建设地震韧性城市所面临的挑战

陆新征 曾翔 许镇 杨哲飚 程庆乐 谢昭波 熊琛

建设地震韧性城市所面临的挑战

陆新征 曾翔 许镇 杨哲飚 程庆乐 谢昭波 熊琛

陆新征，清华大学土木工程系教授、博士生导师，防灾减灾工程研究所所长，《工程力学》期刊主编。2005年获清华大学土木工程系博士学位，2008—2009年美国斯坦福大学访问学者，2011年日本神户大学客座副教授，现主要从事工程防灾减灾和结构非线性分析方面的研究工作，成果被我国国家、行业标准、美国混凝土学会指南及国际重要结构计算软件采纳，应用于中国尊等多个超高层标志性工程，并获授权美国发明专利1项，中国发明专利10余项；作为救灾专家，参与汶川、玉树、芦山、鲁甸和西藏地震等的抗震救灾工作。先后发表论文200余篇，出版中英文专著多部，论著累计被引用万余次，多次入选Elsevier“中国土木和结构工程学科高被引学者”。2016年入选国家“万人计划”科技创新领军人才，2015年入选“长江学者奖励计划”青年长江学者，2012年获国家自然科学基金委优秀青年科学基金，并荣获国家自然科学二等奖等奖励。

由于地震的人员伤亡主要是由建筑物倒塌造成的，因此传统地震工程主要关注如何减轻因地震导致的建筑物倒塌破坏。20世纪90年代后，为了减轻地震的经济损失，基于性能的抗震设计得到了广泛的重视和发展。进入21世纪，特别是在2011年日本“3·11”大地震和新西兰基督城地震后，人类多次面临城市遭受严重地震破坏后重建难度大、时间长，社会代价巨大的挑战，城市的抗震“韧性”（Resilience）问题得到了广泛的重视。

美国纽约布法罗大学地震工程多学科研究中心（MCEER）等研究机构建议，可以通过降低地震发生时的功能损失或提高震后修复速度来实现“韧性”抗震。基于这一理念，美国旧金山、洛杉矶等城市陆续提出了“地震韧性城市”的建设目标。其具体内容包括：在遭遇中小地震时城市的基本功能不丧失，可以快速恢复；在遭遇严重地震灾害时，城市应急功能不中断，不造成大规模的人员伤亡，所有人员均能及时完成避难，城市能够在几个月内基本恢复正常运行等。“地震韧性城市”代表了国际防震减灾领域的最新前沿趋势，也成为我国很多城市防震减灾工作的奋斗目标。中国地震局已将“韧性城乡”作为地震科技创新项目计划的4个重点工程之一。

虽然建设地震韧性城市已经成为国内外防震减灾领域的共识，但是真正实现地震韧性的挑战是非常大的。由于韧性抗震的理念还比较新，而我国建设规范的更新周期长，且基础研究存在不足，导致即便是按照我国最新的抗震规范建设的建筑，也无法充分满足韧性抗震的需求。此外，由于我国近代长期贫穷落后的历史，留下了大量低设防水平的既有建筑和基础设施，也成为实现地震韧性的主要软肋。本文结合作者课题组近年来开展的相关工作，对我国建设地震韧性城市所面临的挑战以及有待开展的工作加以分析，供相关读者参考。

新建建筑实现韧性抗震所面临的挑战

一般而言，新建建筑反映了地震工程领域的最新进展，通常应具有更好的抗震性能。我国建筑抗震设计规范也规定了“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”三个水准的设防要求。然而，即使城市内所有建筑都依据目前最新版的抗震规范进行设计建造，仍然难以保证足够的地震韧性。具体表现在：

小震能否做到不坏？

“小震不坏”是我国抗震规范的设计目标之一，即在遭遇重现期50年左右水平的地震作用时，建筑物应基本保持完好，一般不需要修理就可以正常使用。相应的，城市的功能应保持完好，人民生活不应受到重大影响。我国抗震规范主要通过控制结构的构件承载力和侧向变形来实现“小震不坏”的抗震目标。然而，随着我国城市建设的发展，现有的抗震设计手段已经不足以保障“小震不坏”的要求。

