程楨鈺 那仁滿都拉 布仁吉日嘎拉 郭恩亮 孫志芬 王世亮

摘 要：為了掌握內蒙古地區(qū)城市建筑群抗震韌性水平和抗震韌性提升效益，本文以呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土建筑群為例，從建筑物受損面積、經濟損失、修復時間與費用和人員傷亡等方面進行抗震韌性評估，并分析易損性建筑加固所需要的加固費用及其加固前后的抗震韌性提升效益。結果表明：在研究區(qū)地震引起建筑群受損面積為1621萬m2、直接經濟損失為185.05億元、修復時間為0.59年、修復費用為112.83億元，傷亡人數(shù)在0.5至2.6萬人之間;研究區(qū)中等以上受損建筑群所需要加固費用為36.2億元，其中中等破壞建筑加固所需費用約占總費用的74%。如果預測的受損建筑在地震前得到加固，毀壞和嚴重損壞建筑全部減少，中等和輕微破壞面積減少86%和47%，同樣修復費用與修復時間也大量降低，死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經濟效益能達到100億元左右。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進房屋抗震加固工程是當?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣洕沙掷m(xù)發(fā)展的重要保障任務之一。

關鍵詞：抗震韌性;韌性提升效益;混凝土結構;呼和浩特市

中圖分類號：TU318;TU375? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）02-0022-06

1 引言

我國是世界上地震活動強烈且地震災情最嚴重的國家之一[1]。2011年2月22日新西蘭Christchurch地震的慘痛教訓提醒我們“城市抗震韌性”的重要性[2]。該問題引起了我國城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑和地震等相關部門廣泛重視，但現(xiàn)有的地震工程技術手段和政策經濟措施尚不能滿足抗震韌性城市建設的需求[3-5]，2017年在《國家地震科技創(chuàng)新工程》中專設了“韌性城鄉(xiāng)”內容[6]，并在“十四五”規(guī)劃中提出建設“韌性城市”[7]。

在城市抗震韌性提升當中，如何評估既有建筑物抗震韌性性能及采取有效措施是迫在眉睫的問題[8，9]。薛榮剛[10]等對小學教學樓進行了抗震及其修復時間與費用方面評估，鄭山鎖[11]等建立砌體結構建筑加固費用估算模型，王元棟、呂西林等先后研究了加固前后結構韌性變化[12，13]。目前，針對既有建筑抗震韌性評價與提升對策研究多集中于教育建筑[14，15]、醫(yī)療建筑[16-18]、博物館[19]等單個重要建筑為主，特別是一般建筑群為對象的抗震韌性提升研究成果較少。但隨著我國全面展開地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程[20]和抗震韌性提升的社會與經濟效益評價的需求[11]，建筑群為研究對象的研究逐漸增多，林旭川等對建筑群抗震韌性分析提供量化指標[21]，方東平等以典型社區(qū)為研究對象進行了抗震韌性評估，并提出了提升方案[22]。

隨著內蒙古地區(qū)城市化快速發(fā)展，建筑群越來越多。但現(xiàn)有建筑抗震能力普遍偏低[23]，滿足新的抗震設防標準建筑較少[24]。同時，現(xiàn)階段對于建筑群抗震韌性評價及其對策效益研究成果較少，影響當?shù)氐卣鹨装l(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的進度和積極性。位于華北地震區(qū)的大青山山前斷裂烏素圖—奎素段在地質歷史時期經歷了多次7級以上地震，而烏素圖—奎素段在內蒙古地區(qū)地震發(fā)生概率偏高地段，距上次事件發(fā)生到目前已超過復發(fā)周期[25]。可見大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂地震對呼和浩特市區(qū)可持續(xù)發(fā)展的影響較大。因此，為掌握內蒙古地區(qū)城市建筑群抗震韌性水平，提升抗震韌性，本文以地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固城市呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土結構建筑物（以下簡稱鋼混建筑）為例進行抗震韌性評價與抗震加固效益分析。首先，在研究區(qū)地震危險性分析結果基礎上，利用研究區(qū)建筑與人口數(shù)據和易損性矩陣[26]，推測建筑物受損程度與面積和傷亡人數(shù)。并結合當?shù)毓こ虄r格和施工團隊規(guī)模，計算出受損建筑物的修復時間及其相關費用。最后，參考加固案例參數(shù)，計算研究區(qū)易損性建筑所需要加固費用，并分析對象建筑物加固前后產生的經濟與社會預期效益，以期為我區(qū)地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的實施和自然災害防治能力提高工作提供科學依據與參考價值。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據來源

