風災致村鎮建筑損失評估及臺風災害管理系統*

王國新，李明鑫

(大連理工大學 a.海岸與近海工程國家重點實驗室，b.建設工程學部水利學院工程抗震研究所，遼寧 大連 116024)

歷次風災調查報告[1-3]表明，東南沿海地區低矮房屋由于其抗風能力較差，經常遭受嚴重的損失.因此，開展風災對低矮房屋的危害性評估工作具有重要的現實意義.

目前，低矮房屋在風災作用下的研究多側重于房屋表面風荷載的模擬[4-8]，而針對整體結構在風災中的損失評估研究較少.鐘興春等[9]通過蒙特卡洛模擬，以屋面瓦及墻體的破壞情況為主要判斷對象評估農村房屋的破壞狀態；劉學敏[10]對砌體房屋的主體結構在不同風速下的表現情況進行了有限元模擬，并將層間位移角及頂點位移作為評估指標對房屋在不同風速下的損壞做了定量定性的分析；文獻[11-12]對低矮房屋的圍護構件(門窗、屋面板、屋面瓦)和墻體在風災作用下的損壞進行了預估.

本文基于Li等[13]對風災作用下低矮民居圍護構件的損失研究，結合工程實際中不同類型低矮房屋在風災中的表現，提出了一種風災對低矮房屋危害性評估的方法.該方法考慮了風速、風向、風致干擾效應、圍護構件間相互作用、結構類型及保存完好程度等因素的影響，并作出相應的建筑直接經濟損失預估，最后將該方法應用到自主開發的臺風災害管理信息系統中，能夠便捷地為風災預防及災后救援提供幫助.

1 風災作用下低矮房屋損失評估

不同地區低矮民居的外形、結構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災評估方法，本文將房屋的評估對象分為兩部分：圍護結構和主體承重結構.由于圍護結構在風災中更易破壞，損失更為嚴重，因此，對圍護結構的損失評估需要更為細致.Li等[13]考慮了圍護構件(屋面瓦、屋面板、門窗)的物理屬性、面積密度、不同構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速風向下圍護結構的損失，其結果將作為本文中圍護結構的破壞矩陣.

災后調研表明，風災中主體結構的破壞不如圍護結構嚴重.因此，評估方法將主要考慮結構類型以及保存完好程度的影響，結合文獻[9-10]的研究成果，得到主體結構的破壞概率，即

P=Pm，wCsCp

(1)

式中：Pm，w為同一風速下砌體結構保存較差時的破壞概率；Cs為房屋的結構類型對主體承重結構破壞概率影響系數；Cp為房屋的保存完好程度對主體承重結構破壞概率影響系數.

圖1為蕓美村結構類型分布.依據作者實地調研及參考東南沿海風災調研報告，東南沿海常見的低矮民居結構類型主要有三種：砌體結構、磚混結構和框架結構，其特點如表1所示.

圖1 蕓美村結構類型分布

表1 東南沿海民居常見結構類型

風災中，低矮房屋的結構類型對主體結構的影響難以進行量化估計.本文將風災調查報告[14]中以砌體結構房屋的倒塌數量作為參照對象，對不同結構類型房屋的倒塌比例進行歸一化，初步得到結構類型對主體承重結構抗風能力的影響系數，如表1所示.影響系數越大，代表該結構類型的房屋抗風能力越差.

主體結構抗風性能的另一個影響因素是結構保存完好程度，根據建筑結構的保存現狀和建造年代等對其分為三類：保存完好、保存一般、保存較差.根據工程經驗并結合相關文獻研究，建筑保存完好程度對主體結構抗風能力影響系數如表2所示.

表2 抗風能力影響系數

由于針對風災中低矮民居的破壞定義較少，本文結合工程經驗并參照地震災害評估研究進行了破壞等級劃分.各破壞等級的定義主要由圍護結構及主體承重結構的破壞情況來定義，如表3所示.

2 建筑直接經濟損失

風災過后，每棟建筑的直接經濟損失是指基于當前價格，修復被破壞房屋，恢復到災前同樣規模和標準所需的建筑價格.建筑的直接經濟損失可劃分為各構件的替換成本，即

C=DC0V

(2)

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

表3 風致破壞等級劃分

受地區、建筑樣式和結構類型等因素影響，房屋的單位造價及各構件的具體成本占比難以給出統一的估計.通過實地調研并結合現有文獻，擬定的沿海地區低矮民房平均造價及各構件成本占比如表4、5所示.

表4 低矮民房平均造價

表5 房屋各部分成本平均占比

表5中的房屋內部組成包含了安裝工程和水電暖工程等，不包括房屋內的財產，其經濟損失模型采用文獻[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為房屋內部建造成本；RS為失效屋面板占比；VRF為屋面結構成本占比.與失效屋面瓦有關的三個函數f1、f2、f3具體計算過程可參考文獻[11].

