社區地震安全韌性評估系統及應用示范

方東平，李全旺，李 楠，王 飛，劉 影，顧棟煉，孫楚津，潘勝杰，侯冠杰，汪 飛，陸新征

(1. 清華大學土木水利學院，北京 100084；2. 北京市地震局，北京 100080)

“社區”這一概念最早出現在德國社會科學家滕尼斯寫于1887 年的《社區與社會》一書中。現在學界一般將城市社區定義為在城市一定范圍內，按照相關規定和制度結合而成的，具有一定共同經濟利益和居民心理因素的城市社會群體和社會組織[1]。我國目前的社區建設多以法定社區為界，居委會社區、街道、區等范圍都可視為社區。社區的地域界限不宜太大，以居民日常生活能夠發生交互為界；也不宜太小，需要覆蓋基本的社會服務設施和組織機構。在北京市內“街道”一級的行政范圍較為符合本文中“城市社區”的概念。

在地震災害情境下，Bruneau 等[2]將韌性定義為社會單元能夠減輕災害，吸收災害發生時的影響及采取措施及時恢復，以減小社會擾動和減輕未來地震影響的能力。本文結合中國防災減災的實際情況，將韌性定義為系統在受到外界擾動時抵抗、調整、恢復和適應的能力。這里韌性有兩方面含義：一是降低外界擾動帶來的影響；二是擾動帶來的影響發生后能夠及時恢復。

國內外學者對韌性評價的框架都進行了有益的探索。在國外，舊金山灣區都市規劃研究協會(SPUR)[3]提出了建設具有地震韌性的舊金山灣區的目標；俄勒岡州提出了俄勒岡州韌性計劃[4]以應對未來地震和海嘯的風險；美國國家標準技術研究院(NIST)提出了針對建成環境的社區韌性規劃指南(CRPG)[5]，旨在幫助社區的建筑和基礎設施系統制定長期韌性目標以及相應的韌性規劃。

在國內，孟令君等[6]在2015 年聯合國環境署和澳大利亞聯邦科學與工業研究組織頒布的韌性、適應性和轉變評價框架(RATA Frame)的基礎上對已有社區韌性指標進行篩選，得出中國社區韌性指標體系，并對天津市河東區東興路既有社區進行了案例研究；郭小東等[7]在對北京城內老舊社區深入調研分析的基礎上，從老舊社區的功能結構角度確定了韌性指標體系；楊雅婷[8]通過梳理國內外關于韌性內涵的研究，提出社區地震韌性評價指標體系，并在北京市區內選取三個社區進行評價分析；清華大學方東平等[9]提出基于“三度空間下系統的系統”視角考察城市韌性。該理論將城市視為一個在物理、社會、信息組成的三度空間下由多個子系統構成的“系統的系統”，并以若干子系統及其交互為例來闡述城市韌性的內涵與特征。

北京是我國大陸東部自然災害多發的地區，且地震災害突出。北京人口超過千萬、地震設防烈度高達8 度，也是國際上為數不多發生過7 級以上強震的特大城市。因此，充分評估地震安全韌性，保障抗震救災能力是北京市防災減災工作的重點。

目前雖然對地震韌性問題已有諸多研究，但是尚缺少可以實操的區域地震韌性評價方法和工具。因此，清華大學團隊在北京市地震局的支持下，以一個典型社區為對象，開展了社區地震安全韌性評估工作。研究內容主要包括針對該社區：1) 社區韌性評估體系；2) 建筑系統韌性評估；3) 交通系統韌性評估；4) 生命線系統韌性評估；5) 非實體系統韌性評估；并在此基礎上開發了韌性評估系統應用示范軟件平臺。針對評估結果，研究提出了若干韌性提升措施并進行了討論。本研究初步實現了包含多個子系統的社區地震安全韌性評估，成果可以作為示范為未來北京市范圍內的推廣應用提供參考。

1 理論方法

1.1 社區韌性評估體系

1.1.1 整體韌性體系構建

基于“三度空間下系統的系統”理論及CRPG提出的建成環境對社會機構的支撐理論，本研究明確了社區主要要素及其相互支撐的具體形式，提出城市韌性社區的結構如圖1 所示。

圖1 城市韌性社區結構示意Fig.1 The structure of an urban resilient community

該示意圖有兩層含義：1) 韌性社區結構特征，社區由建成環境、社會機構和社區成員組成的“一核兩殼”結構構成，每層殼都對內層起到功能支持作用和保護作用；2) 自然災害對城市社區的作用機理，城市社區中自然災害一般會破壞建成環境造成其功能的下降或中斷，甚至產生次生災害，進而依賴于建成環境的社會機構功能受到影響，不能滿足社區居民的需求，最終形成對社區產生較大影響的災難。

