国内外群体建筑物震害预测方法研究现状综述

郭明珠，吕欣欣，王亚昆

（北京工业大学城市与重大工程安全减灾共建重点实验室，北京 100124）

国内外群体建筑物震害预测方法研究现状综述

郭明珠，吕欣欣，王亚昆

（北京工业大学城市与重大工程安全减灾共建重点实验室，北京 100124）

群体建筑物震害预测是确定一个城市或地区某一类建筑在确定强度或某一确定时期内的地震作用下，发生某种破坏程度的概率，其目的是分析建筑物在遭受不同地震烈度影响时可能产生的破坏。系统梳理了现今为止国内外群体建筑物震害预测的学术研究现状，总结归纳了国内外传统的群体建筑物震害预测方法和近二十年来国内对于传统震害预测方法的改进研究进展，以期为城市群体建筑物震害预测研究提供新的视角和基础资料。

震害预测；群体建筑物；预测方法

0 引言

群体建筑物震害预测是确定一个城市或地区某一类建筑群在确定强度或某一确定时期内的地震作用下，发生某种破坏程度的概率。通常情况下，建筑物震害预测可分为两类：一类是在详查基础上的重点建筑物的单体预测，另一类则是基于普查的群体建筑的震害预测，即不做单体预测。目前，国内外对于群体建筑物震害预测的方法很多，传统的方法一般有经验统计法、半经验半理论方法和理论方法等。经过几十年的发展，许多专家学者也陆续提出了各种不同的群体建筑物震害预测的改进方法。

1 经验统计方法

经验分析法是根据地震震害调查资料得到的震害预测指标与破坏程度的关系来预测建筑物的震害。可分为经验总结法、统计分析法和模糊综合评判法等。

1.1 经验总结法

1981年，国家地震局地质研究所王立功提出了地质因素的易损性分析［2］，以唐山市为例，给出地基土、地下水、断层、地形等地质因素的地震易损性分析指标值，作出与地震易损性分析图比例尺相同的一系列图件，如地基土类型及分布图、地下水最高潜水位埋深图、地质构造图及地形地貌图等，求出每个易损性分析单元的总易损性指标值，依据该值大小对城市未来地震地面反应强弱程度进行分区。1985年，王立功又提出了基于社会因素的多因素易损性分析法［2］，先确定不同社会因素的易损性指数，再对各社会因素分配以不同比例，求出总易损性指数M，依据M值将城市划分为易损性较弱、中等、较强三区。这两种方法首次比较全面地考虑了地震震害影响因素，用法简单易掌握，但建筑物的震害程度与各因素的因果关系有待于进一步研究分析。

1.2 统计分析法

统计分析法是依据以往震害资料，由统计分析和经验判断对建筑物进行震害预测。该方法主要用于多层砖房和单层工业厂房的震害预测。

1932年，美国的Freeman对全球性建筑物的破坏进行了统计分析［3］，是目前震害经验判断法最 全 面 的 汇 总。1978 年 Algermissen 和Steinbrugge等根据实际经验和工程判断［4］，将旧金山地区建筑物进行分类，总结出各种结构地震动一破坏曲线，其成果具有广泛代表性，至今仍被采用。

1982年，杨玉成提出的以抗震强度为主的震害预测二次判别法［5］，以墙体的抗震强度与震害的统计关系作为主要判据，通过二次判别综合性的评定建筑结构各部件的作用和所在场地对房屋的抗震性能的影响。1984年，李荷在多层砖房的震害预测中使用了逐步判别法［6］，以结构的多个参数作为影响因素，利用结构参数的震害资料，用逐步判别分析法计算对应各震害程度的判别函数值。

1982年，吴育才在单层工业厂房震害预测中提出逐步回归法［7］，从单层厂房的受力状况分析人手，选择影响震害的重要因素，依据震害资料，采用逐步回归分析的方法求出震害指数N与各结构参数的回归方程，根据N与房屋震害程度之间的统计关系来判断建筑的震害。

