孫柏濤，李 洋

(中國地震局工程力學研究所，中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江，哈爾濱 150080)

新中國成立后，地震對工程結構可能造成的危害性研究在我國是始于20 世紀的50 年代。1952 年，當時還是清華大學建筑系教授的劉恢先先生受中國科學院的委托到哈爾濱籌建一個研究所，叫中國科學院土木建筑研究所，1954 年該研究所正式建成。由于劉恢先在美國康奈爾大學(Cornell University，USA)學習和工作時曾從事該領域研究，在1956 年這個研究所即成立了一個“抗震組”，劉恢先兼任這個二級部門的負責人，從而開啟了新中國地震工程學科領域研究的篇章[1]。當時的研究工作還沒有找到政府和社會的需求，僅僅是研究興趣所致，按照劉恢先的說法，叫“忙來下一步閑棋”。

1955 年在劉恢先的主導下，我國翻譯了前蘇聯的《地震區(qū)建筑規(guī)范》。1959 年受原國家建委的委托，我國編制了第一部抗震規(guī)范的草案稿，59 版《地震區(qū)建筑規(guī)范》(草案)。該規(guī)范在除了充分利用我國當時的抗震研究成果外，還主要以前蘇聯57 版抗震規(guī)范為藍本，同時也參考了其他國家的規(guī)范和研究成果。此時的規(guī)范適用范圍是“一般建筑物的設計”，涵蓋的建筑物類別不多，但包含了道橋和水工工程等內容。由于行政管理上的變化，該規(guī)范沒有得到正式的頒布和實施。

1964 年劉恢先又主持編制了我國第二部抗震規(guī)范的草案稿，《地震區(qū)建筑設計規(guī)范》(草案稿)是在59 版規(guī)范基礎上進行了部分內容的增減和修改。此次修編去掉了水工工程內容。本次規(guī)范雖然沒有得到正式頒布，但對當時的工程設計及以后的規(guī)范發(fā)展起到了積極的作用。

1966 年3 月8 日河北省邢臺地區(qū)發(fā)生 6.8 級地震，此后一個月內該地區(qū)又連續(xù)發(fā)生了4 次6 級以上的破壞性地震，其中最大的一次是3 月22 日7.2 級地震。本次震群型的地震共造成的死亡人數超過了8 千人，由此，地震對我國人民生命和財產的嚴重危害性得到了中央政府的高度重視，地震預報與地震工程的研究工作也步入了一個新的階段。

抗震設計規(guī)范主要是針對新建工程結構物的抗震能力要求而進行規(guī)定的，那么由于各種原因，我國存在大量的既有建筑不能都拆除重建，只能依據地震區(qū)劃規(guī)定的該區(qū)域地震危險性，對其進行抗震能力的鑒定。而后，對不符合其抗震能力要求的工程結構要進行加固。邢臺地震后，由當時的國家建委推動，出臺了一系列不同結構類型的抗震鑒定的標準[2]，但基本都是草案稿，或者是試行稿。也在京津冀等我國部分地震風險高的地區(qū)(當時稱之為地震區(qū))開展了相關工作。

1976 年7 月28 日唐山發(fā)生了7.8 級大地震，死亡人數達到了24 萬余。按照1956 年頒布的我國第一代全國地震區(qū)劃圖，《中國地震區(qū)域劃分圖》，當時唐山地區(qū)是屬于Ⅵ度區(qū)，而唐山大地震的市區(qū)的實際烈度達到了Ⅺ度。因而，該區(qū)劃圖的主編李善邦、鄧啟東等地震學家意識到，由于人類對已有地震資料的積累和地震本身發(fā)生機理的認識還不充分，地震的中長期預測有很大的不確定性，僅按照區(qū)劃圖中所確定的烈度進行鑒定和加固工作會帶來相應的風險，建議按照地震危險性分析的基礎上給出不同烈度下對工程結構的安全性鑒定。

