葉 昆, 李 黎, 張 斐

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會， 湖北 武漢 430023)

隨著新一代工程建設(shè)標準的頒布實施，我國進入了新一輪抗震防災(zāi)規(guī)劃的研究和編制時期。震害預(yù)測工作是抗震防災(zāi)規(guī)劃基礎(chǔ)研究的重要組成部分，是規(guī)劃編制的依據(jù)。傳統(tǒng)的建筑震害預(yù)測方法包括經(jīng)驗總結(jié)法[1]、直接統(tǒng)計法、當量統(tǒng)計法[2]、專家評估法[3]、模糊類比法[4]以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析方法[5]等，這些方法大多是以建筑物的物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，計算結(jié)果具有較高的精度，采用上述方法進行城市建筑抗震性能評價是，需要對建筑按照一定的抽樣率進行抽樣，對抽樣建筑按照單體的計算方法進行計算，經(jīng)過統(tǒng)計得到城市建筑的評價結(jié)果。對于城市的一般建筑，抽樣率一般占該類建筑總面積的8%～11%為宜[6]，對于國內(nèi)大部分城市來講，這樣的抽樣率意味著將有超過數(shù)百萬甚至數(shù)千萬平米的建筑需要調(diào)查，如果采取原來的方法進行震害預(yù)測，則需要調(diào)查每一棟房屋的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，其現(xiàn)場調(diào)查的工作量將是十分驚人的。同時，由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市建筑物的現(xiàn)狀資料在不斷的變化，因此震害預(yù)測的結(jié)果也是動態(tài)的，存在著數(shù)據(jù)庫更新和調(diào)整震害預(yù)測結(jié)果的問題。而信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得對城市群體建筑進行快速震害預(yù)測成為可能。

為了掌握武漢市城區(qū)建筑在目前抗震設(shè)防標準下的抗震能力，滿足新的武漢抗震防災(zāi)規(guī)劃的工作要求。華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院受武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(即武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃修編工作領(lǐng)導(dǎo)小組)委托，承擔“武漢城區(qū)建筑抗震性能評價”這一子課題。基于該項目，本文利用以房屋的結(jié)構(gòu)類型、高度、建設(shè)年代和用途為震害影響因子的震害預(yù)測方法，研制開發(fā)了一套“城市建筑快速震害預(yù)測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)，通過一個標準的Windows風(fēng)格界面實現(xiàn)所有功能，系統(tǒng)中的程序采用Visual Basic編制，建筑物的樣本及調(diào)查數(shù)據(jù)采用Access數(shù)據(jù)庫進行建立和管理，與程序進行開放連接。震害預(yù)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足武漢城區(qū)建筑大多數(shù)結(jié)構(gòu)類型的抗震性能評價。

1 群體建筑抗震性能評價原理

震害類比預(yù)測的基本原理是利用加權(quán)海明(Hamming)距離來度量2幢建筑物之間的相似程度[7]：

(1)

式中，f(X,Y)為海明距離；X、Y為兩棟不同的建筑；xi、yi為建筑物需要類比的參數(shù)；ωi(i=1,2,…,n)為權(quán)重，表示每個因素的重要程度；n為類比參數(shù)的個數(shù)。如果已知N棟建筑單體Sj(j=1,2,…,N)的抗震性能評價結(jié)果，則建筑物X的評價結(jié)果與建筑物Sβ的震害結(jié)果相當，β∈[1,N]，只要滿足：

(2)

選取建筑的用途、建設(shè)年代、場地類別和建筑層數(shù)作為抗震性能評價的類比參數(shù)，按照其對建筑物抗震性能的影響程度分別給予不同的權(quán)重，本項目研究中不同震害因子量化方案及其權(quán)重見表1，震害因子量化方案采取了“同趨向”原則，即對于表中各因素取值大小的排列順序與結(jié)構(gòu)抗震性能的強弱有規(guī)律性的對應(yīng)關(guān)系，所取的值越大，對應(yīng)的抗震性能越好。

表1 震害因子量化方案及權(quán)重

利用調(diào)查建筑與樣本建筑中所具有相同結(jié)構(gòu)類型的建筑進行類比，其海明距離為：

f=[f11f12…f1n]

(3)