2.1 研究區(qū)概況

呼和浩特市位于東經110°46′至112°10′，北緯39°35′至40°51′，市區(qū)共有賽罕、新城、回民和玉泉等四個市轄區(qū)，建成區(qū)面積260Km2，總常住人口約221萬人，生產總值達3000億元左右[27]，也是呼包鄂城市群的中心城市。該地區(qū)位于華北地震區(qū)河套斷裂帶東段呼—包斷陷盆地東北部，有大青山山前斷裂烏素圖—奎素段穿過。圖1顯示呼和浩特市政府所在地和大青山山前斷裂烏素圖—奎素段地理位置。

2.2 數(shù)據來源

本文數(shù)據來源：（1）建筑數(shù)據采用中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部公布的《2020年城市建設統(tǒng)計年鑒》及當?shù)卣y(tǒng)計數(shù)據;（2）建筑造價數(shù)據來源于公布2020年下半年省會城市住宅建安工程造價[28];（3）通過網絡問卷方式獲取的呼和浩特市區(qū)居民室內財產（包括室內裝潢、家電、家具、其他生活物品、汽車）調查數(shù)據。

2.3 地震危險性評價

本文推測對研究區(qū)影響度最大的大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂引起地震的地震烈度，該斷裂的長度約46Km[29]。

在工程安全性評估等防震減災工作中，常常需要對活動斷裂未來可能發(fā)生的地震震級進行評估，本文采用阿那爾等[25]對大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂對研究區(qū)地震危險性的評估結果：未來呼和浩特市區(qū)可能發(fā)生地震規(guī)模為7.2級，利用與研究區(qū)距離最近的華北地區(qū)地震烈度衰減公式計算，得出研究區(qū)政府所在地地震烈度為8度。此結果與其它研究成果結論一致[30]。

3 建筑物震害預測

3.1 建筑物損壞面積

本文假定大青山山前斷裂烏素圖-奎素段地震對研究區(qū)地震烈度為8度時，采用西部地區(qū)石河子市易損性矩陣[26]（表1），計算鋼混建筑物受損面積。依據《災害直接損失評價》把建筑物受損等級劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞等5個等級（GB/T 18208.4-2011）[31]。由圖2可知研究區(qū)鋼混建筑物受損總面積達到1620.99萬m2，其中毀壞、嚴重、中等、輕微破壞面積分別為31.78、127.14、444.98、1017.09萬m2。對象建筑受到地震烈度8度強震時以輕微和中等受損為主，出現(xiàn)少量嚴重和毀壞受損建筑。

3.2 地震直接經濟損失

地震災害的一般特征是損毀大量抗震設防未達標易損性建筑物，導致造成重大經濟損失。本文所述的直接經濟損失包括建筑本身經濟損失和室內生活物資的經濟損失。預估建筑物經濟損失時采用尹之潛、鄭山鎖等[32，33]提出的建筑物自身破壞損失計算公式，公式如下：

Lz=Ai×B×η（i）? （1）

其中：Lz—建筑物自身破壞經濟損失，Ai—建筑物在破壞等級為i時的總面積（萬m2），B—建筑物單位面積價格，η（i）—建筑物在破壞等級為i時的破壞損失比例。

隨著經濟發(fā)展和人民生活水平提高，室內財產逐年上升。室內財產損失計算公式如下：

L=T×λ（i）×w（i）? （2）

式中：L—室內財產破壞經濟損失，T—建筑物受損總面積（萬m2），λ（i）為建筑物在破壞等級為i時的破壞損失比例，w（i）為建筑物在破壞等級為i時的單位面積室內財產損失。