1 震害預測的發(fā)展歷程

1.1 震害預測和抗震鑒定的關系

地震災害預測一般是泛指在未來某時間地震危險性下，可能產生災害程度的估計，應該涵蓋的物項和災害內涵更廣泛。但是多年來的用法習慣，地震災害預測是特指對工程結構可能造成的災害程度的估計，簡稱震害預測。

抗震鑒定是需要在烈度確定的前提下(一般是基本烈度)對單體結構逐個進行符合性檢驗的詳細工作，如果按照各個烈度對大量工程結構開展這項工作幾乎難以完成。由此，按照不同烈度或者按照不同地震概率水準對大量工程結構進行可能造成的災害預測產生了。

原國家建委根據1975 年國家地震局給出的中長期地震預報結果，在1976 年上半年正在推進，并準備實施對唐山等地進行抗震鑒定，此時唐山大地震發(fā)生了，原定的鑒定工作由此擱置[3]。國家適時的轉變了抗震減災策略，1980 年開始，十六家單位赴河南的安陽、新鄉(xiāng)、焦作和鶴壁等開展了較小范圍的震害預測試點工作，是因為河南、山西和河北等地連續(xù)多年被劃定為重點監(jiān)測地區(qū)，也就是認為是地震危險性高的地區(qū)。

1966 年邢臺地震后，我國就制訂了房屋建筑抗震鑒定標準(草案)等，其工作內容和方法得到了大家的共識，使得抗震鑒定工作是有據可循?？墒?，在1980 年開始的震害預測工作初期，科技人員只是開始探索不同結構類型震害預測的方法。四十年來，針對各類結構的震害預測的方法逐步得到發(fā)展、完善和延伸。但是，至今針對某一類結構做震害預測時必須采用哪種方法并沒有達到統一，僅是約定俗成。我國2003 年第一版和2014 年第二版頒布的《地震災害預測及其信息管理系統技術規(guī)范》(GB/T 19428?2003)(GB/T 19428?2014)[4]中也沒有具體規(guī)定不同結構類型所必須采用的方法，僅對單體結構在做不同級別(甲、乙、丙、丁)的工作所采用的單體結構分析方法的繁簡程度進行了規(guī)定。

1.2 震害預測的對象和服務功能的演化

20 世紀80 年代的震害預測工作主要是以建(構)筑物單體為對象展開的。因為通過邢臺、通海和唐山等地震深刻認識到建筑結構的倒塌是造成大量人員傷亡的主要原因。對重要結構的單體進行分析是為了了解該結構的抗震能力，對普適性結構是選取一定的樣本進行分析，搞清楚不同類型結構的抗震能力差異。主要目的是為政府對建筑結構減災規(guī)劃提供科學依據。

20 世紀90 年代，群體和生命線工程的震害預測得到了更多的關注。由于聯合國推動“國際減災十年”的科研與行動計劃，呼吁科學家和各國政府，學術團體于本世紀最后十年在世界范圍內開展減輕災害工作。美國、日本等國家分別開展了重點城市的“未來地震災害預測與損失評估”工作，促進了我國政府對該項工作的重視。由此，震害預測的對象拓展到了對一個城市或區(qū)域可能造成的震害損失估計。如果對城市或區(qū)域逐個單體做震害預測的話，其工作量浩大。因而，建筑物的群體震害預測和城市生命線工程中單體預測的研究工作得到了進一步的重視。這個階段，烏魯木齊的天山區(qū)、黑龍江省大慶市、海南省?？谑泻瓦|寧省鞍山市等部分區(qū)域分別開展了試點工作。

