既有钢混结构建筑群抗震韧性评估及其提升效益分析

程桢钰 那仁满都拉 布仁吉日嘎拉 郭恩亮 孙志芬 王世亮

摘 要：为了掌握内蒙古地区城市建筑群抗震韧性水平和抗震韧性提升效益，本文以呼和浩特市区的钢筋混凝土建筑群为例，从建筑物受损面积、经济损失、修复时间与费用和人员伤亡等方面进行抗震韧性评估，并分析易损性建筑加固所需要的加固费用及其加固前后的抗震韧性提升效益。结果表明：在研究区地震引起建筑群受损面积为1621万m2、直接经济损失为185.05亿元、修复时间为0.59年、修复费用为112.83亿元，伤亡人数在0.5至2.6万人之间;研究区中等以上受损建筑群所需要加固费用为36.2亿元，其中中等破坏建筑加固所需费用约占总费用的74%。如果预测的受损建筑在地震前得到加固，毁坏和严重损坏建筑全部减少，中等和轻微破坏面积减少86%和47%，同样修复费用与修复时间也大量降低，死亡和伤亡人数降低75%和82%，总经济效益能达到100亿元左右。由此能判断在地震易发区推进房屋抗震加固工程是当地市民生活安全和社会经济可持续发展的重要保障任务之一。

关键词：抗震韧性;韧性提升效益;混凝土结构;呼和浩特市

中图分类号：TU318;TU375  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）02-0022-06

1 引言

我国是世界上地震活动强烈且地震灾情最严重的国家之一[1]。2011年2月22日新西兰Christchurch地震的惨痛教训提醒我们“城市抗震韧性”的重要性[2]。该问题引起了我国城乡规划、建筑和地震等相关部门广泛重视，但现有的地震工程技术手段和政策经济措施尚不能满足抗震韧性城市建设的需求[3-5]，2017年在《国家地震科技创新工程》中专设了“韧性城乡”内容[6]，并在“十四五”规划中提出建设“韧性城市”[7]。

在城市抗震韧性提升当中，如何评估既有建筑物抗震韧性性能及采取有效措施是迫在眉睫的问题[8，9]。薛荣刚[10]等对小学教学楼进行了抗震及其修复时间与费用方面评估，郑山锁[11]等建立砌体结构建筑加固费用估算模型，王元栋、吕西林等先后研究了加固前后结构韧性变化[12，13]。目前，针对既有建筑抗震韧性评价与提升对策研究多集中于教育建筑[14，15]、医疗建筑[16-18]、博物馆[19]等单个重要建筑为主，特别是一般建筑群为对象的抗震韧性提升研究成果较少。但随着我国全面展开地震易发区房屋抗震加固工程[20]和抗震韧性提升的社会与经济效益评价的需求[11]，建筑群为研究对象的研究逐渐增多，林旭川等对建筑群抗震韧性分析提供量化指标[21]，方东平等以典型社区为研究对象进行了抗震韧性评估，并提出了提升方案[22]。

随着内蒙古地区城市化快速发展，建筑群越来越多。但现有建筑抗震能力普遍偏低[23]，满足新的抗震设防标准建筑较少[24]。同时，现阶段对于建筑群抗震韧性评价及其对策效益研究成果较少，影响当地地震易发区房屋抗震加固工程的进度和积极性。位于华北地震区的大青山山前断裂乌素图—奎素段在地质历史时期经历了多次7级以上地震，而乌素图—奎素段在内蒙古地区地震发生概率偏高地段，距上次事件发生到目前已超过复发周期[25]。可见大青山山前断裂乌素图—奎素断裂地震对呼和浩特市区可持续发展的影响较大。因此，为掌握内蒙古地区城市建筑群抗震韧性水平，提升抗震韧性，本文以地震易发区房屋抗震加固城市呼和浩特市区的钢筋混凝土结构建筑物（以下简称钢混建筑）为例进行抗震韧性评价与抗震加固效益分析。首先，在研究区地震危险性分析结果基础上，利用研究区建筑与人口数据和易损性矩阵[26]，推测建筑物受损程度与面积和伤亡人数。并结合当地工程价格和施工团队规模，计算出受损建筑物的修复时间及其相关费用。最后，参考加固案例参数，计算研究区易损性建筑所需要加固费用，并分析对象建筑物加固前后产生的经济与社会预期效益，以期为我区地震易发区房屋抗震加固工程的实施和自然灾害防治能力提高工作提供科学依据与参考价值。

