基于PSR+云模型的室內地震應急避難場所的韌性評估

摘要：

為評估室內地震應急避難場所的韌性等級，提出一種基于壓力-狀態-響應（PSR）模型+云模型的室內地震應急避難場所韌性評估方法。從PSR角度構建室內地震應急避難場所韌性評估指標體系，劃分韌性評估等級標準，利用AHP-DEMATEL為指標賦權，并結合云模型構建室內地震應急避難場所的韌性評估模型。以該模型對綿陽市九洲體育館進行實證分析，分別確定其壓力韌性、狀態韌性、響應韌性的隸屬度等級，最終得到綜合等級C2的結論，與九洲體育館在汶川地震中表現出的韌性狀態吻合，驗證了模型的有效性。

關鍵詞：

韌性評估; 室內地震應急避難場所; 避難建筑; PSR模型; 云模型

中圖分類號： X43""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）01-0143-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230301002

Resilience assessment of indoor earthquake emergency

shelters based on PSR + cloud model

LI Hailing1， LIU Ruiling2，3， ZHANG Huai4，5，6

（1. School of Architecture and Civil Engineering of Xihua University， Chengdu 610039， Sichuan， China；

2. Yibin Lingang Water Supply Co.， Ltd.，Yibin 644005，Sichuan， China;

3. Yibin Talent Development Group Co.， Ltd.，Yibin 644005，Sichuan， China;

4. Key Laboratory of Computational Geodynamics， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；

5. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai）， Zhuhai 519080， Guangdong， China；

6. Beijing Yanshan Earth Critical Zone National Research Station， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101408， China）

Abstract：

A resilience assessment method for indoor earthquake emergency shelters based on pressure-state-response （PSR） + cloud model is proposed to facilitate the evaluation of the resilience grade of indoor earthquake emergency shelters. In this study， a resilience assessment index system for indoor earthquake emergency shelters was developed from the perspective of the PSR， and grading criteria for resilience assessment were divided. The AHP-DEMATEL method was used to assign weights to each assessment index. A resilience assessment model for indoor earthquake emergency shelters was then established by integrating the cloud model. Through empirical analysis of the Jiuzhou Gymnasium in Mianyang City， the membership grades for its pressure resilience， state resilience， and response resilience were determined. Finally， the comprehensive grade C2 was obtained， which is consistent with the resilience state of Jiuzhou Gymnasium during the Wenchuan earthquake， thus verifying the effectiveness of the proposed model.

Keywords：

resilience assessment; indoor earthquake emergency shelter; shelter building; PSR model; cloud model

0 引言

我國地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震災害嚴重，人口達百萬的大中城市位于地震高烈度區的比例高達70%［1］，城市中通過建設地震應急避難場所來抵御地震災害的威脅。《地震應急避難場所場址及配套設施（GB 21734—2008）》［2］中將地震應急避難場所劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類。Ⅲ類避難場所用于震后十天以內的緊急避險，考慮到發生余震或者更大地震的可能性，應設置在戶外并遠離建筑，且需配置基本設施;Ⅱ類避難場所用于一個月以內的短期避難，可以選擇體育場、學校等，應配置一般設施;Ⅰ類避難場所則是受災居民住房經評估已無法入住，由國家統一安置的用于長期正式居住的場所，可安置受助人員一個月以上，環境相對安全，生活物資、醫療保障等由國家統一提供。

目前，我國地震避難場所大多以公園、綠地、廣場等開放空間為主［3］，適用于中長期避難的室內場所數量較少。地震災害發生后，在惡劣天氣和次生災害的擾動下，室外地震避難場所難以保障群眾災后的生活質量，尤其是老人、兒童、傷患和殘疾人士。《城鄉建設抗震防災“十三五”規劃》［4］中明確指出：“推動避難建筑建設，逐步提高我國建筑室內避難規模”。在全災種自然災害綜合應對的新形勢下，室內、室外避難場所的融合建設已是大勢所趨。《防災避難場所設計規范（GB 51143—2015）》［5］中將避難建筑定義為：避難場所內為避難人員提供宿住、休息和其他應急保障及使用功能的建筑，且規定中長期避難場所宜配置避難建筑。本文選取Ⅰ類室內地震應急避難場所（以下簡稱避難建筑）作為研究對象，研究其韌性等級的判定依據。