本世紀前10 年，震害預測工作的實施和應用得到了較大的進步。國家地震局從政府層面成立了“若干城市震害預測和防御對策專家組”，鼓勵并指導各省、市等地方政府大力開展這項工作。并在1990 年《震害預測工作大綱(試行稿)》的基礎上，2003 年頒布了我國第一版《地震災害預測及其信息管理系統技術規(guī)范》(GB/T 19428?2003)。此時的該項工作不僅是針對城市和區(qū)域震害損失估計和分布，而且延展到了城市生命線系統中的管網、電力、交通和通訊等子系統中的單體結構震害，并初步考慮了單體震害對子系統網絡功能的影響。同時，將地理信息系統(GIS)融入到了管理軟件平臺是當時的一個亮點，因為能更直觀的展示所分析的結果，更好的服務政府、行業(yè)的規(guī)劃和決策。這個階段，震害預測作為地震工程學研究中的一個分支逐步走到了前臺，受到了科技管理者和科技人員更多的關注，從而本學科的研究得到了更多的資助和實際應用。

近十年來，震害預測針對各種需求以不同精度向區(qū)域、城市和鄉(xiāng)村等更廣闊區(qū)域延展。隨著計算技術和應用軟件的高度成熟和空間技術的普遍應用，對單體工程的震害預測多采用基于大量樣本的模糊數學判別和有限元建模的易損性分析，從而替代了利用實際震害統計分析、半理論-半經驗的簡化方法和簡化的抗震分析方法等；對城市或區(qū)域的群體震害預測和損失評估網格化表征和城市或區(qū)域的地震災害模擬與3D 動態(tài)展示[5?6]已成為研究工作和實際應用的增長點，使得預測的結果更直觀，更易于得到政府和民眾的接受。尤其是近幾年，群體震害預測和損失評估的結果作為區(qū)域災害風險分析的基礎和韌性城市評價的依據之一，展現了其更廣闊的應用前景。

2 震害預測的關鍵指標和方法解讀

2.1 建(構)筑物地震破壞等級由來

建(構)筑物地震破壞等級是度量地震作用下其破壞程度的尺子，在震害預測工作中描述房屋等工程結構時所選用的5 個破壞等級是源自于由地震工程學家編制的地震現場烈度評定規(guī)范。

早期的宏觀烈度的劃分是服務于地震學研究的，由于地震學家在編制規(guī)范時對土木工程專業(yè)理解上的局限性，很難將工程結構的構造和震害特點描述更翔實和具體，多數把房屋等震害程度分成3 個等級，即完好、破壞和毀壞。后來，在地震工程學家主導編制該規(guī)范后[7]，為了能夠更科學的劃分地震發(fā)生后的宏觀烈度等震線，將結構破壞程度的3 個破壞等級擴展到了5 個破壞等級，即完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞，且不同工程結構的各個破壞等級對應的構件破壞狀態(tài)和破壞數量的百分比均有較為詳細描述。

1970 年通海地震后，胡聿賢和劉恢先等將震害指數的概念，即采用[0.0, 1.0]的實數表征工程結構不同的震害程度，引入到了在地震現場調查時對不同工程結構破壞等級的劃分中，這樣大大便利了后來相關學科之間的相互銜接和應用，如表1。而后，在地震現場房屋安全鑒定規(guī)范制定中，孫柏濤等沿用震害指數的思路，將房屋的震后損傷狀態(tài)的表征采用了“震損指數”。主要為的是區(qū)分在地震現場劃分烈度時所采用比較“粗獷”的做法判斷房屋或其他工程結構的“震害指數”。而房屋安全鑒定主要是關注在既發(fā)地震后，小于“中等破壞”等級的房屋在“預期”地震時的安全性，所以采用了比較“細膩”的做法。

表 1 震害指數Di 與地震破壞等級Table 1 Seismic damage index and damage degree

而后的結構易損性分析時，通常人為的劃定5 個破壞等級和采用的震害指數限值等也就是對應上述規(guī)則沿用而來的，如圖1。不同類型結構，依據其延性、抗力等指標所劃定的各個破壞等級所包涵的范圍也是不同。

圖 1 結構破壞狀態(tài)與結構變形關系示意Fig. 1 Relationship between structural failure state and structural deformation

