城市建筑群地震灾害数值仿真与风险控制

林旭川

城市建筑群地震灾害数值仿真与风险控制

林旭川

林旭川，中国地震局工程力学研究所副研究员，硕士生导师，从事城市地震灾害仿真、基于高强钢与阻尼器的新型减震结构体系等的研究工作，兼任建筑学会抗震防灾分会建筑结构抗倒塌专业委员会委员。2007 年和2009 年先后获清华大学土木工程工学学士和硕士学位，2012 年获日本京都大学工学博士学位。2012—2014 年在京都大学防灾研究所、东京大学地震研究所从事科研工作。先后主持国家自然科学基金青年基金项目、中央级公益性研究所基本科研业务项目、教育部留学回国人员科研启动项目、黑龙江省自然基金项目、黑龙江省博士后科研项目等；作为子课题负责人，参加国家科技支撑项目、地震行业科研专项等多个项目。先后发表科技论文50 余篇，其中SCI 收录11 篇，EI 收录13 篇；软件著作权1 项，实用新型专利4 项。曾获清华大学优秀硕士论文，2篇入选中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）。

我国地震灾害多发，破坏性地震既发生在板块交界附近，也发生于大陆板块内部。特别是，约三分之二百万以上人口城市位于Ⅶ度及Ⅶ度以上的高烈度区。近四十年来，我国经济持续高速增长，城镇化水平不断提高。大量人口进入城市工作、生活，社会财富急剧增加并在城市聚集，城市变得越发“高级”而脆弱。一方面，很小的因素有可能对城市造成重大影响，如一起小型交通事故或临时桥梁抢修作业可能导致大半个城市交通瘫痪，一座城市核心区大楼的垮塌将引起重大人员伤亡和财产损失；另一方面，发展中的大城市具有大量不确定因素，如大量新建建筑、新建基础设施和大量流动人口。我国大部分城市并未经过大地震考验，且缺乏应对此类破坏性地震的经验。一旦在城市附近发生破坏性大地震，后果将如何？以现阶段的技术经济水平，我们如何去分析并以最小的代价应对未来发生在城市附近的破坏性地震？本文以建筑与城市建筑群为切入点，阐述对上述问题的思考与理解。

近年的大地震对城市防震减灾新理念的思考

地震本身并不是灾害，而是地球的一种固有运动变化特性。大地震也不一定必然引发灾害，如多次发生在新疆昆仑山无人区的7.0级以上大地震，均未产生灾害。地震灾害是地震引起的对人类及其工程结构的破坏作用，灾害的最终受体是人，而致灾媒介主要是人类所处的环境（特别是工程结构）。

人类历史上曾发生过很多次特大地震，包括有记录或没有记录的，有时甚至毁掉整个城市。仅我国，1976的唐山大地震，将整个唐山市夷为平地，造成超过24万人死亡；2008年的汶川大地震，几乎毁掉整个北川老县城。发达国家也很难幸免，2011年的日本东北大地震，其震源虽然在海中，却引发了巨大的海啸，造成沿岸2万人死亡或失踪，并导致了严重的核泄漏事故，福岛核电站附近的土地和海水被严重污染；2010—2011年的新西兰坎特伯雷系列地震，将其第二大城市基督城市中心变成废墟。地震给人类带来了巨大的损失和悲痛，痛定思痛之后，我们需要牢记和吸取教训，并探索抵御未来破坏性地震更有效的方法。

以下仅针对近年发生的大地震，阐述作者在建筑震害方面感触较深的几点认识：

（1）2008年四川汶川大地震——居安思危与抗震技术同等重要。该地震为里氏8.0级，地震灾害固然与技术、经济等因素有关，但由于距离唐山大地震已30余年，在震前，除了云南、四川等近期地震活跃的区域外，很多老百姓不相信大地震会离自己如此之近。人们不在乎把房屋建造在地质灾害高风险区域。开发商和老百姓对减隔震等新技术的接受度很低，甚至有些土木工程专业的学生怀疑抗震设计的必要性，更是有施工企业在施工中私下偷工减料。遗忘或轻视忧患，可能是最大的忧患。从另一个侧面也说明了建立全民科普教育长效机制的重要性，现代城市的防灾减灾工作更是离不开地震防灾意识、知识的普及。