基于我國室內地震應急避難場所極度缺乏的現狀，已經有學者對此進行了相關研究，例如，姜連艷［6］介紹了國內外室內避難場所的建設經驗，并基于“平災結合”提出推進室內地震應急避難場所建設的建議;劉成清等［7］和武陳［8］對體育館的建筑結構特性和避難體系進行分析，闡述了將體育館作為救災避難所的優點;盧永華等［9］和李杰亮等［10］針對室內應急避難場所分別進行了空間可達性研究和室內空間設計。現有研究缺乏對室內避難場所整體系統的綜合評估，相比而言，針對室外地震應急避難場所的評估研究則較為豐富，包括適宜性評估［11-12］、空間布局合理性評估［13-14］以及布局選址優化［15-16］等，其研究角度和指標體系構建可為避難建筑的評估研究提供一定參考。但在面臨地震及其次生災害等多重擾動時，即有建筑易呈現出不同程度的脆弱性，具體體現為預警不力、承災力不足、自我修復力差等方面；而避難建筑需要保證在震后使用功能不中斷，繼續發揮應急避難功能。韌性理論的研究進展表明：在內外部環境的多重擾動下，系統只有具備“韌性”才能保持自身良性發展［17］。

因此，本文在遵循我國現行抗震設防體系基礎上，綜合考慮避難建筑災后長期、持續的使用需求及我國經濟情況等因素的影響，以“平災結合、因地制宜”為思路，構建避難建筑的韌性評估模型，通過綿陽市九洲體育館為例予以檢驗，為即有建筑是否能夠兼作避難建筑提供判定依據，為緩解室內、室外地震避難場所失衡現狀提供方法支持。

1 避難建筑韌性

“韌性”的概念最早被應用于力學領域，隨后逐漸被拓展到生態學［18］、心理學［19］、災害學［20］、城市規劃［21］等學科。在這個過程中，韌性的內涵經歷了從工程韌性到生態韌性再到演進韌性的兩次認知型轉化：工程韌性強調單一穩態下系統受到破壞時能快速恢復至原平衡狀態;生態韌性強調系統吸收干擾、經歷變化并維持最佳狀態;而基于系統論思維模式的演進韌性拋棄了對平衡狀態的追求，更強調系統在遭受危機后能持續學習，不斷調整、適應至新穩態。相較于前兩者，演進韌性更具有理論說服力，逐漸成為當代韌性研究的主要參照基準［22］。

聯合國國際減災署將韌性定義為：暴露于危險中的系統，具有抵御、吸收、適應并及時高效地從危險中恢復的能力，包括保護和恢復其重要基本功能［23］。該定義沒有兼顧災后系統學習整合的特征，因此基于演進韌性觀點，將“避難建筑韌性”界定為：地震災害發生后，避難建筑能夠有效防御、抵抗、吸收擾動，快速恢復初始狀態并持續學習、適應，以維持和擴大抗震及應急避難功能的能力。

2 基于PSR模型的韌性評估指標體系的構建

壓力-狀態-響應（Pressure-State-Response，PSR）模型是目前應用最為廣泛的評估指標體系之一，由經濟合作與發展組織和聯合國環境規劃署共同提出并完善，分別從壓力、狀態、響應三個角度來表現某個系統的發展與變化。目前該模型主要用于環境問題研究和資源評估［24-25］，在避難建筑韌性評估的研究領域尚未見到應用。

避難建筑面對外界擾動的過程可以看作避難建筑韌性的表現。在這個過程中，“壓力”指外界對避難建筑造成負面影響的誘因;“狀態”指外界壓力下避難建筑當前的狀態和變化;“響應”指避難建筑面對壓力作出的抵抗或防御措施。三者是邏輯嚴密的有機整體，反映了避難場所遭受的災害壓力，災害擾動下避難功能的承擔能力，以及避難功能的實現能力三者之間的動態發展關系。因此，本文綜合考慮避難建筑的特性和使用需求，選取壓力、狀態、響應三個方面為指標，將PSR模型用于避難建筑韌性評估指標體系的構建。

2.1 壓力韌性評估指標選取

避難建筑的壓力韌性評估指標反映地震災害對避難建筑及其責任區（覆蓋半徑）造成的負面影響。

（1） 地震烈度。《建筑工程抗震設防分類標準（GB 50223—2008）》［26］中規定：作為應急避難場所的建筑，其抗震設防類別不應低于重點設防類。避難建筑在地震的影響下不僅要保證震時不倒塌，保障人身安全;還要保證震后功能不中斷，能繼續使用。地震烈度代表地震對地表及避難建筑影響的強弱程度，是確定避難建筑抗震設防要求的重要因素，因此對地震烈度指標進行量化，以評估避難建筑基于結構安全性的受損狀態和繼續使用狀態。