其中： xy為 結構屈服變形； Ry為 屈服荷載； R、x分別為作用荷載和結構變形。

在第二版《地震災害預測及其信息管理系統技術規(guī)范》(GB/T 19428?2014)中對鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農村和偏遠地區(qū)的簡易農居，如簡易磚木房屋、土坯房、穿斗木房屋和石砌(壘)房屋等改回3 個破壞等級，是由于其構件的破壞特征難以詳細劃分，破壞的過程屬于脆性破壞等原因。

在遭受或預期遭遇的地震時，對整體結構和對結構中的構件破壞程度(或狀態(tài))的表述在書寫中經常容易混淆，采用“破壞等級”、還是“震害等級”經常得不到統一。通常情況，整體和構件的破壞程度分別討論時均采用“破壞等級”或“地震破壞等級”來表述。但在同時描述構件和整體破壞時為了區(qū)分起見，宜將構件破壞表述為“破壞等級”，整體結構破壞則表述為“震害等級”。目前“震害等級”、“地震災害等級”更廣泛應用于對一次地震災害大小的宏觀定性，或者對一個城市或區(qū)域抗震能力的宏觀表述。

2.2 實際震害預測工作所應用方法的沿革

迄今為止，研究不同工程結構和設施(設備)震害預測方法，并發(fā)表成文的成果有數百計。與抗震鑒定不同的是針對同一類結構或設施(設備)也許會有多種預測的方法，由于結構、設施(設備)的種類繁多，不同方法需要的參數和數據精度也各異。所以，在2003 版和2014 版的“震害預測”國標中沒有對某種結構應采用的預測方法進行明確規(guī)定。本文不對各種方法科學性、適用性等進行評述，僅對在實際震害預測工作實踐中較為廣泛使用、并有一定共識的方法，及其發(fā)展的過程進行簡單描述。

20 世紀60 年代和70 年代的幾次破壞性地震發(fā)生后，尤其是唐山地震后，從80 年代起各種建筑結構單體震害預測方法就集中的出現了，見表2。那時的方法是有很強的目標指向和實用性的，就是針對在歷次地震中破壞較為突出的結構類型[3]，做震害預測目的是為各類型結構的抗震加固和編制抗震防災規(guī)劃提供基本依據。

早期的建筑結構單體震害預測方法多是以實際震害為參照依據，并以單體結構震害預測為主。通過分析其破壞機理，找出主要承載構件(或震害多發(fā)生承載構件的位置)的承載能力和所遭受荷載(烈度)與結構震害狀態(tài)之間的對應關系，給出預測的方法，即統計分析的方法、或半理論-半經驗的方法。對震害現象樣本較少的結構(如鋼筋混凝土框架)采取簡化的動力學分析方法。

20 世紀90 年代，生命線工程系統中一系列建(構)筑物、設施(設備)的單體震害預測方法涌現出來[8]。由于生命線系統的構筑物、設施(設備)類型繁多，各系統僅選取了幾種典型的物項給出了方法，見表3。后期對水工構筑物、各種電力、通訊室內設施(設備)、支撐塔架等，以及生命線系統網絡功能的連通性有了較為深入的研究。生命線工程中的建筑物基本采用已有的建筑物震害預測方法。

表 2 80?90 年代出現的單體建(構)筑物震害預測方法Table 2 Earthquake damage prediction method of single building (or structure) from 1980s to 1990s

表 3 早期生命線工程震害預測方法包括的內容Table 3 Contents of earthquake damage prediction method for lifeline systems in early stage

對擬工作區(qū)域的某種結構類型抽取一定量的單體樣本進行計算，給出該單體結構的震害指數Di，對應表1 可以得到該單體對應的震害程度。然后，將該類結構的樣本進行統計分析得到震害矩陣，表4 為一個范例。如果樣本數足夠大，震害矩陣中的單項數值就表示了在不同烈度下(6 度、7 度、8 度、9 度和 10 度)該類結構各等級的破壞概率。