具有韌性的社區，在災害對其內部子系統的結構或功能造成影響時，能夠采用韌性管理的手段，協調各類資源和采取最優的應急恢復策略，使其損失盡量減少和功能盡快恢復，盡量避免對社區成員造成更大的影響。

根據韌性的定義，評估社區的整體地震韌性可以轉化為考察震后社區子系統的需求滿足程度變化，以及震后社區子系統的功能恢復情況。如圖2所示，本研究將系統的韌性水平定義為預期功能(Anticipated Performance)恢復曲線的橫坐標軸圍成面積t?S?ABaCa與目標功能(Desired Performance)恢復曲線的橫坐標軸圍成面積t?S?ABdCd之比，t=max(ta?t0,td?t0)。圖中，Q(t)為系統功能，t0為災害發生時刻，td為目標恢復完成時刻，ta為預期恢復完成時刻。

圖2 系統功能變化曲線示意圖Fig.2 Function evolution curve of a system

1.1.2 建成環境韌性評估

本文按照CRPG[5]對社會機構的分類，對社區內的社會機構進行識別，并根據馬斯洛需求層次理論[10]對各社會機構滿足的功能進行分析，得到社區的社會機構組成與各社會機構應滿足的功能。

在此基礎上，參考NIST[5]中設定的建成環境恢復目標，確定PGA 為0.20g、0.30g和0.40g的情況下社區建成環境的功能恢復目標。具體地，在建成環境子系統(如建筑、交通)內進一步劃分出關鍵、重要、較重要和其他機構，分別確定其震后最低功能水平與恢復時間，即可得到圖2 中目標功能恢復曲線的關鍵點Ba和Ca。

最后，應用層次分析法(AHP)確定建成環境指標權重。層次分析法首先需要對問題進行層次分解，對于建成環境韌性問題，社區成員的需求可以由社會機構直接滿足，社會機構功能大小依賴于支撐其運行的基礎設施功能水平。之后，需要確定層次中各因子權重，具體可以通過專家訪談、問卷調查等方式判斷各因子的相對重要性，并對結果進行一致性檢驗。綜合社會機構層次和基礎設施系統層次的權重結果，即可得到每一類社會機構中某種基礎設施相對總目標的最終權重，為各系統和社區的韌性評估提供基礎。

1.2 建筑系統韌性評估

1.2.1 建筑系統韌性評估流程

本研究采用《建筑抗震韌性評價標準》(GB/T 38591?2020)[11]規定的建筑地震損失評價方法進行建筑地震損失預測，其總體流程(圖3)主要包括三個部分：1) 建筑信息集成；2) 分析結構響應，得到工程需求參數(EDP)；3) 評估損傷狀態，開展韌性評價。建筑系統韌性評估指標包括：建筑的修復費用、修復時間和人員傷亡情況。

圖3 建筑系統抗震韌性評價的流程Fig.3 Earthquake resilience evaluation workflow of a building system

1.2.2 建筑信息集成

建筑信息集成的重點是建立建筑性能模型，即用于計算建筑地震損失的必要建筑信息集合。它包含建筑基本信息，以及建筑各層的易損結構構件和非結構構件的種類、數量、易損特性和維修成本。建筑基本信息有建筑層數、層高、層面積、使用功能和現行建造成本等。建筑內部由同一個EDP 決定的易損結構構件和非結構構件，被稱為性能組。性能組的易損特性由服從對數正態分布的易損性曲線刻畫，給定一個決定性能組損失的EDP 的大小，就可以通過易損性曲線得到它發生某個破壞狀態的概率。性能組的修復費用等韌性評價指標由若干結果函數刻畫，每個破壞狀態對應一個結果函數。

1.2.3 結構響應分析

結構響應分析分為城市區域尺度和重點建筑尺度。在城市區域尺度，采用城市抗震彈塑性分析方法[12]對建筑物進行震害分析。對于多層框架結構、砌體結構等具有剪切變形模式的建筑，采用多自由度(MDOF)集中質量剪切模型；對于框架-剪力墻和剪力墻等具有彎曲變形模式的高層建筑，采用MDOF 集中質量彎剪耦合模型。MDOF集中質量層模型具有以下特點：1) 計算效率較高；2) 能夠輸出各個樓層的地震響應，便于進行地震損失分析；3) 能充分利用城市GIS 數據提供的建筑宏觀描述性數據(建筑外形，建設年代，場地類別，結構類型)并結合設計規范，自動確定模型合理的彈塑性參數。在重點建筑尺度，則使用有限元軟件對建筑物進行精細化的動力彈塑性時程分析。上述分析可以得到關鍵的EDP，包括各層的峰值樓面加速度(PFA)、層間位移角(IDR)、以及殘余位移角等。

