防患于未然： 村鎮(zhèn)防災減災從理論走向?qū)嵺`

文/李鋼 大連理工大學

汶川，這座位于四川省阿壩藏族羌族自治州名不見經(jīng)傳的小縣城，因為一場特大地震成為中華民族之殤，從此牽動了全國人民的心。這場發(fā)生于2008年5月12日的特大地震被稱為5?12汶川地震。此次地震共造成69227人死亡，374643人受傷，17923人失蹤，直接經(jīng)濟損失8452億元人民幣。5?12汶川地震是中華人民共和國成立以來破壞力最大的地震，也是繼唐山大地震后傷亡最嚴重的一次地震。

我國是世界上受自然災害影響最嚴重的國家之一，災害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重。在全球氣候變化和我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展的背景下，重大自然災害乃至巨災時有發(fā)生，災害損失不斷增加，我國面臨的自然災害形勢嚴峻復雜，風險進一步加劇。2014年1月11日，云南省迪慶州香格里拉縣獨克宗古城突發(fā)火災，造成燒損、拆除房屋面積59980.66平方米，直接經(jīng)濟損失8983.93萬元；2018年8月，山東省壽光洪災造成13人死亡，3人失蹤，倒塌房屋9999間，20多萬個大棚受損，直接經(jīng)濟損失92億元……在遭受自然災害時，往往村鎮(zhèn)地區(qū)受災比較嚴重。與美國、日本等發(fā)達國家相比，我國城鄉(xiāng)建筑結構與材料差距較大，村鎮(zhèn)地區(qū)普遍采用具有地域特色的建筑材料和結構體系，而且大多數(shù)房屋為無監(jiān)管下的村鎮(zhèn)居民自建。此外，目前我國對工程結構的抗災設計與評估僅針對單一災種，對于村鎮(zhèn)區(qū)域頻繁遭遇的多次、多種災害尚未加以考慮。

我國村鎮(zhèn)建筑抗災能力弱，信息化水平低，除了經(jīng)濟和管理方面因素外，與村鎮(zhèn)建筑抗災基礎性研究薄弱有著直接的關系。“村鎮(zhèn)建筑災變機理與適宜性防災設計理論”項目組在村鎮(zhèn)建筑抗洪、抗震、抗火方面以及村鎮(zhèn)建筑抗多災方面開展理論研究工作，并在理論的基礎上開發(fā)適用于村鎮(zhèn)建筑的抗災新材料和新體系，并基于多源遙感數(shù)據(jù)開展了村鎮(zhèn)建筑災害智能監(jiān)測與評估 研究。

汶川縣山洪災害調(diào)研點示意圖

上圖：綿虒鎮(zhèn)高店子大橋被洪水沖斷

來到汶川：一手資料構建理論體系

我國廣大的農(nóng)村（鎮(zhèn)）地區(qū)民居房屋實際上都沒有經(jīng)過專業(yè)的抗震設計，盡管有住建部門發(fā)布的相關設計圖集，但實際施工中限于經(jīng)濟條件等因素而未按照相關要求建造。政府住建管理部門也無法提供村鎮(zhèn)（尤其是農(nóng)村）區(qū)域內(nèi)的民居房屋規(guī)劃建設資料。因此，就村鎮(zhèn)區(qū)域建筑地震災害模擬平臺的建設而言，存在顯著的“缺乏基礎數(shù)據(jù)資料”的現(xiàn)象。為了給理論研究打好基礎，項目組來到汶川三江鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)、映秀鎮(zhèn)、威州鎮(zhèn)，從鎮(zhèn)建筑抗洪、抗震、抗火等方面著手，掌握一手資料。

在村鎮(zhèn)建筑抗震方面，項目組選擇四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)中灘堡村為研究對象，對該村進行地震危險性分析。在村鎮(zhèn)建筑抗火方面，項目組在水磨古鎮(zhèn)對建筑進行調(diào)研，當?shù)貫榈湫颓甲褰ㄖㄖY構多為木結構或磚木結構，新建或改建的建筑局部采用磚石，建筑間距小，火災風險高，較易發(fā)生大面積蔓延。汶川縣除了地震之外，歷史上還發(fā)生了多次特大洪水，村鎮(zhèn)建筑經(jīng)歷了多次、多種災害。在村鎮(zhèn)建筑抗洪方面，項目組獲得了“8.20”暴雨山洪泥石流造成村鎮(zhèn)建筑的受災破壞情況，“8.20”洪水災害對村鎮(zhèn)民居、村鎮(zhèn)橋梁等造成了嚴重的破壞。項目組確定了將三江鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)為洪水、地震、火災多災害研究示范點，由武漢大學首先獲取基于多源數(shù)據(jù)的示范點地理信息數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)嵌入到多災分析平臺。