1987年，尹之潜等针对单层钢筋混凝土排架柱厂房提出分项回归综合法［8］，把厂房的震害分为抗侧力构件的震害、围护结构的震害和屋面系统的震害。先统计回归分析得到三个部分的震害指数与抗力的关系，然后将各震害指数加权综合计算得出厂房的震害等级。1990年，尹之潜等又提出了砖结构房屋的楼层平均抗剪强度法［9］。采用楼层单位面积的平均抗剪强度作为砖结构的抗震能力指标，考虑结构质量和设计标准等方面的影响进行修正，根据震害经验，统计出平均抗剪强度的分布规律，并确定不同烈度下其与震害等级的关系式来判定震害等级。

2007年，高杰等提出了单元破坏度指数法［10］，通过历史震害资料分析，采用非线性回归分析的数理统计方法求出破坏度指数和各震害因子影响系数的关系，然后按照评价单元内建筑物的面积百分比和抽样率取算术平均，得到表征该评价单元破坏等级的单元破坏度指数。

1.3 模糊综合评判法

1985年，金国梁等在老旧民房地震破坏预测中采用了模糊综合评判法［11］。他们利用唐山地震时天津市的震害资料，分析确定了震害预测因子，确定其对应的隶属度，给出震害指数论域和震害因子论域的模糊关系矩阵，并引入加权值综合评判预测房屋可能的破坏比例。该方法简单实用，但在使用时在震害因子和加权值的选择上具有很大的人为不确定性。

1.4 专家评估法

1969年，Stembrugge等首次使用专家评估法。1982年，Kustu等提出了建筑物分类方案和由专家评估法得出的破坏概率矩阵。1983年，日本的大桥ひとみ、太田裕与镜味洋史采用该法对日本地震进行了震害预测。20世纪70年代美国海洋大气局和美国地质调查局有组织地开展研究，形成了NDAA⁃USGS方法；20世纪80年代，美国联邦紧急事务管理局与应用技术委员会组织专家对未来加利福尼亚州的地震损失进行了系统的研究，即ATC—13方法，用破坏概率矩阵来表征地震与破坏的关系，是国际上地震损失专家评估法最有影响的研究成果之一。1989年，沈建平、杨玉成等也成功地建立了我国的震害预测专家评估系统。

专家评估法依据专家的经验和地震资料估计某一地区的震害程度，可以结合不同情况作出较为贴合实际的预测，但该方法历时时间长且无法直接引用，不同地区间存在着一定的不确定性。

1.5 城镇地区群体震害预测的快速法

1990年，陈有库提出针对整个城镇地区群体震害预测的快速法［14］。该法将房屋建筑进行分类，根据震害统计资料求得各元素中每个因子在不同烈度下的震害指数，利用统计部门给出的各类房屋面积比例统计资料，求得该地区在不同烈度下的平均震害指数。

经验分析方法由最初的笼统分析发展至对建筑物多因素综合分析，使得其结果具有更高的准确性。其结果通常是建立在大量数据的基础上，对建筑物的震害预测规律性的综合分析，适用于群体建筑的震害预测和震后损失的紧急评估，尤其对一些老旧建筑较多的城市和乡镇地区，该法可得到较为可靠的预测结果。

2 理论计算方法

该方法以理论分析计算为依据，将结构理想化为数学模型，通过分析计算结构反应，建立结构失效概率和震害程度的关系，采用基于概率的可靠度方法预测群体建筑震害程度。

1993年，李大华提出基于抗震可靠性指标与震害程度统计关系的多层砖房群体震害预测方法［15］，利用单体震害预测结果得出群体震害预测结果。

由于该方法涉及到的计算及试验复杂，目前在做群体建筑物震害预测时采用较少。

3 半经验半理论方法

半经验半理论法一方面是通过对过去震害预测经验进行统计分析，另一方面通过理论研究，用严格的数学方法处理各变量之间的关系。在对群体建筑物震害预测时，一般采用基于可靠度理论的引入条件失效概率的概率方法来进行预测。它包括易损性法和贝叶斯逐步判别法。

