景冰冰 李小軍 陳 蘇 劉 辰 熊政輝

基于結構類型和使用功能的建筑分類及其應用1

景冰冰1）李小軍1，2，4）陳 蘇2）劉 辰3，4）熊政輝2）

1）北京工業(yè)大學，建工學院，北京 100124 2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081 3）中國再保險集團股份有限公司博士后工作站，北京 100033 4）中國地震風險與保險實驗室，北京 100081

基于結構類型的建筑分類是抗震設計和地震災害分布調(diào)查的基礎，也是開展建筑結構地震易損性研究所依據(jù)的分類形式，而在社會管理中則更注重基于使用功能的建筑分類。上述2種建筑分類方法難以給出恰當?shù)慕?jīng)濟損失評估結果，因此在面向地震巨災保險研究與應用時存在一些不足。首先，傳統(tǒng)的建筑分類將建筑的使用功能與結構類型平行處理，未考慮建筑結構類型和建筑使用功能的耦合影響；其次，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，建筑結構形式和使用功能均不斷地變化，需要發(fā)展適用性強大的非固定類型分類方法。本文針對地震巨災保險業(yè)務中建筑分類這一核心問題，結合中國建筑形式和使用功能，從建筑結構分類出發(fā)，進一步考慮建筑的使用功能，形成了基于結構類型-使用功能多因素耦合的建筑分類模型，并以北京市典型區(qū)域為例，對所提出的建筑分類模型開展應用示范。同時，本文提出的建筑分類模型結合網(wǎng)絡信息技術，可解決傳統(tǒng)分類應用于具體目標區(qū)域時分類指標體系不具備可變性的問題，滿足了地震巨災保險的數(shù)據(jù)需求。

地震 巨災保險 建筑分類 信息提取

引言

在建筑抗震設計和地震災害評估等工作中，均需考慮建筑結構類型問題，并對結構上的差異進行分別處理。地震風險分析和地震保險工作也涉及建筑分類問題，地震風險研究與應用早期體現(xiàn)為地震災害損失評估與預測工作。美國開展地震損失評估較早，國際知名的組織機構和風險模型公司已設計出針對地震巨災的分析模型，如美國聯(lián)邦應急部的HAZUS模型（FEMA，2018）及著名美國企業(yè)RMS和AIR的相關模型，均對所研究的建筑進行了詳細的分類。1982年10月FEMA與應用技術委員會（ATC）簽訂合同，對美國加州地區(qū)地震風險開展評估工作，對地震破壞損失進行估計，編制地震破壞損失清單，以確定各工程設施在不同MMI烈度水平地震作用下的易損性矩陣，并發(fā)表了《加利福尼亞未來地震的損失估計》（ATC-13）（美國應用技術委員會，1991）。ATC方法提出對于預測對象需從工程結構和使用功能2個角度進行分類研究。即使2棟設施的建筑結構相似，但用途不同，所造成的經(jīng)濟損失和社會影響可能差異很大。ATC-13明確地將建筑設施的使用功能和破壞程度聯(lián)系起來，根據(jù)工程設施的尺度、結構系統(tǒng)和類型，從工程結構角度，根據(jù)在加利福尼亞現(xiàn)有的結構清單中所占優(yōu)勢的程度和抗震性能，將預測對象分為78種結構類型，其中建筑物40種，其它結構類型38種；根據(jù)設施的經(jīng)濟功能，考慮美國國務部的4位數(shù)標準工業(yè)分類（Four-digit Standard Industrial Classification）中所列出的全部設施類型，分為35種。ATC-13方法雖然考慮全面，但由于該方法完全針對美國建筑特點，主要體現(xiàn)美國的災害損失特點，與中國的實際建筑結構特點和用途有較大差異，其確定的建筑分類結果很難直接用于具有明顯本土化的中國建筑類型。Spence等（2008）針對保險和再保險行業(yè)，結合建筑結構類型和建筑使用功能進行分類，將建筑分為28種結構類型和14種用途。然而，上述分類研究都未涉及中國建筑設施的特點，所獲得的建筑分類模型難以直接對中國的建筑進行恰當分類。