1.2.4 建筑韌性評估

韌性評價環節主要采用蒙特卡洛方法計算韌性評價指標，即對每個隨機變量，根據其分布隨機確定其取值進行計算，得到一個損失結果，一次這樣的計算稱為一次“實現”。對于每次實現，遍歷建筑的每個性能組，根據對應的EDP、易損性曲線和結果函數，隨機確定其損失，最后加總得到建筑的總修復費用。通過執行大量的實現，就能模擬各個隨機變量的不確定性，得到大量修復費用、修復時間等韌性評價指標的樣本。最后假定韌性評價指標服從對數正態分布，根據樣本對總體的統計參數進行估計，擬合得到指標的分布，并根據規范使用具有84%保證率的擬合值作為建筑韌性評價的依據。

修復費用、修復時間和人員傷亡均根據《建筑抗震韌性評價標準》(GB/T 38591?2020)[11]計算。1) 修復費用：綜合考慮構件修復、拆除和置換產生的各項費用，包含采購、運輸和勞務成本等。建筑修復費用為建筑所包含的處于各個損傷狀態的各類構件修復費用的總和；2) 修復時間：計入所有震損構件完成建筑功能性恢復所需的名義修復時間，不計入震損評估、方案制定等開工前準備工作耗時。計算修復時間時考慮建筑主要修復工作的層內先后次序，不同樓層的修復工作可以同時展開。樓層名義修復時間根據不同修復工作內容的單位面積或單位震損構件的工人數量需求計算；3) 人員傷亡：根據不同功能建筑的人員密度以及不同破壞狀態的人員傷亡比例計算。

1.3 交通系統韌性評估

1.3.1 交通系統韌性評估流程

交通系統應當在震后保持一定的功能水平，為人員疏散、傷員就醫、救災人員及物資轉運等抗震救災行動提供基礎，并盡快恢復以滿足居民的日常工作生活需求。對應以上功能，交通系統的地震韌性指標包括：避難場所可達性、醫療機構可達性以及其他設施可達性。

交通系統的韌性評估分為日常交通情況模擬和震后交通情況模擬兩個階段。對于日常交通情況，首先需要根據路網、人口、基礎設施等信息建立交通模型，并在模型基礎上進行分析，獲得正常狀況下節點之間的最短距離分布情況，作為后續震后交通分析的依據。

對于震后交通情況，采用蒙特卡洛模擬的方法，通過多次隨機試驗的方法獲得各指標的近似分布，主要流程如圖4 所示。

圖4 交通系統抗震韌性蒙特卡洛分析流程圖Fig.4 Earthquake resilience evaluation workflow of a transportation system using Monte Carlo analysis

1.3.2 城市道路震后通行概率計算方法

地震災害下，路網內各條道路的通行情況直接決定著交通系統在震后是否可以滿足應急救災工作產生的交通需求。導致城市道路在地震作用下無法通行的原因主要有兩類：1) 由于臨街建筑物破壞、倒塌產生的瓦礫堆積導致的道路阻塞；2) 由于橋梁損壞導致的道路中斷。

針對前者，采用杜鵬[13]提出的修正的道路阻塞概率模型進行分析。模型首先根據建筑倒塌或嚴重破壞的概率和建筑立面面積計算瓦礫阻塞密度，然后按式(1)計算道路通行概率：

式中：Q表示路段的瓦礫阻塞密度；Qc為臨界瓦礫阻塞密度，根據經驗可取為0.25[14]；Pw為道路的通行概率。地震強度越大，建筑物破壞概率越大，道路通行概率越低。

針對后者，橋梁達到各類破壞狀態的概率可用橋梁結構的易損性曲線[15]表示。橋梁破壞狀態會影響道路的通行能力，本文假設當橋梁的震后狀態不超過中度破壞時，在短時間內橋梁可以通行；當破壞狀態達到嚴重破壞或毀壞時，橋梁停止使用，道路因此中斷。基于以上假設，在特定地震強度下，橋梁的通行概率Pq即為橋梁的破壞等級低于嚴重破壞的概率。地震強度越大，橋梁破壞程度越嚴重，道路中斷的可能越大。

從道路結構的角度來講，路段可分為包含橋梁的路段和不包含橋梁的路段兩種。路段通行概率Pl則需考慮瓦礫阻塞(Pw)和橋梁破壞(Pq)兩個因素的影響，如式(2)所示：

1.3.3 交通系統修復速度確定

由于地震之后道路的具體破壞情況具有較大的隨機性，且對中斷的道路、橋梁所采取的具體修復方式多種多樣，因此很難準確估計震后各交通元件的恢復時間[16]，目前也很少有定量的關于城市道路、橋梁的修復速度的研究。本文假設交通系統在震后修復的首要目標是盡快搶通所有中斷道路、橋梁，恢復交通功能，對任意一條道路、橋梁須被全部搶通后方可投入使用。具體計算修復速度時，可參考社區范圍內挖機清運、臨時橋梁搭設等道路、橋梁搶通措施的經驗數據。