（1） 小震作用下高层建筑楼面加速度引起的非结构构件破坏问题

高层建筑已经成为我国城市建筑的主要组成部分。地震引起的加速度响应往往会沿着建筑高度不断放大，进而导致高层建筑顶层加速度可能远大于地面加速度。强烈的楼面加速度作用会导致建筑内部的空调、电梯等设备和非结构构件被破坏。本文作者对一栋按照我国规范设计的43层的钢筋混凝土框架—核心筒高层住宅进行了分析。结果表明，小震下顶层楼面加速度可以达到地面峰值加速度的1.8倍。虽然在该工况下高层建筑结构基本保持完好，但是加速度响应可以给空调等非结构构件造成300万元～400万元人民币的损失，且修复时间超过50天。这显然不能满足“小震不坏”的性能目标要求。而现阶段我国抗震规范对如何控制小震下楼层加速度引起的破坏还没有给出充分的设计规定。

（2） 小震作用下建筑楼面加速度引起的人员恐慌问题

建筑的加速度响应除了会引起非结构构件破坏外，还可能引起楼内人群的恐慌。研究表明，当加速度达到0.015 g～ 0.05 g时，人就会出现不适感。例如发生在2016年12月18日的山西清徐4.3级地震，此次地震震级很低，记录到的地面加速度很小，但太原市民反映震感非常强烈。本文作者采用城市抗震动力弹塑性分析方法，将实测地震动输入到太原市中心城区4万余栋建筑模型中。分析结果表明虽然建筑基本都为完好状态，然而地震引起的楼面加速度会引起相当数量的人员不适（图1）。

图1 2016年12月18日山西清徐4.3级地震中，太原中心城区的人员感受

随着我国社会经济的发展，出现了很多人口和建筑密度很高的城区。例如在上海陆家嘴核心区，高峰时期人群密度超过每平方千米5.4万人。在这样的地区，大量人群因恐慌在短时间内迅速逃离建筑物将造成地面人口密度骤增，室外空间可能根本无法容纳如此高密度的人群，会导致严重的拥挤与踩踏等后果。从这一角度来看，即使是小震，也可能给城市区域带来远超预期的人员伤亡和社会问题。

中震能否做到可修？

我国抗震设计规范的第二水准是“中震可修”，它要求建筑在遭遇设防地震（重现期475年）作用下，可以通过对震损进行修理而重新使用。但是，现行规范对“中震可修”的规定可操作性不够强，且仅仅达到“可修”并不能满足地震韧性城市的目标，因为除了“可修”以外，地震韧性城市还需要回答“是否值得修？”，“需要花费多少时间去修？”等问题。而按照现行抗震规范设计的结构，在这些方面还存在较多的不足。

（1） 修复成本非常高昂

建筑震后修复的代价是非常高的，特别是我国建筑多采用混凝土结构或砌体结构，其变形能力差，修复难度大。本文作者对清华大学校区的619栋建筑进行了分析。研究结果表明，在遭受中震作用后，地震损失高达72.3亿元人民币。其中60%以上的损失是因为部分建筑震后的残余变形太大，以至于修复成本太高，拆除重建反而比维修更经济（图2）。也就是说，按照现行的抗震规范设计的建筑，有相当比例的建筑在中震后即使技术上是可以修复的，经济上也是不可行的。而重建这些建筑物造成的经济成本和社会冲击也显然不满足地震韧性城市的要求。

（2） 修复周期非常长

即便是中震后修复在经济上和技术上都是可行的，修复的时间仍然难以满足地震韧性城市的要求。仍以上述的43层的钢筋混凝土框架—核心筒高层住宅为例，在遭遇中震水平地震作用后，建筑修复工日（1个工人1个工作日的劳动量）达3000工日以上。主要的修复工作内容包括隔墙及其饰面、空调、剪力墙等（图3）。如果安排30个工人参与修复作业，则总修复时间为3个月以上。在这期间，楼内居民被迫要异地安置。如果一个城市成千上万的建筑物里面的居民都要异地安置数个月，那么城市的功能势必会受到严重影响。