1976年唐山地震后，中國開始進行地震風險預測并相應頒布了諸多規(guī)范，不同的規(guī)范給出了諸多建筑分類方式，但各類規(guī)范（中華人民共和國建設部等，2004；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等，2010；中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2015）面向不同目的，導致了其分類的側(cè)重點不同。建筑抗震設計規(guī)范所關心的是建筑的可能破壞形式，相同結構類型的建筑在遭遇地震時，其破壞形式有一定的相似性。因此，在抗震減災相關規(guī)范中，一般按照建筑結構類型劃分為6類。地震發(fā)生后，各省市地震局及相關部門將對災害損失進行快速評估（國家地震局等，1996）。然而由于各地地理環(huán)境及經(jīng)濟水平差異，各地的建筑結構類型也不盡相同。考慮到震后快速評估工作對評估時效性有一定的要求，災評報告通常將建筑結構相似、建造價值相近的建筑劃分為同一類建筑，并對一部分建筑的分類進行簡化處理，因此該分類不能滿足保險公司對數(shù)據(jù)的精確度要求。此外，隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，建筑的種類不斷增加，建造水平的提高以及功能區(qū)分的逐漸細化使得建筑的現(xiàn)狀與歷史震害中的建筑資料差異增大。因此，需要及時地對建筑資料進行更新和分類。

除各類規(guī)范對建筑物進行了分類外，中國許多學者也根據(jù)不同的研究需求對建筑物進行了相應的分類。1995年，中國地震局開展適合中國國情的震害預測和損失評估工作，發(fā)展和提出了一些建筑物分類和相應的地震易損性模型。尹之潛（1996）為研究建筑設施的易損性，將中國建筑物分為21類；徐敬海等（2002）從震害預測的角度，將房屋結構分為多層磚房、單層工業(yè)廠房、鋼筋混凝土多層及高層樓房、內(nèi)框架和底框架房屋、空曠房屋和老舊民房。然而，地震災害發(fā)生后，不同用途的相同結構建筑所造成的災害經(jīng)濟損失和人員傷亡也將有顯著差異，這也直接影響災后損失評估和保險理賠的效率和準確度。另外一些學者采用遙感技術對建筑結構進行分類，根據(jù)建筑外觀、光譜特征、尺寸差異、灰度、表面光滑度等將建筑結構分類，如徐偲等（2014）將小型城鎮(zhèn)建筑與農(nóng)田、道路和水體進行了區(qū)分。該分類方法限于技術上的精確度，無法滿足巨災保險的數(shù)據(jù)要求。因此，符合中國國情的建筑物分類對于地震風險研究及未來地震巨災保險體系建設十分必要。為滿足地震風險分析，建立地震巨災保險體系，需要建立更詳細且更符合中國建筑特性的建筑分類清單。

地理信息系統(tǒng)（GIS）在地震風險研究中有廣泛的應用，鄔親敏（2004）、呂紅山（2005）、陳洪富（2012）等結合GIS技術，建立了相關地震信息數(shù)據(jù)庫，并對地震風險進行了研究。結合GIS技術，可對地震承災體的數(shù)據(jù)快速、精確地定位，并提供動態(tài)的分析，節(jié)省了大量的人力、物力。網(wǎng)絡爬蟲可使研究人員獲取承災體屬性數(shù)據(jù)以及矢量數(shù)據(jù)，解決了GIS中數(shù)據(jù)獲取的難點。

本文運用數(shù)字地圖接口（API開發(fā)）結合地理信息系統(tǒng)（GIS）和網(wǎng)絡爬蟲技術等手段，對建筑進行分類，旨在提供不同城市或區(qū)域的建筑信息，該方法可避免大量人工實地調(diào)查，以期解決傳統(tǒng)分類在針對具體目標區(qū)域時分類指標體系不具備可變性等問題。