3 臺風災害管理信息系統

針對風災的危險性分析以及對低矮民居的危害性評估具有現實意義，但更為重要的是怎樣將其應用到實際中并發揮應有的作用.鑒于此，本文開發了臺風災害管理系統，主要分為三個具體的功能：臺風風速預測、單體建筑損失預測、群體民居建筑損失預測.

由于臺風災害管理信息系統的運行過程中可能會對海量的數據資料進行處理，并兼有通用及專業的功能，因而，系統對電腦的硬件配置具有較高的要求，以免出現系統操作過慢或出現異常等情況.運行該系統所需要的最低配置如下：CPU為Intel Pentium Dual-core；內存為1 GB；硬盤為80 GB；操作系統為Window 7.另外電腦需要預裝ArcGIS Runtime SDK for.NET或者ArcGIS Engine許可.

3.1 臺風風速預測

由于低矮民居的破壞狀態受風速和風向影響較大，因此，在臺風移動過程中，建筑位置處風速和風向的確定尤為重要.該功能采用Rankine漩渦模型，可以計算風場中任意一點的風速、風向，計算過程為

(4)

式中：vθ為測點位置處的切向風速，方向可由右手螺旋定則確定；vmax為最大風速；R為最大風速半徑；r為臺風眼至測點的距離.建筑位置處的風速可由兩部分疊加而成，即

v=vθ+vo

(5)

式中，vo為臺風中心的移動速度.

臺風風速預測功能主要由四部分組成：臺風信息輸入、測點信息輸入、臺風路徑顯示和說明.用戶點擊左上角工具欄的打開文件，系統會提示用戶選擇含有臺風信息的文本文件，臺風時程信息讀取完成后會自動填充至各文本框.下一步，用戶需要輸入記錄間隔以及測點的經緯度坐標、地面粗糙度，點擊“計算”，每時刻測點與臺風中心的距離將會顯示.最后，點擊“顯示路徑”，臺風中心每時刻的相對位置及其移動路徑會動態顯示在頁面的左下角，如圖2所示.

圖2 臺風風速預測

3.2 單體建筑損失預測

系統的第二個功能為單體建筑損失預測，其基于風災作用下圍護結構損失分析及低矮民居損失評估，對單體建筑在風災中的等級破壞及直接經濟損失作出分析.

首先需要輸入臺風荷載，用戶根據實際需要，可以使用第一部分測點風速、風向的計算結果來模擬單體建筑的風災損失，也可以點擊工具欄的打開項，讀取另外的風速記錄.

下一步，需要用戶根據實際情況選擇或者輸入具體的建筑屬性，結構類型包括三種：砌體結構、磚混結構與框架結構，屋頂類型包括單坡屋頂，雙坡屋頂以及平屋頂，安全等級則需要根據建筑的保存完好程度選擇“保存完好”、“一般損壞”或者“嚴重損壞”，建筑的面積密度依據實際而定，取值一般在0.1～0.6之間，建筑的估值是指基于當前價格，重建該房屋所需要的費用，單位為萬元.

最后，點擊“損失預測”，該單體建筑的經濟損失隨時間的變化將會顯示在頁面的左下方，同時，建筑信息匯、建筑最終的破壞狀態預估、建筑的圍護結構及主體承重結構的最終破壞將會顯示在頁面右下方的文本框里，用戶可以根據需要選擇是否將其導出，如圖3所示.

圖3 單體建筑損失預測

3.3 群體民居建筑損失預測

系統的第三個功能為群體民居建筑損失預測，其是基于VB.NET對ArcGIS進行二次開發實現的.目前公開的資料中，臺風災情統計常以省、市為統計單位，以區/縣為單位的較少，而以村鎮為統計單位的幾乎沒有，因此無法對某一具體受災村莊進行臺風災害模擬并與其實際災情統計相比較.此處以廈門地區實地調研的蕓美村為例，對一實測臺風莫蘭蒂(最大風速40.8 m/s，13級)的群體民居建筑損失進行預測，模擬結果與附近城市的歷史臺風災情統計做對比.

蕓美村位于廈門市海滄區，常住人口加暫住人口2 400余人，居民住宅共547棟，主要結構類型為磚混結構、砌體結構及框架結構.其中，磚混結構和砌體結構房屋占比最高，二者之和達到83.4%.磚混結構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.砌體結構多為舊房屋，部分損壞較為嚴重，主要分布在蕓美村的西北部.框架結構房屋主要分布在蕓美村東北部，層數較高，一般3～8層.

