新疆城镇建筑特征与震害风险初步分析*

2021-04-21温和平唐丽华常想德

内陆地震 2021年1期

温和平，唐丽华，李帅，常想德

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011)

中国是遭受地震灾害最为严重的国家之一。20世纪发生的破坏性地震占全球三分之一，死亡人数高达60万，占全球50%[1]。唐山7.8级、汶川8.0级、玉树7.1级及芦山7.3级等地震在城镇区域造成重大人员伤亡和财产损失。新疆70%的城镇在历史上都曾遭受Ⅶ度以上烈度地震的袭击，1985年乌恰7.4级地震中，县城被毁而被迫迁址。

2003年巴楚—伽师6.8级地震后，新疆自治区人民政府于2004 年启动“新疆城乡抗震安居工程”，以达到全疆城乡住宅抗震设防水平基本可以抵御6级左右地震灾害的目标。2004～2019年底，新疆共发生60余次5级以上地震，包括2次7级地震和12次6级地震，这些地震在人口密集区的最高烈度达到了Ⅷ度，但是由于安居工程的实施，有效地减轻了广大农村地区人员伤亡和地震灾害损失[2]。

然而，由于区域间经济发展水平不均衡，新疆城镇区域各类建筑抗震设防水平差异问题非常突出，近年来的实际震害也说明了这一点。特别是2015年皮山6.5级、2016年呼图壁6.2级及2017年精河6.6级地震造成了城区不同程度的破坏，特别是城市老旧房屋破坏较为严重[3]，警醒我们新疆城市抗震设防问题依然突出。因此全面掌握新疆城镇建筑的基本情况，对做好地震灾害风险分析工作有着积极意义。

地震行业科研专项“天山带承灾体基础数据调查”项目，在全疆完成了253个公里格网单元的承灾体抽样调查工作，形成了覆盖新疆105个县域的各类区域结构类型的详实数据。从其中城镇区域的抽样点代表性来看，基本覆盖南北疆各种城市类型。抽样结果可以代表目前新疆城镇建筑的实际情况。因此结合近年来新疆区域内多次破坏性地震的现场震害调查资料，可以对新疆城镇建筑的抗震能力和地震灾害风险形成一个初步的判断。

1 新疆城镇的建筑结构类型及分类

新疆目前辖属14个地州市，共计105个县市区。包括13个市辖区，15个县级市(10个为地州所在地)、68个县及自治县[4]，以及9个新疆生产建设兵团城市。本次行业专项抽样中包含县市区所在地的42个城镇街道(表1)调查点，约占县市区总数的40%。

需要说明的是，实际抽样工作中对于城镇抽样单元的各类建筑物是逐栋进行实地调查。由于学校、医院的建筑有“重要构建构筑物抗震加固”、“校安工程”等专项支持，故未列入调查。同时新疆生产建设兵团是一个单独行政单元，其各类建筑物规划及建设、结构一致性等方面明显不同，需另文分析。

1.1 新疆城镇建筑基本结构类型

根据本次抽样调查工作了解到新疆城镇建筑的实际情况，将其建筑类型主要划分为常见的A、B、C、D、E、F 6种结构类型。

① A类-土木结构类型

指以生土为建筑物墙体，木材为梁柱建造的房屋结构类型。实际工作中将包括土坯房、木框架房屋(包括早期抗震房)、多层土木结构、砖柱土坯房屋均归入此类。目前地震现场工作中将其归入简易房屋类。此类房屋多数分布在城郊的城乡结合部，少量在城中村存在。

② B类-砖木结构类型

指建筑物中竖向承重结构的墙、柱等采用砖或砌块砌筑，楼板、屋架等采用木头的房屋结构。实际调查工作中见到的砖木结构房屋呈现平顶和双向(单向)坡顶等类型，多为单层。调查中发现此类房屋多数分布在城郊或者城中村区域。

