基于PTVA模型的木结构古建筑台风灾害脆弱性评估方法研究

2022-07-08傅政杰郭小东教授王志涛副教授

安全 2022年6期

傅政杰郭小东教授王志涛副教授

(1.北京工业大学城市建设学部,北京 100124；2.木结构古建筑安全评估与灾害风险控制国家文物局重点科研基地，北京 100124)

0 引言

自然灾害是当今人类面临的全球性重大问题之一。热带气旋灾害更是全球发生频率最高、影响最严重的一种灾害[1]，也是我国东南沿海遭受最严重且频率最高的自然灾害[2]。作为文化遗产大国，在我国不可移动文物分布数量排名靠前的省份中，浙江、广东、福建每年都面临着台风的威胁。例如，2006年，受“桑美”台风影响，福建省千年古寺资国寺有20多间建于唐宋时期的木质结构建筑倒塌；2016年，受“尼伯特”台风影响，全国最大、保存最完好的古民居单体建筑宏琳厝有100多间房屋倒塌。为最大限度地减少台风灾害的破坏，有必要对古建筑进行台风灾害风险评估，通过分析古建筑在不同强度台风作用下，结构发生不同破坏状态的可能性(即台风灾害脆弱性)，来制定相应的保护加固措施及备灾和应急响应策略。

为加强台风灾害下对古建筑的保护，许多学者在古建筑抗风领域进行不同角度、不同层次的分析。郑力鹏[3]基于实地调查和文献资料，从规划布局、民居建筑以及大型建筑3方面对古代建筑的防风经验和措施进行分析与总结；单文珊[4]对中国殿堂式古建筑的典型屋盖特征进行风洞试验，给出不同典型特征下屋面风压的分布形式；任兰红[5]围绕“街区—建筑—构造”3方面分析影响风荷载的因素，并给出历史文化街区减缓风灾的相应措施。

国内文献多从规划布局、结构体型特征及其对风荷载影响角度进行分析，对于文物建筑应对台风灾害的预防性保护措施，缺乏一种行之有效的台风灾害风险快速评估方法。海啸脆弱性评估(Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment，PTVA)模型被广泛应用于单灾种物理脆弱性评估，并已成功应用于马鲁布拉、科林斯湾等地区[6]。辜智慧等[7]基于修正PTVA方法给出台风灾害下建筑脆弱性评估方法，并应用于广东省东部地区。本文以PTVA模型为基础，通过构建木结构古建筑脆弱性指标体系，提出一种基于PTVA模型的木结构古建筑台风灾害脆弱性量化评估方法，从而为古建筑台风灾害风险管理提供技术支撑。

1 模型构建

1.1 PTVA模型介绍

PTVA模型是一款基于地理信息系统(Geographic Information System，GIS)的单体建筑台风脆弱性评估方法。通过对海啸现场进行调查分析，得到影响单体建筑在台风灾害下破坏程度的相关属性，将属性进行归类，确定属性的范围变化值，给出每个属性的脆弱性描述并进行赋分。基于PTVA模型中的属性，可以对台风灾害中的建筑物计算得到“相对脆弱性指数”(Relative Vulnerability Index，RVI)。

PTVA模型里的RVI为2个独立的加权和：建筑结构的脆弱性(Structure Vulnerability，SV)和建筑与水接触的脆弱性(Water Contact Vulnerability，WV)。研究表明，结构薄弱的建筑物(如层数较低、木结构、地基较浅、保存条件较差等)，即使仅浸泡在水中，也会造成严重的破坏。RVI的得分可以表示为：

(1)

式中：

SV—结构脆弱性的标准化得分；

WV—结构淹没脆弱性的标准化得分。鉴于结构破坏比建筑浸泡需要更高的维修费用，取SV权重为2/3，WV权重为1/3[6]。

进一步，SV的得分可表示为：

SV=(Bv)·(Ex)·(Prot)

(2)

式中：

Bv—影响防洪能力的建筑结构特征，如建筑层数、建筑形态等；

Prot—建筑提供保护的屏障，如建筑所在行列等；

Ex—为标准化分数，由建筑物预期水深给出，范围在1-5之间(1=最小水深，5=最大水深)。

当建筑物被淹没时，地板上所有被水损坏的部分(包括墙体)都需要维修或更换。因此，建筑物与水接触的脆弱性取决于被水淹没的层数(包括地下室)。WV的得分表示为：

(3)

