城市建筑群地震灾害风险评估技术探索及应用

侯林锋，徐 超，石树中，路建波

（1. 浙江省地震局，杭州 310013；2. 中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

国内外地震灾害经验表明，地震给人类社会造成的巨大灾害以发生在城市或城市附近时后果最为严重[1]。中国城市化进程的加快使人口与财富高度集中，城市向大型化、复杂化发展，在地震面前变得越发脆弱，而国内多数城市位于地震高危险区，灾害风险迅速攀升。以灾害防御和灾后救援为主要目标的传统防震减灾手段已不能适应新时期城市发展对地震安全的需求。风险评估是风险管理的重要内容，可以为有效应对灾害、减少灾害造成的损失提供基础依据。相关研究表明，实施以预防为基本理念的灾害风险管理可将自然灾害损失降低50%～80%[2]。因此，采取科学合理的方法开展城市建筑群的地震灾害风险评估，可以有效减轻地震灾害风险。

本文在分析国内外地震灾害风险评估研究现状的基础上，采用情景构建与GIS技术相结合的方法，从地震灾害风险形成机制的角度出发，围绕地震危险性、承灾体脆弱性和暴露量3个方面构建城市建筑群的地震灾害风险评估模型。以浙江省嘉兴市为例，通过开展地震工程多学科的交叉研究，综合考虑震源破裂过程、地震动传播路径、场地条件、建筑结构地震响应等因素，构建城市建筑群地震灾害风险评估体系，并设计了城市建筑群地震灾害可视化分析平台。城市建筑群地震灾害可视化分析平台集合了地震、地质、地球物理、岩土工程勘察、建筑属性信息等资料的基础数据库，可实时开展建筑群地震反应和破坏分析，并给出城市群体震害模拟结果和3D震害场景展示。

1 地震灾害风险评估研究现状

自20世纪70年代以来，灾害风险评估开始由定性评估转向半定量或定量评估，之后陆续出现诸多涉及风险评价理论、方法、技术等方面的研究成果，但由于对自然灾害风险形成机理的不同理解，导致对自然灾害风险度的表达不尽相同。

目前，世界各多震国家都在积极探索如何采取有效措施减轻地震造成的人员伤亡和经济损失，注重建设地震灾害风险动态评估与震后灾害快速获取能力，并依据地震灾害风险动态结果从建筑物工程建设、地震灾害风险分析、承灾体脆弱性评价、灾害动态预测与风险评估多个环节，综合众多学科的发展，从多种技术途径、多对象建立地震灾害风险动态评估体系[3]。美国的FEMA（Federal Emergency Management Agency）负责各类自然灾害和突发事件，其中基于GIS的自然灾害损失评估软件系统（Hazus MH）[4]，可对地震、飓风和洪水等自然灾害造成的危险源及其危险性进行风险评估，为美国政府应急处置过程中提供必要的数据和评估结果，用于提升防灾能力、应急准备等各项相关工作；日本东京和兵库的防灾中心则集成了各种软硬件新技术，平时注意收集更新各类承灾体数据，震后根据已有模型和实际地震动参数分布快速进行灾害评估和灾情汇总，形成相对比较成熟的地震防灾与应急处置一体化的服务体系[3]。

与美日等国相比，我国地震灾害风险监测与评估理论研究偏少，技术薄弱，缺少综合风险评估体系和系统平台。目前国内开展地震灾害风险评估较常用的方法主要包括：基于指标体系、基于GIS、基于情景模拟和基于风险概率的建模和评估[5-7]。基于指标体系的风险评估在各灾种中曾广泛应用，通过选取表征风险的指标因子，赋权重后收集相关数据进行模型计算，其优点在于方法简便易行，可按照风险管理的具体内容进行指标选取，不足之处在于指标因子的选取和权重分配主观性较大，虽然通过专家调查和层次分析等方法尽可能将定性问题定量化解决，但依然受人为主观因素影响较大。国内现今采用基于情景构建模式的地震灾害风险评估正逐渐成为主流，本文通过开展地震动影响场模拟仿真、房屋建筑抗震性能的空间分布研究、结合地基基础条件的典型结构易损性分析，可以给出符合当地实际情况的地震灾害风险分布。

2 城市建筑群地震灾害风险评估

地震灾害风险是地震危险性、承灾体脆弱性和暴露量综合作用的结果。本文地震危险性分析在工作区建立了震源破裂模型，开展浅层三维速度结构探测，给出反映场地特征的宽频带地震动时程和多概率水准的地表地震动参数。承灾体的脆弱性分析收集了工作区的建筑物详细属性信息，构建符合当地特征的不同建筑结构的易损性模型。最终考虑土结相互作用开展地震危险性水平下城市群体建筑结构地震时程反应分析及震害模拟，构建城市建筑群地震灾害可视化分析平台，给出城市群体震害模拟结果和3D震害场景展示（图1）。