2 研究区概况、数据来源

2.1 研究区概况

呼和浩特市位于东经110°46′至112°10′，北纬39°35′至40°51′，市区共有赛罕、新城、回民和玉泉等四个市辖区，建成区面积260Km2，总常住人口约221万人，生产总值达3000亿元左右[27]，也是呼包鄂城市群的中心城市。该地区位于华北地震区河套断裂带东段呼—包断陷盆地东北部，有大青山山前断裂乌素图—奎素段穿过。图1显示呼和浩特市政府所在地和大青山山前断裂乌素图—奎素段地理位置。

2.2 数据来源

本文数据来源：（1）建筑数据采用中华人民共和国住房和城乡建设部公布的《2020年城市建设统计年鉴》及当地政府统计数据;（2）建筑造价数据来源于公布2020年下半年省会城市住宅建安工程造价[28];（3）通过网络问卷方式获取的呼和浩特市区居民室内财产（包括室内装潢、家电、家具、其他生活物品、汽车）调查数据。

2.3 地震危险性评价

本文推测对研究区影响度最大的大青山山前断裂乌素图—奎素断裂引起地震的地震烈度，该断裂的长度约46Km[29]。

在工程安全性評估等防震减灾工作中，常常需要对活动断裂未来可能发生的地震震级进行评估，本文采用阿那尔等[25]对大青山山前断裂乌素图—奎素断裂对研究区地震危险性的评估结果：未来呼和浩特市区可能发生地震规模为7.2级，利用与研究区距离最近的华北地区地震烈度衰减公式计算，得出研究区政府所在地地震烈度为8度。此结果与其它研究成果结论一致[30]。

3 建筑物震害预测

3.1 建筑物损坏面积

本文假定大青山山前断裂乌素图-奎素段地震对研究区地震烈度为8度时，采用西部地区石河子市易损性矩阵[26]（表1），计算钢混建筑物受损面积。依据《灾害直接损失评价》把建筑物受损等级划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏等5个等级（GB/T 18208.4-2011）[31]。由图2可知研究区钢混建筑物受损总面积达到1620.99万m2，其中毁坏、严重、中等、轻微破坏面积分别为31.78、127.14、444.98、1017.09万m2。对象建筑受到地震烈度8度强震时以轻微和中等受损为主，出现少量严重和毁坏受损建筑。

3.2 地震直接经济损失

地震灾害的一般特征是损毁大量抗震设防未达标易损性建筑物，导致造成重大经济损失。本文所述的直接经济损失包括建筑本身经济损失和室内生活物资的经济损失。预估建筑物经济损失时采用尹之潜、郑山锁等[32，33]提出的建筑物自身破坏损失计算公式，公式如下：

Lz=Ai×B×η（i）  （1）

其中：Lz—建筑物自身破坏经济损失，Ai—建筑物在破坏等级为i时的总面积（万m2），B—建筑物单位面积价格，η（i）—建筑物在破坏等级为i时的破坏损失比例。

随着经济发展和人民生活水平提高，室内财产逐年上升。室内财产损失计算公式如下：

L=T×λ（i）×w（i）  （2）

式中：L—室内财产破坏经济损失，T—建筑物受损总面积（万m2），λ（i）为建筑物在破坏等级为i时的破坏损失比例，w（i）为建筑物在破坏等级为i时的单位面积室内财产损失。