1 建筑分類方法

傳統(tǒng)建筑結構分類主要為抗震設計服務，偏重于研究各類建筑結構的破壞方式，而較少考慮導致的建筑及相關經(jīng)濟損失比例以及造成的社會影響方面的因素。結合建筑結構類型和使用功能，并考慮中國的建筑現(xiàn)狀，本文建立1種多因素耦合的建筑分類模型，通過統(tǒng)計分析現(xiàn)有的土地規(guī)劃、建筑設計規(guī)范、歷史震害資料以及中國建筑結構特性，設計基于結構類型-使用功能的建筑分類；通過參考歷史災評報告以及現(xiàn)階段可獲取的建筑易損性信息，建立面向地震保險業(yè)務的建筑結構-使用功能分類。形成的建筑分類既可體現(xiàn)時代特征，又可結合區(qū)域特點；既考慮了建筑的結構特性，同時也對建筑的使用功能進行了考察。

利用建立的建筑分類模型，通過地圖API開發(fā)、GIS空間分析以及網(wǎng)絡爬蟲技術提取相關信息，形成具有區(qū)域特點的結構-使用功能區(qū)域化分類，為地震風險分析、地震保險研究提供參考依據(jù)。

1.1 中國建筑的主要結構類型及使用功能

現(xiàn)有能收集到的各類資料來源主要為相關建筑規(guī)范、各地災評報告以及震后現(xiàn)場工作報告（中國地震局監(jiān)測預報司，2001；中國地震局震災應急救援司，2006，2011）。結構類型-使用功能分類從建筑的結構類型及其使用功能2方面對中國現(xiàn)存的建筑進行分類。其目的是在考察建筑結構破壞情況的同時，對其所造成的經(jīng)濟損失進行統(tǒng)計。由于中國各地經(jīng)濟發(fā)展不均衡且氣候差異較大，各地的建筑類型有較大的差異，此外，不同結構類型的抗震能力存在差異，且相同結構類型的建筑物也有不同的用途。結合中國現(xiàn)有建筑規(guī)范、災評報告以及現(xiàn)場實地調(diào)查報告，總結出常用建筑的結構類型、地域分布及其用途，見表1。

表1 常用建筑的結構類型、地域分布及其用途

續(xù)表

1.2 基于結構類型-使用功能的建筑分類模型

隨著社會的發(fā)展，建筑的使用功能更專一和細化，從而形成了更多的用途類型，本文將采用更細化的分類方法。為此，在建筑結構分類的基礎上，考慮建筑使用功能分類，并進一步研究基于結構類型-使用功能的建筑分類，如圖1所示?；诮Y構類型-使用功能的建筑分類旨在從建筑的結構類型和使用功能2方面對中國現(xiàn)存的建筑進行分類。在災害性地震發(fā)生后，利用該分類可對災區(qū)建筑結構的破壞情況進行調(diào)查，也可對所造成的經(jīng)濟損失進行合理評估。

上述建筑結構類型-使用功能分類模型是涉及全部建筑結構和建筑使用功能的組合分類模型，可形成眾多的分類類型。ATC-13中提到“分類清單越詳細，結果越不準確”，其原因是清單越詳細，可變性越差，當1個給定的分類表格與調(diào)查區(qū)域資料出現(xiàn)不一致時，用既定的數(shù)據(jù)進行預測或評估將出現(xiàn)較大的偏差。建筑結構類型-使用功能分類模型的“分類清單”較為詳細，很難由傳統(tǒng)方法實現(xiàn)。為此，需要借助地圖API和GIS等技術，為基于結構類型和使用功能的建筑分類提供靈活的、可及時更新的建筑信息基礎。依據(jù)結構類型-使用功能的建筑分類采用地圖API開發(fā)、GIS空間分析等手段，可生成具有區(qū)域特點的建筑分類形式。