1.3.4 基于最短路徑的節點可達性評價方法

圖論方法是一種非常有效的研究交通系統震后通行能力的方法。通過將路網中的交通節點簡化為節點集，將道路簡化為邊集，將道路通行距離作為邊集的權重，即可將城市路網簡化為賦權圖。目前最常見的描述交通系統連通程度的指標是節點之間的連通可靠度，即兩個節點之間存在一條通路的概率。但是對例如應急避難、傷員就醫等震后產生的應急交通需求而言，不僅要求節點之間存在連通的道路，還關注節點之間道路的便捷程度。因此本文在連通可靠度的基礎上提出了距離接受度的概念，通過計算節點之間存在滿足距離要求的通路的概率來描述節點之間的可達性。距離接受度τaccept定義為：可接受的到達特定地點最短距離相比正常最短距離的倍數。當破損的路網中兩節點之間的最短距離大于原最短距離的τaccept倍時，即認為這兩個節點之間不存在足夠便捷的通路，是不可達的。考慮到研究對象社區內青年人比例較大，τaccept的取值可以相對提高，本文取τaccept=1.5。

針對具體的交通需求，需要對基于可達性的指標進行定義。以任意交通節點為起點的交通需求可以分為兩大類：1) 第一大類包括應急避難需求和就醫需求，此類交通需求的目標節點不固定，只需到達滿足條件的節點之一即可滿足需求，指標即為可達概率；2) 第二類交通需求為目的地具有特殊性的交通需求，例如前往工作場所的交通需求，需要考慮從節點到所有工作場所的可達性情況來判斷交通需求的滿足情況，此時指標為可達的工作場所占所有工作場所的比例。

在考慮各類交通需求的基礎上，進一步可以將節點指標以節點出行人數為權重進行加權平均，即可得到該類功能性設施的整體可達性指標。

將城市路網抽象為賦權圖后，可以利用Dijkstra 算法對任意兩節點之間的最短路程長度進行求解。

1.4 生命線系統韌性評估

1.4.1 生命線系統韌性評估流程

本研究重點評估了供電、通信、供水、排水及供暖等五類子系統構成的生命線系統的韌性水平，具體的評估流程如圖5 所示。

圖5 生命線系統抗震韌性評估流程圖Fig.5 Earthquake resilience evaluation workflow of a lifeline system

生命線系統韌性是指生命線系統能夠消化并吸收外界干擾，并保持原有主要特征、結構和關鍵功能的能力[17?18]。因此，可以通過刻畫生命線系統主要特征、結構或者功能在災害前后的變化趨勢來確定生命線系統的韌性水平。由于生命線子系統多樣且各子系統本身特點差異明顯，所以功能的內涵與具體的度量方式也存在巨大差異。本研究涵蓋以下五類生命線子系統，并通過以下方式對其各自的功能水平進行測度：

1) 供電子系統：考察供電網絡在災害作用下結構的完整性，即供電網絡在地震作用下節點的存活率[19]。

2) 通信子系統：負責傳遞信息，使得信源和信宿之間保持通暢。通信子系統的功能可以用信道數來表示，該指標主要取決于信源和信宿之間的路徑數量[20]。

3) 供水子系統：負責提供水質合格且壓力穩定的水資源[21]。供水系統的功能發揮水平可以通過供水滿足率來衡量。

4) 排水子系統：負責污水排放(排雨水功能此處暫不考慮)。排水子系統的功能發揮水平可以通過排污任務的完成率來衡量。

5) 供暖子系統：負責提供溫度適宜壓力穩定的熱水流[22]。用供暖子系統流量滿足程度來度量供暖子系統的功能發揮水平。

1.4.2 系統失效及恢復過程分析

生命線系統因為子系統間關聯性的存在，單一子系統的局部失效可能會造成整個生命線系統的崩潰，即生命線系統的失效存在級聯特征。基于系統間的關聯關系以及每個子系統失效過程，可以確定由五類系統組成的整個生命線系統的破壞過程如圖6 所示。

五個系統的恢復順序為“供電子系統—供水子系統/排水子系統/通信子系統—供暖子系統”。在時間維度上，五個系統的恢復順序如圖7 所示。

圖6 生命線系統組件失效計算流程圖Fig.6 Simulation workflow of component failures in lifeline systems

圖7 生命線系統恢復流程圖Fig.7 Recovery workflow of lifeline systems

每類子系統的恢復策略存在差異。本研究假設在有限的恢復資源下以節點流量或管道流量最大化或者對建筑功能恢復提升的貢獻最大化為準則來確定恢復排序。具體的恢復流程如圖8所示。