③ C类-砖混结构类型

这里实际上是指规范[5]颁布前设计建造的砖砌体结构。在此次实际抽样工作中，将2000年及以前的砖混结构房屋均归入此类，通常认为是无圈梁和构造柱的砖砌体结构，建筑物呈现为单层或多层，楼板为预制或现浇制成。

④ D类-具抗震结构砌体结构类型

严格按照规范[5]设计建造的具有圈梁和构造柱的砖砌体结构建筑。楼层数多数为7层及以下，主要为城镇近年来新建居民小区和部分公用建筑。

⑤ E类-框架结构类型

又称构架式结构，是指由梁和柱以刚接相连接构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗水平荷载和竖向荷载。实际调查中包括混凝土框架和钢构架结构。在抽样调查的城镇中，主要是8层及以下各类商超、写字楼、政府机构以及部分公用建筑。

⑥ F类-高层建筑类型

中国《高层建筑混凝土结构技术规程》[6]规定，10层及10层以上或高度超过28 m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。由于此前的规范规定8层以上的建筑为高层建筑。为了和文献中层数分类衔接，沿用此前规范的分类。此类房屋多数为新建的办公楼、高密度居民小区等。

1.2 新疆城镇承载体特征分类

一般情况下，各类城镇均包括若干个公里格网单元，而每个城市历经不同的历史时期形成了不同建筑特点的区域。实际抽样点的选取工作中，为了能够更好地代表各类区域，选取的抽样单元一般涉及所在城市的核心区、一般区域、旧(老)城区、城市新区、城郊(城乡结合部)区域。

表1 新疆城镇街道公里格网抽样点情况一览表

根据每个格网单元的抽样结果，按照前述A、B、C、D、E、F等 6类结构类型分别计算每个单元内各类结构建筑的面积比例，即结构比(表1)，表中还标注了各单元在所在城镇的抽样区域。

公里格网抽样调查获得了单位面积内的建筑物总面积，与建筑行业的容积率的概念比较接近。容积率又称建筑面积毛密度，是指一个小区的土地上总建筑面积与用地面积的比率。这里借用并延伸，表示公里格网中的建筑物总面积与公里格网的土地面积(106m2)的比值。

公里格网单元容积率越高，意味着承灾体分布密度越大，因此其遭受地震灾害损失可能就越严重。所以这个延伸概念的广义容积率实际上控制了单位面积内承灾体的规模，一定程度上可框定城市建成区内建筑总面积，可以用于震害损失预评估、震后快速评估和现场灾害损失评估工作。

新疆地域广阔，但是适宜人居的绿洲面积约7万km2,居住人口约占人口总数的95%[7]，其他区域居住人口仅占5%。因地理环境等原因地区间经济发展极为不均衡，各城镇间的容积率差异很大。根据表1中的容积率，可以大致将新疆城镇分为4类。

乌鲁木齐可以单独作为一类。作为大型城市乌鲁木齐2016年底的建成区面积为438 km2[8]。城市“容积率”高，城区各类承灾体密集，遭受强震直接侵袭后经济损失巨大。

第二类为区域中心城镇，容积率为0.51～1.3。多数为地州市所在地、经济发达的县市，城市建成区面积在40～60 km2。城区承灾体分布较为密集，遭受强震直接侵袭后经济损失较大。

第三类为一般城镇，容积率0.2～0.5。包括一般城市及多数县城，城市建成区面积在20～30 km2左右，城区建筑物密度中等，遭受强震直接侵袭后将产生一定的经济损失。

第四类为小型城镇，容积率<0.2。主要是县域经济以农牧业为主的县城，城市建成区面积<20 km2。城区建筑物密度低，遭受强震直接侵袭后经济损失相对较小。

2 新疆城镇建筑历史震害特征及震害风险

2.1 新疆城镇房屋的历史震害特征

需要特别指出的是，上一节的分析仅基于建筑结构类型的的考虑，并未考虑建筑基础、场地，以及建筑施工质量的影响，实际上以上历史震害有不少是这些原因造成的。2004年以来，新疆境内发生60余次5级以上地震，但是在城镇区域造成Ⅵ度及以上破坏的震例不多(表2)，总结其房屋建筑震害的基本特征[3，9-11]如下：