室內財產損失比與建筑物同等比例[34]來計算如表2所示，其中財產單位單價是通過當?shù)貙嵉卣{查獲得，包括室內裝潢、室內財產和日常生活物品等內容，平均1600元/m2[35]。對地震引起的直接經濟損失計算得到如圖3所示的結果，可知研究區(qū)鋼混建筑直接經濟損失達185.05億元，其中建筑自身損失達112.83億元，占總經濟損失的61%;室內財產損失達72.21億元，占總經濟損失的39%。其中中等受損建筑損失最多，毀壞損失最少。表明，當發(fā)生地震時對鋼混建筑產生破壞，從而引發(fā)的經濟損失最大;室內財產的損失主要是因建筑物的破壞引起的。

3.3 人員傷亡

各種自然災害中地震災害的傷亡人數(shù)最多，而地震引起的傷亡人數(shù)在白天和夜晚地震發(fā)生時有所不同。本文采用張潔等[36]提出的地震人員傷亡預測模型估算研究區(qū)傷亡人數(shù)，其中白天定為7點到19點，該時間段人員分布比較疏散而均勻;夜間定為19點到次日7點，該時間段人員分布集中在住宅區(qū)，死亡和受傷人數(shù)各自采用公式3和公式4來估算：

死亡人數(shù)：

Md=niη（0.0372A1+0.0149A2+0.00234A3）? （3）

受傷人數(shù)：

Mh=niη（0.121A1+0.0344A2+0.01344A3）? （4）

式中：ni—時間調整系數(shù)（白天為1，夜間為1.4），η—人員密度，A1—建筑物毀壞面積（m2），A2—建筑物嚴重破壞面積（m2），A3—建筑物中等破壞與輕微破壞面積的和（m2）。該模型假設白天人員均勻分布在建筑物內，而夜間集中在住宅建筑物內，其不同時段人員密度為：

計算結果如圖3所示，研究區(qū)白天發(fā)生地震時死亡人數(shù)為991人、受傷人數(shù)為4252人，傷亡人數(shù)合計5244人，夜晚地震發(fā)生時死亡人數(shù)為4830人，受傷人數(shù)為20716人，傷亡人數(shù)合計25547人。夜晚發(fā)生地震時傷亡人數(shù)遠高于白天發(fā)生同級地震的傷亡人數(shù)。表明，地震發(fā)生時間的不同導致的人員傷亡程度存在差異，一般白天傷亡人數(shù)較夜晚傷亡人數(shù)少，夜晚傷亡嚴重。

3.4 建筑物修復時間與修復費用

建筑修復時間與費用是一般指建筑功能性修復所需時間與相關費用。由于不同工程隊修復建筑所需時間不同，本文采用呼和浩特市區(qū)每年新施工建筑面積來換算受損建筑所需修復時間，公式5顯示計算方法。建筑物修復費用是受損建筑面積、單位面積造價[28]和建筑物損失比[34]來計算，公式6顯示具體計算方法。

其中，Q—建筑修復時間，k—建筑破損比，T—建筑物受損總面積，T1—呼和浩特市建筑年施工面積。

其中，R—建筑修復費用，T—建筑物受損總面積，k—建筑破損比，B—單位面積鋼混建筑造價。

計算的建筑物修復時間與修復費用結果如圖5所示，從圖中看出研究區(qū)毀壞、嚴重、中等、輕微受損建筑修復時間為0.04年（約半個月）、0.12年（約1個月）、0.23年（約3個月），0.20年（不到2個半月），合計修復時間為0.59年。同樣毀壞、嚴重、中等、輕微受損建筑修復費用為7.95億元、22.25億元、44.5億元和38.14億元，總修復費用為112.83億元。表明，當呼和浩特市區(qū)發(fā)生地震時，中等受損的建筑修復費用最高，修復時間最長。針對總受損情況，工程團隊需要花費大量的經費，并且長達6個月時間才能修復完受損鋼混建筑。

4 建筑抗震韌性提升方法及其效益分析

上述結果表明研究區(qū)遇到烈度8地震時傷亡人數(shù)和經濟損失慘重，有必要提升建筑物抗震韌性水平。本文參考具體建筑韌性提升案例和國家相關加固規(guī)范標準（GB55201-2021）[37]，分析研究區(qū)易損性建筑加固所需要的加固費用及其加固前后的建筑受損面積、傷亡人數(shù)、經濟損失和修復時間等加固效益。