（2） 次生自然災害。避難建筑責任區內承受的影響還來自地震引發的自然災害，主要有泥石流、塌方、滑坡、火災、水庫垮塌造成的水災、沿海地區的海嘯、嚴寒天氣的凍災、細菌或毒氣污染、瘟疫等。

（3） 次生人為災害。地震災害發生后，由于人類活動、建筑物結構、設施狀況或應急響應不當等因素，直接或間接會引發后續人為災害。這些災害通常是在地震原生災害（如地殼震動、建筑物倒塌等）的基礎上，由于人類行為或設施狀況導致的額外損失和危害，主要有震時跳樓、公共場所群眾盲目避震蜂擁外逃造成的踩踏事件、建筑玻璃損壞造成的“玻璃雨”災害、信息儲存系統崩潰引起的“記憶毀壞”災害等。

次生災害造成的影響不容小覷，會進一步加重災情，加劇對避難建筑的生理及心理需求。因此考慮將地震后次生災害作為壓力韌性評估指標。

2.2 狀態韌性評估指標選取

避難建筑的狀態韌性評估指標反映避難建筑避難功能的承擔能力。

（1） 建筑規模。指避難建筑的有效避難面積，是狀態韌性評估的關鍵指標。通過人均避難最小需求面積可以確定避難建筑可容納的人員數量。

（2） 區位規模。避難建筑是供大量人員長期避難的場所，其責任區內的實際避難人數即區位規模。建筑規模與區位規模的匹配度是衡量避難建筑狀態韌性的重要依據。

（3） 周邊建筑物高度。周邊建筑物指避難建筑周邊200 m以內的建筑物，其高度越高，在震后的受損狀態對避難建筑產生的影響越大，極易造成二次災害。

（4） 重大危險源距離。是指避難建筑與易燃易爆物（如加油站）、化工廠、有毒氣體等的最近距離，距離過近易影響避難場所的安全性［27］。

（5） 結構安全性。建筑按承重結構材料可分為磚混結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構等，按承重結構體系又可分為混合結構、框架結構、剪力墻結構、框剪結構、筒體結構、網架結構、懸索結構、拱形結構等。不同結構體系的綜合考慮運用，可以發揮各種結構的材料和力學優點，利于提高整體安全性能。

2.3 響應韌性評估指標選取

避難建筑的響應韌性評估指標反映避難建筑避難功能的實現能力。

（1） 通用安裝系統的運行。避難建筑通用安裝系統（包括供水供電設施、排污設施、消防設施、應急廁所、應急通訊設備、廣播系統等）震后的損壞程度和運行可靠性，影響著長期避難人員的生活便捷程度。

（2） 指引標志。避難建筑內外部指引標志應系統完備，有助于人群集中和疏散，減少避難人員在建筑物內不必要的擁擠和迷失。

（3） 消防站距離。火災是最常見、最有威脅性的震后次生災害，1923年日本關東大地震中，數萬人死于地震引發的次生火災。除了配置消防設施，避難建筑還需靠近消防站，次生災害發生時才能盡快作出響應。

（4） 避難建筑的宣傳。通過加大宣傳力度提高公眾對避難建筑的熟知程度，公眾對避難建筑的熟知程度越高，該避難建筑的有效利用率也就越高。

基于上述選取的壓力、狀態、響應韌性評估指標，構建避難建筑的韌性評估指標體系，如表1所列。

3 避難建筑韌性評估云模型的構建

3.1 云模型理論

文獻［28］中提到，李毅德院士于1995年提出了云模型的概念，用于定性概念和定量數據的雙向轉換，以研究事物內在的模糊、隨機及不確定性關系。云模型具有一定的普適性，目前已廣泛應用于生態［29］、電力［30］、建筑［31］、防災［32］等領域，本文基于云模型相關理論，構建避難建筑韌性評估模型。

云模型包括期望（Ex）、熵（En）、超熵（He）這3個數字特征值。Ex代表了云的重心位置;En表示云滴在云圖中的取值范圍;He代表熵的不確定性，表示云滴的凝聚程度［28］。云模型的計算是借助云發生器實現的，包括正向云發生器和逆向云發生器。其中，正向云發生器通過已知的3個數字特征值生成所需數量的云滴，實現從定性概念（期望、熵、超熵）到定量數據的映射［28］，逆向云發生器則相反。X條件云發生器是指在正向云發生器的基礎上，已知特定的x0，求取對應的云滴。