其中，最小值fmin所對應(yīng)的建筑抗震性能評價結(jié)果從表面上看來與調(diào)查建筑的評價結(jié)果最為相似，應(yīng)取其作為待測建筑物的震害預(yù)測結(jié)果。但是在類比過程中所選用的因素的影響，且由于樣本庫中樣本結(jié)果具有一定的不確定性，導(dǎo)致震害預(yù)測結(jié)果可能會產(chǎn)生一定的誤差。為此，取海明距離中的最小5個值，對其所對應(yīng)的建筑物震害指數(shù)進行平均，以減小震害結(jié)果的不確定性。以Ii(i=1,2,3,4,5)表示所取得海明距離最小的5個值所對應(yīng)的建筑物震害指數(shù)，則調(diào)查建筑的評價結(jié)果為：

(4)

2 群體建筑抗震性能評價系統(tǒng)的建立

2.1 評價系統(tǒng)框架

評價系統(tǒng)框架的示意圖如圖1所示。評價系統(tǒng)自動分析計算樣本庫中的建筑與調(diào)查建筑的相似程度，得到調(diào)查建筑的震害指數(shù)，并自動將計算結(jié)果返回到調(diào)查數(shù)據(jù)庫中。

圖1 武漢市城區(qū)建筑抗震性能評價系統(tǒng)

2.2 樣本庫的建立

針對武漢市建筑房屋抗震調(diào)查數(shù)量多(共計2萬多棟)，結(jié)構(gòu)形式多樣，建筑房屋年代、用途分布廣等特點，如對每棟建筑一一進行單獨計算，其工作量則很是繁瑣，且不利于武漢市建筑房屋震害預(yù)測的可持續(xù)性發(fā)展。因此，需建立一套集數(shù)據(jù)管理、震害評價和查詢統(tǒng)計功能于一體的震害評價系統(tǒng)。而在該系統(tǒng)中，樣本庫的合理建立將是重中之重。

樣本庫的建立途徑主要有兩種：(1)基于已有的震害矩陣。自上個世紀邢臺地震以來，許多科學(xué)研究工作者和土木工程師在地震現(xiàn)場收集了各類結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)、建筑用料、地基狀況和震害等資料，考察了單體結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和破壞機理，同時又對建筑物群體進行不同破壞等級的百分比統(tǒng)計，積累了一大批在地震中各類結(jié)構(gòu)震害的珍貴資料，形成了一個地區(qū)房屋震害情況的專家知識庫，采用其已有的震害矩陣來對城市的群體建筑進行抗震性能評價。(2)通過詳細的單體計算，建立樣本庫。通過對抽樣樣本進行單體計算，可直接利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析理論的簡化評價方法或有限元建模分析，進行較為詳盡的抗震能力評價。在進行樣本庫抽樣時，以建設(shè)年代為第一劃分，再以建筑用途為第二次劃分，最后以結(jié)構(gòu)形式為第三次劃分。盡量覆蓋武漢市現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)類型，增強系統(tǒng)的評價能力。

樣本數(shù)據(jù)庫包括以下若干個子數(shù)據(jù)庫：木結(jié)構(gòu)、老舊民房、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土內(nèi)框結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土底框結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)、單層廠房結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。樣本數(shù)據(jù)庫采用微軟Office中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫工具Access來建立，能夠匯集各種信息以供查詢、儲存和檢索，同時使用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言通過標準的Windows接口可以對數(shù)據(jù)庫進行操作。

2.3 評價系統(tǒng)功能

評價系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)，通過標準的Windows風(fēng)格界面實現(xiàn)所有功能，系統(tǒng)中的程序采用Visual Basics編制，建筑物的樣本及調(diào)查數(shù)據(jù)采用Access數(shù)據(jù)庫進行建立和管理，與程序開放連接。通過Access數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、修改、匯總和打印功能(如圖2所示)。對于新建房屋，通過交互式的輸入界面，將用戶輸入的建筑物數(shù)據(jù)添加到系統(tǒng)中的Access數(shù)據(jù)庫中，進而提交給計算模塊進行分析。

圖2 評價系統(tǒng)輸入界面

圖3 評價系統(tǒng)震害預(yù)測界面

震害預(yù)測功能是系統(tǒng)的核心，按照以上介紹的模糊類比預(yù)測方法對城區(qū)建筑進行震害預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果添加至系統(tǒng)中的Access數(shù)據(jù)庫中(如圖3所示)。使用嵌入式SQL語言可以根據(jù)不同的查詢條件下了解建筑的震害情況，并形成相應(yīng)的震害矩陣。