2.1 地震危险性分析

1）速度结构模型的建立

图 1 城市建筑群地震灾害风险评估技术路线

杭嘉湖平原作为浙江省最大的堆积平原，主要由长江、钱塘江泥沙和海潮淤泥堆积而成，表层以细粉砂、粘土等河流湖泊相沉积为主，第四系沉积层厚度变化大且沉积旋回众多，是典型的厚软土层场地。本项目将3种无损地球物理探测浅层速度结构的方法（单点H/V谱比法、双台噪声互相关和浅层高分辨率地震勘探）有机地相结合起来，结合区内钻孔和浅勘资料联合构建研究区厚软沉积层三维结构模型，为建立厚软沉积层的地表地震动经验关系提供基础资料。

内容主要包含以下4个方面：①用双台噪声互相关法测定研究区域内数百米至几千米内的浅部区域尺度三维速度结构；②用单点H/V谱比法与微动台阵探测技术的组合探测手段获得目标区不同类型厚软沉积层局部小尺度浅层速度结构；③用浅层高分辨率地震勘探资料并结合钻孔资料标定和验证无损探测结果，并确保面上的测点密度和探测精度符合技术要求；④综合主、被动源探测结果，建立起目标区浅层三维速度结构，构建目标区典型厚软沉积层浅层三维速度结构模型。

2）地面运动影响场构建

鉴于嘉兴地区周围的地震构造环境，本次地面运动影响场设计了2种震源模型。一种基于近场中小地震的特点而设定，此种地震震级较小，一般不超过6.0级，离研究区较近，产生的地震动通常含高频成分多而长周期成分少，对自振频率较高的建筑结构可以产生较大的破坏作用；另一种是基于远场强震特点而设定，位于长江口岸附近，离示范区较远，震级为7.0级左右，此类地震可产生较丰富的长周期成分，经过工作区厚软土层的共振放大作用，可以加强长周期地震动分量，因而可能对长周期建筑结构产生较为严重的地震灾害。

采用有限差分方法，通过联立求解一阶应力-速度方程组和本构方程模拟低频地震动，随机振动合成方法模拟高频地震动，2种方法在模拟不同频段的地震动时各有优势且正好互补，将高频地震动和低频地震动进行叠加合成示范区内基岩宽频带地震动时程，最后通过土层反应分析计算得到研究区土层地表宽频带地震动时程。

2.2 城市建筑群脆弱性模型研究

结构脆弱性的一般表述为：在给定强度水平的地震动作用下，结构超越某个破坏状态的条件概率。脆弱性分析作为灾害风险分析的3个主要部分之一，其核心是要建立结构出现或超越各种破坏状态的概率与地震强度之间的关系。开展结构的地震脆弱性分析对于地震破坏和损失预测以及减轻地震灾害风险具有十分重要的意义。

我国长期实际地震和震害预测工作中，积累了大量的基于烈度的建筑结构震害经验关系，即用烈度-震害程度的比例或概率构成的脆弱性矩阵，即表示不同结构在不同烈度下各种破坏状态的概率[8]。为了准确预测建筑结构的抗震性能，更好地进行结构抗震设计，完成对现有建筑物的加固和维修，加快地震灾害风险评估工作的推进，基于烈度的脆弱性矩阵很难满足实际需要，完善现有的脆弱性矩阵，并将基于烈度的脆弱性矩阵转化为更为合理的基于地震动参数的脆弱性矩阵势在必行[9]。

基于精细化模型和非线性动力时程分析的城市区域建筑群地震灾害模拟方法是城市地震灾害风险评估的发展趋势。由于城市区域内建筑物数量极其众多，一般难以获取每栋建筑物的设计图纸，因此必须提出适当的计算模型和参数确定方法，可以保证计算精度的同时，能够根据易于调查的建筑物宏观参数（如结构类型、层数、面积、建造年代等信息），确定结构的非线性计算模型和模型参数。本项目城市建筑群结构分析模型采用陆新征等人提出的适用于一般多层结构的多自由度集中质量剪切层模型[10]，采用尹之潜等[11]建议的基于承载力关键点的方法确定轻度破坏和重度破坏层间位移角限值，然后再基于Hazus建议的数据确定结构的严重破坏和损坏层间位移角限值。

2.3 区域建筑群地震灾害模拟及风险评估

建筑的破坏甚至倒塌是造成人员伤亡和财产损失的主要因素。目标区域的地震危险性、房屋建筑抗震能力及承灾体的暴露程度共同决定了相应的地震风险水平。震害指数是衡量震害大小的量化指标，这一指标及其评定方法被中国地震烈度表采用，并在多次破坏性地震震害调查评价及震害预测中使用。相应的，在已知研究区地震危险性水平的前提下，则可以用震害指数来评价区域内建筑群防震减灾能力水平。目前，中国地震动参数区划图（GB18306—2015）提出了双调整的四级地震动作用[12]，结合新一代地震动参数区划图特点和基于地震动参数的建筑结构脆弱性模型，本文提出了以下地震灾害风险评估模型。