遭遇大震和超大震后的韧性问题

根据抗震规范设计的建筑一般可以满足“大震不倒”的设计目标。然而，按照地震韧性城市的要求，遭遇大震或超大震时，城市应急功能应保持完好，人群可以顺利避难。而现行抗震规范也不能充分满足上述要求。

（1） 重要建筑的功能损失问题

医院急诊部门、救灾指挥中心等应急部门应在地震后保持其功能。然而按照现行抗震规范实际上无法充分满足应急部门大震后的维持功能需求。我国现行抗震规范将救灾应急部门列入抗震设防的“重点设防类”，从工程设计上主要通过提高构造要求（主要是改善结构的变形能力），并适当提高地震作用来提升其抗震性能。然而，如前所述，这些仅考虑结构性能的改进措施虽然可以有效提高结构的抗震安全性，但却难以满足应急部门震后可用功能的需求。本文作者对一栋按照中国规范设计的8度区典型框架结构进行了分析。结果表明，将其从“标准设防类”提升到“重点设防类”后，虽然结构的抗地震倒塌安全储备（CMR）提升了15%，但是其遭遇罕遇地震后的经济损失比（34%）及修复时间（约180天）几乎没有变化（表1）。可见现阶段抗震工程技术措施尚不能满足应急部门震后可用功能需求。

图2 中震下清华大学校园不同类型地震经济损失的中位值

图3 中震下43层的钢筋混凝土框架—核心筒高层住宅修复工日需求

表1 八度区典型框架从“标准设防类”提升到“重点设防类”后大震下的损失对比

（2） 应急避难场所和避难通道的坠物次生灾害问题

在地震中，建筑物外围非结构构件破坏引起的坠物次生灾害是导致人员受伤的主要原因之一。例如在美国Northridge地震中，超过一半以上的人员受伤都是由于坠物撞击造成的。地震韧性城市要求在地震发生后人群可以及时安全避难。应急避难场所和避难通道应尽量位于坠物影响区以外，避免坠物造成伤害。然而由于现阶段对坠物次生灾害研究严重不足，导致避难场所设计缺乏依据。以北京某一住宅小区为例，该小区共有16栋高层住宅，其地震下的坠物影响区域如图4所示。从图中可以看出，小区原有的应急避难场所和疏散通道部分位于坠物影响区域内，这部分重叠区域非常危险，人员很可能被坠物击中而造成伤亡，疏散通道也可能被坠落的废墟堵塞而导致疏散效率极大降低。而存在类似安全隐患的避难场所在我国城市高层建筑密集区还大量存在。

图4 坠物危害影响区域与紧急避难场所选址

图5 分析区域：某省会城市中心城区建筑物

图6 中震下某省会城市中心城区建筑震害及次生火灾

既有建筑实现韧性抗震所面临的挑战

正如一句名言“罗马不是一天建成的”，每个城市的建立和发展都有一个漫长的过程。城市建筑群中不仅有新建建筑，更有大量老旧建筑、老旧生命线管网。本文第二节已经表明新建筑尚难以满足城市的抗震韧性，老旧建筑和设施则使实现地震韧性变得更加的困难。

大量老旧建筑的抗震隐患

城市中的老旧建筑通常具有几个特点：①结构性能退化；②抗震能力低下，甚至没有经过抗震设计；③建设缺少科学规划（如城市棚户区），建筑间距较小。这些特点导致这些老旧建筑的地震韧性十分脆弱。

以某省会城市中心城区为例，选择其中26 km2作为分析区域，共考虑44152栋建筑。分析区域三维图如图5a所示，建筑群的建设年代组成如图5b所示。1980年以前的建筑占整个中心城区的70%，可见老旧建筑在城市建筑群中占据着很大比例。对于非中心城区或村镇地区，老旧建筑所占比例可能更大。本文作者对该省会城市采用城市地震动力弹塑性分析方法进行了震害模拟，结果表明：中震作用下，建筑地震破坏状态如图6a所示。老旧建筑的破坏状态明显重于新建筑，甚至在中震下就有部分老旧建筑发生倒塌。进一步地，本文作者对该区域进行地震次生火灾模拟，次生火灾可能会造成5.5%建筑物被焚毁，94%的被焚毁建筑为1980年以前的老旧建筑（图6b），可见老旧建筑相对于新建建筑存在更高的次生火灾隐患。其主要原因在于老旧建筑通常分布密集，易导致火灾大面积蔓延。此外，老旧建筑地震破坏更为严重，也会加剧起火和蔓延。不解决老旧建筑的抗震问题，城市的地震安全尚难以保障，地震韧性更是难以实现。而在全国范围内，完成如此大规模的城市老旧建筑更新换代谈何容易！