為推動村鎮(zhèn)建筑洪災災變機理與區(qū)域防洪設計理論的研究，除了汶川，項目組還挑選了其他具有代表性的地方進行資料搜集。四川省都江堰市、廣西省桂林市全州縣、浙江省溫州市永嘉縣和湖南省長沙市寧鄉(xiāng)市等4省5地開展了村鎮(zhèn)建筑的洪災破壞情況調(diào)研，通過野外考察、實地調(diào)研和座談交流等形式，收集各地村鎮(zhèn)建筑洪災破壞的典型案例資料，對村鎮(zhèn)建筑物主要類型、洪水作用下的村鎮(zhèn)建筑物受災破壞模式及其成因進一步研究分析，為開展后續(xù)研究工作打下了良好基礎。

中圖：三江鎮(zhèn)客運站受泥石掩埋

下圖：項目組在三江鎮(zhèn)調(diào)研現(xiàn)場

左圖：洪水沖刷作用下村鎮(zhèn)建筑地基土沖蝕過程數(shù)值仿真模型

右圖：砌體墻的抗地震倒塌數(shù)值分析模型

為了推動村鎮(zhèn)建筑火災災變機理與適宜性防火理論體系的研究，項目組針對近年來火災問題突出的廣西和貴州一帶木結構集中的村鎮(zhèn)開展調(diào)研。在廣西，以金竹壯寨典型村鎮(zhèn)建筑為研究對象，選取新建木結構建筑一棟、既有建筑一棟，對其火災荷載、門窗洞口大小進行詳細記錄；在貴州省，選取黎平縣雙江鎮(zhèn)黃崗村和肇興侗寨兩個村寨作為調(diào)研對象，詳細調(diào)研了村寨的基本情況及典型建筑火災荷載情況，同時選取在2019年5月4日黎平縣肇興鎮(zhèn)肇興村三組村民家中發(fā)生火災的一棟建筑作為主要研究對象，進行細致深入的調(diào)查。經(jīng)過對多起火災事故案例分析，并結合現(xiàn)場實地調(diào)研的結果，項目組成員加深了對木結構建筑火災發(fā)生和蔓延規(guī)律的認識——木結構建筑火災具有火勢發(fā)展迅速、燃燒猛烈等特征，其易受外界風影響，飛火傳播遠，易造成大面積蔓延；加深了對村鎮(zhèn)建筑火災原因的認識——電氣火災是村鎮(zhèn)建筑火災的主要原因，包括電線及設施超負荷運行、電線老化、走線不規(guī)范等問題；加深了對村鎮(zhèn)建筑火災防控對策的認識——村鎮(zhèn)建筑防火原則應遵循因地制宜、經(jīng)濟適用、點面結合和綜合防控的原則。

理論創(chuàng)新：聚焦地域特色的關鍵問題

我國地域遼闊，全國各地村鎮(zhèn)建筑因氣候和習俗不同有著很大區(qū)別，建筑材料和結構體系存在地域特色。項目組聚焦村鎮(zhèn)建筑防災減災關鍵問題，研究我國地域性村鎮(zhèn)建筑在洪水、地震和火災作用下的損傷破壞演化過程，揭示村鎮(zhèn)建筑的災變機理和倒塌破壞機制，提出村鎮(zhèn)建筑適宜性抗災設計理論。

在村鎮(zhèn)建筑抗震研究方面，項目組研究開發(fā)了與村鎮(zhèn)地震環(huán)境相關的區(qū)域地震動場模型，基于村鎮(zhèn)建筑結構關鍵構件抗震性能和失效機理研究，構建了兩種適用于砌體結構的地震倒塌分析模型，分別為基于構件層面的倒塌恢復力模型和基于大型通用有限元軟件MSC.MARC平臺開發(fā)的抗倒塌分析模型，能較全面地模擬砌體墻在地震倒塌過程中出現(xiàn)的整體單向和往復退化特性；砌體墻抗倒塌數(shù)值分析模型采用了等效均質(zhì)化建模方式、非線性接觸關系及生死單元技術，能實現(xiàn)不同類型砌體墻的地震倒塌全過程模擬。

在村鎮(zhèn)建筑抗洪研究方面，項目組明確了洪水沖刷作用下村鎮(zhèn)建筑地基承載性能演化規(guī)律與基礎破壞機理。通過開展洪水浸泡及沖刷作用下村鎮(zhèn)建筑混凝土材料的性能劣化試驗，確定了混凝土在不同浸泡時間下的單軸單調(diào)受壓隨機力學性能，通過統(tǒng)計分析得到了混凝土在不同浸泡時間下的隨機損傷本構關系；了解了洪水瞬時高強沖刷對村鎮(zhèn)建筑常用的低強度混凝土體積穩(wěn)定性的影響，即連續(xù)中等強度沖刷作用會對混凝土表面造成蝕刻作用，大幅影響混凝土的耐久性；通過開展洪水沖刷下地基土的沖刷特性水槽試驗，獲取了地基土在不同土體密實度及動水流速下的流失率和沖蝕速率情況；建立了洪水沖刷作用下村鎮(zhèn)建筑地基土沖蝕過程數(shù)值仿真模型，實現(xiàn)了高含砂水流作用下建筑地基土沖刷動力過程的數(shù)值模擬。

