周瓊麗， 鄒建業(yè)， 范 茜， 陳 亮， 張 毅

(1.云坤設(shè)計集團有限公司， 昆明 650034； 2.云南財經(jīng)大學(xué) 物流與管理工程學(xué)院， 昆明 650221；3.廣西建通工程設(shè)計咨詢有限公司， 廣西 百色 533000)

中國是遭受地震災(zāi)害損害最嚴(yán)重的國家之一，地震對人類的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。城市區(qū)域作為人員活動密集區(qū)，建筑高密度及人員的高密度都成為地震時損失嚴(yán)重的原因之一。在地震中，建筑物的破壞是引發(fā)生命財產(chǎn)安全的重要因素，故群體建筑抗震性能評價在抗震防災(zāi)規(guī)劃中尤為重要。云南地區(qū)是中國地震發(fā)生較多的地區(qū)之一，積累了較多的建筑震害數(shù)據(jù)。周光全等統(tǒng)計了云南地區(qū)不同烈度區(qū)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)類型的破壞比統(tǒng)計值,并加以修正后形成云南震害矩陣[1]。本文在云南震害矩陣的基礎(chǔ)上，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)數(shù)據(jù)分析，以昆明市陽宗海為例，建立震害矩陣與不同結(jié)構(gòu)類型建筑的數(shù)量關(guān)系，同時根據(jù)建筑評價結(jié)果，建立避震人口與震害矩陣的關(guān)系[2-3]。為城市規(guī)劃人員在做抗震防災(zāi)規(guī)劃中群體建筑評價及避震人口預(yù)測提供簡易方法。

震害矩陣是指某一特定地區(qū)在不同地震烈度下房屋建筑的損壞情況分布，在不同烈度下，由于房屋建筑結(jié)構(gòu)不同，房屋破壞程度也不同，經(jīng)過已有震害數(shù)據(jù)和易損指數(shù)的分析，建立破壞等級與建筑結(jié)構(gòu)的破壞比[1]。根據(jù)《建(構(gòu))筑物地震破壞等級劃分》(GB/T 24335—2009)，按調(diào)查建筑物的破壞程度分為5個等級：基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌。

1 陽宗海區(qū)域基本情況

陽宗海區(qū)域位于云南省中部，昆明市東南，東經(jīng)102.53°～103.08°，北緯24.47°～25.07°，南北長43 km2，東西寬25 km2，全區(qū)國土總面積546 km2。

陽宗海區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育有多條，其中近南北向的小江斷裂帶西支、北東向的萬壽山斷裂、一朵云斷裂是區(qū)域內(nèi)的控制性活動斷裂。小江斷裂西支和萬壽山斷裂是全新世活動斷裂，具備7級以上的構(gòu)造條件。一朵云斷裂為晚更新世活動斷裂，具備發(fā)生6.5級地震的構(gòu)造條件。小江斷裂帶北起巧家以北，長度大于500 km。斷裂帶由多條次級剪切斷層和張性斷層組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按其結(jié)構(gòu)特征將其分北、中、南3段。萬壽山斷裂發(fā)育在小江斷裂東西支之間，在陽宗海區(qū)域范圍內(nèi)展布長度約10 km。斷裂在萬壽山南側(cè)進入規(guī)劃區(qū)，經(jīng)宰格村、小松園、可保煤礦、湯池后可能沿湯池至陽宗海谷底延入陽宗海。萬壽山斷裂為全新世活動斷裂。一朵云斷裂是展布在小江斷裂和滇池盆地之間的一條晚更新世活動斷裂。在陽宗海北側(cè)與小江斷裂西支斜交，往南西方向經(jīng)一朵云、青巖水庫、土瓜塘附近后延入規(guī)劃區(qū)，至呈貢新冊村附近進入滇池盆地，被第四系覆蓋。

依據(jù)2016版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)中關(guān)于城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度、設(shè)計基本地震加速度和設(shè)計地震分組，陽宗海區(qū)域所含湯池街道辦事處、七甸街道辦事處和陽宗鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.3，設(shè)計地震分組為第三組。依據(jù)陽宗海城鄉(xiāng)總體規(guī)劃，2035年(遠期)陽宗區(qū)域常住人口規(guī)模為38萬人，根據(jù)國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》，陽宗海區(qū)域城市規(guī)模屬Ⅰ型小城市。根據(jù)《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50413—2007)及《云南省城市抗震防災(zāi)規(guī)劃編制技術(shù)導(dǎo)則》對編制模式分的界定，按照陽宗海區(qū)域的城市規(guī)模、重要性和抗震防災(zāi)要求，陽宗海區(qū)域應(yīng)按乙類編制模式進行抗震防災(zāi)規(guī)劃的編制。

抗震防災(zāi)中的建筑評價對于人口預(yù)測、疏散布點等至關(guān)重要。本文采用經(jīng)驗法、類推預(yù)測法、數(shù)學(xué)統(tǒng)計法等，以定量為主，定量與定性相結(jié)合對群體建筑進行統(tǒng)計分析，得到群體建筑評價的簡易模型，建立避震人口與震害矩陣的關(guān)系。