土木结构：生土结构房屋墙体以粘土或土坯砌成。因其材料强度低、结构整体性差，故结构承载能力低、抗剪性能差。加之新疆地区的此类房屋为御寒或防雨而形成较重的屋盖，因此在较强地震动作用下易造成屋盖垮塌、墙体开裂而严重破坏乃至毁坏；木架房屋结构整体性优于生土结构，但实际施工中木柱与生土墙体、木柱与木梁无有效联结或联结较差，削弱了墙体的整体性，降低生土墙体的承载力及变形能力。在相同地震动作用下，其抗震性能总体优于生土结构，严重破坏、毁坏一般出现在Ⅷ度区域内。

砖木结构：纵横墙交接部位拉结措施不够，导致地震作用下墙体出现竖向裂缝，甚至外闪、倒塌；门窗洞口没有设过梁，或者过梁支承长度不足，地震时门窗角产生X型裂缝；女儿墙、雨蓬、护拦等附属结构构件与主体结构缺乏拉结措施，致使在地震时倒塌、坠落而造成人员伤亡；砌筑砂浆强度不足，砌筑质量参差导致墙体整体性差，抗剪力不足，易受剪切后破坏或倒塌。

砖混结构：一般情况下，老旧砖混结构房屋的纵横墙交接部位拉结措施不够，砌筑砂浆强度不足，基础处理不当原因等导致房屋震害严重，出现墙体严重剪切破坏，砖体断裂；有抗震措施的多层砖混结构房屋多见墙体斜裂缝，一般未见砖体断裂；预制的楼板因施工时与圈梁铰合差甚至无铰合导致滑落等。

框架结构：部分建筑结构构件一定程度破坏，多为轻微，填充墙出现不同程度剪切破坏，室内附属设施、装饰物有损毁。

表2 新疆部分城镇震害中各类建筑结构房屋的破坏比

从历史震害的情况来看，一般城镇在遭受Ⅷ度及以上地震动的破坏时，设防建筑才会出现较严重的破坏，同时会在城郊、或城中村的老旧房屋区域出现大面积建筑破坏。

2.2 新疆城镇建筑的震害风险点

结构易损性代表了建筑物抗震能力，是指在不同强度地震作用下工程结构发生各种破坏状态的条件概率。它可以从概率的意义上定量地表征各类结构的抗震性能，从宏观的角度描述地震动强度与结构破坏程度之间的关系。

表1中为每个抽样公里格网单元内各类结构建筑的结构比。根据新疆各类民居的易损性矩阵和抽样单元的结构比(表2)，温和平等人计算了特定地震动条件(0.2 g)下，每个公里格网单元内各类建筑物结构比与破坏比中完好率(包括轻微破坏、基本完好)乘积之和，即完整率，它代表特定地震动条件(0.2 g)下格网单元内建筑物的抗震能力[12]。

从表中完整率计算结果来看，对于单个城市，城市新建区域、核心区域建筑物结构类型以设防砖混、框架结构为主，格网单元的完整率一般在80%以上，区域总体抗震能力强；包含郊区的区域部分，则由于城乡结合部建筑物以老旧砖混、不设防的砖木为主，加有少量生土结构房屋，总体上抗震能力较差，格网单元的完整率则在70%以下；老(旧)城区同样因为老旧砖混建筑较多，或城中村存在不少砖木结构房屋，格网单元的完整率一般在70%～80%之间，抗震能力一般。

因此对于城市而言，无论是老城区的老旧建筑，还是城中村、城乡结合部的不设防建筑，都是地震灾害的风险隐患点，需要及时消除。

3 讨论与结论

3.1 容积率与完整率的关系

图1 新疆城镇公里格网抽样单元容积率和完整率的相关关系图

容积率表征的是单位面积内建筑物的密度，实际上是城市的开发强度的一种表现。在某个区域内，易损性矩阵是确定的，完整率则是与结构比密切相关。对于一个城市来说，二者的背后均隐含着区域经济因素，因此二者一定存在某种程度的正相关关系。我们尝试对二者进行相关分析(图1)。由于乌鲁木齐天山区的抽样点的容积率过高而影响数据的展示，在分析过程中去掉了该点。