在村鎮(zhèn)建筑抗火研究方面，項目組開發(fā)了提升村鎮(zhèn)建筑防火安全性能的適宜性技術。初步確定了村鎮(zhèn)建筑防火性能化設計方法，確立了評估體系和評估因子；基本完成消防設施智能監(jiān)控平臺中的消防水系統(tǒng)監(jiān)控組件（包括消防液位探測裝置、消防壓力探測裝置、末端試水裝置）、信號傳輸系統(tǒng)、消防管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)控制器及管理平臺的搭建工作；通過村鎮(zhèn)典型建筑火災風險調(diào)研，梳理了開發(fā)火災蔓延模型所需的原理、基礎公式，建立了考慮風場作用下村鎮(zhèn)建筑物間的二維火災蔓延模型。

在村鎮(zhèn)建筑抗多災害研究方面，項目組對村鎮(zhèn)建筑在多災耦合作用下的抗災性能進行研究，提出了洪水-地震聯(lián)合作用的災害作用模型，分析了多災作用下村鎮(zhèn)典型砌體結構的抗倒塌性能。針對砌體結構，建立了其在洪水沖刷和地震聯(lián)合作用下的失效風險評估方法，綜合考慮災害危險性和結構易損性對結構抗災性能的影響，對結構的抗多災性能進行較可靠的評估；進行了風、地震、風-地震耦合作用下村鎮(zhèn)輕鋼結構易損性研究，余震對砌體結構易損性影響研究，研究結果說明了進行結構抗災分析時考慮多災耦合作用的必要性。

在村鎮(zhèn)建筑多災種動態(tài)監(jiān)測研究方面，完成了村鎮(zhèn)建筑多源時空遙感數(shù)據(jù)高可靠性綜合處理研究、村鎮(zhèn)建筑災變動態(tài)過程智能監(jiān)測研究和村鎮(zhèn)建筑多災種災害評估與信息服務的研究。

在村鎮(zhèn)建筑新材料、新體系研究方面，項目組研發(fā)了一種新型水泥基高強抗洪水沖擊材料，提出了木框架-井干式剪力墻混合結構新體系、鋼框架-正交膠合木混合結構新體系和現(xiàn)澆金屬尾礦再生材料復合墻體新體系，并開展了新材料、新體系的力學性能研究。

左圖：水磨古鎮(zhèn)現(xiàn)場調(diào)研

右圖：考慮風場作用的村鎮(zhèn)建筑物間的二維火災蔓延模型

走向?qū)嵺`：保障生命財產(chǎn)安全

習近平總書記在2018年10月10日召開的中央財經(jīng)委員會第三次會議上強調(diào)：“加強自然災害防治關系國計民生，要建立高效科學的自然災害防治體系。”

2014年8月，云南省昭通市魯?shù)榭h境內(nèi)發(fā)生6.5級地震，造成617人死亡，112人失蹤，3143人受傷，22.97萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，2.58萬戶8.09萬間房屋倒塌，4.06萬戶12.91萬間嚴重損壞，15.12萬戶46.61萬間一般損壞。中國地震局地球物理研究所原副所長高孟潭認為，這次地震造成傷亡比較多，包括多方面的因素，但房屋抗震能力差是一個非常重要的因素。

我國城鄉(xiāng)發(fā)展差距較大，自然災害對我國村鎮(zhèn)造成的損失嚴重，相對于城市而言，村鎮(zhèn)地區(qū)由于政府監(jiān)管薄弱，經(jīng)濟水平相對落后，抵御災害的能力相對較差等原因，一旦災害發(fā)生，村鎮(zhèn)居民的財產(chǎn)和生命安全勢必受到嚴重的威脅。村鎮(zhèn)建筑適宜性防災減災體系可以顯著增加其抵抗洪災、地震、火災等災害的能力，減少村鎮(zhèn)區(qū)域在多種災害中的生命財產(chǎn)損失。

項目組在遙感監(jiān)測研究中建立了矢量數(shù)據(jù)一體化編碼和矢量數(shù)據(jù)在線即時地圖發(fā)布技術，該技術已在重慶市地理信息和遙感應用中心開始試用。

項目組提出了基于深度學習的村鎮(zhèn)建筑災變動態(tài)過程智能監(jiān)測技術，實現(xiàn)了對村鎮(zhèn)建筑災后情況的有效監(jiān)測。建立了基于深度學習網(wǎng)絡的高分影像場景分類方法，實現(xiàn)了典型地物多尺度自適應、快速、高精度識別；建立了基于遙感影像的災后變化檢測方法，通過構建多災種遙感數(shù)據(jù)集和采用光照不變性災害檢測，可有效檢測多時相遙感數(shù)據(jù)災害信息；建立了災變過程動態(tài)檢測方法，基于模擬視頻衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用基于深度學習的光流模型 FlowNet2.0完成災變過程變化信息的提取，實現(xiàn)災區(qū)快速定位與變化檢測。

項目組已與重慶市地理信息和遙感應用中心以開放課題的形式簽訂了合作研究合同，作為重慶市地理信息和遙感應用中心“矢量和影像大數(shù)據(jù)地圖更新與發(fā)布服務系統(tǒng)”的技術基礎，用于滿足重慶市災情監(jiān)測地圖服務平臺對地圖服務快速更新與即時發(fā)布的要求。