室内财产损失比与建筑物同等比例[34]来计算如表2所示，其中财产单位单价是通过当地实地调查获得，包括室内装潢、室内财产和日常生活物品等内容，平均1600元/m2[35]。對地震引起的直接经济损失计算得到如图3所示的结果，可知研究区钢混建筑直接经济损失达185.05亿元，其中建筑自身损失达112.83亿元，占总经济损失的61%;室内财产损失达72.21亿元，占总经济损失的39%。其中中等受损建筑损失最多，毁坏损失最少。表明，当发生地震时对钢混建筑产生破坏，从而引发的经济损失最大;室内财产的损失主要是因建筑物的破坏引起的。

3.3 人员伤亡

各种自然灾害中地震灾害的伤亡人数最多，而地震引起的伤亡人数在白天和夜晚地震发生时有所不同。本文采用张洁等[36]提出的地震人员伤亡预测模型估算研究区伤亡人数，其中白天定为7点到19点，该时间段人员分布比较疏散而均匀;夜间定为19点到次日7点，该时间段人员分布集中在住宅区，死亡和受伤人数各自采用公式3和公式4来估算：

死亡人数：

Md=niη（0.0372A1+0.0149A2+0.00234A3）  （3）

受伤人数：

Mh=niη（0.121A1+0.0344A2+0.01344A3）  （4）

式中：ni—时间调整系数（白天为1，夜间为1.4），η—人员密度，A1—建筑物毁坏面积（m2），A2—建筑物严重破坏面积（m2），A3—建筑物中等破坏与轻微破坏面积的和（m2）。该模型假设白天人员均匀分布在建筑物内，而夜间集中在住宅建筑物内，其不同时段人员密度为：

计算结果如图3所示，研究区白天发生地震时死亡人数为991人、受伤人数为4252人，伤亡人数合计5244人，夜晚地震发生时死亡人数为4830人，受伤人数为20716人，伤亡人数合计25547人。夜晚发生地震时伤亡人数远高于白天发生同级地震的伤亡人数。表明，地震发生时间的不同导致的人员伤亡程度存在差异，一般白天伤亡人数较夜晚伤亡人数少，夜晚伤亡严重。

3.4 建筑物修复时间与修复费用

建筑修复时间与费用是一般指建筑功能性修复所需时间与相关费用。由于不同工程队修复建筑所需时间不同，本文采用呼和浩特市区每年新施工建筑面积来换算受损建筑所需修复时间，公式5显示计算方法。建筑物修复费用是受损建筑面积、单位面积造价[28]和建筑物损失比[34]来计算，公式6显示具体计算方法。

其中，Q—建筑修复时间，k—建筑破损比，T—建筑物受损总面积，T1—呼和浩特市建筑年施工面积。

其中，R—建筑修复费用，T—建筑物受损总面积，k—建筑破损比，B—单位面积钢混建筑造价。

计算的建筑物修复时间与修复费用结果如图5所示，从图中看出研究区毁坏、严重、中等、轻微受损建筑修复时间为0.04年（约半个月）、0.12年（约1个月）、0.23年（约3个月），0.20年（不到2个半月），合计修复时间为0.59年。同样毁坏、严重、中等、轻微受损建筑修复费用为7.95亿元、22.25亿元、44.5亿元和38.14亿元，总修复费用为112.83亿元。表明，当呼和浩特市区发生地震时，中等受损的建筑修复费用最高，修复时间最长。针对总受损情况，工程团队需要花费大量的经费，并且长达6个月时间才能修复完受损钢混建筑。

4 建筑抗震韧性提升方法及其效益分析

上述结果表明研究区遇到烈度8地震时伤亡人数和经济损失惨重，有必要提升建筑物抗震韧性水平。本文参考具体建筑韧性提升案例和国家相关加固规范标准（GB55201-2021）[37]，分析研究区易损性建筑加固所需要的加固费用及其加固前后的建筑受损面积、伤亡人数、经济损失和修复时间等加固效益。

