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(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084；2. 北京市地震局，北京 100080)

“社區(qū)”這一概念最早出現(xiàn)在德國(guó)社會(huì)科學(xué)家滕尼斯寫(xiě)于1887 年的《社區(qū)與社會(huì)》一書(shū)中?，F(xiàn)在學(xué)界一般將城市社區(qū)定義為在城市一定范圍內(nèi)，按照相關(guān)規(guī)定和制度結(jié)合而成的，具有一定共同經(jīng)濟(jì)利益和居民心理因素的城市社會(huì)群體和社會(huì)組織[1]。我國(guó)目前的社區(qū)建設(shè)多以法定社區(qū)為界，居委會(huì)社區(qū)、街道、區(qū)等范圍都可視為社區(qū)。社區(qū)的地域界限不宜太大，以居民日常生活能夠發(fā)生交互為界；也不宜太小，需要覆蓋基本的社會(huì)服務(wù)設(shè)施和組織機(jī)構(gòu)。在北京市內(nèi)“街道”一級(jí)的行政范圍較為符合本文中“城市社區(qū)”的概念。

在地震災(zāi)害情境下，Bruneau 等[2]將韌性定義為社會(huì)單元能夠減輕災(zāi)害，吸收災(zāi)害發(fā)生時(shí)的影響及采取措施及時(shí)恢復(fù)，以減小社會(huì)擾動(dòng)和減輕未來(lái)地震影響的能力。本文結(jié)合中國(guó)防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際情況，將韌性定義為系統(tǒng)在受到外界擾動(dòng)時(shí)抵抗、調(diào)整、恢復(fù)和適應(yīng)的能力。這里韌性有兩方面含義：一是降低外界擾動(dòng)帶來(lái)的影響；二是擾動(dòng)帶來(lái)的影響發(fā)生后能夠及時(shí)恢復(fù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)韌性評(píng)價(jià)的框架都進(jìn)行了有益的探索。在國(guó)外，舊金山灣區(qū)都市規(guī)劃研究協(xié)會(huì)(SPUR)[3]提出了建設(shè)具有地震韌性的舊金山灣區(qū)的目標(biāo)；俄勒岡州提出了俄勒岡州韌性計(jì)劃[4]以應(yīng)對(duì)未來(lái)地震和海嘯的風(fēng)險(xiǎn)；美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)提出了針對(duì)建成環(huán)境的社區(qū)韌性規(guī)劃指南(CRPG)[5]，旨在幫助社區(qū)的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)制定長(zhǎng)期韌性目標(biāo)以及相應(yīng)的韌性規(guī)劃。

在國(guó)內(nèi)，孟令君等[6]在2015 年聯(lián)合國(guó)環(huán)境署和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織頒布的韌性、適應(yīng)性和轉(zhuǎn)變?cè)u(píng)價(jià)框架(RATA Frame)的基礎(chǔ)上對(duì)已有社區(qū)韌性指標(biāo)進(jìn)行篩選，得出中國(guó)社區(qū)韌性指標(biāo)體系，并對(duì)天津市河?xùn)|區(qū)東興路既有社區(qū)進(jìn)行了案例研究；郭小東等[7]在對(duì)北京城內(nèi)老舊社區(qū)深入調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，從老舊社區(qū)的功能結(jié)構(gòu)角度確定了韌性指標(biāo)體系；楊雅婷[8]通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外關(guān)于韌性內(nèi)涵的研究，提出社區(qū)地震韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并在北京市區(qū)內(nèi)選取三個(gè)社區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析；清華大學(xué)方東平等[9]提出基于“三度空間下系統(tǒng)的系統(tǒng)”視角考察城市韌性。該理論將城市視為一個(gè)在物理、社會(huì)、信息組成的三度空間下由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，并以若干子系統(tǒng)及其交互為例來(lái)闡述城市韌性的內(nèi)涵與特征。

北京是我國(guó)大陸東部自然災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，且地震災(zāi)害突出。北京人口超過(guò)千萬(wàn)、地震設(shè)防烈度高達(dá)8 度，也是國(guó)際上為數(shù)不多發(fā)生過(guò)7 級(jí)以上強(qiáng)震的特大城市。因此，充分評(píng)估地震安全韌性，保障抗震救災(zāi)能力是北京市防災(zāi)減災(zāi)工作的重點(diǎn)。

目前雖然對(duì)地震韌性問(wèn)題已有諸多研究，但是尚缺少可以實(shí)操的區(qū)域地震韌性評(píng)價(jià)方法和工具。因此，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在北京市地震局的支持下，以一個(gè)典型社區(qū)為對(duì)象，開(kāi)展了社區(qū)地震安全韌性評(píng)估工作。研究?jī)?nèi)容主要包括針對(duì)該社區(qū)：1) 社區(qū)韌性評(píng)估體系；2) 建筑系統(tǒng)韌性評(píng)估；3) 交通系統(tǒng)韌性評(píng)估；4) 生命線系統(tǒng)韌性評(píng)估；5) 非實(shí)體系統(tǒng)韌性評(píng)估；并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了韌性評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用示范軟件平臺(tái)。針對(duì)評(píng)估結(jié)果，研究提出了若干韌性提升措施并進(jìn)行了討論。本研究初步實(shí)現(xiàn)了包含多個(gè)子系統(tǒng)的社區(qū)地震安全韌性評(píng)估，成果可以作為示范為未來(lái)北京市范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 理論方法

1.1 社區(qū)韌性評(píng)估體系

1.1.1 整體韌性體系構(gòu)建

基于“三度空間下系統(tǒng)的系統(tǒng)”理論及CRPG提出的建成環(huán)境對(duì)社會(huì)機(jī)構(gòu)的支撐理論，本研究明確了社區(qū)主要要素及其相互支撐的具體形式，提出城市韌性社區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 城市韌性社區(qū)結(jié)構(gòu)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(qū)結(jié)構(gòu)特征，社區(qū)由建成環(huán)境、社會(huì)機(jī)構(gòu)和社區(qū)成員組成的“一核兩殼”結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每層殼都對(duì)內(nèi)層起到功能支持作用和保護(hù)作用；2) 自然災(zāi)害對(duì)城市社區(qū)的作用機(jī)理，城市社區(qū)中自然災(zāi)害一般會(huì)破壞建成環(huán)境造成其功能的下降或中斷，甚至產(chǎn)生次生災(zāi)害，進(jìn)而依賴于建成環(huán)境的社會(huì)機(jī)構(gòu)功能受到影響，不能滿足社區(qū)居民的需求，最終形成對(duì)社區(qū)產(chǎn)生較大影響的災(zāi)難。

