景谷县传统村落民居群体建筑震害预测研究

杨成峰，王培茗*，杨 扬

(1.云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650504；2.云南大学 信息学院，云南 昆明 650504)

0 引言

传统村落原名古村落，其选址、建筑环境及建筑风貌保留较大的历史沿革，具有颇高的历史文化价值，是中国传统文化的结晶，也是中华民族生活、生产、生存的载体[1]。地震灾害频频侵袭中国境内，“5·12”汶川地震、“4·14”玉树地震、“8·03)鲁甸地震等都清楚地表明，地震灾害充满不确定性且拥有巨大的毁坏力。20世纪以来，中国境内发生7.0 级以上地震占全球总数的1/3，因地震死亡的人数约为全球总数的1/2。其中，传统村落受灾尤为严重，近70多年来，中国境内7级以上地震90% 发生在乡村地区。云南传统村落众多，山地面积占全省总面积的94%，是中国地震活动频繁、受灾严重的省份之一，全省89%的国土面积抗震设防烈度达7度及以上，其中约一半的传统村落遍布在云南 7条地震带上，所以传统村落抗震防灾建设显得尤其重要。云南传统村落通常地处山区，建设场地严重不足，房屋密集排布，大部分房屋未经规范的规划及设计，基础及结构御灾能力差。同时，传统村落干道有限且极为狭窄，不利于地震后人员的疏散及震后救援人员和物资的通行。诸多因素使得传统村落防灾抗震能力脆弱，易受地震灾害影响。所以科学、快速地预测云南传统村落民居的震害，可为乡村地区抗震减灾提供重要的指导信息，从而有效的减轻人们的生命财产损失。全球率先进行震害预测的国家是美国和日本，90年前，美国为创办地震保险业而进行震害预测基础性研究[2]。新泻市于1964年发生7.5级地震，致使日本专家开始思考进行震害预测工作的重要性[3]。美国联邦应急管理局(FEMA)以地震动参数为控制要素研发了地震风险评估软件—HAZUS97用来预测地震灾害[4]。随后，FEMA又在HAZUS97的基础上提出了HAZUS99方法进行地震灾害预测研究[5]。国外震害预测的发展及研究对国内有一定的指导和借鉴作用，而国内目前震害预测研究工作的重心集中在城市层面或者城市中的重点建筑，对传统村落及传统村落内的民居建筑关注明显不够。另外，国内建筑物震害预测工作由于具体情况的差异导致预测方法也大不一样。目前常用的震害预测方法大致分为经验法[6-8]、理论法[9-14]和理论经验对半法[15-20]3个大类。例如，杨玉成等人运用震害预测二次判别法(经验法)，以房屋的抗震性能和震害之间的统计关系作为主要评判依据，评判房屋的抗震能力；李大华以建筑可靠度与震害的统计关系(理论法)进行单体建筑震害预测，又利用单体建筑震害预测结果推导群体建筑震害预测结果，并提出砌体结构群体建筑震害预测的方法；胡少卿等通过分析特定烈度下建筑物的震害情况(理论经验对半法)，推导出在其它地震烈度下建筑物的震害矩阵。而使用经验法、理论法和理论经验对半法这3类方法的共同之处在于整个过程都伴随着巨大的工作量，需耗费较多的人力、物力和财力。相比以上3类方法，震害因子法采用诸个便于现场调研的震害因子，方法简洁高效，可科学高效地预测传统村落民居在不同地震烈度下的震害，对乡村地区的抗震减灾建设具有重要的推进作用。

1 构建震害预测模型

1.1 选取震害因子

传统村落民居震害预测指的是：在特定强度的地震作用下，传统村落民居发生一定的破坏程度的几率。对传统村落民居进行震害预测，首先应分析影响传统村落建筑震害的典型性因素，从而建立科学且具有代表性的指标体系。通过对诸多乡村地区历史震害数据的归纳总结并通过对传统村落民居的实际情况调研，将影响传统村落民居震害的因素定义为震害因子，用r表示(表1)。

表1 震害因子表

1.2 震害因子法

高杰等[21]提出用震害因子法进行房屋震害预测，民居的毁坏度指数用R表示，毁坏度指数R的计算公式如下所示：

(1)

式中：α表示峰值加速度A的折算系数，二者取值关系如表2所示；N表示预测震害的因子数，本研究共8个震害因子；M表示第i个震害因子相应取值分类的类别数；mij为幂指数，当震害因子i的状况符合j类时取1，否则取 0；rij表示第j类的第i个震害因子，取值详情如表3所示。