4.1 建筑物加固費用

在地震災害中90%以上人員傷亡是由房屋倒塌造成的[38]，易損性建筑的抗震加固才能最大限度地減少財產損失與人員傷亡。一般輕微破壞沒必要專門加固，所以本文中等以上受損建筑物抗震加固方式計算韌性提升所需要的費用。因為不同年代、不同加固方法的加固費用不同。本文參考華北地區(qū)的各類既有建筑抗震加固均價，單位面積加固單價定為600元/m2[24]，研究區(qū)易損性建筑所需加固費用如圖6所示，研究區(qū)毀壞、嚴重破壞、中等破壞建筑所需要加固費用為1.9億元、7.6億元和26.7億元，總合計36.2億元，其中中等破壞建筑所需費用最多，約占總費用的74%。

4.2 抗震韌性提升效益

《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》GB 55021-2021中指出既有建筑需要加固時，依據鑒定結果和委托方的需求進行設計和施工。因此，委托方的經濟條件和房屋后續(xù)工作年限的長短，很難確定抗震韌性提升最高值。本文實際加固案例中新設防烈度比原設防烈度1烈度或2烈度提高的案例[11]和《新時代防震減災事業(yè)現(xiàn)代綱要》的低成本導向[9]，計算假設受損建筑物全部加固到提高設防烈度1度前后的加固效益。假設加固對象建筑物設防烈度1度后的受損程度與降低地震烈度1度的受損程度同等，所以以地震烈度為7度（烈度8降到7烈度）時對象建筑的建筑易損性作為建筑加固后建筑易損性，計算加固前后的易損性建筑物受損面積、經濟損失和傷亡人數(shù)減少效益。結果如圖7所示，該區(qū)建筑加固后抗震韌性有明顯提升，從建筑損壞面積看，毀壞、嚴重、中等、輕微破壞面積減少100%、100%、86%、56%，基本完好建筑面積大量增加，同樣經濟損失減少100%、100%、83%、47%。且人員死亡率減少82%、受傷率減少75%的同時，修復費用與時間也大量減少。從以上結果能看出，易損性建筑的抗震加固是傷亡人數(shù)、修復時間大量減少以外，經濟損失減少約138.96億元，考慮加固需要36.2億元也產生100億左右的經濟效益。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進房屋抗震加固工程是當?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣洕沙掷m(xù)發(fā)展的重要保障任務之一。

5 結論與展望

為掌握城市建筑群抗震韌性水平和抗震韌性提升效益分析，本文以地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固城市呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土結構建筑群為例，進行了抗震韌性評價及其抗震加固效益分析，得到以下結論。

（1）在研究區(qū)地震烈度8的地震時，受損鋼混結構建筑物面積為1621萬m2，造成經濟損失約166.7億元;地震白天發(fā)生時死亡人數(shù)約991人、受傷人數(shù)約4525人，合計5244人，夜間發(fā)生時死亡約4830人，受傷約27016人，合計25547人，夜間發(fā)生地震的傷亡人數(shù)遠高于白天發(fā)生同級地震的傷亡人數(shù);受損建筑的修復時間0.59年，修復費用為112.83億元。

（2）研究區(qū)中等以上受損建筑所需要加固費用為36.2億元，其中中等破壞建筑所需費用最多，約占總費用的74%左右。

（3）研究區(qū)受損建筑物全部加固時，毀壞和嚴重損壞建筑全部減少，中等和輕微破壞面積減少86%和47%，同樣隨著修復費用與修復時間也大量減少。并死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經濟效益達到100億元左右。

本文在當?shù)貙嶋H數(shù)據的基礎上，推測了鋼混結構建筑群抗震韌性和加固效益，以期對我區(qū)地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的執(zhí)行起到推動作用。但是今后仍需進一步完善磚混、木結構等其它建筑物的統(tǒng)計數(shù)據和評估方法，并考慮抗震能力特低或過早老舊建筑不適宜加固而重建更合理等實際問題的余地。

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收稿日期：2021-09-29

通訊作者：那仁滿都拉（1974-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，博士，副教授，研究方向：城市災害監(jiān)測與評估。

基金項目：國家自然科學基金項目（41967056）;內蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2020GG0047）;內蒙古自治區(qū)科技成果轉化專項項目（2019GG015）

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