時間仍然難以滿足地震韌性城市的要求。仍以上述的43層的鋼筋混凝土框架—核心筒高層住宅為例，在遭遇中震水平地震作用后，建筑修復工日（1個工人1個工作日的勞動量）達3000工日以上。主要的修復工作內容包括隔墻及其飾面、空調、剪力墻等（圖3）。如果安排30個工人參與修復作業，則總修復時間為3個月以上。在這期間，樓內居民被迫要異地安置。如果一個城市成千上萬的建筑物里面的居民都要異地安置數個月，那么城市的功能勢必會受到嚴重影響。

遭遇大震和超大震后的韌性問題

根據抗震規范設計的建筑一般可以滿足“大震不倒”的設計目標。然而，按照地震韌性城市的要求，遭遇大震或超大震時，城市應急功能應保持完好，人群可以順利避難。而現行抗震規范也不能充分滿足上述要求。

（1） 重要建筑的功能損失問題

醫院急診部門、救災指揮中心等應急部門應在地震后保持其功能。然而按照現行抗震規范實際上無法充分滿足應急部門大震后的維持功能需求。我國現行抗震規范將救災應急部門列入抗震設防的“重點設防類”，從工程設計上主要通過提高構造要求（主要是改善結構的變形能力），并適當提高地震作用來提升其抗震性能。然而，如前所述，這些僅考慮結構性能的改進措施雖然可以有效提高結構的抗震安全性，但卻難以滿足應急部門震后可用功能的需求。本文作者對一棟按照中國規范設計的8度區典型框架結構進行了分析。結果表明，將其從“標準設防類”提升到“重點設防類”后，雖然結構的抗地震倒塌安全儲備（CMR）提升了15%，但是其遭遇罕遇地震后的經濟損失比（34%）及修復時間（約180天）幾乎沒有變化（表1）。可見現階段抗震工程技術措施尚不能滿足應急部門震后可用功能需求。

圖2 中震下清華大學校園不同類型地震經濟損失的中位值

圖3 中震下43層的鋼筋混凝土框架—核心筒高層住宅修復工日需求

表1 八度區典型框架從“標準設防類”提升到“重點設防類”后大震下的損失對比

（2） 應急避難場所和避難通道的墜物次生災害問題

在地震中，建筑物外圍非結構構件破壞引起的墜物次生災害是導致人員受傷的主要原因之一。例如在美國Northridge地震中，超過一半以上的人員受傷都是由于墜物撞擊造成的。地震韌性城市要求在地震發生后人群可以及時安全避難。應急避難場所和避難通道應盡量位于墜物影響區以外，避免墜物造成傷害。然而由于現階段對墜物次生災害研究嚴重不足，導致避難場所設計缺乏依據。以北京某一住宅小區為例，該小區共有16棟高層住宅，其地震下的墜物影響區域如圖4所示。從圖中可以看出，小區原有的應急避難場所和疏散通道部分位于墜物影響區域內，這部分重疊區域非常危險，人員很可能被墜物擊中而造成傷亡，疏散通道也可能被墜落的廢墟堵塞而導致疏散效率極大降低。而存在類似安全隱患的避難場所在我國城市高層建筑密集區還大量存在。

圖4 墜物危害影響區域與緊急避難場所選址

圖5 分析區域：某省會城市中心城區建筑物

圖6 中震下某省會城市中心城區建筑震害及次生火災

既有建筑實現韌性抗震所面臨的挑戰

正如一句名言“羅馬不是一天建成的”，每個城市的建立和發展都有一個漫長的過程。城市建筑群中不僅有新建建筑，更有大量老舊建筑、老舊生命線管網。本文第二節已經表明新建筑尚難以滿足城市的抗震韌性，老舊建筑和設施則使實現地震韌性變得更加的困難。

大量老舊建筑的抗震隱患

城市中的老舊建筑通常具有幾個特點：①結構性能退化；②抗震能力低下，甚至沒有經過抗震設計；③建設缺少科學規劃（如城市棚戶區），建筑間距較小。這些特點導致這些老舊建筑的地震韌性十分脆弱。