3.2 評估模型構建

（1） 確定各指標等級閾值。從避難建筑韌性內涵出發，參考相關文獻和專家意見，建立韌性評估等級集C=｛C1，C2，C3，C4｝=｛高韌性，較高韌性，中度韌性，低韌性｝。每個評估指標取值存在雙邊約束［x′ij，x″ij］，其中x′ij、x″ij表示指標ai在相應評估等級Cj的上下邊界值，采用實際值進行賦值分級，見表1。其中，次生自然災害、次生人為災害、結構安全性、通用安裝系統的運行、指引標志、避難建筑的宣傳，這類指標無法直接獲取數據，其指標分級標準參考行業專家意見用定性語言描述實現量化，具體如表2所列。

（2） 確定各指標正態云標準。根據云模型的3個數字特征值，采用正態云發生器生成各評估指標的評估等級標準云。云模型的數字特征值可根據以下公式計算：

Ex=x′ij+x″ij2 （1）

En=|x′ij-x″ij|2.355 （2）

He=k （3）

式中：k為常數，取值不宜過大，根據經驗值或試驗值取得，取值范圍一般為0.001～1［33-36］，本文取

0.01。對于只有單一界限的兩端區間，可根據指標的最大上下限確定其缺省的邊界值。

（3） 確定各指標等級隸屬度。當評估指標ai取值為x0，通過X條件云發生器求解其在評估等級Cj下的隸屬度rij。將云數字特征值和指標數據代入，為提高準確性，對生成的N個云滴中的隸屬度r（x0）取平均值作為最終隸屬度rij，構建初始隸屬度矩陣R［rij］。

r（x0）=exp-（x0-Ex）22（Enn）2 （4）

rij=（x0） （5）

式中：Enn為以En為期望；He為標準差的正態隨機分布；x0為評估指標實際數據。

（4） 計算綜合韌性等級。通過云模型得到各指標隸屬度后，還需確定指標的權重，進而完成綜合評估。采用常見的AHP-DEMATEL方法計算得到指標綜合權重Z［37］。將權重向量Z與初始隸屬度矩陣R進行模糊轉換可構建綜合隸屬度矩陣B。

B=ZR=（b1，b2，b3，b4） （6）

式中：bj=∑ni=1zirij（j=1，2，3，4），根據最大隸屬度原則，若bj為最大值，代表該避難建筑的韌性評估水平處于bj對應的等級。

4 模型實證分析

4.1 研究對象概況

選取綿陽市九洲體育館為研究對象。作為國際比賽場館，九洲體育館抗震設防類別為乙類，場館設施齊全且功能完備，是當時國內體育館中最大跨度的拱形結構，也是國內體育館較復雜的結構體系之一。場館緊鄰綿陽市主干道之一科技大道，西接綿廣高速，東鄰市區。2008月5月12日汶川大地震發生后，體育館主體鋼結構完好，館內設施恢復迅速，在北川重建之前，這所體育館被作為避難建筑使用，安置來自北川縣城（60 km以外）的居民。

九洲體育館各評估指標數據如表3所列。其中，地震烈度指標數據根據中國地震局官網發布的汶川地震烈度分布圖確定，距離指標數據采用百度地圖測距工具獲取，其余指標數據通過實地調研走訪確定。對于無法直接獲取數據的指標，邀請20位專家根據表2評分，并取平均值為該指標賦值，以減少主觀差異的影響。

4.2 韌性評估等級確定

邀請20位業內專家對指標的兩兩重要性及指標之間的影響程度進行評分，通過AHP-DEMATEL方法對各評估指標賦權，準則層指標權重分別為：壓力0.240 3，狀態0.370 5，響應0.389 2;子準則層各指標權重為：Z={0.122 3，0.139 2，0.102 4，0.021 4，0.046 3，0.007 9，0.008 6，0.092 8，0.243 5，0.040 9，0.113 6，0.058 4}。

根據表1、表2的評估等級劃分標準和式（1）～（3）計算的指標云特征值，借助MATLAB軟件編寫正向云發生器代碼，將云發生器循環2 000次，得到各指標的等級標準云圖。同時借助MATLAB軟件編寫X條件云發生器代碼，得到各指標的初始隸屬度。以地震烈度指標為例，見表4和圖1。同理得到避難建筑所有評估指標的初始隸屬度，構成初始隸屬度矩陣，分別為：壓力隸屬度矩陣B1，狀態隸屬度矩陣B2，響應隸屬度矩陣B3，避難建筑隸屬度矩陣B。