生命线管网的问题

城市地下生命线管网是城市正常运行的命脉。相对城市建筑而言，城市地下生命线管网的信息更不明晰。不同时期铺设的给排水网、燃气网、地下电缆、通信网络等埋于地表之下，错综复杂。地下生命线管网难于直接观察，因此其信息基本来自于设计、施工时期的相关资料。对于铺设年代较久的生命线，很可能存在资料丢失或不齐全的问题，导致城市生命线的抗震韧性难以预测，震后的维修也十分困难。而一旦地震作用下供水、电力、通讯等设施的功能受损，对城市抗震韧性将产生严重影响。例如1906年旧金山地震，城市给水管道遭到破坏，消防水源中断，致使地震次生火灾难以控制，其造成的损失是地震直接损失的3倍。1975年辽宁海城地震，海城县部分给水管网使用超过60年，管道腐蚀严重，地震导致平均破坏率达10.0处每千米。1995年日本阪神地震，神户市断水率达89.2%，周边的芦屋和伊丹市甚至完全断水；由于管道破坏处太多，而神户市水道局大楼倒塌又导致管道图纸资料散失，经过两个多月抢修，供水才恢复正常。2008年汶川地震，都江堰、绵竹等城市供水管网严重破坏，例如都江堰一个半月后恢复全面供水，但因管网漏损率高达45%，大部分供水未及用户就已泄漏。与城市建筑相比，地下管网的更新维护难度更大。因而，没有韧性的地下生命线管网，也难以建成地震韧性城市。

产业链的问题

兵库县西宫市上水道复旧工程（阪神地震）

产业链是在一定地域范围内，某一行业中相关企业以产品为纽带联结成的链网式企业战略联盟。城市区域新老建筑混合，一个产业链中也会包含不同建设年代、不同抗震能力的建筑物。老旧建筑和设施的抗震问题比新建建筑更为严重，它们事实上成为了产业链的薄弱环节——即使新建建筑严格按照抗震规范设计且具有良好的抗震韧性，一旦老旧建筑和设施在地震下遭到损坏丧失功能，同样会给产业链带来严重冲击，即“木桶效应”。例如，2011年东日本地震后，灾区汽车零部件工厂遭到破坏，零部件供应受阻，导致日本丰田、本田等成品车厂家停工或减产——即使这些成品车生产工厂并未受到地震影响，甚至连位于美国的成品车厂也不得不停产。事实上，研究表明2011东日本地震造成的经济损失中，90%是由产业链中断导致的间接经济损失。根据“木桶效应”理论，产业链中任何一个抗震薄弱环节的功能丧失，都可能对整体产业链带来严重损失。这一问题对于地震韧性城市的建设显得尤为突出，因为地震韧性城市的建设目标非常关注地震后城市的恢复能力，而产业链是一个动态的系统，有些产业链破坏后就永远无法得到恢复。例如在1995年阪神地震前，神户港是日本的最重要工业港口之一，阪神地震造成神户港严重破坏，2年不能使用。而当神户港完成灾后重建后，却发现世界物流渠道已经完成了调整，神户港的地位已经被周边港口取代，且直至今日也未能恢复到阪神地震前的地位。

需要研究和解决的问题

从上述分析可以看出，虽然建设地震韧性城市已经成为国内外防震减灾工作的共识，但是真正实现地震韧性城市的目标仍然任重道远。本文作者认为，建设地震韧性城市亟须在以下方面深入开展工作：