1991年，尹之潜等提出了易损性破坏概率的概念［16］，依据建筑结构类型的不同分类分别得出结构的破坏程度与抗力指标之间的关系，得出破坏概率的计算公式，确定震害矩阵。该方法简单易行，其预测结果能够达到粗略估计群体建筑物震害的方法，其不足之处在于易损性矩阵因时间、地点等因素的变化要进行修正。

贝叶斯逐步判别法利用集值统计和落影理论解决了各类房屋不同破坏等级的数量预测问题。1982年，李荷在烟台市多层砖房震害预测时采用了该方法。1985年，刘锡荟等将落影贝叶斯原理应用于建筑物的震害预测，预测出某小区中各类建筑物可能遭受不同破坏等级的房屋的具体数量。1995年，李正农等提出了结构物震害预测的灰色贝叶斯方法［17］。2002年，刘章军等提出基于模糊贝叶斯的震害预测。

半经验半理论方法是震害预测中经常被采用的方法。它综合了统计规律和理论分析两种方法，弥补了彼此的不足之处，发挥了各自的优越性，所得预测结果更具有理论依据和科学依据。

4 其他方法

4.1 模糊类比法

模糊类比法是建筑物易损性分析方法之一，先将建筑结构类型进行分类，根据已有震害资料或建筑物震害预测结果，采用模糊数学的方法建立具有一定可靠性的震害预测数学模型，通过类比、修正后给出建筑物震害。

1982年，刘锡荟等首次尝试引入模糊数学进行震害预测［23］，将破坏等级、场地土类别和烈度模糊数量化，通过综合分析拟合出影响震害的每个因素对于各种不同破坏程度的模糊集的隶属函数，计算出建筑物对于不同破坏等级的模糊集的隶属度，判断建筑物是否会严重破坏或倒塌。1984年，刘锡荟等运用模糊逻辑和近似推断原理［24］，建立了震害预测的总体模型，运用对模糊信息的加工处理，给出了未经设防的砖、石、木结构房屋的震害度。1988年，黄崇福、徐祥文提出的模糊贴近进行震害预测［26］，给出了构造离散型多因素预测矩阵的模型，并运用信息分配原理和模糊推理方法，提出利用结构地震反应进行地震震害预测。该方法弥补了震害资料的不足，既考虑了结构地震反应的理论计算，又充分体现了现有震害资料具有模糊性的特点，粗细结合，较为合理。1998年，聂永安提出建筑物震害的类比预测方法［28］，用两幢建筑物之间的加权海明距离来度量这两幢建筑物的相似程度，并对不同因素赋予不同权重，利用一个地区的部分建筑物单体的震害预测结果对该区其它建筑物单体的进行震害预测。以上方法都需要对建筑物进行逐栋计算，在做群体建筑物震害预测工作时工作量太大。

2003年，冯志泽提出了大中城市建筑物震害预测中建筑物震害类比方法具体的计算公式和相关参数。

2009年，陈健云等提出了适于震后快速评估的群体易损性分析方法，该法在确定震害影响因素的权重时应用模糊数学中的熵权法，通过计算预测房屋与已知房屋的相似度来预测建筑物的震害程度。2011年，李静、陈健云对建筑物震害类比预测方法进行了优化［30］，通过模糊层次分析法对以往类比法的改进，对不同结构类型选取不同的影响因素，并分别赋予不同的权重。该方法突出了不同因素对不同结构抗震性能的差异，可以使预测的结果更加准确，原理也更加符合人们已有的震害经验。同年，李升才、王毅恒选取了建筑物的结构类型、高度、建设年代、现状质量和用途作为震害因子，通过计算加权海明距离得到建筑物破坏指数的类比预测方法。

孙柏涛等提出了基于已有震害矩阵模拟建立预测区某种结构类型的震害矩阵；王威、苏经宇等提出了基于范例推理的城市建筑物震害预测方法，并运用Access建立了建筑物震害范例库，用不同检索方法来预测城市未知建筑物的震害结果。

