基于PTVA 修正模型的建筑單體臺風物理脆弱性評估
——以欽州市龍門港鎮為例

楊杪薇，嚴小敏，許貴林

南寧師范大學地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530000

近年來，許多學者開展了關于快速估計自然災害如臺風、洪水、泥石流等災害造成的人員傷害及經濟損失的相關研究。這一類型的研究對致災因子進行了深入分析，探究了致災因子、人員傷害和經濟損失之間的關系。承災體受災害的程度，除與致災因子的強度有關，很大程度上取決于承災體自身的脆弱性，所以典型承災體的脆弱性會直接影響到災后的應對與恢復能力[1]。從國內外已有的研究成果來看，目前建筑易損性模型的構建方法主要有專家經驗法、災后調查法以及概率可靠度法3 種。這些方法各有利弊。國內外研究中區域尺度的評估較多，這些研究并未詳細分析建筑單體的物理脆弱性指標。2003年，Papathoma研究了一種評估建筑海嘯脆弱性的方法，即PTVA（Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment Model）模型[2]，辜智慧等通過梳理建筑單體臺風災害影響因子，采用修正后的Papathoma 海嘯脆弱性模型評估臺風災害影響下建筑單體的物理脆弱性，研究成功應用于廣東沿海地區[1]。另外，辜智慧在建筑單體脆弱性評估的基礎上進行了區域建筑群臺風災害綜合脆弱性評估方法研究[3]。

研究小組基于PTVA 模型[2]，總結欽州市龍門港鎮的建筑屬性特征，由實地調查得到的龍門港鎮建筑特征篩選出北部灣地區建筑單體臺風災害下脆弱性指標，修正PTVA 模型，構建建筑單體脆弱性評價體系，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計 算各指標權重系數，并結合“威馬遜”臺風災后實地調查結果，驗證修正后的PTVA評估模型，就如何為自然災害救助評估與災害損失快速評估提供技術支持展開初步探索。

1 研究區概況

研究區位于北部灣沿海地區欽州市龍門港鎮。龍門港鎮是一個眾多島嶼組成的島鎮，人口、經濟中心都在島上。位于茅尾海南端的龍門72 涇是龍門港鎮的天然屏障，選擇龍門港鎮作為研究區具有代表性。

2 研究方法

2.1 傳統PTVA 模型

第1 代到第4 代PTVA 模型經歷經過了10多年的發展和應用，在建筑單體物理脆弱性評估上已經相對成熟和完善，可以為大部分海嘯脆弱性的研究評估提供有意義的指導和參考。PTVA 模型方法的主要優勢與收集原始數據的精細程度有關，該研究中數據單位涉及單個建筑或開放空間，而不是建筑的平均街區、城市或整個地區。

在PTVA 模型中，建筑單體的相對脆弱性（RVI）計算為兩個獨立屬性的加權和，即建筑結構脆弱性（SV）和建筑對水入侵的脆弱性（WV）。計算公式為：

在式（1）中，SV為建筑結構脆弱性標準化分數；WV為建筑對水入侵的脆弱性。SV和WV的范圍為1～5，SV的加權系數等于因為結構承載能力的嚴重損壞可能合理地導致需要昂貴的維修費；水入侵對脆弱性的貢獻等于，這與Olivieri的發現一致[4]。

建筑結構脆弱性SV主要取決于建筑結構的屬性（BV）、建筑所在位置的水深（EX）和任何物體對建筑物保護程度（Prot）3 個因素，計算公式為：

式（2）中，BV是一個標準化分數，它表示受臺風災害影響的建筑本身結構特征，例如建筑結構、地基深度、建筑年代等。EX為水深數據，估計值由建筑位置的預期水深計算得出。Prot表示建筑保護屏障。BV、EX和Prot的范圍為1～5。