科学技术研究

建设地震韧性城市的理念是对传统地震工程的一次重大发展，现阶段的科学研究积累还远不足以满足地震韧性城市的需求，需要在以下领域深入开展研究：

（1） 充分开展学科交叉，深入研究影响城市地震韧性的关键影响要素，对城市地震韧性提出可量化的评价模型和方法；城市的韧性不仅和工程结构的抗震性能有关，还与城市的社会、经济运行息息相关，需要综合利用社会学、经济学和工程学的最新前沿成果。现阶段对我国城市抗震韧性尚无可靠量化的评价方法，城市地震韧性的现状和软肋认识不清，地震韧性城市难以落地。

（2） 发展数据获取与分析技术，建设和完善城市基础数据，明确城市建筑、基础设施和社会经济活动的现状和基本运行发展规律。完善信息公开和共享机制，使城市基础数据实现及时更新和完善；城市基础数据是分析和评价地震韧性的基础。现阶段我国大部分城市基础数据资料不全，数据条块分割，更新迟缓，完全无法满足韧性城市研究的需求。我国城市发展速度很快，没有健全的信息公开和共享机制，城市基础数据很难成为跟上城市发展进程的“活”数据。

（3） 突破传统局限于结构工程的建筑和基础设施抗震设计理念，建立综合考虑功能需求和动态成本管理的基于韧性的抗震设计方法，研发能够保障震后功能、减少地震损失的新型建筑工程体系（包括结构体系和非结构体系）。

现阶段工程建设标准大多关注结构性能，而对使用功能需求，建成后的改造、加固、修复考虑不足；重建设轻维护；抗震性能化设计理念在实际工程中也未能得到很好的贯彻；新型建筑工程体系的研究也是主要关注如何减轻结构体系的震损，这些都不能充分满足地震韧性城市对建筑工程的需要。

政策和经济保障

建设地震韧性城市不仅要依靠一系列技术手段，同时也需要相应的政策和经济保障。主要包括：

（1） 综合采用各种政策和经济手段，加大防震减灾投入，改变现阶段政府单一减灾投入主体现状。

建设地震韧性城市，首先需要投入保障。我国现阶段防震减灾投入的主体是政府。考虑到我国庞大的既有建筑和基础设施存量，建设地震韧性城市仅靠国家投入是远远不够的。必须通过合理的政策措施，特别是巨灾保险等手段，将防震减灾工作转化为一个全民投入的，经济上有利可图的事业，才能真正落实地震韧性城市的建设目标。

（2） 改变工程建设理念，强化工程抗震性能评价。

我国是从贫穷落后不发达的阶段逐步发展过来的。我国的工程建设标准，长期受到过去经济基础薄弱、工程人员水平低下的制约，难以满足现阶段地震韧性城市需求。突出表现在我国现行的工程建设标准在抗震方面只有“合格”和“不合格”两个指标。导致业主和设计人员对提升工程结构的抗震性能缺乏积极性，大量工程结构按照“最小用钢量”、“规范下限要求”进行设计。甚至在北京、上海等发达地区，在土建结构成本已经不足房价的5%的情况下，业主还要求工程师还要一公斤一公斤的减用钢量。导致很多新房子从诞生之日起，就已经“先天不足”。迫切需要提出有效手段，将“抗震性能好”的建筑能够通过适当的方式体现出来，调动业主和工程师提升工程抗震性能的积极性。

（3） 完善防震减灾教育，改变政府、民众对防震减灾工作的关注点。

现阶段我国防震减灾教育，过于重视“救灾”和“应急”，而忽视了最关键的“防灾”和“抗震”工作。本文作者参观过很多国内的地震科普展馆，参加过很多地震科普活动。非常遗憾的是，对于减轻地震灾害最有效的手段：提升工程结构的抗震能力，基本上在这些展览和活动中都明显重视不足。

结论

建设地震韧性城市是一个非常伟大，但是也非常具有挑战性的目标。虽然目前地震韧性城市建设得到了国内外研究者的高度关注，但现有的工程技术手段和政策经济措施尚不能满足地震韧性城市建设的需要。如何对城市的地震韧性给出科学客观量化的评价，如何充分调动业主和工程人员对地震韧性的关注和投入，如何利用经济政策手段为地震韧性城市建设筹措足够的资金，是地震韧性城市建设成败的关键。