通过计算得到破坏度指数R，将R与范围表(表5)比对，评估建筑物的震害情况。

表2 峰值加速度、地震烈度和折算系数 α 的对应关系

表3 震害因子rij取值表

表4 震害的定义

表5 毁坏度指数R与震害状态对应表

2 案例实证

2.1 研究区概况

景谷县(全称景谷傣族彝族自治县)隶属云南省普洱市，位于滇西南部、普洱市中偏西部、无量山横断山脉西南段、澜沧江东，是典型的南亚热带地区。景谷在古时候被称之为“勐卧”，在傣语中，“勐”表示“地方”、“卧”的含义是“井”，“勐卧”也就是有盐井的地方。全县国土面积7 777 km2，占云南省国土总面积的1.92%，共有6镇4乡、2003个村(居)民小组。2019年末，全县总人口达31.67万人，其中农业人口26.99万人，县内居住着汉、傣、彝等26个民族，少数民族15.29万人。景谷县主要特点为“五优”、“三独”、“三特”，其中，“五优”指森林资源优、矿产资源优、热区资源优、旅游资源优、水资源优；“三独”指独有的宽叶木兰化石、独有的龙血树野生群落、独有的佛迹文化；“三特”指特色林产工业体系、特色高原农业种植、特色少数民族文化。景谷向来被美称为“林海明珠、芒果之乡、佛教圣地”。

2.2 数据获取

景谷县抗震设防烈度为7度，本次研究选取景谷县永平镇境内具有代表性的5个传统村落：大歇场村、大竹棚村、柳安迁村、木刀河村和营盘村作为研究对象。本研究的数据主要来自3个部分，其中一部分数据来源于景谷县年鉴，一部分数据由景谷县住建局提供，另一部分数据来源于实地调研。经调研，5个传统村落的民居可分为土坯房、砖木结构、砖混结构和框架结构4个类型(图1)，各个村落的民居情况如表6所示。

图1 传统村落民居结构类型

表6 传统村落民居统计

2.3 震害预测结果及分析

用震害因子法分别对大歇场村、大竹棚村、柳安迁村、木刀河村和营盘村的各类型民居在不同烈度下的震害进行计算，统计出这5个村落内民居在不同烈度下的毁坏情况，从而得出各结构类型民居震害表(表7)、各传统村落民居震害表(表8)和民居总体震害矩阵(表9)，最后根据表7、表8及表9分别绘制各结构类型民居毁坏度指数分布图(图2)、各村落民居毁坏度指数分布图(图3)及民居总体抗震能力指数分布图(图4)。

图3 各村落民居毁坏度指数分布

表7 各结构类型民居震害矩阵

表8 各传统村落民居震害矩阵

续表8

表9 民居总体震害矩阵

图4 传统村落民居总体抗震能力指数分布

(1)通过表7及图2可以看出，随着地震烈度等级的升高，传统村落4种结构类型民居毁坏比皆随之增加。在相同的地震烈度作用下，框架结构的民居抗震性能最强，砖混结构的民居第二，砖木结构次之，土坯房最差。

(2)通过表8及图3可知，大歇场村、大竹棚村、柳安迁村、木刀河村和营盘村这5个传统村落在遭受相同的地震烈度作用时，民居震害情况悬殊不大。

(3)通过表9及图4可知，这5个传统村落若遭受景谷县基本设防烈度地震作用时(景谷县为7度设防)，26.58%的民居会发生严重破坏，修复困难；7.24%的民居会发生倒塌、毁坏，无法修复；11.16%的民居为基本完好；28.06%的民居为轻度破坏，轻微修理后可继续使用；26.96%的民居为中度破坏，经一般维修或加固后，可继续使用。倘若地震烈度为Ⅷ度或以上时，民居基本完好比例大幅下降，中度及以上破坏的占比较大。

(4)预测结果表明，景谷县内大歇场村、大竹棚村、柳安迁村、木刀河村和营盘村这5个传统村落的民居已达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本设防目标。由于传统村落相比城市来说，居民防灾意识薄弱，民居缺乏规范的设计和指导，施工质量差，抗震设防措施未得到广泛应用，致使在Ⅷ度及以上地震作用时，传统村落民居将出现大面积中度及以上破坏。

3 讨论

震害因子法相对于传统预测方法更加简洁高效。采用8个便于现场调研的震害因子构建震害预测模型，可科学高效地预测传统村落民居在特定强度的地震作用下发生一定的破坏程度的几率，为乡村地区抗震防灾提供重要的指导依据，对乡村地区的抗震减灾建设具有重要的推进作用。