2.4 評價系統(tǒng)的驗證

汶川大地震后，武漢市教育主管部門對全市的中小學(xué)建筑由專業(yè)鑒定部門進行了“校安工程”的抗震排查鑒定。為了驗證本項目所開發(fā)研制的抗震性能評價系統(tǒng)的可靠性，對教育主管部門提供的“校安工程”中604棟中小學(xué)建筑的抗震排查鑒定結(jié)論與本系統(tǒng)的震害評價結(jié)論逐一進行了對比。由于兩者結(jié)論的表示方法有所不同，抗震性能評價結(jié)論是按小震、中震、大震、巨震下分別給出五級評價結(jié)果，而“校安工程”則不分地震等級按不需加固、維修加固、抗震加固、拆除重建這四個等級給出結(jié)果。通過與相應(yīng)鑒定部門進行交流：大震及巨震下評價結(jié)果為嚴重破壞與倒塌等價于“校安工程”排查鑒定的拆除重建等級，大震及巨震下評價結(jié)果為中等破壞與嚴重破壞等價于“校安工程”排查鑒定的抗震加固等級，大震及巨震下評價結(jié)果為中等破壞等價于“校安工程”排查鑒定的維修加固等級，大震及巨震下評價結(jié)果為輕微破壞等價于“校安工程”排查鑒定的不需加固等級。經(jīng)比較，只有33棟建筑的兩者結(jié)論存在一個等級的誤差，正確率為94.52%，說明本評價系統(tǒng)對調(diào)查建筑的抗震性能評價具有較高的可靠性。

3 群體建筑抗震性能評價系統(tǒng)的應(yīng)用

所建立的武漢城區(qū)建筑抗震性能評價系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于“武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃”中。利用該評價系統(tǒng)，得到了武漢中心城區(qū)建筑在小震、中震和大震下的震害矩陣(如表2所示)。從中可以看出：武漢市城區(qū)建筑在小震下99.56%的房屋建筑為完好或發(fā)生輕微破壞，不會出現(xiàn)倒塌情況；在中震下78.11%的房屋建筑完好或發(fā)生輕微破壞，發(fā)生嚴重破壞的占3.51%，有0.74%會發(fā)生倒塌；在大震情況下發(fā)生嚴重破壞與倒塌的房屋建筑將占14.91%。

表2 武漢市城區(qū)建筑震害矩陣(按面積統(tǒng)計)

武漢市城區(qū)建筑主要結(jié)構(gòu)類型的建筑其震害矩陣如下各表所示。

表3 框架結(jié)構(gòu)震害矩陣(按面積統(tǒng)計)

表4 砌體結(jié)構(gòu)震害矩陣(按面積統(tǒng)計)

表5 底框及內(nèi)框結(jié)構(gòu)震害矩陣(按面積統(tǒng)計)

表6 框架剪力墻結(jié)構(gòu)震害矩陣(按面積統(tǒng)計)

武漢市一般建筑總體上滿足抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。但武漢市是一個特大城市，其城區(qū)建筑總面積達29440.5萬平方米，從嚴重破壞和倒塌的絕對數(shù)量來看，其數(shù)量值還是很大的，中震時的破倒建筑面積有1288余萬平方米，大震時破倒建筑面積可達4704余萬平方米。為保證人民生命財產(chǎn)的安全、保證在預(yù)估的地震影響下城市能正常運轉(zhuǎn)、城市功能不致中斷，制定城市抗震防災(zāi)規(guī)劃、為可能來襲的地震做好充分的準備是十分必要的。

4 結(jié) 論

(1)本文所研制開發(fā)的城區(qū)建筑抗震性能評價系統(tǒng)，適應(yīng)新時期制定抗震防災(zāi)規(guī)劃的需要，使震害預(yù)測工作得到簡化，加速了城市抗震防災(zāi)規(guī)劃的編制進程。

(2)該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于武漢市城區(qū)建筑抗震性能評價工作，但是還有待于更多的實踐檢驗、補充和完善。本系統(tǒng)的進一步完善和加強必將成為新時期城市抗震防災(zāi)規(guī)劃編制的有力工具。

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