表 4 晉江市區(qū)多層砌體房屋震害矩陣 /(%)Table 4 Seismic damage matrix of multistory masonry buildings in Jinjiang City

一般來講，通過計算分析得出的矩陣應該稱之為“易損性矩陣”，但是多數的震害預測文獻都沿用了地震現場調查得到的地震破壞等級矩陣的名稱，即震害矩陣。

群體震害預測概念已經提出有很多年了，近十幾年得到了較好的推進。因為在一個城市或區(qū)域進行抽樣單體震害預測時現場工作量很大，還需要調查人員具有一定的專業(yè)背景?，F在越來越少采用單體抽查的工作方式，而直接采用已有的震害矩陣，通過已有單體樣本結構構造與擬工作區(qū)域的結構構造的相似性來模擬工作區(qū)的震害矩陣。

2.3 人員傷亡、經濟損失預測與震害預測

1989 年 10 月 18 日大同-陽高發(fā)生了 6.1 級破壞性地震，震后中國政府向世界銀行申請貸款對受災區(qū)進行恢復重建。按照國際慣例，中方需要對災區(qū)所受地震災害的直接經濟損失進行評估，提供科學的評估結果。這是我國首次對一次地震在政府層面進行的直接經濟損失評估。

20 世紀90 年代左右，美國等幾個城市先后出版了未來地震經濟損失評估報告，由此促進了我國震害預測工作的發(fā)展和延伸。預測城市和區(qū)域在不同地震危險性作用下，可能造成的人員傷亡和經濟損失結果是為了給政府、企業(yè)和行業(yè)如何做好防災減災規(guī)劃、防災準備和震時應急決策提供最直觀和現實的科學依據。

地震災害直接損失的評估與工程結構震害預測結果有著直接的聯系。在預測某類建(構)筑物在某烈度地震荷載作用下的直接經濟損失一般采用下述公式[9]：

將工作區(qū)內各類建(構)筑物在 I 烈度下的損失疊加就是該烈度下工程結構損失的總和。此外，地震的直接經濟損失還應包括生命線工程、室內外財產、裝飾裝修等的損失，同樣與預測的結構主體破壞程度有關。

式(1)有著較為明確的物理意義，也是目前《地震現場工作 第4 部分：災害直接損失評估》(GB/T 18208.4?2011)等規(guī)范所采用的方法。當然，陳颙等[10]亦采用經濟學算法或其他方法來計算未來地震經濟損失。

同樣，地震人員傷亡預測也與工程結構震害預測結果有著密切的聯系。在地震人員傷亡評估中經常采用下述公式：

從20 世紀90 年代初至今，我國有數十種地震人員傷亡的評估方法，多是從實際地震中統計回歸得到的。研究人員的共識是90%以上的人員傷亡是由工程結構破壞造成的，因而眾多方法都考慮了地震時建(構)筑物的破壞程度。

3 震害預測與地震風險評估

地震災害的風險評估源于保險業(yè)。2007 年我國發(fā)布了首個地震風險評估模型，該模型的目標是為保險業(yè)厘定保險投保額而建立的。2018 年我國又頒布了具有自主知識產權的“地震巨災模型”。

2018 年我國政府提出“從減少災害損失向減輕災害風險轉變，全面提升全社會抵御自然災害的綜合防范能力”。由于政府的全力推進，區(qū)域的風險評估和風險治理受到了全社會的廣泛重視。在不同概率地震危險性作用下，區(qū)域的震害預測、經濟損失評估和人員傷亡評估結果原本就是區(qū)域地震災害風險評估的基礎。因而，群體震害預測工作的應用得到了進一步的延伸。

由于我國地域廣闊，受氣候條件、地理環(huán)境、經濟狀況、國家發(fā)展的歷史進程和政治因素等的影響，各個地區(qū)建筑結構的類型和結構構造差異很大，即便是在同一座城市，老舊城區(qū)與新建城區(qū)的建筑結構由于建筑年代和采用不同規(guī)范版本建造等，其抗震能力也有較大的區(qū)別。所以目前風險評估所采用的技術思路是[11]：