类比预测方法在某种程度上具有经验分析法的色彩，是对经验统计法的更深入的研究，比经验统计法更高效更系统。

4.2 动态分析法

1994年，尹之潜提出了地震灾害预测的动态分析模型［31］，考虑一个城市因建设的发展对地震损失的影响，提出了动态震害矩阵和动态损失矩阵的求解方法，预测未来不同年代的地震经济损失。它将研究动态震害矩阵最终归结到研究结构的抗力均值和方差随年代的变化关系上，给出了一定时间内某类房屋遭受地震袭击后发生破坏概率。

2004年，金晖提出了基于时变特性的动态震害预测方法，根据结构最大时变延伸率的概率统计特征，运用可靠度的失效概率计算方法，预测未来某一时间框架结构房屋不同破坏状态的概率，从而形成动态的震害矩阵。

动态分析法是易损性分析法在时间函数上的一种延伸，考虑了时间因素，综合了两种方法的优越性，适用范围广，更适合与其它方法结合使用，有待于进行更深入的研究。

4.3 基于灰色系统理论的震害预测

1995年，李正农等提出的结构物震害预测的灰色贝叶斯方法，该方法在求似然率时引用灰色理论，确定结构对震害的灰色聚类向量，得出对震害的似然率，然后求出后验概率，再据此作出结构震害预测。2002年，赵艳林等将灰色聚类方法应用于多层砖房的震害预测之中。

该方法充分考虑了某一类型建筑物在地震震害中所表现出的共性和特殊性，通过关联分析区分各因素对震害影响的重要程度，弥补了统计预测方法的不足之处，又有对类比法的改进，为震害预测方法提出了新思路。

4.4 基于地震动参数的群体建筑物震害预测方法

1997年，美国联邦应急管理局和国家建筑科学研究所合作开发出以地震动参数作为输入的地震风险评估软件HAZUS97，经过改进，1999年又提出了HAZUS99方法［38］。该软件中建筑物震害评估部分以地震动加速度反应谱作为地震动输入参数，依据结构的类型、设防水准、建筑高度和建筑材料等确定建筑物的一系列参数，得出其抗震能力曲线，并与地震动需求谱曲线迭加，得出建筑物的地震动的谱位移反应及加速度反应，从而得到结构对应于各个破坏等级的超越概率，确定建筑物地震易损性。2004年，陶正如、陶夏新提出了基于地震动参数的群体建筑物震害预测方法［39］，采用遗传算法与单纯形法相结合的混合算法反演典型结构的抗力曲线和易损性曲线的参数，并与需求谱结合进行结构的震害预测。2004年，钟德理、冯启民采用简化的结构静力弹塑性分析方法求解群体建筑的与地震动峰值加速度对应的易损性指数［40］，并通过建筑物平均易损性指数曲线来评价城市的总体抗震性能。2009年，刘如山、胡少卿等选择加速度峰值作为地震动参数，通过烈度和地震动参数的对应关系，以插值的方式可求得结构破坏比的倍塔概率密度分布及各个破坏等级的概率。

4.5 基于人工神经网络法的震害预测

2000年，袁雪霞等提出的多层砖房震害预测的人工神经网络方法［34］，成小平等提出的基于人工神经网络模型的房屋震害易损性估计方法。繆升、刘本玉等采用人工神经网络法对多层砖房进行了震害预测。2006年，王志涛提出一种以房屋普查数据为震害影响因子并利用人工神经网络模型为工具的进行房屋震害预测。

该方法是在计算机专业软件和多学科交叉技术领域高速发展下创新出的新的震害预测方法，其算法运用非线性的统计方法，引入网络模型和学习样本对建筑物进行震害预测。

5 震害预测现存问题分析

综合以上震害预测方法可以看出，目前我国现有的群体建筑物的震害预测方法很多，由于群体建筑物震害预测工作比较复杂，依据情况的不同，所采用的方法也不尽相同。各种预测方法之间存在着一定的无法估计的不确定性，群体建筑物震害预测的研究还有待更进一步改进与提高。综合现有的震害预测方法，可以看出其研究发方向多为对各因素综合分析方法的改进。另一方面，在做震害预测输入时，只是笼统的按烈度等级输入来计算整个城市在Ⅵ～Ⅺ度下的震害结果，还没有对城市依据其在地震作用下的不同而分区计算。