淹沒脆弱性WV計算式為：

式（3）中，Wf為淹沒層數；F為建筑總層數。建筑對水入侵的脆弱性用建筑單體被水淹沒的層數表示。

以上各公式中各指標標準分為1～5 分，研究小組采用AHP 通過對所有要素進行兩兩比較，計算權重系數。

2.2 不同區域建筑屬性特征整合

傳統PTVA 模型的指標體系，包括了建筑單體結構脆弱性以及環境因子對建筑單體的影響。傳統PTVA 模型需要經過區域修正，才能有效地評價研究區域范圍內的建筑單體脆弱性。不同災害作用下，房屋建筑抗災表現和特征不同，指標選取各有差異，但其中部分指標在各類災害的選取中基本上一致（例如結構類型、建筑層數、建筑保存狀態等）。

2.3 修正后PTVA 模型

研究小組考慮到臺風災害中風和水對建筑單體的影響，從兩個方面重點選取指標來評價北部灣沿海地區建筑單體臺風脆弱性。一級指標是結構脆弱性指標和臺風危險性指標，二級指標是結構指標和保護屏障指標。根據PTVA模型選取的北部灣沿海地區建筑單體臺風脆弱性的指標如表1 所示，其中相應的三級指標得分設定如表2～4 所示。

表1 修正后建筑單體臺風脆弱性指標表

表2 修正后PTVA 模型的建筑屬性指標Bv 相應脆弱性表

根據表1，公式（1）修正為：

式（4）中，HV是臺風危險性等級，由臺風等級決定。

3 基于AHP 計算建筑物脆弱性指標權重

AHP 是一種定性和定量相結合的、系統的、層次化的分析方法。

（1）建立層次結構模型。建筑單體的相對脆弱性由兩個一級指標決定，即結構脆弱性指標和臺風危險性指標。其中結構脆弱性指標又分為兩個二級指標，即建筑自身結構脆弱性指標和環境影響指標（保護屏障）[3]。研究小組將二級指標分成兩個層次結構，用AHP 計算各自的指標權重。

（2）構造比較判斷矩陣。判斷矩陣的性質為：

（3）單準則排序和一致性檢驗。檢驗公式為：

式（6）中，λmax為最大特征根，W是對應經歸一化的特征向量。

判斷矩陣B具有完全一致性時，λmax=n。但是在一般情況下這是不可能的，所以要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗公式為：

為了檢驗判斷矩陣是否有合理的一致性，需要將一致性檢驗指標CI和隨機一致性指標RI進行比較（見表5），得出檢驗系數CR。

式（8）中，當CR＜0.10，即構造的判

斷矩陣有合理的一致性，不需要重新調整判斷矩陣；當CR＞0.10，則需要調整判斷矩陣，直到CR＜0.10 為止。

表3 PTVA 區域修正模型的建筑保護Prot 指標得分設定表

表4 計算每棟建筑的RVI 時各指標的分級標準表

研究小組根據專家意見，構造建筑結構指標的判斷矩陣，計算各指標特征向量、最大特征根和CI值。根據計算結果，λmax為7.331 5，CI為0.055 3，根據表5 查到對應的RI值為1.32，檢驗系數為0.042，一致性檢驗通過。

研究小組根據專家意見，構造建筑保護屏障指標的判斷矩陣。建筑單體結構指標的權重計算結果如表6 所示。根據層次分析法計算各指標特征向量、最大特征根和CI值。λmax為4.010 4，CI為0.003 5，根據表5 查到對應的RI值為0.90，即檢驗系數為0.003 9，一致性檢驗通過。建筑單體保護屏障指標的權重計算結果如表7 所示。

表5 平均隨機一致性指標表

表6 建筑單體結構指標權重系數表

表7 建筑單體保護屏障指標權重系數表

4 修正后PTVA 模型應用與驗證

4.1 研究區歷史災情

為驗證實驗結果，研究小組選取2014年第9 號超強臺風“威馬遜”在龍門港鎮造成的實際建筑物損毀情況與計算結果做對比。

“威馬遜”在2014年7 月19 日于防城港市光坡鎮沿海地區登陸，是我國1949年以來登陸廣西的最強臺風。據廣西壯族自治區民政廳統計，“威馬遜”共造成北部灣沿海地區500余間房屋倒塌，近1 800 間房屋受到不同程度的損壞[5]。強臺風及超強臺風會破環一些結構較為堅固的建筑物，龍門港鎮的建筑類型有鋼筋混凝土結構、磚混結構瓦頂房、鋼結構棚房、木房，選取“威馬遜”作為研究臺風具有典型性。