从图中可见，右下方的少数点，虽然容积率很低，但是完整率却在80%以上，这实际是少数新建筑较多的小城镇；最左方的一些点则容积率、完整率很低，则是表示的是在城郊区域抽样的城镇。其他城镇点则可以看出二者间的线性关系明显。这实际上说明城镇建设在城市经济实力的支撑下，是可以实现抗震能力和开发强度的统一。孙柏涛等人已经开展了经济、土地利用、设防情况、人口密度和行政区划属性等因素与区域建筑物抗震能力的相关性研究，并建立中国大陆区域建筑物抗震能力综合分区分类方法，给出了中国大陆地震灾害风险损失分布图[13-15]。

历史震例表明，新疆安居工程的实施有效地减轻了广大农村地区人员伤亡和地震灾害损失，基本实现抵御6级地震的目标。因此对于新疆城市区域的震害防御工作，也应切实落实“以防为主”的理念，并采取有效措施减轻地震灾害风险。对经济条件较好的地区，在建好城市新区的同时，对城中村和城乡结合部区域加快改造，切实提高城市整体的抗震能力；对于经济能力一般或者较弱的地区，则要尽量避免开发新区，采取旧城区原地新建改造的方式，建设小而精的标准设防城镇。

3.2 关于城镇的抗震能力

根据《中国地震动参数区划图》[16]确定，新疆105个县市区所在地中有75个城镇Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度在0.1 g及以上，即城市是Ⅶ度及以上设防，因此大多数城镇的罕遇地震动峰值加速度为0.15 g(Ⅷ度)以上。

2013年8月30日乌鲁木齐5.1级地震，2015年7月3日皮山县6.5级地震，是近年来新疆地区较为典型的地震。两者的极震区覆盖主城区，属于城市直下型地震。此时两城市的正规建筑均按照第四代区划图设计施工。第四代区划中乌鲁木齐城区地震动峰值加速度为0.20 g，建筑物设防烈度为Ⅷ 度；皮山县城固玛镇为在四代区划中地震动参数为0.10 g，设防烈度为Ⅶ度。因此两次地震的建筑物震害在设防建筑上的差异明显。

相对于两地的设防标准，乌鲁木齐市在5.1级这个多遇地震作用下,除少量老旧房屋外，标准建筑表现良好，实现了“小震不坏”的目标；而皮山6.5级地震在县城皮山固玛镇的烈度为Ⅷ度，基本属于罕遇地震动，其建筑震害表现为老旧建筑破坏较重，而新建的标准建筑的表现则较好，仅少数中等以上破坏[3]。因此可以说，在地震动参数区划的指导下，两座城市的标准建筑总体上都实现了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的震害防御目标。

汶川8.0级地震灾害举世瞩目，国内众多学者和机构针对建筑震害进行了调查统计，并对建筑的结构设计进行了研究和探讨[15，17-20]，其中严守抗震设计规范、结构类型的选择、施工质量及监督是讨论的热点；在烈度达到Ⅺ度北川老县城现场调研时发现，1栋已基本完工未入住的砖混砌体结构的6层楼房(当时是Ⅶ度设防)虽然倾斜，但整体结构依然完整。以上这些都说明良好的设计和施工是可以最大限度地减轻人员的伤亡。

基于上述地震灾害的事实，为提高城市的整体抗震能力、实现减轻震害的目标，在新疆这种强震多发区域，对于城市新建的各类构建筑物，需要按照已经提高抗震设防标准的第5代区划图严格抗震设计和施工；对于城市既有建筑则需要认真开展抗震鉴定工作，根据鉴定结果采取拆除或抗震加固措施，以达到所有建筑物符合当前抗震设防标准的目标。