结构抗震技术经济投入产出效益分析的一种新指标1

杜永峰1, 2) 李 慧1)



结构抗震技术经济投入产出效益分析的一种新指标

杜永峰李 慧

1）兰州理工大学防震减灾研究所，兰州 730050 2）兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州730050

本文提出一种评估同一地区不同类型结构的抗震投入产出效益的新指标，即结构价值损失比率。利用“5∙12”汶川地震后对甘肃陇南的学校、住宅、办公、医院和生命线工程等9类建筑物的调查统计结果，研究了震害等级、经济损失与结构抗震初始投入之间的关系，建立了结构价值损失比率与结构初始投入之间的关系和高烈度区危房率与地震地面运动峰值之间的关系。对比分析了土-木组合、砖-木组合、砖砌体结构、非隔震框架结构和基础隔震结构等不同类型结构的抗震性能，并与实际鉴定的震害等级相比较。利用结构价值损失比率，初步说明了采用隔震新技术结构的减灾效益。

震害评价 基础隔震 抗震经济投入 减震结构体系

引言

发生在中国四川的汶川“5·12”特大地震，不仅造成了巨大的人员伤亡，而且还造成了城市基础设施和土木工程结构的巨大损失。作为四川省的近邻省份，甘肃省在这次大地震中也遭受了严重的经济损失，损失额在所有受到该次地震影响的省份中排名第二位。5月13日，甘肃省政府立即派遣了6支由地震工程专业研究人员组成的应急评估专家组赶往灾区，帮助当地政府积极应对和避免震损建筑在余震中可能发生的二次灾害。应急评估期结束后，甘肃省建设厅又紧接着派出了由225人组成的10多个建筑物震害鉴定小组，对陇南、甘南、天水等市州的部分建筑做了震害鉴定（杜永峰等，2008a）。笔者作为应急评估专家在地震灾区工作了14天，对一些公共建筑（如学校、医院）的受损情况做了大量的调查研究。同时，笔者被指派为隔震结构评估专家，对距离大地震震中200km的隔震结构进行了性能评估（杜永峰等，2008c）。2008年夏天笔者所在研究团队为了收集不同类型结构的损伤数据，在地震灾区工作了1个多月（Du等，2010）。本文通过对比不同类型建筑物和基础设施的损坏率，讨论了分别采用传统抗震技术与新技术所带来的经济效益。

1 地震烈度分布和建筑调查类型

“5·12”汶川地震对甘肃的陇南、天水、甘南等市州造成不同程度的破坏。这里以三个地区中烈度最高、烈度分布为6度到8度的陇南市建筑震害鉴定结果进行统计分析。本文依据的是甘肃省政府建设主管部门正式发布的震害鉴定汇总资料，工程样本是陇南市地方政府申报提交鉴定的3323栋、总面积为4,854,851m的建筑物和基础设施。统计所依据的建筑类别分为：学校、医疗、通讯、电力、政府办公、生命线工程、住宅、城市基础设施和其它共九种类型。其中，生命线工程是指除单列的医疗、通讯、电力建筑以外的给排水、能源供给和交通系统的配套建筑，而给排水系统、能源供给系统、通信系统和路桥交通系统的设施都归于城市基础设施。

2 评价指标

2.1 震害等级指标

按照我国建筑震害鉴定规程对震害等级的一般划分原则，将震害等级指标分为5级，如表1所示。

表1 建筑震害等级指标

2.2 价值损失率和成本指标

本文的统计调查是建立在不同结构最初的成本之上，根据结构震害损伤的程度提出一个价值损失率来表示。考虑到结构基本完好状态意味着仅需要极少的修复即可继续使用，花费基本上限于对粉刷的修补而已；而对于危房、频临倒塌或已倒塌的结构，大多数建筑需要拆除，由于只有一小部分材料有可供重复利用的价值，故可视为大多数初始造价已损失，仅保留了极小的使用价值。举一具体数字为例，如基本完好状态结构的价值损失为初始造价2%的话，同一结构处于倒塌状态时则只能保留相当于2%初始造价的价值，即价值损失率为初始造价的98%。基于此种考虑，利用建筑震害等级指标D做线性插值，即可得到其它相应结构损伤状态的价值损失率，如图1中的点划线所示。考虑到中等及以上建筑震害的治理需要较多的配套支出，价值损失随震害等级的提高迅速增加，利用曲线拟合方法得到下述二次非线性的价值损失率（Du等，2010）：