1.5 非實體系統韌性評估

1.5.1 非實體系統韌性評估流程

非實體系統韌性評價需要考慮的最重要因素是人員傷亡及其恢復，本研究選取社區成員和醫療機構作為非實體系統的典型代表進行韌性評價，流程如圖9 所示。

圖8 單一生命線系統恢復任務計算流程圖Fig.8 Simulation workflow of the recovery process of lifeline subsystems

圖9 非實體系統抗震韌性評估流程圖Fig.9 Earthquake resilience evaluationworkflow of non-physical systems

1.5.2 社區成員韌性評估

“人員傷亡”的估計主要依賴于“建筑損壞”的分析結果。研究根據HAZUS MR4[23]的建筑損壞標準估計社區內所有建筑的損壞程度，統計每個建筑內人數，再依據HAZUS MR4[23]給出的建筑損壞與該建筑相關人員傷亡比例的對應矩陣，估算出各個建筑內和周圍不同嚴重程度的傷亡人數。

在一天中的不同時間，不同功能的建筑室內及周邊室外人數會周期性變化。考慮到研究對象社區特點，研究選擇住宅人數最多的2:00 AM 作為分析的時間點。該時點的“應住人數”和室內外人數比例根據FEMA[23]的經驗規律估算。

根據社區成員的功能定義，選取震后死亡率作為社區成員的地震韌性評價指標。

1.5.3 醫療系統韌性評估

醫療系統的功能是為人們提供全面的醫療服務，為量化評價其功能，將地震后醫療系統的功能定義為能獲得醫療服務的人數與應該獲得醫療服務的人數之比，如式(3)所示：

式中：t為天數；Nia(t)為第t天患疾病i醫療服務的人數；Nir(t)為第t天需要獲得醫療服務的患疾病i的人數；βi為不同疾病患病人數的比例。

基于文獻調研、實地調研和專家訪談，梳理醫療系統主要功能并確定相應量化指標。然后基于“三度空間”的理論框架，通過文獻調研、實地調研和專家訪談，梳理出影響醫療系統功能的實體要素、社會要素與信息要素，形成影響要素清單。本研究將基于上述要素和影響關系，利用AnyLogic 仿真平臺，首先建立單體醫院功能的系統動力學仿真模型；進一步地，考慮醫院之間的病人流、物資流等交互關系，建立系統動力學仿真模型，如圖10 所示。

2 典型社區應用示范

為了充分驗證社區地震安全韌性評估理論方法的可行性和合理性，并為社區地震安全韌性評估的推廣工作提供參考，研究以一個典型社區為分析對象，開展了案例研究。本節對該社區地震安全韌性評估結果進行介紹。

2.1 建成環境

該社區位于北京市海淀區，地區面積約4 km2，戶籍人口近5 萬人，流動人口約4000 人，是北京市內較為典型的、內部功能較為齊全的社區。識別得到其社會機構包括：1) 家庭：宿舍、居民區等；2) 政府管理機構：街道、居委會等；3) 醫療衛生機構：社區醫院及相關配套設施；4) 學校：辦公樓、教室、實驗室等場所及相關設施；5) 媒體機構：新聞中心，網絡信息化服務中心等；6) 公益機構：志愿服務隊等；7) 文化服務機構：圖書館、博物館和名人故居等設施及場所；8) 經濟機構：企業和零售部門。各類社會機構在該社區中的分布如圖11 所示。

研究根據層次分析法原理，首先確定社區建成環境韌性問題的層次結構。其總目標是功能滿足社區成員需求，社區成員的需求可以由上述8 類社會機構直接滿足。社會機構功能大小依賴于支撐其運行的基礎設施功能水平。建立層次模型如圖12 所示。

基于上述層次模型，設計AHP 調研問卷。向專業人員、街道辦居民科工作人員、社區醫院安全保障部門人員和學生等發放調研問卷93 份，回收問卷82 份，其中行業專家問卷60 份。對每份專家問卷的每個判斷矩陣分別計算特征向量和一致性系數，剔除一致性檢驗不合格的特征向量后求平均值并歸一化，得到各指標權重系數，如表1所示。

圖10 AnyLogic 系統動力學模型Fig.10 System dynamics model in AnyLogic

圖11 社區機構分布圖Fig.11 Distribution of social institutions in the community

2.2 建筑系統

本研究根據社區所在地設防烈度、建筑場地類別和設計地震分組確定了目標規范反應譜，利用美國太平洋地震工程研究中心(PEER)提供的地震動數據庫NGA-West2[24]選出了符合目標反應譜的11 條水平地震動記錄。

圖12 典型社區系統層次模型Fig.12 System hierarchical model of the community

表1 每個社會機構中各基礎設施權重Table 1 Weight of different infrastructures in each social institution