具有韌性的社區(qū)，在災(zāi)害對(duì)其內(nèi)部子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或功能造成影響時(shí)，能夠采用韌性管理的手段，協(xié)調(diào)各類資源和采取最優(yōu)的應(yīng)急恢復(fù)策略，使其損失盡量減少和功能盡快恢復(fù)，盡量避免對(duì)社區(qū)成員造成更大的影響。

根據(jù)韌性的定義，評(píng)估社區(qū)的整體地震韌性可以轉(zhuǎn)化為考察震后社區(qū)子系統(tǒng)的需求滿足程度變化，以及震后社區(qū)子系統(tǒng)的功能恢復(fù)情況。如圖2所示，本研究將系統(tǒng)的韌性水平定義為預(yù)期功能(Anticipated Performance)恢復(fù)曲線的橫坐標(biāo)軸圍成面積t?S?ABaCa與目標(biāo)功能(Desired Performance)恢復(fù)曲線的橫坐標(biāo)軸圍成面積t?S?ABdCd之比，t=max(ta?t0,td?t0)。圖中，Q(t)為系統(tǒng)功能，t0為災(zāi)害發(fā)生時(shí)刻，td為目標(biāo)恢復(fù)完成時(shí)刻，ta為預(yù)期恢復(fù)完成時(shí)刻。

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

1.1.2 建成環(huán)境韌性評(píng)估

本文按照CRPG[5]對(duì)社會(huì)機(jī)構(gòu)的分類，對(duì)社區(qū)內(nèi)的社會(huì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)馬斯洛需求層次理論[10]對(duì)各社會(huì)機(jī)構(gòu)滿足的功能進(jìn)行分析，得到社區(qū)的社會(huì)機(jī)構(gòu)組成與各社會(huì)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足的功能。

在此基礎(chǔ)上，參考NIST[5]中設(shè)定的建成環(huán)境恢復(fù)目標(biāo)，確定PGA 為0.20g、0.30g和0.40g的情況下社區(qū)建成環(huán)境的功能恢復(fù)目標(biāo)。具體地，在建成環(huán)境子系統(tǒng)(如建筑、交通)內(nèi)進(jìn)一步劃分出關(guān)鍵、重要、較重要和其他機(jī)構(gòu)，分別確定其震后最低功能水平與恢復(fù)時(shí)間，即可得到圖2 中目標(biāo)功能恢復(fù)曲線的關(guān)鍵點(diǎn)Ba和Ca。

最后，應(yīng)用層次分析法(AHP)確定建成環(huán)境指標(biāo)權(quán)重。層次分析法首先需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行層次分解，對(duì)于建成環(huán)境韌性問(wèn)題，社區(qū)成員的需求可以由社會(huì)機(jī)構(gòu)直接滿足，社會(huì)機(jī)構(gòu)功能大小依賴于支撐其運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施功能水平。之后，需要確定層次中各因子權(quán)重，具體可以通過(guò)專家訪談、問(wèn)卷調(diào)查等方式判斷各因子的相對(duì)重要性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。綜合社會(huì)機(jī)構(gòu)層次和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)層次的權(quán)重結(jié)果，即可得到每一類社會(huì)機(jī)構(gòu)中某種基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)總目標(biāo)的最終權(quán)重，為各系統(tǒng)和社區(qū)的韌性評(píng)估提供基礎(chǔ)。

1.2 建筑系統(tǒng)韌性評(píng)估

1.2.1 建筑系統(tǒng)韌性評(píng)估流程

本研究采用《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 38591?2020)[11]規(guī)定的建筑地震損失評(píng)價(jià)方法進(jìn)行建筑地震損失預(yù)測(cè)，其總體流程(圖3)主要包括三個(gè)部分：1) 建筑信息集成；2) 分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得到工程需求參數(shù)(EDP)；3) 評(píng)估損傷狀態(tài)，開(kāi)展韌性評(píng)價(jià)。建筑系統(tǒng)韌性評(píng)估指標(biāo)包括：建筑的修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員傷亡情況。

圖3 建筑系統(tǒng)抗震韌性評(píng)價(jià)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(diǎn)是建立建筑性能模型，即用于計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的種類、數(shù)量、易損特性和維修成本。建筑基本信息有建筑層數(shù)、層高、層面積、使用功能和現(xiàn)行建造成本等。建筑內(nèi)部由同一個(gè)EDP 決定的易損結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，被稱為性能組。性能組的易損特性由服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的易損性曲線刻畫(huà)，給定一個(gè)決定性能組損失的EDP 的大小，就可以通過(guò)易損性曲線得到它發(fā)生某個(gè)破壞狀態(tài)的概率。性能組的修復(fù)費(fèi)用等韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)由若干結(jié)果函數(shù)刻畫(huà)，每個(gè)破壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)果函數(shù)。

1.2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析分為城市區(qū)域尺度和重點(diǎn)建筑尺度。在城市區(qū)域尺度，采用城市抗震彈塑性分析方法[12]對(duì)建筑物進(jìn)行震害分析。對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等具有剪切變形模式的建筑，采用多自由度(MDOF)集中質(zhì)量剪切模型；對(duì)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(zhì)量彎剪耦合模型。MDOF集中質(zhì)量層模型具有以下特點(diǎn)：1) 計(jì)算效率較高；2) 能夠輸出各個(gè)樓層的地震響應(yīng)，便于進(jìn)行地震損失分析；3) 能充分利用城市GIS 數(shù)據(jù)提供的建筑宏觀描述性數(shù)據(jù)(建筑外形，建設(shè)年代，場(chǎng)地類別，結(jié)構(gòu)類型)并結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，自動(dòng)確定模型合理的彈塑性參數(shù)。在重點(diǎn)建筑尺度，則使用有限元軟件對(duì)建筑物進(jìn)行精細(xì)化的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。上述分析可以得到關(guān)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(píng)估