根據式（6），將上述初始隸屬度矩陣分別與相應

權重向量進行模糊轉換，求得避難建筑對應韌性等級下的壓力綜合隸屬度矩陣B1，狀態綜合隸屬度矩陣B2，響應綜合隸屬度矩陣B3以及避難建筑綜合隸屬度矩陣B，根據最大隸屬度原則，確定韌性評估等級，如表5所列。

4.3 韌性評估結果分析

避難建筑韌性水平影響程度從大到小依次為：響應（0.389 2）、狀態（0.370 5）、壓力（0.240 3）。其中，通用安裝系統的運行（0.243 5）、次生自然災害（0.139 2）、地震烈度（0.122 3）所占比重較大，說明這幾項指標是影響避難建筑韌性水平的主要因素，而消防站距離（0.113 6）、次生人為災害（0.102 4）、結構安全性（0.092 8）對避難建筑韌性水平的影響相對較小。

由表5可知，避難建筑綜合韌性評估等級由C1到C4的隸屬度依次為0.397 6、0.409 3、0.138 9和0.040 1。根據最大隸屬度原則，九洲體育館作為避難建筑的韌性等級為C2，即較高韌性，介于高韌性和中度韌性之間，且更貼近高韌性水平。

場館壓力韌性等級為C2，避難建筑受到地震災害一定程度負面影響，尤其次生自然災害和次生人為災害的權重值較大，需進一步采取措施控制，減輕造成的社會影響和經濟損失，通過減小壓力影響提升避難建筑的韌性;狀態韌性等級為C1，避難建筑在震后避難功能的承擔能力強，整體系統不易遭到外界壓力破壞，但與重大危險源（加油站）的距離過近，極易發生次生火災和爆炸，對避難建筑韌性有不利影響;響應韌性等級為C2，避難建筑在震后響應能力較強，能較好地發揮應急避難功能，學習適應能力強。具體表現為通用安裝系統運行可靠性強，建筑內外部指引標志基本完備，公眾對避難建筑熟知程度較高。但避難建筑與消防站的距離過遠，結合狀態韌性中與加油站距離過近這一情況，說明九洲體育館在這方面需作出改進，減少發生次生災害的概率，并保證能及時得到消防部門的救援。

總體來講，綿陽市九洲體育館室內建筑面積大、可避難人數多、交通便利、通用安裝設施運行可靠、現代化水平高，且自身建筑結構設計安全性高，具備作為避難建筑的諸多優厚條件。韌性評估結果表明九洲體育館作為避難建筑的韌性處于較高水平，因此汶川地震發生后綿陽市政府將其指定為避難建筑的決策具有充分的科學依據。

目前關于綿陽市九洲體育館兼作避難建筑的研究，主要集中在基于結構設計安全性、設備設施齊全性及受難安置人員數量進行的有效性分析［8］。本文通過引入韌性概念，基于量化評估判定九洲體育館作為避難建筑的有效性，是對九洲體育館兼作避難建筑相關研究的有效補充。

5 結論與建議

本文基于“壓力-狀態-響應”模型構建避難建筑的韌性評估指標體系，運用AHP-DEMATEL與云模型結合的方法對綿陽市九洲體育館進行韌性評估，確定其壓力韌性、狀態韌性、響應韌性及避難建筑綜合韌性等級。結果表明：九洲體育館作為避難建筑整體處于較高韌性水平。通過PSR動態過程分析得出，次生災害需得到進一步控制，以減輕地震對避難建筑韌性的負面影響;避難建筑與加油站、消防站的距離問題急需得到改善，以增強避難建筑面對次生災害時的抵抗力。

為緩解室內、室外地震應急避難場所失衡現狀，推進避難建筑的應用進程，建議梳理現有抗震設防為乙類及以上、工程建設質量好、應急設施完善且功能齊全的即有建筑，建立避難建筑備選庫，制定應急啟動預案。震后按《地震現場工作 第二部分：建筑物安全鑒定（GB/T 18208.2—2001）》［38］對備選庫中的即有建筑進行安全鑒定，并確定其韌性等級，判定是否能切換啟動其作為避難建筑。

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（本文編輯：賈源源）