在城市區域尺度，將分別調幅至0.20g、0.30g、0.40g三個地面峰值加速度(PGA)水準的11 條地震動輸入該社區619 棟建筑的區域建筑群震害分析模型進行動力彈塑性時程分析，得到每棟建筑的損傷狀態如圖13 所示。隨著PGA 的增大，嚴重破壞和毀壞的建筑比例隨之增加。在罕遇地震水平下，大部分建筑都至少達到中等破壞水平。

圖13 不同PGA 水準下各地震動工況的社區建筑破壞狀態比例Fig.13 Damage states proportion of the buildings under different ground motions at different PGA levels

三個PGA 水準下，社區建筑的總損失比如圖14所示，圖中柱狀圖表示修復費用中位值，黑色線段表示保證率分別為84%和16%的上下分位值范圍。隨著PGA 的增大，修復費用中位值增大，且離散性明顯增加。進一步考察多層框架、高層建筑、未設防砌體和設防砌體四種結構類型建筑的損失情況，如圖15 所示。未設防砌體損失情況相比其余三種結構類型建筑顯著嚴重。建筑修復時間中位值分布如圖16 所示。隨著PGA 的增大，震損建筑需要更多的修復時間。該結果可為區域建筑群的修復時間分布和估計提供參考，實際修復時間還應考慮投入修復的人力、物力等的約束。

該社區整體名義人員傷亡率中位值如表2 所示。結果可為區域建筑群的名義人員傷亡率分布估計和相關的加固改造規劃、救援資源配置等提供參考。

《建筑抗震韌性評價標準》(GB/T 38591?2020)建議了建筑修復費用、修復時間和人員損失的評級指標，并取三項評價指標的最低等級作為建筑的抗震韌性等級。基于層次分析法可以得到不同功能建筑的重要性系數，加權計算可得社區抗震韌性等級為0.255。可見社區抗震韌性水平有待進一步提升。

圖14 不同PGA 水準下社區建筑的總損失比Fig.14 Total loss ratio of the buildings under different PGA levels

圖15 不同PGA 水準下社區各結構類型建筑的損失比Fig.15 Loss ratio of the buildings with different structural types at different PGA levels

圖16 不同PGA 水準下社區建筑的名義修復時間中位值分布Fig.16 Median value distribution of nominal repair time of the buildings at different PGA levels

表2 社區整體名義人員傷亡率中位值Table 2 Median value of total casualty rate of the community

在重點建筑尺度，本研究對社區內某辦公樓、某教學樓和某圖書館的精細有限元模型進行了分析，并基于有限元分析結果進行了精細化抗震韌性評價。以圖書館為例，評價結果如表3 所示，其抗震韌性等級為0。圖書館建筑內有大量書架，在地震下易傾倒，故修復費用較大。

表3 圖書館抗震韌性評價結果Table 3 Earthquake resilience evaluation results of the library

2.3 交通系統

本研究在實地調查的基礎上，完成了該社區交通網絡的建模，構建了包含96 個主要交通節點、141 條道路的路網模型，如圖17 所示。路網中共有10 座橋梁，以圓點標出。

對社區內現有橋梁的抗震安全性能進行了調研，典型橋的地震易損性曲線如圖18 所示。由于橋梁類型相同，建造于相近年代，因此本研究將該易損性曲線用于所有10 座橋的破壞狀態評估。

對該社區的人口構成和地理分布進行了調研，包括社區內所有11 個小區的人口組成情況，以及8 個學生宿舍區的人口組成。這些人員組成將用于形成不同位置、不同規模的交通需求。

圖17 社區路網模型Fig.17 Road network model of the community

圖18 橋梁抗震易損性曲線Fig.18 Earthquake fragility curve of bridges

分析得到在不同地震強度下，以路網中各個節點為起點的應急避難場所和醫療機構可達性指標的變化情況，如圖19 所示。隨著地震強度的增加，除直接連接避難場所的節點和社區醫院所在節點之外，其余節點的可達性指標均有所下降。其中，70 號以后的節點下降幅度更加明顯，主要是因為其多位于社區南部，建筑多為年代久遠的砌體居民樓，且道路相對狹窄，因此在地震之后發生道路阻塞的可能性較高，到達避難場所的最優路線容易受到影響。此外，與正常情況對比可以看出，隨著地震強度的增加，到達應急避難場所和醫療機構的最短距離有明顯的升高趨勢，圖20展示了0.40g水準下醫療機構的結果。

圖19 各節點的可達性指標Fig.19 Accessibility index of each node

將每次模擬中的節點指標以節點出行人數加權平均即可得到系統可達性指標。結果表明，在相同地震強度下各類交通功能的整體指標相差不大。當PGA 為0.20g和0.30g時：道路破壞數量不多，整體指標的下降不明顯；而當PGA 增大到0.40g時，各類整體指標均發生顯著的下降。