（2）2011年日本东北大地震——大地震的破坏力有可能远远超出工程设计预期。日本是个经常受到地震海啸威胁的国家，其在海啸预警、堤坝建设等方面投入巨大。这次地震的震级达到9.0级，震源位置位于海中，离岸有一定距离，减小了地震对房屋的直接破坏。不幸的是此次地震引发的海啸明显超过了堤坝最大高度，导致沿岸的城镇被毁，大量人员伤亡或失踪。地震时，东京的高层建筑也发生了大幅的长时间摇动，并导致大量人员无法回家。日本学者意识到大地震的破坏力常常远超设计标准，并以此举一反三，进一步研究其经济政治中心东京如何面对类似的明显超越设计预期的地震作用。

（3）2010—2011年新西兰坎特伯雷系列大地震——城市的可恢复性与重要建筑的抗震性能紧密相关。这一系列地震的震级最大到7.1级，最终2011年2月的一次6.3级地震将新西兰第二大城市基督城几乎摧毁。大量建筑倒塌不仅导致了数以百计的人员死亡或失踪，也导致城市各项基本活动无法进行，进而引起不少人离开城市，使城市的灾后重建和恢复非常困难。为此，新西兰的不少建筑，特别是工业和商业建筑，在灾后重建过程中大量采用减震与隔震的各种新技术，确保重要建筑和关键建筑在大地震下不中断使用功能或可快速恢复使用。

图1 2014年鲁甸地震的龙头山镇建筑群破坏状况

（4）2014年云南鲁甸地震——小震不等于小灾。该地震的震级为6.5级，但是引起的人员伤亡和房屋倒塌要远超相同震级的地震。首先，当地村民大量采用一些生土结构或无约束砌体结构，结构整体性较差。更糟糕的是，地震来临之前当地恰遇洪灾，大量的生土房屋被淹，导致土墙松散开裂、摇摇欲坠，地震发生时一些位于地震烈度较低区域的房屋也倒了。当然，这里涉及了多灾种耦合作用的问题。其次，可能是由于地表附近土层对地震波的放大作用，震中龙头山镇的部分区域，测到的峰值加速度约1g，大量建筑垮塌，其中有不少经过抗震设计的建筑垮塌，不少房屋看似基本完好，实际上首层已经完全垮塌或剪坏，如图1。一些重要公共建筑（如医院、避难场所）的倒塌，不仅对救灾产生影响，也直接导致了无法为雨季中的受灾群众提供室内的避难场所。重要防灾建筑需要具有比一般建筑更高的抗震性能目标。

基于逐栋精细建模的城市建筑群地震灾害仿真技术探索

建筑是城市各项活动的主要载体，其抗震性能与城市的抗震能力密切相关，而历次的震害经验表明，建筑的倒塌往往是造成人员伤亡与财产损失的主要因素。如何确保城市建筑群的抗震防灾能力已成为地震工程领域重要的研究课题之一。试验研究和现场调查为建筑抗震能力与灾害预测提供了直接而宝贵的数据，但仍难以满足现代大规模城市建筑群分析的需求，特别是在分析新兴城市或含有大量新建建筑区域时遇到了一定困难。近年来数值仿真软硬件的快速发展，为采用数值手段分析建筑群地震灾害奠定了基础。

国内外的研究人员通过不同技术手段对地震灾害模拟系统进行研发，根据是否逐栋直接模拟建筑地震响应，可分为直接模拟方法和间接模拟方法两类。在间接模拟方法方面，研究人员基于地理信息系统（GIS）、人工智能或遥感等技术研发出各种地震灾害分析与预测平台，为地震区划、震害预测与损失评估等工作提供了很好的技术支持。然而，间接预测方法高度依赖震害经验，难以直观分析地震动特性差异、建筑破坏细节与建筑群体震害的内在联系，在讨论成灾机理方面存在不足。随着计算机技术的迅猛发展和计算能力的快速提升，直接建立城市每一栋建筑的弹塑性分析模型已成为可能，包括东京大学Hori教授、清华大学陆新征教授等团队在内的不少学者对此进行了大量研究与探索。作者基于在东京大学和中国地震局工程力学研究所的科研工作，通过编制程序源代码，建立了基于快速逐栋建模技术的城市大规模建筑群地震灾害模拟与三维可视化系统（后文简称城市仿真系统）。