韌性評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)主要采用蒙特卡洛方法計(jì)算韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，即對(duì)每個(gè)隨機(jī)變量，根據(jù)其分布隨機(jī)確定其取值進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)損失結(jié)果，一次這樣的計(jì)算稱為一次“實(shí)現(xiàn)”。對(duì)于每次實(shí)現(xiàn)，遍歷建筑的每個(gè)性能組，根據(jù)對(duì)應(yīng)的EDP、易損性曲線和結(jié)果函數(shù)，隨機(jī)確定其損失，最后加總得到建筑的總修復(fù)費(fèi)用。通過(guò)執(zhí)行大量的實(shí)現(xiàn)，就能模擬各個(gè)隨機(jī)變量的不確定性，得到大量修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間等韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本。最后假定韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)樣本對(duì)總體的統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，擬合得到指標(biāo)的分布，并根據(jù)規(guī)范使用具有84%保證率的擬合值作為建筑韌性評(píng)價(jià)的依據(jù)。

修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員傷亡均根據(jù)《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 38591?2020)[11]計(jì)算。1) 修復(fù)費(fèi)用：綜合考慮構(gòu)件修復(fù)、拆除和置換產(chǎn)生的各項(xiàng)費(fèi)用，包含采購(gòu)、運(yùn)輸和勞務(wù)成本等。建筑修復(fù)費(fèi)用為建筑所包含的處于各個(gè)損傷狀態(tài)的各類構(gòu)件修復(fù)費(fèi)用的總和；2) 修復(fù)時(shí)間：計(jì)入所有震損構(gòu)件完成建筑功能性恢復(fù)所需的名義修復(fù)時(shí)間，不計(jì)入震損評(píng)估、方案制定等開(kāi)工前準(zhǔn)備工作耗時(shí)。計(jì)算修復(fù)時(shí)間時(shí)考慮建筑主要修復(fù)工作的層內(nèi)先后次序，不同樓層的修復(fù)工作可以同時(shí)展開(kāi)。樓層名義修復(fù)時(shí)間根據(jù)不同修復(fù)工作內(nèi)容的單位面積或單位震損構(gòu)件的工人數(shù)量需求計(jì)算；3) 人員傷亡：根據(jù)不同功能建筑的人員密度以及不同破壞狀態(tài)的人員傷亡比例計(jì)算。

1.3 交通系統(tǒng)韌性評(píng)估

1.3.1 交通系統(tǒng)韌性評(píng)估流程

交通系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在震后保持一定的功能水平，為人員疏散、傷員就醫(yī)、救災(zāi)人員及物資轉(zhuǎn)運(yùn)等抗震救災(zāi)行動(dòng)提供基礎(chǔ)，并盡快恢復(fù)以滿足居民的日常工作生活需求。對(duì)應(yīng)以上功能，交通系統(tǒng)的地震韌性指標(biāo)包括：避難場(chǎng)所可達(dá)性、醫(yī)療機(jī)構(gòu)可達(dá)性以及其他設(shè)施可達(dá)性。

交通系統(tǒng)的韌性評(píng)估分為日常交通情況模擬和震后交通情況模擬兩個(gè)階段。對(duì)于日常交通情況，首先需要根據(jù)路網(wǎng)、人口、基礎(chǔ)設(shè)施等信息建立交通模型，并在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，獲得正常狀況下節(jié)點(diǎn)之間的最短距離分布情況，作為后續(xù)震后交通分析的依據(jù)。

對(duì)于震后交通情況，采用蒙特卡洛模擬的方法，通過(guò)多次隨機(jī)試驗(yàn)的方法獲得各指標(biāo)的近似分布，主要流程如圖4 所示。

圖4 交通系統(tǒng)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(jì)算方法

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

針對(duì)前者，采用杜鵬[13]提出的修正的道路阻塞概率模型進(jìn)行分析。模型首先根據(jù)建筑倒塌或嚴(yán)重破壞的概率和建筑立面面積計(jì)算瓦礫阻塞密度，然后按式(1)計(jì)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(jù)經(jīng)驗(yàn)可取為0.25[14]；Pw為道路的通行概率。地震強(qiáng)度越大，建筑物破壞概率越大，道路通行概率越低。

針對(duì)后者，橋梁達(dá)到各類破壞狀態(tài)的概率可用橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線[15]表示。橋梁破壞狀態(tài)會(huì)影響道路的通行能力，本文假設(shè)當(dāng)橋梁的震后狀態(tài)不超過(guò)中度破壞時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)橋梁可以通行；當(dāng)破壞狀態(tài)達(dá)到嚴(yán)重破壞或毀壞時(shí)，橋梁停止使用，道路因此中斷?；谝陨霞僭O(shè)，在特定地震強(qiáng)度下，橋梁的通行概率Pq即為橋梁的破壞等級(jí)低于嚴(yán)重破壞的概率。地震強(qiáng)度越大，橋梁破壞程度越嚴(yán)重，道路中斷的可能越大。

從道路結(jié)構(gòu)的角度來(lái)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(gè)因素的影響，如式(2)所示：

1.3.3 交通系統(tǒng)修復(fù)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(jī)性，且對(duì)中斷的道路、橋梁所采取的具體修復(fù)方式多種多樣，因此很難準(zhǔn)確估計(jì)震后各交通元件的恢復(fù)時(shí)間[16]，目前也很少有定量的關(guān)于城市道路、橋梁的修復(fù)速度的研究。本文假設(shè)交通系統(tǒng)在震后修復(fù)的首要目標(biāo)是盡快搶通所有中斷道路、橋梁，恢復(fù)交通功能，對(duì)任意一條道路、橋梁須被全部搶通后方可投入使用。具體計(jì)算修復(fù)速度時(shí)，可參考社區(qū)范圍內(nèi)挖機(jī)清運(yùn)、臨時(shí)橋梁搭設(shè)等道路、橋梁搶通措施的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.4 基于最短路徑的節(jié)點(diǎn)可達(dá)性評(píng)價(jià)方法