首先點擊“文件讀取”，可以讀取含有相應建筑信息的三種格式的地理文件(*.shp，*.mxd，*.lyr)，左側上方的圖框顯示各圖層，下方的圖框為鷹眼地圖功能，右側的圖框為地圖顯示，如圖4所示.地理文件包含的信息可以通過點擊“地理信息顯示”中的列表查看或者地圖顯示來查看.另外用戶可以通過地圖顯示功能查看所需要的建筑屬性，例如，如果想查詢磚混結構類型房屋的分布，依次點擊“屬性選擇-結構類型”、“屬性值選擇-磚混結構”，點擊查詢，村莊中的磚混結構房屋的位置就會在右側的地圖中高亮顯示.

圖4 蕓美村磚混結構房屋分布

第二步是定義臺風荷載信息，如同第二功能，用戶可以自行選擇臺風荷載.此處以臺風莫蘭蒂實測風速記錄來模擬該群體民居建筑損失.

第三步是計算建筑面積密度.點擊“建筑面積密度計算”后，系統會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，用戶即可以通過點擊工具欄中的識別，可以獲取任意要素的建筑面積密度，也可以通過列表查詢獲得.

最后點擊“建筑損失分析-開始分析”，依據前面提出的風災致低矮建筑損失評估方法，并結合第三步得到的各建筑面積密度，系統可以得到風災后村莊中各位置建筑的圍護結構及主體結構的破壞情況，系統將會自動判斷各建筑的破壞等級并計算相應的建筑直接經濟損失.

實測臺風記錄莫蘭蒂作用下該村莊各建筑遭受的具體災害程度分布如圖5所示.由圖5可以看出，如果在經歷13級臺風(10 m高度處最大風速40.8 m/s)作用后，村莊的建筑均處于中等破壞及以上，甚至部分建筑達到了嚴重破壞.點擊“建筑損失分析-直接經濟損失顯示”，系統可以自動計算所有建筑直接經濟損失之和，顯示村莊的總經濟損失以及將各建筑的經濟損失顯示在右側的地圖中.

圖5 群體建筑破壞等級分布

由于在目前公開的資料中，臺風災情統計常以省、市為統計單位，以村鎮為統計單位的幾乎沒有，所以無法將蕓美村在遭遇臺風作用后的模擬結果與風災實例相對比.表6為近年福建及周圍縣市曾經遭遇臺風災害后的災情統計，由于影響經濟損失的因素較多，如地區GDP和建筑密集度等，因此，導致即使同一臺風經過時，不同區域的經濟損失也可能發生較大差異.圖6為群體建筑直接經濟損失圖.模擬結果顯示蕓美村經歷13級臺風后的直接經濟損失為2 065萬元，與表6中的災情統計相比，符合預期.

用戶可以通過列表查看以及地圖顯示來查看各種破壞等級的建筑.另外，該系統具有一定的數據分析功能，例如，用戶可以按照結構類型、屋頂類型、保存完好程度、建筑層數等來分別統計不同破壞等級房屋的數量，這樣可以方便用戶進一步進行數據分析.圖7為系統分別統計了各結構類型各破壞等級的數量，可以看出相比其他結構類型房屋，砌體結構房屋破壞最為嚴重，嚴重破壞占比達到了75%，符合實際情況.

表6 部分縣市臺風災害災情統計

圖6 群體建筑直接經濟損失

圖7 群體建筑損失統計

4 結 論

本文提出了一種風災致村鎮建筑損失評估方法，該方法對村鎮建筑的圍護結構及主體承重結構分別建立破壞矩陣，并根據二者的破壞狀態判斷低矮建筑的破壞等級，結合實地調研和工程經驗建立了相關的建筑直接經濟損失模型.開發了臺風災害管理信息系統，詳細闡述了各功能的使用原理，并以實地調研村莊為模擬對象，采用實測臺風記錄對村莊進行破壞狀態及經濟損失預估模擬，模擬結果與有關災情統計對比符合預期，驗證了該系統以及風致村鎮建筑損失評估方法的可行性.得到的結論如下：

1)提出的風致低矮民居損失評估方法可以綜合考慮房屋的風速、風向、結構類型、保存完好程度、建筑面積密度等因素對房屋破壞狀態的影響，結合工程經驗及災后調查報告，采用定量和定性的方式實現了災后建筑破壞等級劃分，并進一步拓展和建立了建筑直接經濟損失預估模型.

2)臺風災害管理信息系統結合了ArcGIS在分析、計算地理信息中的優勢，可以實現臺風風場計算、建筑破壞等級評估、直接經濟損失評估等功能.該系統可以方便用戶查看群體低矮建筑中不同破壞等級的分布，并具有一定的數據分析功能，可以為有關部門及研究人員提供相關臺風災前預防及災后救援等幫助.