4.1 建筑物加固费用

在地震灾害中90%以上人员伤亡是由房屋倒塌造成的[38]，易损性建筑的抗震加固才能最大限度地减少财产损失与人员伤亡。一般轻微破坏没必要专门加固，所以本文中等以上受损建筑物抗震加固方式计算韧性提升所需要的费用。因为不同年代、不同加固方法的加固费用不同。本文参考华北地区的各类既有建筑抗震加固均价，单位面积加固单价定为600元/m2[24]，研究区易损性建筑所需加固费用如图6所示，研究区毁坏、严重破坏、中等破坏建筑所需要加固费用为1.9亿元、7.6亿元和26.7亿元，总合计36.2亿元，其中中等破坏建筑所需费用最多，约占总费用的74%。

4.2 抗震韧性提升效益

《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021中指出既有建筑需要加固时，依据鉴定结果和委托方的需求进行设计和施工。因此，委托方的经济条件和房屋后续工作年限的长短，很难确定抗震韧性提升最高值。本文实际加固案例中新设防烈度比原设防烈度1烈度或2烈度提高的案例[11]和《新时代防震减灾事业现代纲要》的低成本导向[9]，计算假设受损建筑物全部加固到提高设防烈度1度前后的加固效益。假设加固对象建筑物设防烈度1度后的受损程度与降低地震烈度1度的受损程度同等，所以以地震烈度为7度（烈度8降到7烈度）时对象建筑的建筑易损性作为建筑加固后建筑易损性，计算加固前后的易损性建筑物受损面积、经济损失和伤亡人数减少效益。结果如图7所示，该区建筑加固后抗震韧性有明显提升，从建筑损坏面积看，毁坏、严重、中等、轻微破坏面积减少100%、100%、86%、56%，基本完好建筑面积大量增加，同样经济损失减少100%、100%、83%、47%。且人员死亡率减少82%、受伤率减少75%的同时，修复费用与时间也大量减少。从以上结果能看出，易损性建筑的抗震加固是伤亡人数、修复时间大量减少以外，经济损失减少约138.96亿元，考虑加固需要36.2亿元也产生100亿左右的经济效益。由此能判断在地震易发区推进房屋抗震加固工程是当地市民生活安全和社会经济可持续发展的重要保障任务之一。

5 结论与展望

为掌握城市建筑群抗震韧性水平和抗震韧性提升效益分析，本文以地震易发区房屋抗震加固城市呼和浩特市区的钢筋混凝土结构建筑群为例，进行了抗震韧性评价及其抗震加固效益分析，得到以下结论。

（1）在研究区地震烈度8的地震时，受损钢混结构建筑物面积为1621万m2，造成经济损失约166.7亿元;地震白天发生时死亡人数约991人、受伤人数约4525人，合计5244人，夜间发生时死亡约4830人，受伤约27016人，合计25547人，夜间发生地震的伤亡人数远高于白天发生同级地震的伤亡人数;受损建筑的修复时间0.59年，修复费用为112.83亿元。

（2）研究区中等以上受损建筑所需要加固费用为36.2亿元，其中中等破坏建筑所需费用最多，约占总费用的74%左右。

（3）研究区受损建筑物全部加固时，毁坏和严重损坏建筑全部减少，中等和轻微破坏面积减少86%和47%，同样随着修复费用与修复时间也大量减少。并死亡和伤亡人数降低75%和82%，總经济效益达到100亿元左右。

本文在当地实际数据的基础上，推测了钢混结构建筑群抗震韧性和加固效益，以期对我区地震易发区房屋抗震加固工程的执行起到推动作用。但是今后仍需进一步完善砖混、木结构等其它建筑物的统计数据和评估方法，并考虑抗震能力特低或过早老旧建筑不适宜加固而重建更合理等实际问题的余地。

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收稿日期：2021-09-29

通讯作者：那仁满都拉（1974-），男，蒙古族，内蒙古通辽人，博士，副教授，研究方向：城市灾害监测与评估。

基金项目：国家自然科学基金项目（41967056）;内蒙古自治区科技计划项目（2020GG0047）;内蒙古自治区科技成果转化专项项目（2019GG015）

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