圖論方法是一種非常有效的研究交通系統(tǒng)震后通行能力的方法。通過(guò)將路網(wǎng)中的交通節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)集，將道路簡(jiǎn)化為邊集，將道路通行距離作為邊集的權(quán)重，即可將城市路網(wǎng)簡(jiǎn)化為賦權(quán)圖。目前最常見(jiàn)的描述交通系統(tǒng)連通程度的指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)之間的連通可靠度，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條通路的概率。但是對(duì)例如應(yīng)急避難、傷員就醫(yī)等震后產(chǎn)生的應(yīng)急交通需求而言，不僅要求節(jié)點(diǎn)之間存在連通的道路，還關(guān)注節(jié)點(diǎn)之間道路的便捷程度。因此本文在連通可靠度的基礎(chǔ)上提出了距離接受度的概念，通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間存在滿足距離要求的通路的概率來(lái)描述節(jié)點(diǎn)之間的可達(dá)性。距離接受度τaccept定義為：可接受的到達(dá)特定地點(diǎn)最短距離相比正常最短距離的倍數(shù)。當(dāng)破損的路網(wǎng)中兩節(jié)點(diǎn)之間的最短距離大于原最短距離的τaccept倍時(shí)，即認(rèn)為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不存在足夠便捷的通路，是不可達(dá)的?？紤]到研究對(duì)象社區(qū)內(nèi)青年人比例較大，τaccept的取值可以相對(duì)提高，本文取τaccept=1.5。

針對(duì)具體的交通需求，需要對(duì)基于可達(dá)性的指標(biāo)進(jìn)行定義。以任意交通節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的交通需求可以分為兩大類：1) 第一大類包括應(yīng)急避難需求和就醫(yī)需求，此類交通需求的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不固定，只需到達(dá)滿足條件的節(jié)點(diǎn)之一即可滿足需求，指標(biāo)即為可達(dá)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(chǎng)所的交通需求，需要考慮從節(jié)點(diǎn)到所有工作場(chǎng)所的可達(dá)性情況來(lái)判斷交通需求的滿足情況，此時(shí)指標(biāo)為可達(dá)的工作場(chǎng)所占所有工作場(chǎng)所的比例。

在考慮各類交通需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步可以將節(jié)點(diǎn)指標(biāo)以節(jié)點(diǎn)出行人數(shù)為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，即可得到該類功能性設(shè)施的整體可達(dá)性指標(biāo)。

將城市路網(wǎng)抽象為賦權(quán)圖后，可以利用Dijkstra 算法對(duì)任意兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路程長(zhǎng)度進(jìn)行求解。

1.4 生命線系統(tǒng)韌性評(píng)估

1.4.1 生命線系統(tǒng)韌性評(píng)估流程

本研究重點(diǎn)評(píng)估了供電、通信、供水、排水及供暖等五類子系統(tǒng)構(gòu)成的生命線系統(tǒng)的韌性水平，具體的評(píng)估流程如圖5 所示。

圖5 生命線系統(tǒng)抗震韌性評(píng)估流程圖Fig.5 Earthquake resilience evaluation workflow of a lifeline system

生命線系統(tǒng)韌性是指生命線系統(tǒng)能夠消化并吸收外界干擾，并保持原有主要特征、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵功能的能力[17?18]。因此，可以通過(guò)刻畫(huà)生命線系統(tǒng)主要特征、結(jié)構(gòu)或者功能在災(zāi)害前后的變化趨勢(shì)來(lái)確定生命線系統(tǒng)的韌性水平。由于生命線子系統(tǒng)多樣且各子系統(tǒng)本身特點(diǎn)差異明顯，所以功能的內(nèi)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(tǒng)，并通過(guò)以下方式對(duì)其各自的功能水平進(jìn)行測(cè)度：

1) 供電子系統(tǒng)：考察供電網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)的完整性，即供電網(wǎng)絡(luò)在地震作用下節(jié)點(diǎn)的存活率[19]。

2) 通信子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)傳遞信息，使得信源和信宿之間保持通暢。通信子系統(tǒng)的功能可以用信道數(shù)來(lái)表示，該指標(biāo)主要取決于信源和信宿之間的路徑數(shù)量[20]。

3) 供水子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)提供水質(zhì)合格且壓力穩(wěn)定的水資源[21]。供水系統(tǒng)的功能發(fā)揮水平可以通過(guò)供水滿足率來(lái)衡量。

4) 排水子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)污水排放(排雨水功能此處暫不考慮)。排水子系統(tǒng)的功能發(fā)揮水平可以通過(guò)排污任務(wù)的完成率來(lái)衡量。

5) 供暖子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)提供溫度適宜壓力穩(wěn)定的熱水流[22]。用供暖子系統(tǒng)流量滿足程度來(lái)度量供暖子系統(tǒng)的功能發(fā)揮水平。

1.4.2 系統(tǒng)失效及恢復(fù)過(guò)程分析

生命線系統(tǒng)因?yàn)樽酉到y(tǒng)間關(guān)聯(lián)性的存在，單一子系統(tǒng)的局部失效可能會(huì)造成整個(gè)生命線系統(tǒng)的崩潰，即生命線系統(tǒng)的失效存在級(jí)聯(lián)特征?；谙到y(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及每個(gè)子系統(tǒng)失效過(guò)程，可以確定由五類系統(tǒng)組成的整個(gè)生命線系統(tǒng)的破壞過(guò)程如圖6 所示。

五個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)順序?yàn)椤肮╇娮酉到y(tǒng)—供水子系統(tǒng)/排水子系統(tǒng)/通信子系統(tǒng)—供暖子系統(tǒng)”。在時(shí)間維度上，五個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)順序如圖7 所示。

圖6 生命線系統(tǒng)組件失效計(jì)算流程圖Fig.6 Simulation workflow of component failures in lifeline systems

圖7 生命線系統(tǒng)恢復(fù)流程圖Fig.7 Recovery workflow of lifeline systems

每類子系統(tǒng)的恢復(fù)策略存在差異。本研究假設(shè)在有限的恢復(fù)資源下以節(jié)點(diǎn)流量或管道流量最大化或者對(duì)建筑功能恢復(fù)提升的貢獻(xiàn)最大化為準(zhǔn)則來(lái)確定恢復(fù)排序。具體的恢復(fù)流程如圖8所示。

1.5 非實(shí)體系統(tǒng)韌性評(píng)估

1.5.1 非實(shí)體系統(tǒng)韌性評(píng)估流程

非實(shí)體系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)需要考慮的最重要因素是人員傷亡及其恢復(fù)，本研究選取社區(qū)成員和醫(yī)療機(jī)構(gòu)作為非實(shí)體系統(tǒng)的典型代表進(jìn)行韌性評(píng)價(jià)，流程如圖9 所示。

