基于云南震害矩阵的群体建筑评价及避震人口预测——以昆明市阳宗海区域抗震专项规划为例

周琼丽， 邹建业， 范 茜， 陈 亮， 张 毅

(1.云坤设计集团有限公司， 昆明 650034； 2.云南财经大学 物流与管理工程学院， 昆明 650221；3.广西建通工程设计咨询有限公司， 广西 百色 533000)

中国是遭受地震灾害损害最严重的国家之一，地震对人类的生命财产安全造成严重的威胁。城市区域作为人员活动密集区，建筑高密度及人员的高密度都成为地震时损失严重的原因之一。在地震中，建筑物的破坏是引发生命财产安全的重要因素，故群体建筑抗震性能评价在抗震防灾规划中尤为重要。云南地区是中国地震发生较多的地区之一，积累了较多的建筑震害数据。周光全等统计了云南地区不同烈度区内不同结构类型的破坏比统计值,并加以修正后形成云南震害矩阵[1]。本文在云南震害矩阵的基础上，结合地理信息系统(geographic information system，GIS)数据分析，以昆明市阳宗海为例，建立震害矩阵与不同结构类型建筑的数量关系，同时根据建筑评价结果，建立避震人口与震害矩阵的关系[2-3]。为城市规划人员在做抗震防灾规划中群体建筑评价及避震人口预测提供简易方法。

震害矩阵是指某一特定地区在不同地震烈度下房屋建筑的损坏情况分布，在不同烈度下，由于房屋建筑结构不同，房屋破坏程度也不同，经过已有震害数据和易损指数的分析，建立破坏等级与建筑结构的破坏比[1]。根据《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335—2009)，按调查建筑物的破坏程度分为5个等级：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌。

1 阳宗海区域基本情况

阳宗海区域位于云南省中部，昆明市东南，东经102.53°～103.08°，北纬24.47°～25.07°，南北长43 km2，东西宽25 km2，全区国土总面积546 km2。

阳宗海区域内断裂构造发育有多条，其中近南北向的小江断裂带西支、北东向的万寿山断裂、一朵云断裂是区域内的控制性活动断裂。小江断裂西支和万寿山断裂是全新世活动断裂，具备7级以上的构造条件。一朵云断裂为晚更新世活动断裂，具备发生6.5级地震的构造条件。小江断裂带北起巧家以北，长度大于500 km。断裂带由多条次级剪切断层和张性断层组成，内部结构复杂，按其结构特征将其分北、中、南3段。万寿山断裂发育在小江断裂东西支之间，在阳宗海区域范围内展布长度约10 km。断裂在万寿山南侧进入规划区，经宰格村、小松园、可保煤矿、汤池后可能沿汤池至阳宗海谷底延入阳宗海。万寿山断裂为全新世活动断裂。一朵云断裂是展布在小江断裂和滇池盆地之间的一条晚更新世活动断裂。在阳宗海北侧与小江断裂西支斜交，往南西方向经一朵云、青岩水库、土瓜塘附近后延入规划区，至呈贡新册村附近进入滇池盆地，被第四系覆盖。

依据2016版《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)中关于城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组，阳宗海区域所含汤池街道办事处、七甸街道办事处和阳宗镇抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.3，设计地震分组为第三组。依据阳宗海城乡总体规划，2035年(远期)阳宗区域常住人口规模为38万人，根据国务院印发《关于调整城市规模划分标准的通知》，阳宗海区域城市规模属Ⅰ型小城市。根据《城市抗震防灾规划标准》(GB 50413—2007)及《云南省城市抗震防灾规划编制技术导则》对编制模式分的界定，按照阳宗海区域的城市规模、重要性和抗震防灾要求，阳宗海区域应按乙类编制模式进行抗震防灾规划的编制。

抗震防灾中的建筑评价对于人口预测、疏散布点等至关重要。本文采用经验法、类推预测法、数学统计法等，以定量为主，定量与定性相结合对群体建筑进行统计分析，得到群体建筑评价的简易模型，建立避震人口与震害矩阵的关系。

2 基于震害矩阵的群体建筑及人口预测方法

2.1 群体建筑抽样

群体建筑进行抽样调查时，结合地块划分预测单元来进行采样。预测单元划分可采取社区或其他行政分区进行，也可根据不同抗震工作区的重要性及建筑分布特点进行划分[4]。

在《阳宗海区域抗震防灾规划》中，以社区为预测单元，基于阳宗海1∶1 000地形图进行现场抽样调查、统计普查。阳宗海区域内建设用地属于二类工作区和三类工作区，如图1所示，按《云南省城市防灾规划编制技术导则(试行)》规定，建筑抽样率不小于3%和1%。

图1 阳宗海区域抗震工作区划分截选图

阳宗海区域由于城镇开发边界的扩张及城镇发展遗留等问题，城市开发边界内一定程度上存在部分城中村，而城市非城中村区域与城中村自建区域在建筑质量、人口密度等方面存在明显区别，且人口在时间及空间上都具有较大的差异性。故划分预测单元后，首先将预测单元内的群体建筑分为城中村居民自建房、非城中村统规统建房屋两大类，再根据建筑密度、结构类型等选取抽样样本[5]。而对于未进行建设的地块，建筑数量根据已建设区域同种用地性质进行推演，建筑结构参考现阶段区域设计施工项目情况。