以某省會城市中心城區為例，選擇其中26 km2作為分析區域，共考慮44152棟建筑。分析區域三維圖如圖5a所示，建筑群的建設年代組成如圖5b所示。1980年以前的建筑占整個中心城區的70%，可見老舊建筑在城市建筑群中占據著很大比例。對于非中心城區或村鎮地區，老舊建筑所占比例可能更大。本文作者對該省會城市采用城市地震動力彈塑性分析方法進行了震害模擬，結果表明：中震作用下，建筑地震破壞狀態如圖6a所示。老舊建筑的破壞狀態明顯重于新建筑，甚至在中震下就有部分老舊建筑發生倒塌。進一步地，本文作者對該區域進行地震次生火災模擬，次生火災可能會造成5.5%建筑物被焚毀，94%的被焚毀建筑為1980年以前的老舊建筑（圖6b），可見老舊建筑相對于新建建筑存在更高的次生火災隱患。其主要原因在于老舊建筑通常分布密集，易導致火災大面積蔓延。此外，老舊建筑地震破壞更為嚴重，也會加劇起火和蔓延。不解決老舊建筑的抗震問題，城市的地震安全尚難以保障，地震韌性更是難以實現。而在全國范圍內，完成如此大規模的城市老舊建筑更新換代談何容易！

生命線管網的問題

城市地下生命線管網是城市正常運行的命脈。相對城市建筑而言，城市地下生命線管網的信息更不明晰。不同時期鋪設的給排水網、燃氣網、地下電纜、通信網絡等埋于地表之下，錯綜復雜。地下生命線管網難于直接觀察，因此其信息基本來自于設計、施工時期的相關資料。對于鋪設年代較久的生命線，很可能存在資料丟失或不齊全的問題，導致城市生命線的抗震韌性難以預測，震后的維修也十分困難。而一旦地震作用下供水、電力、通訊等設施的功能受損，對城市抗震韌性將產生嚴重影響。例如1906年舊金山地震，城市給水管道遭到破壞，消防水源中斷，致使地震次生火災難以控制，其造成的損失是地震直接損失的3倍。1975年遼寧海城地震，海城縣部分給水管網使用超過60年，管道腐蝕嚴重，地震導致平均破壞率達10.0處每千米。1995年日本阪神地震，神戶市斷水率達89.2%，周邊的蘆屋和伊丹市甚至完全斷水；由于管道破壞處太多，而神戶市水道局大樓倒塌又導致管道圖紙資料散失，經過兩個多月搶修，供水才恢復正常。2008年汶川地震，都江堰、綿竹等城市供水管網嚴重破壞，例如都江堰一個半月后恢復全面供水，但因管網漏損率高達45%，大部分供水未及用戶就已泄漏。與城市建筑相比，地下管網的更新維護難度更大。因而，沒有韌性的地下生命線管網，也難以建成地震韌性城市。

產業鏈的問題

兵庫縣西宮市上水道復舊工程（阪神地震）

產業鏈是在一定地域范圍內，某一行業中相關企業以產品為紐帶聯結成的鏈網式企業戰略聯盟。城市區域新老建筑混合，一個產業鏈中也會包含不同建設年代、不同抗震能力的建筑物。老舊建筑和設施的抗震問題比新建建筑更為嚴重，它們事實上成為了產業鏈的薄弱環節——即使新建建筑嚴格按照抗震規范設計且具有良好的抗震韌性，一旦老舊建筑和設施在地震下遭到損壞喪失功能，同樣會給產業鏈帶來嚴重沖擊，即“木桶效應”。例如，2011年東日本地震后，災區汽車零部件工廠遭到破壞，零部件供應受阻，導致日本豐田、本田等成品車廠家停工或減產——即使這些成品車生產工廠并未受到地震影響，甚至連位于美國的成品車廠也不得不停產。事實上，研究表明2011東日本地震造成的經濟損失中，90%是由產業鏈中斷導致的間接經濟損失。根據“木桶效應”理論，產業鏈中任何一個抗震薄弱環節的功能喪失，都可能對整體產業鏈帶來嚴重損失。這一問題對于地震韌性城市的建設顯得尤為突出，因為地震韌性城市的建設目標非常關注地震后城市的恢復能力，而產業鏈是一個動態的系統，有些產業鏈破壞后就永遠無法得到恢復。例如在1995年阪神地震前，神戶港是日本的最重要工業港口之一，阪神地震造成神戶港嚴重破壞，2年不能使用。而當神戶港完成災后重建后，卻發現世界物流渠道已經完成了調整，神戶港的地位已經被周邊港口取代，且直至今日也未能恢復到阪神地震前的地位。

需要研究和解決的問題

從上述分析可以看出，雖然建設地震韌性城市已經成為國內外防震減災工作的共識，但是真正實現地震韌性城市的目標仍然任重道遠。本文作者認為，建設地震韌性城市亟須在以下方面深入開展工作：