圖2 建筑結構類型-使用功能區(qū)域化分類信息提取技術流程

2 分類模型的構建流程

構建區(qū)域化結構類型-使用功能分類模型的典型技術流程如圖2所示。從技術流程可以看出，建筑結構和用途等方面信息的提取是建筑分類的關鍵基礎。信息提取系統(tǒng)采用B/S架構，服務端與客戶端采用WEBGIS技術展現(xiàn)地理基礎數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)查詢等交互式訪問，可進行大批量的空間查詢。使用互聯(lián)網(wǎng)地圖免費提供的API獲取城市及興趣點（point of interest，簡稱POI）信息，可獲取覆蓋全國城鎮(zhèn)的建筑名稱、地理位置信息、關系信息以及用途信息。進一步通過網(wǎng)絡爬蟲技術抓取鏈家官網(wǎng)[1]數(shù)據(jù)，獲取商務住宅房屋結構信息。目前，鏈家官網(wǎng)已覆蓋全國32個城市，可提供北京、上海、深圳及其輻射區(qū)域內(nèi)的完備的建筑基礎信息。通過百度API獲取到現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)地圖上所有可能的建筑用途，共19大類，869小類，見表2。

表2 百度API獲取的建筑物POI分類

基于建筑經(jīng)緯度、結構類型及用途等信息，首先對建筑進行結構類型和使用功能分類，隨后進一步對建筑的結構類型與使用功能耦合處理，得到建筑的結構類型-使用功能分類。此方式便于分庫存儲，也可根據(jù)業(yè)務需求轉(zhuǎn)換為對應的字段關系，提高查詢性能。

以北京為例，建筑結構功能性空間分布信息如圖3所示，采用地圖瓦片的形式，對每個圖層進行屬性設置，進而構成了多層次的建筑屬性空間分布。圖3中C層的指標為POI中篩選出的詳細分類，屬于D1商業(yè)分類指標的子集；D層的指標為高于C層的指標分類，所包含的內(nèi)容更廣泛。通過不同指標的選擇，可篩選所需分類下的信息數(shù)據(jù)。考慮到地震保險關心單個投保標的損失，對于建筑物的空間表達，參考呂紅山（2005）的表達方式，采用多邊形特征來表示建筑物的輪廓。

圖3 兼?zhèn)涓黝愄匦缘慕ㄖY構功能性空間分布

此外，在互聯(lián)網(wǎng)地圖中，建筑所有者會因自身需求對建筑信息進行更新。因此，使用互聯(lián)網(wǎng)地圖接口的建筑結構類型-使用功能分類，其建筑結構可隨互聯(lián)網(wǎng)地圖進行更新，克服了傳統(tǒng)建筑分類由于不可變性和難以更新性造成的分類落后于時代的缺點。

3 分類模型的應用示例

本文共收集到北京市的相關建筑10余萬棟，形成了北京市建筑結構數(shù)據(jù)庫。通過網(wǎng)絡爬蟲技術，抓取鏈家官網(wǎng)信息得到建筑結構信息，建筑結構類型被簡單地分為鋼混結構、磚混結構和混合結構，其中混合結構包含了鋼混結構和磚混結構以外的建筑結構類型。以北京市朝陽區(qū)某街區(qū)A與北京市西城區(qū)某街區(qū)B為例，按照建筑結構分類，對街區(qū)的建筑信息進行展示，如圖4、圖5所示。