基于这种结构价值损失率的定义，损失的总数可以表达为：

将式（2）的总损失值除以某类别的建筑物总面积和单位面积初始造价的乘积，可以得到对应类别的建筑每单位面积上对应单位投入造价的价值损失比率：

式（3）所定义的无量纲指标可以用来反映用于建筑抗震的经济投入对建筑震害导致的价值损失的程度，从而间接反映用于抗震的经济投入对建筑物抗震能力的干预作用。

3 震害鉴定结果及震害等级统计分析

3.1 震害等级鉴定结果

陇南市实施了鉴定的震损建筑物总栋数、总面积数如表2所示，从表中可以看出，该地区大多数建筑物的破坏程度总体还处于轻微损伤阶段。

表2 鉴定建筑物损伤比例统计

根据建筑物不同类型所得出的震害等级鉴定结果，按栋数、面积数及相应百分比数列在表3—表11中。

表3 学校建筑鉴定结果

表4 医疗建筑鉴定结果

表5 通讯建筑鉴定结果

表6 电力建筑鉴定结果

表7 政府办公建筑鉴定结果

表8 生命线工程鉴定结果

表9 住宅建筑鉴定结果

表10 其它工程鉴定结果

表11 城市基础设施鉴定结果

3.2 震害等级统计分析

分别给除城市基础设施以外的不同类别建筑顺次赋以类别号，如表12所示。并将上述表格中震害等级的百分比分别用栋数比例和面积比例数据来表示，两者之间的关系如图2和图3所示。从图中可以看出，该地区大多数类别的建筑物破坏程度同样总体属于轻微损伤。

表12 工程类别号

图2 不同类型建筑震害等级的栋数比例

图3 不同类型建筑震害等级的面积比例

将通信建筑与学校、医疗、住宅等几种民用建筑的震害等级，用面积比例和栋数比例来表示，分别如图4和图5所示。由图中可以看出，在各种建筑中，通信建筑的破坏程度最小，而医疗建筑的破坏程度最大，这与调研中所统计到的这两种建筑的结构抗震初始投入程度恰好相符。

图6表示不同类别的公共建筑震害等级的比例。由图中可以看出，点虚线对应的生命线工程的震害等级比预期的要高，这主要是因为本次鉴定时考虑了供水管线、路桥之类的生命线工程的重要性，对其采取了比一般建筑更严苛的鉴定标准。

4 结构震害损失的统计关系分析

4.1 结构价值损失比率与初始投入的关系

将调查获得的不同类别建筑单位面积造价按从小到大的顺序列在表13之中，再利用式（3）求得各个类别的建筑物每单位面积、单位投入的价值损失比率列在同一表格第二行。

表13 不同类别建筑单位面积造价与对应价值损失比率

将表13中的价值损失比率与单位面积造价两者之间的关系曲线示于图7之中。由图中可以看出，一般建筑物随着建造时的单位面积投入增加，由于地震引起的结构价值损失比率大致呈现减小的趋势。结构初始投入最高的通信建筑的价值损失比率最小，而结构初始投入较低的医疗建筑、政府办公和学校的价值损失比率都较高。这表明本文提出的指标从一定程度上能合理反映用于抗震的经济投入对提高建筑物抗震能力的干预作用。

4.2 危房率与地震地面运动峰值的关系

图8列出了医疗建筑、政府办公和学校等几种结构的危房率随甘肃省不同区域地震动峰值的变化规律（杜永峰等，2008b）。与预期结果大致一致，场地的地震动峰值加速度越大，结构的危房率越高。