1) 以公里網格為單位，將區(qū)域的抗震能力劃分成 1 個～12 個等級；

2) 分別給出每個抗震等級區(qū)域內各類結構的震害矩陣[12]；

3) 采取調查、遙感等方式得到不同公里網格區(qū)域內各類結構的建筑面積；基礎設施的地震損失計算亦可以按照建筑結構地震損失與基礎設施地震損失對應的函數關系得到[14]?？偟卣饟p失等于建筑物的損失與基礎設施損失的疊加，圖2 所展示的即為在基本烈度作用下，以公里網格為預測單元的北京市地震損失的分布。由圖2 可知，不同行政等級區(qū)劃范圍內的地震損失即為其所包含多少公里網格損失的疊加。

圖 2 北京市基本烈度下地震災害直接經濟損失分布圖Fig. 2 Distribution of direct economic loss of earthquake disaster under basic intensity in Beijing

4 結論

在我國震害預測方法研究和實踐已經有了40 年的歷史，無論是理論方法的研究深度還是在應用的廣度上在世界上也是不落后的。具官方的統計數據，我國已經有120 余個城市或區(qū)域開展了震害預測的工作。但是，這項工作多是在政府層面開展的，相比較抗震鑒定，震害預測在行業(yè)和公眾的接受程度并不是很高，這是由于地震發(fā)生是小概率事件，地震減災在短期看不到利益的增長點；還有就是行業(yè)和公眾個體對地震可能造成的危害性還沒有足夠的認識，沒有擺好震前防御災害和震時承受災害之間的關系。

該項工作的前十年基本上是由原國家建委推動，以某區(qū)域典型房屋結構抗震減災為目標開展的。從20 世紀90 年代起，國家地震局從政府規(guī)劃、防災準備和震時應急評估的角度，以城市或區(qū)域為對象進行工作。目前地震災害風險評估融入國家的多災種的綜合防災體系，上升到了國家層面進行管理，開展工作區(qū)域的尺度可以是大到整個國家或者省份，亦可以城市、區(qū)(鄉(xiāng)、鎮(zhèn))。精度也可以多樣化，目前精度分為翔實型、標準型和普適性，這主要是取決于基礎數的精度和計算分析工作的深入程度。

通過多年的實踐，有以下幾點認識和問題可供大家一起討論：

(1) 影響震害預測工作科學性和精度最主要的因素是基礎數據的可靠性，因為一個區(qū)域內大量專業(yè)性較強的基礎數據僅在較短的工作時間內獲取有很大的難度。計算分析模型的影響是排在第二位的。

(2) 雖然全國120 余城市或區(qū)域已開展了震害預測工作。但是，管理系統采用的編制語言和系統構架各異，且也互不兼容，使得系統得不到統一的維護和升級，基礎數據也得不到及時的更新，目前正在發(fā)揮作用的系統很少。

(3) 由于所需要做震害預測的災害承災體種類繁多，在做具體工作時對一種結構、設施(設備)所采取的預測方法基本都沒有得到統一。因而，不同科技人員所做的震害預測結果和驗收標準僅能做到相對合理。

(4) 震害預測工作需要的基礎數據專業(yè)性較強，數據量大，更新速度慢是造成震害預測工作難以全面鋪開的主要原因?？墒?，其所需的數據格式和內容又與其他行業(yè)災種的預測分析時的數據有很多交叉和重疊，如何多部門合作，不同災種的綜合防災是今后減災的大趨勢。

40 年發(fā)展歷程中，從事震害預測研究和實踐的從業(yè)人員很多，成果頗為豐富。本文僅是概述了其沿革和發(fā)展的歷史，難免掛一漏萬和出現評論上的謬誤，僅供從業(yè)者一起討論。