圖8 單一生命線系統(tǒng)恢復(fù)任務(wù)計(jì)算流程圖Fig.8 Simulation workflow of the recovery process of lifeline subsystems

圖9 非實(shí)體系統(tǒng)抗震韌性評(píng)估流程圖Fig.9 Earthquake resilience evaluationworkflow of non-physical systems

1.5.2 社區(qū)成員韌性評(píng)估

“人員傷亡”的估計(jì)主要依賴于“建筑損壞”的分析結(jié)果。研究根據(jù)HAZUS MR4[23]的建筑損壞標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)社區(qū)內(nèi)所有建筑的損壞程度，統(tǒng)計(jì)每個(gè)建筑內(nèi)人數(shù)，再依據(jù)HAZUS MR4[23]給出的建筑損壞與該建筑相關(guān)人員傷亡比例的對(duì)應(yīng)矩陣，估算出各個(gè)建筑內(nèi)和周圍不同嚴(yán)重程度的傷亡人數(shù)。

在一天中的不同時(shí)間，不同功能的建筑室內(nèi)及周邊室外人數(shù)會(huì)周期性變化?？紤]到研究對(duì)象社區(qū)特點(diǎn)，研究選擇住宅人數(shù)最多的2:00 AM 作為分析的時(shí)間點(diǎn)。該時(shí)點(diǎn)的“應(yīng)住人數(shù)”和室內(nèi)外人數(shù)比例根據(jù)FEMA[23]的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律估算。

根據(jù)社區(qū)成員的功能定義，選取震后死亡率作為社區(qū)成員的地震韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.5.3 醫(yī)療系統(tǒng)韌性評(píng)估

醫(yī)療系統(tǒng)的功能是為人們提供全面的醫(yī)療服務(wù)，為量化評(píng)價(jià)其功能，將地震后醫(yī)療系統(tǒng)的功能定義為能獲得醫(yī)療服務(wù)的人數(shù)與應(yīng)該獲得醫(yī)療服務(wù)的人數(shù)之比，如式(3)所示：

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

基于文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研和專家訪談，梳理醫(yī)療系統(tǒng)主要功能并確定相應(yīng)量化指標(biāo)。然后基于“三度空間”的理論框架，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)地調(diào)研和專家訪談，梳理出影響醫(yī)療系統(tǒng)功能的實(shí)體要素、社會(huì)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(guān)系，利用AnyLogic 仿真平臺(tái)，首先建立單體醫(yī)院功能的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型；進(jìn)一步地，考慮醫(yī)院之間的病人流、物資流等交互關(guān)系，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖10 所示。

2 典型社區(qū)應(yīng)用示范

為了充分驗(yàn)證社區(qū)地震安全韌性評(píng)估理論方法的可行性和合理性，并為社區(qū)地震安全韌性評(píng)估的推廣工作提供參考，研究以一個(gè)典型社區(qū)為分析對(duì)象，開(kāi)展了案例研究。本節(jié)對(duì)該社區(qū)地震安全韌性評(píng)估結(jié)果進(jìn)行介紹。

2.1 建成環(huán)境

該社區(qū)位于北京市海淀區(qū)，地區(qū)面積約4 km2，戶籍人口近5 萬(wàn)人，流動(dòng)人口約4000 人，是北京市內(nèi)較為典型的、內(nèi)部功能較為齊全的社區(qū)。識(shí)別得到其社會(huì)機(jī)構(gòu)包括：1) 家庭：宿舍、居民區(qū)等；2) 政府管理機(jī)構(gòu)：街道、居委會(huì)等；3) 醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)：社區(qū)醫(yī)院及相關(guān)配套設(shè)施；4) 學(xué)校：辦公樓、教室、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所及相關(guān)設(shè)施；5) 媒體機(jī)構(gòu)：新聞中心，網(wǎng)絡(luò)信息化服務(wù)中心等；6) 公益機(jī)構(gòu)：志愿服務(wù)隊(duì)等；7) 文化服務(wù)機(jī)構(gòu)：圖書(shū)館、博物館和名人故居等設(shè)施及場(chǎng)所；8) 經(jīng)濟(jì)機(jī)構(gòu)：企業(yè)和零售部門(mén)。各類社會(huì)機(jī)構(gòu)在該社區(qū)中的分布如圖11 所示。

研究根據(jù)層次分析法原理，首先確定社區(qū)建成環(huán)境韌性問(wèn)題的層次結(jié)構(gòu)。其總目標(biāo)是功能滿足社區(qū)成員需求，社區(qū)成員的需求可以由上述8 類社會(huì)機(jī)構(gòu)直接滿足。社會(huì)機(jī)構(gòu)功能大小依賴于支撐其運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計(jì)AHP 調(diào)研問(wèn)卷。向?qū)I(yè)人員、街道辦居民科工作人員、社區(qū)醫(yī)院安全保障部門(mén)人員和學(xué)生等發(fā)放調(diào)研問(wèn)卷93 份，回收問(wèn)卷82 份，其中行業(yè)專家問(wèn)卷60 份。對(duì)每份專家問(wèn)卷的每個(gè)判斷矩陣分別計(jì)算特征向量和一致性系數(shù)，剔除一致性檢驗(yàn)不合格的特征向量后求平均值并歸一化，得到各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，如表1所示。

圖10 AnyLogic 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.10 System dynamics model in AnyLogic

圖11 社區(qū)機(jī)構(gòu)分布圖Fig.11 Distribution of social institutions in the community

2.2 建筑系統(tǒng)

本研究根據(jù)社區(qū)所在地設(shè)防烈度、建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組確定了目標(biāo)規(guī)范反應(yīng)譜，利用美國(guó)太平洋地震工程研究中心(PEER)提供的地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)NGA-West2[24]選出了符合目標(biāo)反應(yīng)譜的11 條水平地震動(dòng)記錄。

圖12 典型社區(qū)系統(tǒng)層次模型Fig.12 System hierarchical model of the community

表1 每個(gè)社會(huì)機(jī)構(gòu)中各基礎(chǔ)設(shè)施權(quán)重Table 1 Weight of different infrastructures in each social institution