阳宗海区域内建设用地主要集中在七甸社区、汤池社区、阳宗镇及环阳宗海区域，其余多为零星建设用地，且区域内存在较多的城中村。阳宗海区域建设用地规模较小，且地形测绘图较新，预测基于1∶1 000地形图采用GIS进行全覆盖统计，并与统计普查数据相互检验，通过数据分析，对区域内已建设区各结构类型建筑以社区为单位进行分类统计，对于未建设区则根据已建设区同类用地性质进行推演预测。

阳宗海区域城中村在城乡总体规划中为村庄建设用地，多为居民自建房，分布于阳宗海区域的各个区域。通过对阳宗海38个社区181个城中村数据分析，得到城中村区域各结构的建筑数量，见表1。

非城中村为除村庄建设用地外的其他城市规划用地，分为建成区和未建区。建成区建筑主要分布于阳宗海区域的汤池街道及阳宗海沿岸的度假区，以社区为预测单元按用地属性及结构类型进行统计，得到建成区非城中村区域各结构类型建筑数量，见表2。

表1 城中村现状建筑结构统计

表2 非城中村现状建筑结构统计

对于未建区的建筑，通过建成区相关数据，按用地属性进行推演，结构类型参考现阶段阳宗海区域设计施工项目情况，预计不会出现新建土木建筑和新建砖混建筑，因此全部以框架结构来计算统计，见表3。

表3 未建规划区域建筑结构推算

非城中村建筑损坏情况包含了建成区域采样数据和未建规划区域推演数据两部分综合计算统计后的结果。

2.2 群体建筑破坏预测

在云南震害矩阵的基础上,结合统计到的不同结构类型的数据，则不同破坏等级建筑数量的计算公式为

Q=i1QS1+i2QS2+i3QS3+i4QS4

(1)

式中：Q为不同破坏等级建筑数量；QS1为框架结构建筑数量；QS2为砖混结构建筑数量；QS3为砖木结构建筑数量；QS4为土木结构建筑数量；i1为框架结构破坏比平均值；i2为砖混结构破坏比平均值；i3为砖木结构破坏比平均值；i4为土木结构破坏比平均值。

在阳宗海区域抗震防灾规划中，阳宗海区域地处云南地区Ⅷ度区，根据表4，对每种结构的房屋建筑的破坏比进行类比统计，并得出群体建筑的中等以上破坏比值，计算建筑损坏预估数据，并以此作为人口疏散的依据。

阳宗海区域不同建筑损害数量主要包括城中村及非城中村数量。

本次规划共收集全城181个城中村的相关数据，对所有数据分类整理后，根据阳宗海区域在Ⅷ度设防相应等级地震建作用下的震害矩阵不同破坏等级建筑数量计算公式对城中村建筑的破坏情形进行计算和统计，合计毁坏670栋，严重破坏4 668栋，中等破坏12 349栋。部分社区统计见表5。

表4 云南地区Ⅷ度区内房屋建筑的破坏比统计 %

表5 城中村框架建筑损坏统计

非城中村建筑损坏情况包含了建成区域采样数据和未建规划区域推演数据两部分。规划对建成区所有数据分类整理后，以社区为预测单元按不同用地类型推演未建区，最后根据阳宗海区域在Ⅷ度设防相应等级地震建作用下的震害矩阵不同破坏等级建筑数量计算公式对非城中村建筑的破坏情形进行统计，合计毁坏2栋，严重破坏380栋，中等破坏1 908栋。

通过对全城现状建成区、未建区规划建筑的分布、建设情况，可以预测阳宗海区域在规划期末，如果遇到VIII度设防相应等级地震，将会形成毁坏建筑672栋，严重破坏建筑5 044栋，中度破坏建筑14 258栋。

2.3 群体建筑破坏预测结论

通过以上分析，可以确定阳宗海区域城乡群体建筑的薄弱区，以辅助确定旧城改造、城市更新的相关区域，为政府决策提供一定的数据支撑，同时也作为人口疏散的依据，如图2所示。

3 疏散人口预测

避难人口主要分为紧急避震人口及无家可归人口(也叫固定避震人口)。紧急避难人口是指地震开始后30 min内，需要就近寻找空间进行紧急疏散的受灾人口，在规划中，通常判定全城人口都需要就近寻找空间进行躲避；无家可归人口通常指失去住所的人员，需要在固定避难场所生活一段时间，此类人员数量与建筑破坏程度有关，需结合群体建筑评价结果进行预测[6-8]。

3.1 紧急避震人口预测

3.1.1 紧急避难人口概念

紧急避难人口是指地震开始后30 min内，需要就近寻找空间进行紧急疏散、站立的受灾人口。

3.1.2 紧急避震人口预测方法

紧急避震人口预测以社区划分单元，其中已全部建成社区采用自然增长率的方式预测社区人口，其他未建区的社区采用已建成的社区单位用地面积人口密度类比推断来预测社区规划人口[9]。