分析也得到了不同地震強度下各交通功能完全恢復所需的平均時間。其中，災后醫療機構的交通需求修復速度最快，其余各功能修復時間相對接近。在0.20g水準下，各類交通功能完全恢復的平均時間大致在2 d 之內；在0.30g水準下，平均恢復時間增加到5 d 左右；在0.40g水準下，平均的恢復時間增加到了11 d 左右。

2.4 生命線系統

圖20 到達醫療機構的最短距離分布圖Fig.20 Distribution of the shortest distance to the medical institution

對五類子系統構成的生命線系統進行失效過程模擬，針對不同的PGA 輸入，計算得到每類子系統不能發揮功能的失效節點以及失效邊的比例。結果表明，在PGA 為0.20g時，各類子系統均能總體上保持正常運行。節點損失比例最多的是供暖子系統。這主要因為社區換熱站的建設年代較早，且供暖子系統功能發揮需要供電子系統和供水子系統的共同支撐，二者有一個發生故障，供暖子系統的節點極可能失效。隨著PGA 的增加，最先癱瘓的是供暖子系統，隨后供電子系統和供水子系統同時在0.40g水準下失效。進一步分析可知，社區的供暖子系統和供電子系統均是單一源頭系統，其中供電子系統只有一個接口和北京市電網合并，供暖子系統則只有一個鍋爐房作為熱源。單源系統如果源頭發生破壞，整個系統將會發生崩潰。從系統層面來說，單源子系統的災害承受能力較差，對其他子系統有強依賴的子系統災害承受能力也較差。

通過比較生命線系統地震災害破壞位置的分布可以發現，在各地震水準下，社區西南角均是比較薄弱的區域。

關于生命線系統的震后恢復，下面以供水子系統在0.30g下的恢復為例進行說明。供水系統在0.30g水準下損壞了6 個節點和29 條管道。通過供水管道流量參數可以算出每條毀壞的管道的流量。由于供水管道流量參數中包含了管道的起點和終點，即已知了供水網絡的可達矩陣，基于此可以構建流量矩陣，對流量矩陣的行或列求和(水源節點應該用行求和，非水源節點用列求和)即可得到每個節點的流量。進而根據工程經驗和專家訪談估計每個待修復節點和管道所需要的修復時間。供水子系統的恢復資源為5 個作業隊伍，按照正常施工，每次有5 個隊伍對供水子系統進行恢復，一共進行7 次作業能將整個供水子系統完全恢復到原來的功能水平(即達到正常的供水能力)。最終得到供水系統的修復時間為18 d。

根據上述分析，可以刻畫出每類社會機構對生命線系統的需求逐步重新得到滿足的過程。同樣以供水子系統0.30g水準為例，該過程如圖21所示，相應的每類機構生命線系統需求滿足最低程度以及恢復時間統計如表4 所示。其他生命線子系統和其他地震水準的結果同理可得。

圖21 各社會機構在供水子系統需求恢復過程中的需求滿足程度(0.30 g)Fig.21 Satisfaction degree of water supplies demand by each social institution during the recovery process (0.30 g)

2.5 非實體系統

根據系統動力學模型所需參數，對社區醫院相關資料進行調研。對于不能獲取或者不存在的參數，采用合理假設數據。分析得到不同地震強度下的醫療系統功能演化過程如圖22 所示。計算得到的韌性分值如表5 所示。隨著地震動強度增加，醫療機構韌性水平下降，其功能滿足社區成員醫療需求的水平下降。

2.6 整體評估

2.6.1 建成環境韌性綜合得分

以上計算得到了各個建成環境系統的功能下降和恢復時間，由此可得各系統的指標分值，再乘上權重即可以得到不同地震動強度下的建成環境韌性綜合分值，如表6 所示。隨著地震加速度峰值增加，社區建成環境韌性水平下降，其功能滿足社區成員需求的程度下降。

表4 供水子系統恢復中各社會機構需求滿足的最短時間(0.30 g)Table 4 Minimum recovery time for water supplies demand by each social institution during the recovery process (0.30 g)

圖22 醫療系統功能演化Fig.22 Function evolution of the medical system

表5 不同PGA 水準下社區醫療系統韌性分值Table 5 Resilience score of the medical system in the community at different PGA levels

表6 不同PGA 水準下建成環境韌性綜合得分Table 6 Comprehensive resilience score of the built environment at different PGA levels

2.6.2 建成環境系統韌性分值

對每個建成環境系統內的權重進行歸一化，乘上指標分值可以得到系統韌性分值，如圖23 所示。其中，交通系統韌性值一直較高，表明滿足需求的能力較其他系統高；建筑系統韌性值始終在4～7 分之間，表明其韌性水平不足，但在不同地震強度下滿足需求的能力較為穩定。生命線系統在地震強度較小時韌性值高，地震強度高時韌性值很低，說明其滿足需求的能力與地震強度密切相關。