图2 城市仿真系统各功能模块及其运行流程

为实现城市中大量存在的各类建筑的地震灾害模拟，仿真系统至少需要具备三个基本模块：城市群建筑自动建模模块（建模模块）、地震响应高性能计算模块（计算模块）、结果深度分析与三维动态可视化模块（分析模块）。城市仿真系统各功能模块及其运行流程如图2，每部分的具体功能与特点详见表1。

表1 城市仿真系统的组成与各部分特点

基于研发的城市仿真系统，对我国东部某大型城区的70多万栋建筑进行震害分析。程序自动完成了不合理错误数据的纠正、快速自动化建模、地震响应计算和三维动态可视化的各个环节，分析过程采用普通性能较好的移动工作站，整个分析过程耗时3天。图3给出了建模中的关键图形以及不同视角下城市建筑群的变形状态与位移云图，程序可实现根据需要观察城市中各个建筑、任意时刻、各楼层的地震响应。

除了楼层位移时程，该系统也可提供建筑各楼层最大层间位移角、楼层损伤指标、整楼损伤指标、街区避难需求等衍生的指标。图4给出了我国西南某城区在2016年新西兰8.0级地震最大地震动作用下的模拟算例。依据建筑各楼层实际的物理损伤级别（基于楼层剪力-变形本构曲线），得到如图4所示的损伤分布情况。图4中，损伤由深蓝色到红色的五级颜色显示，分别表示结构完好（0.0-1.0）、轻微破坏（1.0-2.0）、中度破坏（2.0-3.0）、严重破坏（3.0-4.0）以及倒塌（4.0以上）五种情形。从图中可以清晰观察到建筑损伤或倒塌的分布情况。

图3 建模过程及不同视角下城市建筑群的变形状态与位移云图

图4

可见，城市仿真系统可以清晰直观地展现出大规模建筑群的震害情况，有利于发现并更好地理解城市地震灾害的成灾机理。特别是，仿真系统可作为城市地震灾害的评估工具，基于结构变形与损伤等基本结果产出，可根据实际需要定义各种衍生指标，如社区内不同损伤程度建筑面积、非结构构件的损伤程度、建筑地震灾害风险评估指标、城市可恢复性指标等。

城市地震灾害的风险控制展望

有效应对地震灾害风险离不开对灾害风险的合理评估和有效控制。

一方面，针对地震高度的不确定性，以不变应万变，通过对新建建筑的合理设计和既有建筑的加固改造，提高建筑群抵御破坏性地震的能力。对于防灾重要建筑，需根据功能特点进行性能化设计，在设计中采用有效的损伤控制策略和合适的减隔震技术，不仅需要确保建筑在罕遇地震下的安全，还需要确保其在地震时功能不中断或快速恢复。对于一般的城镇建筑，需因地制宜选取合适的建筑材料与结构形式，在地震高风险区域要加强推广经济、有效的抗震结构形式和减隔震技术。

另一方面，高速发展的城市极其复杂而脆弱，建筑群地震灾害的研究只是城市灾害研究的重要一环。在充分利用调研数据和总结震害经验基础上，仍需持续不断地推动基于精细物理模型的城市仿真系统的发展，对城市既有和潜在的地震灾害风险进行识别和分析。基于仿真平台，研究灾害的特点和成灾机制，探索最大可能降低地震灾害风险的有效途径。城市地震灾害模拟系统作为灾害评估与机理分析的重要手段之一，推动地震学、土木工程技术、计算机科学、通信技术、人工智能、遥感技术甚至社会科学等多学科的交叉融合与综合应用，具有现实应用与科学研究的双重意义。在建筑群地震灾害仿真平台的基础上，可进一步集成非结构部件、道路桥梁、各种管道、交通工具和人的行为，实现对城市综合地震防灾的模拟与研究。

本文由国家科技支撑项目（2015BAK17 B02）和中国地震局创新团队发展计划（中国大陆地区地震灾害模拟与评估）资助。