式中：

Wf—被淹没的层数；

Wl—建筑的总层数。

1.2 区域建筑属性特征及环境特征整理

传统PTVA模型的指标体系已经涵盖大部分单体建筑的脆弱性指标以及环境因子，并综合考虑台风海啸中风与水对建筑的综合作用。然而，我国古建筑无论从环境特征，还是从结构特征，均与现代建筑有较大差异。从环境层面看，我国古代建筑有藏风聚气、高下适中的选址原则；从建筑特征看，古建筑通常是多进院落的布局，建筑层数低，建筑密度高；从结构特征看，木结构古建筑具有屋盖厚重、挑檐宽大、屋盖与梁架连接薄弱等特征。因此，本文对我国木结构古建筑的典型特征以及环境因子进行梳理，实现对木结构古建筑的RVI衡量。

1.2.1 环境特征指标选取

结合现有研究成果[8-13]，环境特征指标根据其影响程度选取综合地形、高程坡度、周边建筑密度、周边建筑高度、周边植被/高墙5个指标。

综合地形指古建筑所处的地形情况，我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中对风荷载定义以平坦、开阔的地形作为基本地形条件，现实中风灾较为严重的地区往往山地以及丘陵地形占据较大比例。山体由于“爬坡效应”导致风速增大；风流经过与风向一致的谷口、山口时，则由于“狭管效应”导致风速增大，从而产生不良风场。

高程是指建筑所处位置的海拔，坡度是表示地形的变化程度，可以通过数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据获取。高程与坡度主要是考虑台风灾害时暴雨所带来的影响。高程越低时，雨水就越容易聚集，造成洪水的概率也就越大；地面坡度越小，水流速度越低，越容易聚集大水[8]。高程坡度赋分，见表1(高程坡度为表3中P2，表1列中赋分与表3赋分设定一致)。

表1 高程坡度赋分Tab.1 The assigned score for the elevation and slope

周边建筑密度代表建筑所处建筑群的位置以及建筑周边的密度。随着建筑密度的增大，对风的流动阻碍效果越大，从而能够降低风速，减小风对建筑的作用强度[9]。

周边建筑高度对古建筑的影响有3个方面：当建筑高度一致时，有助于防风[10]；低层建筑周边存在较高建筑会产生较大的风荷载[11]；高层建筑对周边流场主要有气流下冲、增速、旋涡形成、形成尾流等几个产生极大负压的影响[12]，因此当周边存在较高建筑时对古建筑抗风不利。

植被/墙体的挡风原理与建筑之间的风致干扰效应相似。研究表明，当树木高度小于建筑高度时，树木与建筑之间的距离和树木高度比值为1～2时，对建筑的防风效果较好[13]。

1.2.2 结构特征指标选取

结构指标结合前人研究[14-19]、实地调研以及木结构古建筑抗风机理，选取长宽比、高宽比、坡度角、坡顶数、屋脊出山、含柱率、含墙率、门窗、屋面做法以及保存情况10个指标。

长宽比与高宽比对木结构的影响集中于2方面[14-15]：随着长宽比与高宽比的增大，建筑承受的风荷载也随之增大；长宽比与高宽比增大时，在相同风速下，木结构古建筑会产生更大的侧向变形，不利于结构抗风。

屋面坡度角的大小会影响屋面的风压分布，当坡度角较小时，往往由于角度变小导致气流分离增强，会增大屋檐区域的极值风压[16]。木结构古建筑中最常见的是双坡屋面以及四坡屋面，四坡屋面相对于双坡屋面有更好的均匀性，抗风性能更好[17]；屋脊和出山在减小屋面的极值风压方面有较好的作用，同时两者的共同作用对屋面极值风压的减小效果最为明显[18]。

柱子和墙体是古建筑柱架层抵抗风荷载的主要构件。风载作用于古建筑上时，主要依靠柱顶与阑额的榫卯链接以及增加墙体来提高抗侧能力。一般平面阔深比大于2的古建筑，通常采用四面横墙到顶的做法，如温州匠心寺天王殿、潮州开元寺天王殿等。因此含柱率以及含墙率越高，抵抗风荷载的能力越强。门窗不仅是沟通室内外的通道，也是台风下易破损的构件。门窗的破坏导致气流冲进建筑内，产生较大气压，屋顶受到室内升力以及室外吸力的联合作用易产生破坏。现有研究结果表明[19]：门窗率越大，古建筑抵抗风载的能力越弱。

在强风作用下，屋面覆面材料(如屋面瓦片、保温层等)会脱落和破坏，进而导致整个屋盖的破坏。古代屋面主要从重量以及整体性2方面来防风。屋面整体性越好以及重量越大，抗风性能越高。表2给出古建筑中常用的屋面分层做法，从A-D抗风能力逐渐提高。保存情况代表古建筑目前的残损情况，残损越大，古建筑的抗风性能越差。