在城市區(qū)域尺度，將分別調(diào)幅至0.20g、0.30g、0.40g三個(gè)地面峰值加速度(PGA)水準(zhǔn)的11 條地震動(dòng)輸入該社區(qū)619 棟建筑的區(qū)域建筑群震害分析模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，得到每棟建筑的損傷狀態(tài)如圖13 所示。隨著PGA 的增大，嚴(yán)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(dá)到中等破壞水平。

圖13 不同PGA 水準(zhǔn)下各地震動(dòng)工況的社區(qū)建筑破壞狀態(tài)比例Fig.13 Damage states proportion of the buildings under different ground motions at different PGA levels

三個(gè)PGA 水準(zhǔn)下，社區(qū)建筑的總損失比如圖14所示，圖中柱狀圖表示修復(fù)費(fèi)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(fù)費(fèi)用中位值增大，且離散性明顯增加。進(jìn)一步考察多層框架、高層建筑、未設(shè)防砌體和設(shè)防砌體四種結(jié)構(gòu)類型建筑的損失情況，如圖15 所示。未設(shè)防砌體損失情況相比其余三種結(jié)構(gòu)類型建筑顯著嚴(yán)重。建筑修復(fù)時(shí)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(fù)時(shí)間。該結(jié)果可為區(qū)域建筑群的修復(fù)時(shí)間分布和估計(jì)提供參考，實(shí)際修復(fù)時(shí)間還應(yīng)考慮投入修復(fù)的人力、物力等的約束。

該社區(qū)整體名義人員傷亡率中位值如表2 所示。結(jié)果可為區(qū)域建筑群的名義人員傷亡率分布估計(jì)和相關(guān)的加固改造規(guī)劃、救援資源配置等提供參考。

《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 38591?2020)建議了建筑修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失的評(píng)級(jí)指標(biāo)，并取三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最低等級(jí)作為建筑的抗震韌性等級(jí)。基于層次分析法可以得到不同功能建筑的重要性系數(shù)，加權(quán)計(jì)算可得社區(qū)抗震韌性等級(jí)為0.255?？梢?jiàn)社區(qū)抗震韌性水平有待進(jìn)一步提升。

圖14 不同PGA 水準(zhǔn)下社區(qū)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(zhǔn)下社區(qū)各結(jié)構(gòu)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(zhǔn)下社區(qū)建筑的名義修復(fù)時(shí)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(qū)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(diǎn)建筑尺度，本研究對(duì)社區(qū)內(nèi)某辦公樓、某教學(xué)樓和某圖書(shū)館的精細(xì)有限元模型進(jìn)行了分析，并基于有限元分析結(jié)果進(jìn)行了精細(xì)化抗震韌性評(píng)價(jià)。以圖書(shū)館為例，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3 所示，其抗震韌性等級(jí)為0。圖書(shū)館建筑內(nèi)有大量書(shū)架，在地震下易傾倒，故修復(fù)費(fèi)用較大。

表3 圖書(shū)館抗震韌性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Earthquake resilience evaluation results of the library

2.3 交通系統(tǒng)

本研究在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，完成了該社區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的建模，構(gòu)建了包含96 個(gè)主要交通節(jié)點(diǎn)、141 條道路的路網(wǎng)模型，如圖17 所示。路網(wǎng)中共有10 座橋梁，以圓點(diǎn)標(biāo)出。

對(duì)社區(qū)內(nèi)現(xiàn)有橋梁的抗震安全性能進(jìn)行了調(diào)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(tài)評(píng)估。

對(duì)該社區(qū)的人口構(gòu)成和地理分布進(jìn)行了調(diào)研，包括社區(qū)內(nèi)所有11 個(gè)小區(qū)的人口組成情況，以及8 個(gè)學(xué)生宿舍區(qū)的人口組成。這些人員組成將用于形成不同位置、不同規(guī)模的交通需求。

圖17 社區(qū)路網(wǎng)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(qiáng)度下，以路網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的應(yīng)急避難場(chǎng)所和醫(yī)療機(jī)構(gòu)可達(dá)性指標(biāo)的變化情況，如圖19 所示。隨著地震強(qiáng)度的增加，除直接連接避難場(chǎng)所的節(jié)點(diǎn)和社區(qū)醫(yī)院所在節(jié)點(diǎn)之外，其余節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性指標(biāo)均有所下降。其中，70 號(hào)以后的節(jié)點(diǎn)下降幅度更加明顯，主要是因?yàn)槠涠辔挥谏鐓^(qū)南部，建筑多為年代久遠(yuǎn)的砌體居民樓，且道路相對(duì)狹窄，因此在地震之后發(fā)生道路阻塞的可能性較高，到達(dá)避難場(chǎng)所的最優(yōu)路線容易受到影響。此外，與正常情況對(duì)比可以看出，隨著地震強(qiáng)度的增加，到達(dá)應(yīng)急避難場(chǎng)所和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的最短距離有明顯的升高趨勢(shì)，圖20展示了0.40g水準(zhǔn)下醫(yī)療機(jī)構(gòu)的結(jié)果。

圖19 各節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性指標(biāo)Fig.19 Accessibility index of each node

將每次模擬中的節(jié)點(diǎn)指標(biāo)以節(jié)點(diǎn)出行人數(shù)加權(quán)平均即可得到系統(tǒng)可達(dá)性指標(biāo)。結(jié)果表明，在相同地震強(qiáng)度下各類交通功能的整體指標(biāo)相差不大。當(dāng)PGA 為0.20g和0.30g時(shí)：道路破壞數(shù)量不多，整體指標(biāo)的下降不明顯；而當(dāng)PGA 增大到0.40g時(shí)，各類整體指標(biāo)均發(fā)生顯著的下降。

分析也得到了不同地震強(qiáng)度下各交通功能完全恢復(fù)所需的平均時(shí)間。其中，災(zāi)后醫(yī)療機(jī)構(gòu)的交通需求修復(fù)速度最快，其余各功能修復(fù)時(shí)間相對(duì)接近。在0.20g水準(zhǔn)下，各類交通功能完全恢復(fù)的平均時(shí)間大致在2 d 之內(nèi)；在0.30g水準(zhǔn)下，平均恢復(fù)時(shí)間增加到5 d 左右；在0.40g水準(zhǔn)下，平均的恢復(fù)時(shí)間增加到了11 d 左右。

2.4 生命線系統(tǒng)