6 展望

在今后震害预测中是否可以考虑向依据城市烈度分布规律方向进行震害预测工作。例如将城市活动断层探测结果、城市震害预测的设定地震和我国的强震综合烈度分布规律应用到我国的城市震害预测中，建立修正的城市震害预测模型，以期达到更贴合实际的效果，使震害预测结果更加准确。

［1］ 王立功.地震易损性分析——烈度小区划的一种新方法［J］.地震，1981，18（5）：20-25.

［2］ 王立功.以徐州为例初探城市社会因素地震易损性分析［J］.地震学报，1985，20（1）：30-36.

［3］ Freeman J R.Earthquake Damage and Earthquake Inauranee［M］.New York；McGraw⁃Hill，1932.

［4］ Algermissen S T，Steinbrugge K V，lagorio H L. Estimation of Earthquake Losses to Buildings（Except single family Dwelling）［R］.Denver：U S Geological Survey，1978，78-441.

［5］ 杨玉成，杨柳，高云学，等.现有多层砖房震害预测的方法及其可靠度［J］.地震工程与工程振动，1982，2（3）：75-86.

［6］ 李荷，高小旺，苏经宇，等.城市和企业地震影响灾害预测及减灾对策［M］.北京：中国铁道出版社，1997.

［7］ 吴育才.单层钢筋混凝土柱厂房震害预测方法［J］.工程抗震，1985，10（2）：36-42.

［8］ 尹之潜，李树桢，杨淑文.单层工业厂房震害估计方法［J］.地震工程与工程振动，1987，7（4）：29-37.

［9］ 尹之潜，李树桢，杨淑文，等.震害与地震损失的估计方法［J］.地震工程与工程振动，1990，10（1）：99-108.

［10］ 高杰，冯启民，张海东.城市群体建筑物震害模拟方法研究［J］.震灾防御技术，2007，2（2）：193-200.

［11］ 金国梁，齐洪波，郭纲平.老旧民房地震破坏预测的方法［J］.工程抗震，1985，10（2）：17-22.

［12］ 徐敬海，刘伟庆，邓民宪.建筑物震害预测模糊震害指数法［J］.地震工程与工程振动，2002，22（6）：84-88.

［13］ 陈健云，毕可为，温瑞智.一种适于震后快速评估的群体易损性分析方法［J］.震灾防御术，2009，4（2）：174-181.

［14］ 陈有库，谢礼立，杨玉成.群体震害的快速预测法［J］.地震工程与工程振动，1992，12（4）：81-87.

［15］ 李大华.多层砖房抗震可靠性分析与震害预测［J］.建筑结构学报，1993，12（3）：47-52.

［16］ 尹之潜.结构易损性分类和未来地震灾害估计［J］.中国地震，1996，32（1）：49-55.

［17］ 李正农，吴红华.结构物地震灾害预测的灰色模糊综合评判方法［J］.武汉城市建设学院学报，1995，13（2）：39-43.

［18］ 刘章军，叶燎原，潘文.基于模糊贝叶斯的震害预测［J］.昆明理工大学学报（理工版），2002，12（6）：108-111.

［19］ 杨玉成，杨雅玲，王治山，等.震害预测专家系统［A］.中国地震学会.中国地震学会第四次学术大会论文摘要集［C］.中国地震学会，1992：1.

［20］ 杨玉成，王治山，杨雅玲，等.城市现有房屋震害预测智能辅助决策系统［J］.地震工程与工程振动，1992，12（1）：77-89.

［21］ 阮文斌，刘高焕，余洁.地震决策支持系统模型库设计探讨［J］.武汉大学学报，2004，29（S1）：106-108.

［22］ 郭小东，苏经宇，马东辉，等.城市建筑物快速震害预测系统［J］.自然灾害学报，2006，15（3）：128-134.