阳宗海区域包含国家级风景名胜区，在城乡总体规划中，包含了大量的旅游建设用地。阳宗海区域人口包括外来游人、服务人口和当地居民3类。本次规划中，震时，判定全城人员都需要就近寻找空间进行躲避。

紧急避震人口预测中以社区划分单元，首先区分旅游建设用地及其他建设用地。已全部建成社区非旅游用地采用自然增长率的方式预测社区人口；其他含有非旅游用地未建区的社区采用已建成的社区单位用地面积人口密度类比推断来预测社区规划人口[10]。根据现状已建成社区的建设密度，将规划预测密度系数分为高、中、低3类，类比推演其他非旅游用地未建区。旅游建设用地通过单位面积接待容量进行计算，并结合日均最大旅游人口，通过计算最终得出每个社区的紧急避难人数。

3.1.3 区域紧急避震人口结论

通过对区域社区紧急避震人口规模的预测，可相应地预测各个社区的紧急避震场所规模，以加强紧急避震场所建设的合理性。

3.2 无家可归人口预测

3.2.1 无家可归人口概念

地震发生时，剧烈的震动会导致建筑的大量损坏及倒塌，并导致供水、供电等生命线工程系统的失灵。社区人口会因此失去住所或在住所内无法生存，只得前往避难场所避难。随着救援的进行，城乡的供水、供电等系统随着时间的推移而被修复，建筑受损较轻的居民则陆续回到家中。一般来讲，城乡紧急供水完全修复所需最长时间在30天左右，这部分人属于短期避难人员。而那些住宅建筑严重受损甚至倒塌的居民，只能暂时居住在固定避难场所，由政府提供相应的食物供应及住宿帐篷或搭建的活动板房等，在避难场所度过一段时间的避难生活，待建筑修复或重建完毕后搬入新住所，一般此类人员被称为无家可归人员。

3.2.2 无家可归人口预测方法

由于城乡人口在时间空间上存在较大的差异性，特别是城中村与非城中村人员密度存在较大差异，在抗震规划中无家可归人口计算结合建筑评价结果分为城中村无家可归人口及非城中村无家可归人口。其中城中村人口以栋均人口进行计算，非城中村人口以单位居住用地人口进行计算[11]。

规划中通常将各个社区在抗震设防烈度下损坏、严重损坏、中度损坏建筑导致的人口总数作为无家可归人口。某区域的无家可归人口数量与建筑在地震作用下发生不同破坏状态的概率有关，即与震害矩阵有关。某个区域的避难人口等于区域总人口乘以避震率。避难人口通过式(2)计算所得，在式(2)中避难率E采用尹之潜模型变形，由式(3)计算得出。

POP=E×POP′

(2)

式中：POP为避难人口；POP′为区域人口；E为避震率。

(3)

式中：RT1为震害矩阵中毁坏概率；RT2为震害矩阵中严重破坏概率；RT3为震害矩阵中中等破坏概率。

本次规划中震害矩阵采用周光全等的《云南地区房屋建筑的震害矩阵》：云南地区Ⅷ度区内房屋建筑的破坏比统计。

根据不同结构类型的破坏比，用式(3)计算出Ⅷ度区居住用地内不同结构类型的避难率E，见表6。

表6 Ⅷ度区居住用地内不同结构类型的避难率 %

3.2.3 城中村无家可归人口

在本次规划中，已知阳宗海每个城中村的总人口，因此可以推断出每个村的栋均人口，再分别算出相应结构对应的人口，结合表6的避难率E，预测出城中村无家可归的人口数量。

3.2.4 非城中村无家可归人口

非城中村区域以社区为划分单位，以规划居住用地面积及其单位面积的人口规模为计算基础，结合避难率E，预测出非城中村区域无家可归的人口数量。在本次规划中，通过对阳宗海区域不同的居住用地进行采样，得到单位用地面积人口及各结构建筑用地占比，再结合城乡总体规划居住用地规模，测算无家可归人口，对于未建设的居住用地则根据用地属性根据采样结果进行推演，结合表6的避难率E，预测出非城中村无家可归的人口数量。

3.2.5 区域无家可归人口结论

通过统计各个社区在抗震设防烈度下损坏、严重损坏、中度损坏建筑导致的无家可归人口总数，阳宗海全城固定避震人口包括城中村人口、非城中村人口。无家可归人口的测算可对固定避震场所建设投资的合理性提供支撑。

4 结语

基于云南震害矩阵，结合GIS数据分析，提出群体建筑评价及人口预测的简易方法，操作较为简单，已成功应用于阳宗海区域抗震防灾规划项目中。云南地区抗震防灾规划可依据云南震害矩阵及云南地区经验参数，对群体建筑及震害人口进行预测；其他地区可依据当地相关震害参数进行修改应用。研究成果可为城市在抗震防灾中科学布局避震疏散场地、疏散道路等提供科学依据。