圖20 到達(dá)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的最短距離分布圖Fig.20 Distribution of the shortest distance to the medical institution

對(duì)五類子系統(tǒng)構(gòu)成的生命線系統(tǒng)進(jìn)行失效過(guò)程模擬，針對(duì)不同的PGA 輸入，計(jì)算得到每類子系統(tǒng)不能發(fā)揮功能的失效節(jié)點(diǎn)以及失效邊的比例。結(jié)果表明，在PGA 為0.20g時(shí)，各類子系統(tǒng)均能總體上保持正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)損失比例最多的是供暖子系統(tǒng)。這主要因?yàn)樯鐓^(qū)換熱站的建設(shè)年代較早，且供暖子系統(tǒng)功能發(fā)揮需要供電子系統(tǒng)和供水子系統(tǒng)的共同支撐，二者有一個(gè)發(fā)生故障，供暖子系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)極可能失效。隨著PGA 的增加，最先癱瘓的是供暖子系統(tǒng)，隨后供電子系統(tǒng)和供水子系統(tǒng)同時(shí)在0.40g水準(zhǔn)下失效。進(jìn)一步分析可知，社區(qū)的供暖子系統(tǒng)和供電子系統(tǒng)均是單一源頭系統(tǒng)，其中供電子系統(tǒng)只有一個(gè)接口和北京市電網(wǎng)合并，供暖子系統(tǒng)則只有一個(gè)鍋爐房作為熱源。單源系統(tǒng)如果源頭發(fā)生破壞，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生崩潰。從系統(tǒng)層面來(lái)說(shuō)，單源子系統(tǒng)的災(zāi)害承受能力較差，對(duì)其他子系統(tǒng)有強(qiáng)依賴的子系統(tǒng)災(zāi)害承受能力也較差。

通過(guò)比較生命線系統(tǒng)地震災(zāi)害破壞位置的分布可以發(fā)現(xiàn)，在各地震水準(zhǔn)下，社區(qū)西南角均是比較薄弱的區(qū)域。

關(guān)于生命線系統(tǒng)的震后恢復(fù)，下面以供水子系統(tǒng)在0.30g下的恢復(fù)為例進(jìn)行說(shuō)明。供水系統(tǒng)在0.30g水準(zhǔn)下?lián)p壞了6 個(gè)節(jié)點(diǎn)和29 條管道。通過(guò)供水管道流量參數(shù)可以算出每條毀壞的管道的流量。由于供水管道流量參數(shù)中包含了管道的起點(diǎn)和終點(diǎn)，即已知了供水網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)矩陣，基于此可以構(gòu)建流量矩陣，對(duì)流量矩陣的行或列求和(水源節(jié)點(diǎn)應(yīng)該用行求和，非水源節(jié)點(diǎn)用列求和)即可得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量。進(jìn)而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和專家訪談估計(jì)每個(gè)待修復(fù)節(jié)點(diǎn)和管道所需要的修復(fù)時(shí)間。供水子系統(tǒng)的恢復(fù)資源為5 個(gè)作業(yè)隊(duì)伍，按照正常施工，每次有5 個(gè)隊(duì)伍對(duì)供水子系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，一共進(jìn)行7 次作業(yè)能將整個(gè)供水子系統(tǒng)完全恢復(fù)到原來(lái)的功能水平(即達(dá)到正常的供水能力)。最終得到供水系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間為18 d。

根據(jù)上述分析，可以刻畫(huà)出每類社會(huì)機(jī)構(gòu)對(duì)生命線系統(tǒng)的需求逐步重新得到滿足的過(guò)程。同樣以供水子系統(tǒng)0.30g水準(zhǔn)為例，該過(guò)程如圖21所示，相應(yīng)的每類機(jī)構(gòu)生命線系統(tǒng)需求滿足最低程度以及恢復(fù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表4 所示。其他生命線子系統(tǒng)和其他地震水準(zhǔn)的結(jié)果同理可得。

圖21 各社會(huì)機(jī)構(gòu)在供水子系統(tǒng)需求恢復(fù)過(guò)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(shí)體系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型所需參數(shù)，對(duì)社區(qū)醫(yī)院相關(guān)資料進(jìn)行調(diào)研。對(duì)于不能獲取或者不存在的參數(shù)，采用合理假設(shè)數(shù)據(jù)。分析得到不同地震強(qiáng)度下的醫(yī)療系統(tǒng)功能演化過(guò)程如圖22 所示。計(jì)算得到的韌性分值如表5 所示。隨著地震動(dòng)強(qiáng)度增加，醫(yī)療機(jī)構(gòu)韌性水平下降，其功能滿足社區(qū)成員醫(yī)療需求的水平下降。

2.6 整體評(píng)估

2.6.1 建成環(huán)境韌性綜合得分

以上計(jì)算得到了各個(gè)建成環(huán)境系統(tǒng)的功能下降和恢復(fù)時(shí)間，由此可得各系統(tǒng)的指標(biāo)分值，再乘上權(quán)重即可以得到不同地震動(dòng)強(qiáng)度下的建成環(huán)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(qū)建成環(huán)境韌性水平下降，其功能滿足社區(qū)成員需求的程度下降。

表4 供水子系統(tǒng)恢復(fù)中各社會(huì)機(jī)構(gòu)需求滿足的最短時(shí)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(yī)療系統(tǒng)功能演化Fig.22 Function evolution of the medical system

表5 不同PGA 水準(zhǔn)下社區(qū)醫(yī)療系統(tǒng)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(zhǔn)下建成環(huán)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(huán)境系統(tǒng)韌性分值

對(duì)每個(gè)建成環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的權(quán)重進(jìn)行歸一化，乘上指標(biāo)分值可以得到系統(tǒng)韌性分值，如圖23 所示。其中，交通系統(tǒng)韌性值一直較高，表明滿足需求的能力較其他系統(tǒng)高；建筑系統(tǒng)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(qiáng)度下滿足需求的能力較為穩(wěn)定。生命線系統(tǒng)在地震強(qiáng)度較小時(shí)韌性值高，地震強(qiáng)度高時(shí)韌性值很低，說(shuō)明其滿足需求的能力與地震強(qiáng)度密切相關(guān)。