圖4 按結構類型-使用功能分類的朝陽區(qū)A街區(qū)建筑群

圖4、圖5是建筑矢量數(shù)據(jù)按結構類型-使用功能耦合屬性的表達，其中，類型相同的建筑用同色系色塊表示。從圖中可以看出，2個街區(qū)的建筑類型有顯著的不同，朝陽區(qū)A街區(qū)建筑以鋼混結構的居民建筑為主，西城區(qū)B街區(qū)建筑多為混合結構樓房，建筑用途類型較為多樣，兼具教育、商業(yè)和居住等用途。其原因是朝陽區(qū)所選街區(qū)大部分為2000年以后的新建民宅小區(qū)，結構相對先進；西城區(qū)所選街區(qū)屬于老舊城區(qū)，建筑年代多為1980年以前，所選區(qū)域的開發(fā)相對較早，因此建筑用途相對具有多樣性，而建筑結構則較為單一，多為混合結構。隨著建筑水平的提高和建筑材料的改進，2000年以后的小區(qū)多為鋼混結構，而20世紀80年代以前的建筑多為混合結構。通過分析，得到了按結構-使用功能分類的北京市建筑分布比例，見表3。

依據(jù)地圖瓦片的形式，在WEBGIS平臺進行建筑結構類型-建設年代信息的篩選提取，結果如圖6所示。經(jīng)過篩選，風險研究人員和保險公司可更直觀地認知承保區(qū)域的建筑價值及抗震能力。

圖5 按結構類型-使用功能分類的西城區(qū)B街區(qū)建筑群

圖6 研究區(qū)域內(nèi)建筑結構-建筑年代分布

表3 按結構-使用功能分類的北京市建筑分布比例（單位：%）

4 結論

綜合考慮結構類型和使用功能，對建筑進行分類，形成了1種基于結構類型-使用功能的建筑分類模型，該分類模型適用于中國地震風險損失評估和地震保險系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡爬蟲、互聯(lián)網(wǎng)地圖API和WEBGIS相結合的信息提取方法，使得建筑分類的形式具有區(qū)域可變性和易更新性，所獲得的建筑分類信息更加準確且更符合時代特點。此外，結合建筑使用功能的分類，考慮了建筑物的社會經(jīng)濟價值，在進行災害損失評定時，對間接經(jīng)濟損失的確定提供了依據(jù)。以北京為例對本文的建筑分類進行了應用，結果顯示出建筑結構類型-使用功能分類模型的有效性和實用性，分類結果可提供建筑的結構類型、建設年代和用途等信息，其使用功能可形成多達19大類、869小類的分類數(shù)據(jù)，為震后建筑結構破壞和經(jīng)濟損失的快速評估以及地震保險業(yè)務提供基礎。

但從初步的應用看，建筑結構和用途的數(shù)據(jù)來源存在一定的缺陷，如鏈家網(wǎng)站對中小型城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建筑數(shù)據(jù)覆蓋不全面、建筑結構分類不夠詳細、山區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)地圖可能存在更新不及時等情況，均是制約建筑結構類型-使用功能分類方法應用的重要因素。因此，需要進一步挖掘建筑信息數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)提取技術，建立可快速更新、動態(tài)管理的城鄉(xiāng)建筑信息數(shù)據(jù)庫，以提高建筑分類的全面性、準確性及分類結果的時效性和可靠性。

目前，地震工程對于地震保險研究的主要貢獻是為地震風險評估模型提供建筑的結構易損性曲線或震害矩陣，側(cè)重點在于結構的破壞狀態(tài)和結構的抗震性能，較少考慮建筑使用功能對于易損性的影響，然而使用功能對于易損性的影響不能忽略。直接經(jīng)濟損失往往受建筑價值或重置價值影響，間接經(jīng)濟損失則由建筑的使用功能及其遭受的影響來決定。因此，同時考慮結構類型和使用功能的建筑物分類方法為研究地震保險中建筑物的直接和間接損失提供了一定的理論基礎。