4.2 研究區數據收集及處理

2020年6 月，研究小組結合無人機拍攝的龍門港鎮高精度正射影像，對鎮上的建筑單體進行了詳細的實地調查。通過提取無人機拍攝的龍門港鎮建筑正射影像，手動數字化建筑矢量文件并獲得模型所需的特定建筑特征，研究小組得出部分脆弱性指標，構建建筑單體的脆弱性指標體系。之后，對其屬性值進行評分，根據AHP 計算各指標權重，計算龍門港鎮建筑單體的相對脆弱性。

“威馬遜”在光坡鎮登陸時已降格為強臺風。在“威馬遜”登陸期間，廣西沿海出現了84～288 cm的風暴增水，鐵山港增水達到288 cm，但各潮位站最大高潮位均未超過當地警戒潮位[6]。因此，在PTVA 模型中的EX（建筑所在地水深）被刪除。建筑結構脆弱性指標由建筑結構指標BV和保護屏障指標Prot決定。

4.3 結果分析與驗證

2020年6—7 月，研究小組通過對各建筑房屋的主人進行詢問，收集龍門港鎮建筑在“威馬遜”臺風期間建筑的損毀情況，進一步驗證計算成果的準確性。

通過對房屋主人的詢問得知，龍門港鎮的絕大部分瓦房屋頂瓦片被摧毀，鎮上沿海周邊棚房被摧毀（見圖1）。根據實地調查，108 棟建筑物中有38 棟建筑物嚴重受損，其中9 棟建筑物倒塌，其余建筑物受損情況較輕或無受損。計算模型中，有16 棟建筑呈低脆弱性，59 棟相對脆弱性一般，23 棟呈高脆弱性，10 棟相對脆弱性非常高。呈非常高脆弱性的建筑中，磚混結構瓦頂房有7 棟，鐵棚鋼結構房有2 棟，木結構房有1 棟。通過比較，模型計算結果與實際受損情況基本一致。

圖1 龍門港鎮建筑單體受損實地調查結果及相對脆弱性結果對比圖

由此可知，龍門港鎮在“威爾遜”登陸期間嚴重受損的建筑物大部分是臨近海岸的鐵棚或磚混結構瓦頂的房子。此外，從模型驗證過程中可以看出，建筑單體的相對脆弱性差異主要集中在建筑結構、建筑年代、屋面坡度、建筑物位置等因素中。

5 結 語

研究小組根據梳理的北部灣沿海地區建筑和環境特征，改進了PTVA 模型并構建北部灣沿海地區的建筑單體脆弱性指標體系，對北部灣沿海地區的建筑物脆弱性進行評估。

（1）通過龍門港鎮108 棟建筑單體的相對脆弱性分析結果可知，修正后的PTVA 模型能夠比較精確地評估臺風災后的建筑受損情況。

（2）PTVA 模型可以靈活地選取指標，并且可以根據研究區的實際情況進行調整。研究小組使用AHP 來計算建筑單體脆弱性指標的權重值，減少了每個決策過程中不可避免的主觀因素。但是，該方法仍需要收集大量的屬性數據。在未來，應積極地推進全國自然災害綜合風險普查工作，構建全國自然災害綜合風險普查系統，進而提高收集數據的效率。

（3）根據PTVA 模型產出的建筑單體脆弱性指標體系，可以制作顯示每棟建筑相對脆弱性指數的專題地圖，為地方政府進行未來城市規劃、制定應急方案、進行全國自然災害綜合風險普查等決策提供參考。