2.6.3 社會機構中不同建成環境系統韌性分值

對每一類社會機構中各個建成環境系統的韌性進行比較，可以讓每一類社會機構決策者直觀了解該機構內的薄弱環節。以0.30g水準下的家庭為例，如圖24 所示。結果表明，不同社會機構中各類建成環境系統薄弱環節并不相同。政府和媒體機構的建筑韌性相對較低，主要是相關機構的辦公場所年代較久，醫療和家庭機構的建筑韌性有待提高；大部分社會機構的供水、供暖系統韌性相對交通系統、電力系統和通信系統較低，因此需進一步加強供水、供暖系統的抗震韌性。

圖23 建成環境各系統韌性分值對比Fig.23 Resilience score comparison of different systems in the built environment

圖24 家庭機構內各建成系統韌性分值對比(0.30 g)Fig.24 Resilience score comparison of different built systems in family institution (0.30 g)

3 韌性提升措施討論

根據上節的典型社區地震安全韌性評估結果，本研究主要針對建筑系統初步提出了若干韌性提升措施，并對其效果進行了簡單討論。

3.1 城市尺度措施：加固非設防砌體

由分析結果可知，社區內存在較多老舊的未設防砌體結構，其在地震作用下容易遭受較為嚴重的破壞，不僅嚴重影響修復費用和時間成本，還會對人員安全構成威脅，故韌性水平較低。針對已統計的未設防砌體結構，建議進行抗震加固以提升抗震韌性。

為初步評估加固可能的效益，本文假定加固后的未設防砌體結構達到最新抗震設計規范要求，對社區建筑系統韌性進行了評價。結果如圖25、圖26 和表7 所示。

可見，加固后的未設防砌體結構的修復費用顯著降低，且較大程度上減小了人員傷亡率，修復時間也有所降低。從抗震韌性等級來看，加固前社區抗震韌性等級為0.255，加固后區域抗震韌性等級為0.425。區域抗震韌性等級有一定提升，但依然處于較低水平。加固后社區抗震韌性等級主要由修復時間控制，如何降低建筑修復時間以充分提高建筑抗震韌性仍需進一步研究。

圖25 不同PGA 水準下社區各結構類型建筑的損失比(加固后)Fig.25 Loss ratio of the buildings with different structural types at different PGA levels (after retrofit)

3.2 單體建筑措施：社區醫院隔震加固

根據問卷調研，醫療機構對于社區的地震安全韌性有著至關重要的作用。該社區的唯一醫療機構為一所社區醫院，考慮到醫院的特殊功能，建議對醫院進行隔震加固以提高其韌性水平。經計算，確定支座直徑為600 mm，采用12 個天然橡膠支座(LNR)和18 個鉛芯橡膠支座(LRB)，具體過程與參數不再詳述。

圖26 不同PGA 水準下社區建筑的名義修復時間中位值分布(加固后)Fig.26 Median value distribution of nominal repair time of the buildings at different PGA levels (after retrofit)

表7 社區整體名義人員傷亡率中位值加固前后對比Table 7 Median value of total casualty rate of the community(before and after retrofit)

依據《建筑抗震韌性評價標準》(GB/T 38591?2020)，對隔震前后的醫院進行抗震韌性水平對比，對比結果如表8 所示。隔震后，醫院的修復費用、修復時間以及人員傷亡率顯著降低，抗震韌性等級從0 級提升至1 級。可見，隔震措施能有效改善社區醫院的抗震韌性水平。

表8 隔震前后社區醫院抗震韌性等級對比Table 8 Earthquake resilience level of the hospital (before and after the seismic base isolation)

4 結論

本文的第一部分簡要描述了地震安全韌性評估理論方法；第二部分介紹了一個典型社區韌性評估的結果，主要成果包括：

(1)提出了可操作的社區韌性定量評價方法，該方法包括整體的社區韌性評估體系和建筑、交通、生命線、非實體四個系統的韌性評估流程。該方法梳理了社區的組成結構和各個系統的韌性指標，根據系統的功能下降和恢復時間計算韌性水平，可以給出各個系統以及整個社區的韌性得分情況。

(2)以一個典型社區為分析對象，開展了地震安全韌性評估。結果表明，社區整體韌性水平仍有提升空間。其中，交通系統滿足需求的能力較其他系統高；建筑系統韌性水平不足，但在不同地震強度下滿足需求的能力較為穩定；生命線系統在地震強度較小時韌性較高，地震強度高時韌性降低，滿足需求的能力與地震強度密切相關。

(3)基于上述結果，重點針對建筑系統提出了若干韌性提升措施并進行了討論。

在上述成果基礎上，本研究還開發了韌性評估系統應用示范軟件平臺，初步實現了包含多個子系統的典型社區地震安全韌性評估，成果可以作為示范為未來北京市范圍內的推廣應用提供參考。