［23］ 刘锡荟，刘立泉.模糊数学在结构工程中的应用［J］.建筑结构学报，1982，3（5）：32-44.

［24］ 刘锡荟，王孟玫，汪培庄.震害预测的模糊数学模型［J］.建筑结构学报，1984，5（l）：26-42.

［25］ 刘锡荟，陈一平，张卫东，等.建筑物震害预测的落影贝叶斯原理的应用［J］.地震工程与工程振动，1985，5（1）：1-12.

［26］ 黄崇福，徐祥文.震害预测的模糊贴近类比方法［J］.地震工程与工程振动，1988，8（3）：57-68.

［27］ 徐祥文，黄崇福.结构动力反应与震害关系的模糊识别［J］.地震工程与工程振动，1989，9（2）：57-66.

［28］ 聂永安，吴国有，冯裕中，等.建筑物震害的类比预测方法研究［J］.自然灾害学报，1998，21（5）：115-118.

［29］ 冯志泽，何钧，任锡泰，等.大中城市建筑物震害类比预测研究［J］.华北地震科学，2003，15（3）：32-36.

［30］ 李静，陈健云.城市群体建筑物震害类比预测方法研究及应用［J］.工程管理学报，2011，13（2）：152-156.

［31］ 尹之潜.地震灾害损失预测的动态分析模型［J］.自然灾害学报，1994，18（2）：72-80.

［32］ 金晖.基于时变特性的动态震害预测方法研究［D］.北京：北京工业大学，2004.

［33］ 赵艳林，杨绿峰.多层砖房震害的灰色预测［J］.世界地震工程，2002，16（1）：56-61.

［34］ 袁雪霞，赵艳林.多层砖房震害预测的人工神经网络方法［J］.广西大学学报（自然科学版），2000，16（3）：234-237.

［35］ 成小平，胡聿贤，帅向华.基于神经网络模型的房屋震害易损性估计方法［J］.自然灾害学报，2000，19（2）：68-73.

［36］ 缪升，刘本玉，叶燎原.多层砖房震害预测的人工神经网络方法及实践［J］.世界地震工程，2000，16（1）：20-27.

［37］ 王志涛，苏经宇，马东辉，等.基于房屋普查数据与人工神经网络的震害预测方法［J］.工业建筑，2007，16（S1）：452-455.

［38］ Federal emergency management agency and national institute of building sciences⁃earthquake lori estimation methodology HAZUS99-technical manual［R］.1999.

［39］ 陶正如，陶夏新.基于地震动参数的建筑物震害预测［J］.地震工程与工程振动，2004，24（2）：88-94.

［40］ 钟德理，冯启民.基于地震动参数的建筑物震害研究［J］.地震工程与工程振动，2004，24（5）：46-51.

［41］ 李杰.震害预测仿真系统研究（一）—仿真预测的基本思想［J］.郑州工学院学报，1991，14（1）：59-64.

［42］ 孙柏涛，胡少卿.基于已有震害矩阵模拟的群体震害预测方法研究［J］.地震工程与工程振动，2005，25（6）：102-108.

Research Status Review of Earthquake Damage Prediction Methods of Building Group at Home and Abroad

Guo Mingzhu，Lv Xinxin，Wang Yakun
（Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Earthquake damage prediction of building group is to determine the probability of some degree of damage on a certain type of buildings in a city or a region under the attack of earthquake of certain intensity or in some certain period.The purpose of prediction is to analyze the damage that buildings may suffer from earthquakes of various intensity.This paper systematically reviews the research status of earthquake damage prediction of building group at home and abroad，and then summarizes the traditional damage prediction methods of building group and generalizes the domestic research improvements on traditional prediction methods in the last twenty years，aiming to provide new perspectives and basic documentations for later researches on earthquake damage prediction of urban building group.

earthquake damage prediction；building group；prediction methods

P315.9

1673-8047（2016）04-0008-06

2016-09-13

郭明珠（1963—），男，博士，教授，主要从事工程地震和强震观测方面的研究。