上海市建筑物震害损失快速评估系统

胡 峻 赵 鹏

（上海市地震局，上海 200062）

地震是自然灾害中给人类社会造成严重损失的地质灾害之一。突如其来的破坏性地震往往引发山崩地裂、房屋倒塌，更甚者摧毁整座城市。破坏性地震发生后，政府部门最需了解的是哪个区域的震动最强烈，破坏最严重，以便有效地组织救援及评估震害损失。

上海市作为全国最大的经济中心、航运中心，人口稠密，高楼林立，各类建筑密集。一旦发生破坏性地震，建筑物的破坏损失将是无法估量的，同时伴随着建筑物的破坏往往还会出现人员伤亡、室内财产等的损失。因此，对于上海这座特大城市来说，一旦发生破坏性地震，首要的任务就是快速有效地给出建筑物的震害损失评估结果。

地理信息系统 （GIS） 技术具备将空间特征和属性特征相结合的特性，这为防震减灾工作提供了新思路。随着近些年来GIS技术的迅速发展，使得基于该技术构建城市地震灾害模型，用于城市防灾、救灾、减灾整体规划成为可能。

本文从震害机理出发，基于现有强震动观测台网，结合GIS技术，建立了一套适合上海特大城市特点的建筑物震害快速评估系统。

1 建筑物震害快速评估方法

根据震害机理分析，承灾体 （包括建构筑物、生命线系统或其他基础设施等受地震影响的主要物体对象） 所遭受的震害严重程度可以表达为下列三个要素的卷积形式：

承灾体震害程度＝地震作用×承灾体易损性×承灾体属性

其中，地震作用：可用地震影响场的分布来表征，目前常规方式有两种：（1） 震后实际调查或由经验衰减关系确定的地震烈度影响场；（2） 由强震动观测台网或烈度速报系统提供的仪器烈度影响场。

承灾体易损性：是指承灾体在遭受某种强度的地震冲击后，其产生某种程度破坏结果的可能性。基于快速评估这一要求，通常使用震害矩阵来表述。

承灾体属性：主要是指承灾体的特征数据。针对建筑物来说，主要包括平面面积、楼层、建筑年代、结构类型、设防标准等信息。

在地震发生后，如果能够快速获取到地震烈度或地震动参数的强度和分布情况，同时在建筑物易损性矩阵和建筑物属性数据已知的情况下，那么就可以将三者进行结合分析、计算得到建筑物可能出现的震害破坏程度及其分布。因此，对于建筑物震害快速评估系统来说，地震影响场、建筑物易损性矩阵、建筑物属性数据是不可或缺的三大基本要素。

2 GIS环境下上海市建筑物震害快速评估方法

2.1 地震影响场分布确定

地震影响场分布的确定主要来自地震烈度的划分。本系统地震烈度的获取，主要依靠上海市强震动观测台网记录的实时地表加速度值。上海市强震动观测台网主要包括64个地表台、4个结构台阵，其观测数据通过SDH光纤实时传输至上海市地震局强震数据中心。数据中心对每个台站记录的实时加速度记录进行分析处理从而快速地获取台站仪器烈度值，考虑到台站分布不均匀，中心城区密，周边区县疏的问题，数据中心对台站仪器烈度值进一步做插值处理，可快速得到上海市区域范围内的仪器烈度分布图。

2.2 建筑物易损性矩阵建立

上海市建筑地震易损性矩阵建立主要基于结构分类评估法建立。

（1） 考虑到上海地区的地震背景的特点，评估的烈度范围定为从Ⅴ度至Ⅸ度的五个等级。

（2） 关于建筑物的破坏程度的等级，则按照《建 （构）筑物地震破坏等级划分》（GB/T 24335—2009）中所定的划分标准，建筑物地震破坏的等级可划分为五个等级：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏。

（3） 关于建筑物的分类，按照《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》（GB/T 19428—2003）的内容，建筑物可分为重要建筑物和一般建筑物两大类。根据建筑物的结构类型，一般建筑物又可分为多层砌体房屋、多层钢筋混凝土房屋、高层建筑、单层民宅、其他类别等五类。考虑到上海目前的建筑结构分布特点，仍以多层砌体房屋和多层钢筋混凝土房屋为主，但近年来高层超高层建筑物大幅增加，同时尚有一定数量的老旧民房和单层厂房这一实际状况，在本文中以①多层砌体、②钢筋混凝土、③重要建筑物 （超高层大型建筑物）、④老旧民房和⑤单层工业厂房这五种类型对建筑物进行分类。

中国地震局工程力学研究所和上海市地震局曾合作对浦东新区不同建筑结构类型进行了抽样调查评估，最终给出了具有上海市特点的建筑震害易损性矩阵如表1所示。

表1 上海市建筑物震害易损性矩阵

2.3 建筑物属性数据建立

目前上海市共有建筑物超过220多万幢，建筑面积约22 亿m3，经过多年的数字化信息推进工作，上海市政府对上海市建筑物的空间分布建立起准确的拓扑关系，并将每一栋房屋的特征属性与空间属性关联了起来，构建了一套翔实的建筑物基础GIS地理信息数据库。如此巨量的建筑数据，在此基础上开展震害快速评估工作，对计算资源的开销是非常昂贵的。为此从实际应用考虑，对所有建筑结构数据进行了单元划分，这里没有按常规的公里网格化法进行划分，而是合理地按照自然小区、单位等划分单元，从而更准确地保证了单元内建筑类型的一致性，最终处理好的建筑单元总计约6.5万个，主要属性字段包括：地理属性、名称、结构类型、平面面积、建筑面积等。

3 模拟地震分析结果

上海强震观测台网建成至今未记录到破坏地震，而据历史记载，1624年上海松江府曾发生过5级左右地震，当时造成了大量破坏。考虑这一情况，选取震中经度121.5、震中纬度31.2，震级5.2级为地震参数，模拟了此次破坏性地震。

利用上海及邻近地区地质烈度衰减模型[1]，可快速绘制地震烈度分布如图1所示，整个上海市区域范围内波及4个烈度，中心区域烈度最高达到Ⅵ度水平。相对应生成的建筑物震害快速评估结果如图2所示，从图2中可以直观清晰地看到，全市建筑物破坏情况最高出现轻微破坏，集中分布在烈度V、Ⅵ度范围内。

图1 5.2级模拟地震烈度分布图

图2 5.2级模拟地震建筑物震害损失分布

4 结语

上海作为全国最大的经济中心、航运中心，人口密集，高楼林立，各类建筑密集。一旦上海发生破坏性地震，其震害损失将是难以估量的，评估工作的复杂性也将是无法想象的。本文仅从建筑物震害损失评估角度出发，构建了一种基于震害机理及GIS技术快速获取建筑物破坏情况的系统，能在震后第一时间快速判定上海市区域内震害损失情况，为防震救灾提供信息支撑。后续可在此基础上，进一步考虑大型油气罐、燃气管道、危险品等场所的震害快速评估工作。