4.3 危房率与结构体系之间的关系

表14列举了位于甘肃省烈度最高的陇南市碧口镇部分典型建筑的震害程度对比。表中分别列出了土-木组合结构、砖-木结构、砖砌体结构、非隔震框架结构和采用新技术的基础隔震结构等不同体系相应的破坏程度。可以看出，基础隔震结构的新技术投入的合理性已经有所体现。钢筋混凝土框架结构91%处于轻微损伤，而采用土-木组合、砖-木组合结构的村镇住宅和私有商业建筑危房率高达30%以上。而同处陇南市的基础隔震砖砌体结构处于基本完好状态。调研得知，该基础隔震结构因采用隔震技术而增加的造价占初始造价的5.8%。用表13和图7的结构初始投入指标与结构的价值损失比率来衡量，将一般结构的价值损失比率由投入最低的医疗建筑的0.61降低到投入最高的通讯建筑的0.51所付出的代价是结构初始投入增加到250%。而采用基础隔震新技术，仅用5.8%的初始投入增加额，换取的价值损失比率下降额达80%。虽然隔震工程样本只有1个，但仍然显示出了新技术的减灾优势。

表14 高烈度区建筑物的破坏率

5 结论

（1）利用实际工程震害调查结果表明，本文提出的价值损失比率指标从一定程度上能合理反映用于抗震的初始经济投入对提高建筑物抗震能力的干预作用。

（2）结构材料和结构类型的选择也是提高建筑物抗震能力的另一重要因素，但采用基础隔震等抗震新技术，可以用较少的初始投入增加换取价值损失比率的大幅度下降。

杜永峰，李慧，莫庸等，2008a．5∙12地震现场调查报告汇编．兰州：甘肃省建设科技专家委员会．

杜永峰，李慧，2008b．5∙12地震实地调查报告及震后建筑损伤评估报告．兰州：救灾指挥部办公室，甘肃省建设科技专家委员会．

杜永峰，李慧，2008c．陇南建筑结构震害的宏观分析与重建指导思想的建议．见：汶川地震建筑结构震害分析与重建研讨会（北京），182—188．

Du Y.F., Li H., 2010. An Evaluation of Cost Effectiveness of New Technology for Seismic Mitigation in Gansu during Wenchuan Earthquake. See: Proc. 7Int. International Conference on Urban Earthquake Engineering, Tokyo, Japan, 2010, 127—131.

A New Index for Cost-benefit Analysis of A New Technology for Seismic Mitigation

Du Yongfengand Li Hui

1）Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation, Lanzhou University of Technology, Lanzhou. 730050, China 2）Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education, Lanzhou Univ. of Tech.., Lanzhou. 730050, China

This paper presents an evaluation on the cost effectiveness of different types of buildings using traditional earthquake resistant design techniques, and compared with the case of application of base isolation technique in the same region. The buildings are divided into 9 categories, i.e., school, dwelling house, office, hospital, life line system, and so on. A new index of structure value loss ratio (SVLR) is proposed to examine the correlation of damage ratio, economical loss between the initial economic input and technical input, and the damage ratio of typical buildings, such as the combination of soil-timber structure, brick-timber structure, brick masonry structure, fixed base frame structure and base isolated structures, are compared to represent the earthquake resistant capacity. By comparing the performance of buildings using traditional seismic design technique and those using base isolation technique, we found that the base isolation buildings is preliminarily more effective in reducing the SVLR than the traditional seismic resistant structure.

Earthquake damage evaluation; Base isolation; Economical input for seismic resistance; Structural system for seismic mitigation

国家自然科学基金项目资助（50978130, 51178211）

2013-03-04

杜永峰，男，生于1962年。博士，教授，博导。主要从事结构减震控制研究。担任国际减震控制学会理事等学术职务。E-mail：dooyf@sohu.com

杜永峰，李慧，2014．结构抗震技术经济投入产出效益分析的一种新指标. 震灾防御技术，9（2）：182—191.