陳洪富，2012．HAZ-China地震災害損失評估系統(tǒng)設計及初步實現(xiàn)．哈爾濱：中國地震局工程力學研究所．

國家地震局，國家統(tǒng)計局，1996.（1990—1995）中國大陸地震災害損失評估匯編．北京：地震出版社．

呂紅山，2005．基于地震動參數(shù)的災害風險分析．北京：中國地震局地球物理研究所．

美國應用技術委員會，1991．加利福尼亞未來地震的損失估計．曹新玲，譯．北京：地震出版社．

鄔親敏，2004．建筑物地震保險評估方法與信息管理系統(tǒng)研究．青島：中國海洋大學．

徐敬海，劉偉慶，鄧民憲，2002．建筑物震害預測模糊震害指數(shù)法．地震工程與工程振動，22（6）：84—88．

徐偲，周堅華，2014．多描述符和多尺度城鎮(zhèn)建筑分類．遙感信息，29（2）：17—22，55．

尹之潛，1996．地震災害及損失預測方法．北京：地震出版社．

中國地震局監(jiān)測預報司，2001．（1996—2000）中國大陸地震災害損失評估匯編．北京：地震出版社．

中國地震局震災應急救援司，2006．2001—2005年中國大陸地震災害損失評估匯編．北京：地震出版社．

中國地震局震災應急救援司，2011．2006—2010年中國大陸地震災害損失評估匯編．北京：地震出版社．

中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2015．GB/T 19428—2014 地震災害預測及其信息管理系統(tǒng)技術規(guī)范．北京：中國標準出版社．

中華人民共和國建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2004．GB 50011—2001 建筑抗震設計規(guī)范．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2010．GB 50011—2010 建筑抗震設計規(guī)范．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

FEMA, 2018. Hazus technical and user's manuals. (2019-05-07). https://www.fema.gov/media-library/ assets/ documents/24609.

Spence R., So E., Jenny S., et al., 2008. The Global Earthquake Vulnerability Estimation System (GEVES): an approach for earthquake risk assessment for insurance applications. Bulletin of Earthquake Engineering, 6(3): 463—483.

Structure Type and Function of Building-Based Building Classification and Its Application

Jing Bingbing1), Li Xiaojun1, 2, 4), Chen Su2), Liu Chen3, 4)and Xiong Zhenghui2)

1) College of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China 3) Postdoctoral Workstation of China Reinsurance (Group) Corporation, Beijing 100033, China 4) China Earthquake Risk and Insurance Laboratory, Beijing 100081, China

The structure type based on building classification is the fundamental of seismic design and earthquake disaster investigation, and is also the classification form of research basis of seismic vulnerability of building structures. In social management, however, more attention is paid to the function based building classification. In general, both these two kinds of building classification methods have some shortcomings in the research and application of earthquake catastrophe insurance, because it is difficult to give the appropriate economic loss evaluation results based on these two traditional building classification methods. First of all, in traditional building classification methods we take the building function in parallel with the building structure type, without considering the coupling effect between the building structure type and the building function. Secondly, with the development of economy and society, the building structure types and functions change constantly. It is necessary to develop a building classification method with non-fixed classes and strong applicability. To solve this core problem of building classification method in earthquake catastrophe insurance, considering the features of Chinese architectural forms and use purpose, a multi-factor coupled building classification model based on building structure type and function was developed in consideration of building classification based on both the structure type and the building function. Taking the typical area of Beijing as an example, we conducted the demonstration by applying the proposed structure type-function based on building classification method. Finally, in order to meet the data demand of earthquake catastrophe insurance, we propose that the combination of network information technology to solve the problem that the classification index system does not have the variability when the traditional classification is applied to the specific target area.

Earthquake; Catastrophe insurance; Building classification; Information extraction

10.11899/zzfy20190204

國家重點研發(fā)計劃（2018YFC1504600），中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項（DQJB17C03、DQJB17T01），國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金（51421005）

2019-01-10

景冰冰，女，生于1989年。博士研究生。主要從事巨災保險研究工作。E-mail：bingbingj@hotmail.com

李小軍，男，生于1965年。研究員。主要從事工程抗震減災與地震波動數(shù)值模擬研究工作。E-mail：beerli@vip.sina.com

景冰冰，李小軍，陳蘇，劉辰，熊政輝，2019．基于結構類型和使用功能的建筑分類及其應用．震災防御技術，14（2）：293—303．

[1] https://bj.lianjia.com/