一个区域内某一类房屋的平均震害指数可以按下式计算：

式中：dij为i 类房屋破坏等级为j 的震害指数；nij为i 类房屋破坏等级为j 的房屋栋数或面积。

房屋的抗震能力表示结构在地震作用下保持完好、不发生破坏的能力。

式中：Di为衡量结构抗震能力的指数，分别为强、较强、中等、较差、差 5个等级。

一个目标区域可能包括多种类型房屋结构，评价区域内可对各类型房屋震害指数进行加权平均：

基于地震区划四级地震动作用综合反映区域内建筑的地震灾害风险指数E：

式中：DI,j为在I级地震动作用下，第j类建筑的平均抗震能力指数；E为在I级地震动作用下的地震灾害风险指数，I级地震动作用可为基本、多遇、罕遇和极罕遇4个级别；dk为破坏等级为k的震害指数；λI,j,k为在I级地震动作用下，第j类建筑发生k等级破坏的概率，可从易损性获得；βj为第j类建筑的面积比；γI为对应于第I级地震动的加权系数，可由年发生率来确定权重。

城市建筑群地震灾害风险评估等级划分可以参照《地震灾害应急评估》（GB/T 30352—2013）和《建（构）筑物地震破坏等级划分》（GB/T 24335—2009），并参考相关国内研究案例[7]给出表1划分标准。

表 1 地震灾害风险等级评估

3 案例研究

以嘉兴市南湖区建设街道作为研究区，构建了城市建筑群地震灾害可视化分析平台。综合考虑嘉兴地区地震活动性和地震构造的特征，地震动影响场仿真模拟采用了地震动参数区划图四级地震作用（50年超越概率63%、10%、2%、0.5%）与设定地震相结合的方法，设定地震模拟了本地近场6.0级地震和远场7.0级地震，可以根据需要选取不同的地震作用加速度时程曲线进行研究区建筑群的地震灾害反应分析和破坏分析，给出相应地震作用下的示范区建筑群三维震害场景展示（图2），并据此给出破坏状态的分布（图3）。

图 2 50年超越概率2%地震动作用下区域建筑物地震反应3d动态展示

图 3 50年超越概率2%地震动作用下区域建筑物破坏状态分布

研究区以砖混结构（设防砌体结构）为主，栋数占比为62%；不设防砌体结构次之，栋数占比为25%；钢混结构数量最少，占比为13%。由于钢混结构一般为多层和多高层，而未设防砌体结构一般为1～3层低矮房屋，分析不同类型房屋的面积分布，其中仍以砖混结构（设防砌体结构）居多，面积占比59%；钢混结构次之，面积占比34%；不设防砌体结构面积占比7%。从建筑群破坏状态分布可以看出，地震灾害风险较高的区域主要为老旧不设防砌体较多的区域。

基于城市群体建筑物震害模拟展示平台开展结构非线性动力分析及震害模拟，对模拟结果进行统计分析可得不同类型结构的易损性。结合上述地震灾害风险指数模型、房屋建筑易损性分析结果和研究区的房屋建筑统计数据，可计算研究区基于房屋建筑的地震灾害风险指数为0.13，表明研究区房屋建筑抗御地震灾害风险的能力较好，地震灾害风险相对较低。

4 结论与讨论

1）分析了国内外地震灾害风险评估研究现状，提出基于地震危险性、房屋建筑易损性及承灾体暴露程度的地震灾害风险评估方法，将城市建筑群地震灾害风险等级划分为低、较低、较高、高和非常高风险。

2）开发了城市群体建筑物基于多自由度层剪切模型的精细化结构建模和地震反应分析程序，构建了城市建筑群地震灾害分析及模拟展示平台。以设定地震和多概率水准地震动作为输入，开展了研究区范围内建筑物的震害模拟和3D震害场景展示，计算出研究区设定地震和不同超越概率水准下的建筑物破坏状态分布及直接经济损失。

3）结合本文地震灾害风险指数模型、房屋建筑易损性分析结果和研究区的房屋建筑统计数据，计算出研究区基于房屋建筑的地震灾害风险指数为0.13，表明区域内房屋建筑抗御地震灾害风险的能力较好。

本文的相关研究成果可服务于城市建筑群抗震能力薄弱区的精准识别，可为防震减灾能力提升和地震灾害风险隐患排查提供参考，可用于开展防震减灾工作的投入效益量化分析和绩效评价。但相关研究仅仅限于城市的房屋建筑，作为承担日益复杂功能的城市，生命线系统（交通、供水、供电、供气、通信等）的地震灾害风险排查、评估与治理还有待进一步研究。