科學技術研究

建設地震韌性城市的理念是對傳統地震工程的一次重大發展，現階段的科學研究積累還遠不足以滿足地震韌性城市的需求，需要在以下領域深入開展研究：

（1） 充分開展學科交叉，深入研究影響城市地震韌性的關鍵影響要素，對城市地震韌性提出可量化的評價模型和方法；城市的韌性不僅和工程結構的抗震性能有關，還與城市的社會、經濟運行息息相關，需要綜合利用社會學、經濟學和工程學的最新前沿成果。現階段對我國城市抗震韌性尚無可靠量化的評價方法，城市地震韌性的現狀和軟肋認識不清，地震韌性城市難以落地。

（2） 發展數據獲取與分析技術，建設和完善城市基礎數據，明確城市建筑、基礎設施和社會經濟活動的現狀和基本運行發展規律。完善信息公開和共享機制，使城市基礎數據實現及時更新和完善；城市基礎數據是分析和評價地震韌性的基礎。現階段我國大部分城市基礎數據資料不全，數據條塊分割，更新遲緩，完全無法滿足韌性城市研究的需求。我國城市發展速度很快，沒有健全的信息公開和共享機制，城市基礎數據很難成為跟上城市發展進程的“活”數據。

（3） 突破傳統局限于結構工程的建筑和基礎設施抗震設計理念，建立綜合考慮功能需求和動態成本管理的基于韌性的抗震設計方法，研發能夠保障震后功能、減少地震損失的新型建筑工程體系（包括結構體系和非結構體系）。

現階段工程建設標準大多關注結構性能，而對使用功能需求，建成后的改造、加固、修復考慮不足；重建設輕維護；抗震性能化設計理念在實際工程中也未能得到很好的貫徹；新型建筑工程體系的研究也是主要關注如何減輕結構體系的震損，這些都不能充分滿足地震韌性城市對建筑工程的需要。

政策和經濟保障

建設地震韌性城市不僅要依靠一系列技術手段，同時也需要相應的政策和經濟保障。主要包括：

（1） 綜合采用各種政策和經濟手段，加大防震減災投入，改變現階段政府單一減災投入主體現狀。

建設地震韌性城市，首先需要投入保障。我國現階段防震減災投入的主體是政府。考慮到我國龐大的既有建筑和基礎設施存量，建設地震韌性城市僅靠國家投入是遠遠不夠的。必須通過合理的政策措施，特別是巨災保險等手段，將防震減災工作轉化為一個全民投入的，經濟上有利可圖的事業，才能真正落實地震韌性城市的建設目標。

（2） 改變工程建設理念，強化工程抗震性能評價。

我國是從貧窮落后不發達的階段逐步發展過來的。我國的工程建設標準，長期受到過去經濟基礎薄弱、工程人員水平低下的制約，難以滿足現階段地震韌性城市需求。突出表現在我國現行的工程建設標準在抗震方面只有“合格”和“不合格”兩個指標。導致業主和設計人員對提升工程結構的抗震性能缺乏積極性，大量工程結構按照“最小用鋼量”、“規范下限要求”進行設計。甚至在北京、上海等發達地區，在土建結構成本已經不足房價的5%的情況下，業主還要求工程師還要一公斤一公斤的減用鋼量。導致很多新房子從誕生之日起，就已經“先天不足”。迫切需要提出有效手段，將“抗震性能好”的建筑能夠通過適當的方式體現出來，調動業主和工程師提升工程抗震性能的積極性。

（3） 完善防震減災教育，改變政府、民眾對防震減災工作的關注點。

現階段我國防震減災教育，過于重視“救災”和“應急”，而忽視了最關鍵的“防災”和“抗震”工作。本文作者參觀過很多國內的地震科普展館，參加過很多地震科普活動。非常遺憾的是，對于減輕地震災害最有效的手段：提升工程結構的抗震能力，基本上在這些展覽和活動中都明顯重視不足。

結論

建設地震韌性城市是一個非常偉大，但是也非常具有挑戰性的目標。雖然目前地震韌性城市建設得到了國內外研究者的高度關注，但現有的工程技術手段和政策經濟措施尚不能滿足地震韌性城市建設的需要。如何對城市的地震韌性給出科學客觀量化的評價，如何充分調動業主和工程人員對地震韌性的關注和投入，如何利用經濟政策手段為地震韌性城市建設籌措足夠的資金，是地震韌性城市建設成敗的關鍵。