2.6.3 社會(huì)機(jī)構(gòu)中不同建成環(huán)境系統(tǒng)韌性分值

對(duì)每一類社會(huì)機(jī)構(gòu)中各個(gè)建成環(huán)境系統(tǒng)的韌性進(jìn)行比較，可以讓每一類社會(huì)機(jī)構(gòu)決策者直觀了解該機(jī)構(gòu)內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)。以0.30g水準(zhǔn)下的家庭為例，如圖24 所示。結(jié)果表明，不同社會(huì)機(jī)構(gòu)中各類建成環(huán)境系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)并不相同。政府和媒體機(jī)構(gòu)的建筑韌性相對(duì)較低，主要是相關(guān)機(jī)構(gòu)的辦公場(chǎng)所年代較久，醫(yī)療和家庭機(jī)構(gòu)的建筑韌性有待提高；大部分社會(huì)機(jī)構(gòu)的供水、供暖系統(tǒng)韌性相對(duì)交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)較低，因此需進(jìn)一步加強(qiáng)供水、供暖系統(tǒng)的抗震韌性。

圖23 建成環(huán)境各系統(tǒng)韌性分值對(duì)比Fig.23 Resilience score comparison of different systems in the built environment

圖24 家庭機(jī)構(gòu)內(nèi)各建成系統(tǒng)韌性分值對(duì)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(jù)上節(jié)的典型社區(qū)地震安全韌性評(píng)估結(jié)果，本研究主要針對(duì)建筑系統(tǒng)初步提出了若干韌性提升措施，并對(duì)其效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論。

3.1 城市尺度措施：加固非設(shè)防砌體

由分析結(jié)果可知，社區(qū)內(nèi)存在較多老舊的未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)，其在地震作用下容易遭受較為嚴(yán)重的破壞，不僅嚴(yán)重影響修復(fù)費(fèi)用和時(shí)間成本，還會(huì)對(duì)人員安全構(gòu)成威脅，故韌性水平較低。針對(duì)已統(tǒng)計(jì)的未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)，建議進(jìn)行抗震加固以提升抗震韌性。

為初步評(píng)估加固可能的效益，本文假定加固后的未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)達(dá)到最新抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)社區(qū)建筑系統(tǒng)韌性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果如圖25、圖26 和表7 所示。

可見(jiàn)，加固后的未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用顯著降低，且較大程度上減小了人員傷亡率，修復(fù)時(shí)間也有所降低。從抗震韌性等級(jí)來(lái)看，加固前社區(qū)抗震韌性等級(jí)為0.255，加固后區(qū)域抗震韌性等級(jí)為0.425。區(qū)域抗震韌性等級(jí)有一定提升，但依然處于較低水平。加固后社區(qū)抗震韌性等級(jí)主要由修復(fù)時(shí)間控制，如何降低建筑修復(fù)時(shí)間以充分提高建筑抗震韌性仍需進(jìn)一步研究。

圖25 不同PGA 水準(zhǔn)下社區(qū)各結(jié)構(gòu)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(qū)醫(yī)院隔震加固

根據(jù)問(wèn)卷調(diào)研，醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)于社區(qū)的地震安全韌性有著至關(guān)重要的作用。該社區(qū)的唯一醫(yī)療機(jī)構(gòu)為一所社區(qū)醫(yī)院，考慮到醫(yī)院的特殊功能，建議對(duì)醫(yī)院進(jìn)行隔震加固以提高其韌性水平。經(jīng)計(jì)算，確定支座直徑為600 mm，采用12 個(gè)天然橡膠支座(LNR)和18 個(gè)鉛芯橡膠支座(LRB)，具體過(guò)程與參數(shù)不再詳述。

圖26 不同PGA 水準(zhǔn)下社區(qū)建筑的名義修復(fù)時(shí)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(qū)整體名義人員傷亡率中位值加固前后對(duì)比Table 7 Median value of total casualty rate of the community(before and after retrofit)

依據(jù)《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 38591?2020)，對(duì)隔震前后的醫(yī)院進(jìn)行抗震韌性水平對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表8 所示。隔震后，醫(yī)院的修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間以及人員傷亡率顯著降低，抗震韌性等級(jí)從0 級(jí)提升至1 級(jí)?？梢?jiàn)，隔震措施能有效改善社區(qū)醫(yī)院的抗震韌性水平。

表8 隔震前后社區(qū)醫(yī)院抗震韌性等級(jí)對(duì)比Table 8 Earthquake resilience level of the hospital (before and after the seismic base isolation)

4 結(jié)論

本文的第一部分簡(jiǎn)要描述了地震安全韌性評(píng)估理論方法；第二部分介紹了一個(gè)典型社區(qū)韌性評(píng)估的結(jié)果，主要成果包括：

(1)提出了可操作的社區(qū)韌性定量評(píng)價(jià)方法，該方法包括整體的社區(qū)韌性評(píng)估體系和建筑、交通、生命線、非實(shí)體四個(gè)系統(tǒng)的韌性評(píng)估流程。該方法梳理了社區(qū)的組成結(jié)構(gòu)和各個(gè)系統(tǒng)的韌性指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)的功能下降和恢復(fù)時(shí)間計(jì)算韌性水平，可以給出各個(gè)系統(tǒng)以及整個(gè)社區(qū)的韌性得分情況。

(2)以一個(gè)典型社區(qū)為分析對(duì)象，開(kāi)展了地震安全韌性評(píng)估。結(jié)果表明，社區(qū)整體韌性水平仍有提升空間。其中，交通系統(tǒng)滿足需求的能力較其他系統(tǒng)高；建筑系統(tǒng)韌性水平不足，但在不同地震強(qiáng)度下滿足需求的能力較為穩(wěn)定；生命線系統(tǒng)在地震強(qiáng)度較小時(shí)韌性較高，地震強(qiáng)度高時(shí)韌性降低，滿足需求的能力與地震強(qiáng)度密切相關(guān)。

(3)基于上述結(jié)果，重點(diǎn)針對(duì)建筑系統(tǒng)提出了若干韌性提升措施并進(jìn)行了討論。

在上述成果基礎(chǔ)上，本研究還開(kāi)發(fā)了韌性評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用示范軟件平臺(tái)，初步實(shí)現(xiàn)了包含多個(gè)子系統(tǒng)的典型社區(qū)地震安全韌性評(píng)估，成果可以作為示范為未來(lái)北京市范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用提供參考。