2 基于震害矩陣的群體建筑及人口預(yù)測方法

2.1 群體建筑抽樣

群體建筑進行抽樣調(diào)查時，結(jié)合地塊劃分預(yù)測單元來進行采樣。預(yù)測單元劃分可采取社區(qū)或其他行政分區(qū)進行，也可根據(jù)不同抗震工作區(qū)的重要性及建筑分布特點進行劃分[4]。

在《陽宗海區(qū)域抗震防災(zāi)規(guī)劃》中，以社區(qū)為預(yù)測單元，基于陽宗海1∶1 000地形圖進行現(xiàn)場抽樣調(diào)查、統(tǒng)計普查。陽宗海區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地屬于二類工作區(qū)和三類工作區(qū)，如圖1所示，按《云南省城市防災(zāi)規(guī)劃編制技術(shù)導(dǎo)則(試行)》規(guī)定，建筑抽樣率不小于3%和1%。

圖1 陽宗海區(qū)域抗震工作區(qū)劃分截選圖

陽宗海區(qū)域由于城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的擴張及城鎮(zhèn)發(fā)展遺留等問題，城市開發(fā)邊界內(nèi)一定程度上存在部分城中村，而城市非城中村區(qū)域與城中村自建區(qū)域在建筑質(zhì)量、人口密度等方面存在明顯區(qū)別，且人口在時間及空間上都具有較大的差異性。故劃分預(yù)測單元后，首先將預(yù)測單元內(nèi)的群體建筑分為城中村居民自建房、非城中村統(tǒng)規(guī)統(tǒng)建房屋兩大類，再根據(jù)建筑密度、結(jié)構(gòu)類型等選取抽樣樣本[5]。而對于未進行建設(shè)的地塊，建筑數(shù)量根據(jù)已建設(shè)區(qū)域同種用地性質(zhì)進行推演，建筑結(jié)構(gòu)參考現(xiàn)階段區(qū)域設(shè)計施工項目情況。

陽宗海區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地主要集中在七甸社區(qū)、湯池社區(qū)、陽宗鎮(zhèn)及環(huán)陽宗海區(qū)域，其余多為零星建設(shè)用地，且區(qū)域內(nèi)存在較多的城中村。陽宗海區(qū)域建設(shè)用地規(guī)模較小，且地形測繪圖較新，預(yù)測基于1∶1 000地形圖采用GIS進行全覆蓋統(tǒng)計，并與統(tǒng)計普查數(shù)據(jù)相互檢驗，通過數(shù)據(jù)分析，對區(qū)域內(nèi)已建設(shè)區(qū)各結(jié)構(gòu)類型建筑以社區(qū)為單位進行分類統(tǒng)計，對于未建設(shè)區(qū)則根據(jù)已建設(shè)區(qū)同類用地性質(zhì)進行推演預(yù)測。

陽宗海區(qū)域城中村在城鄉(xiāng)總體規(guī)劃中為村莊建設(shè)用地，多為居民自建房，分布于陽宗海區(qū)域的各個區(qū)域。通過對陽宗海38個社區(qū)181個城中村數(shù)據(jù)分析，得到城中村區(qū)域各結(jié)構(gòu)的建筑數(shù)量，見表1。

非城中村為除村莊建設(shè)用地外的其他城市規(guī)劃用地，分為建成區(qū)和未建區(qū)。建成區(qū)建筑主要分布于陽宗海區(qū)域的湯池街道及陽宗海沿岸的度假區(qū)，以社區(qū)為預(yù)測單元按用地屬性及結(jié)構(gòu)類型進行統(tǒng)計，得到建成區(qū)非城中村區(qū)域各結(jié)構(gòu)類型建筑數(shù)量，見表2。

表1 城中村現(xiàn)狀建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

表2 非城中村現(xiàn)狀建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

對于未建區(qū)的建筑，通過建成區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，按用地屬性進行推演，結(jié)構(gòu)類型參考現(xiàn)階段陽宗海區(qū)域設(shè)計施工項目情況，預(yù)計不會出現(xiàn)新建土木建筑和新建磚混建筑，因此全部以框架結(jié)構(gòu)來計算統(tǒng)計，見表3。

表3 未建規(guī)劃區(qū)域建筑結(jié)構(gòu)推算

非城中村建筑損壞情況包含了建成區(qū)域采樣數(shù)據(jù)和未建規(guī)劃區(qū)域推演數(shù)據(jù)兩部分綜合計算統(tǒng)計后的結(jié)果。

2.2 群體建筑破壞預(yù)測

在云南震害矩陣的基礎(chǔ)上,結(jié)合統(tǒng)計到的不同結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)，則不同破壞等級建筑數(shù)量的計算公式為

Q=i1QS1+i2QS2+i3QS3+i4QS4

(1)

式中：Q為不同破壞等級建筑數(shù)量；QS1為框架結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量；QS2為磚混結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量；QS3為磚木結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量；QS4為土木結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量；i1為框架結(jié)構(gòu)破壞比平均值；i2為磚混結(jié)構(gòu)破壞比平均值；i3為磚木結(jié)構(gòu)破壞比平均值；i4為土木結(jié)構(gòu)破壞比平均值。

在陽宗海區(qū)域抗震防災(zāi)規(guī)劃中，陽宗海區(qū)域地處云南地區(qū)Ⅷ度區(qū)，根據(jù)表4，對每種結(jié)構(gòu)的房屋建筑的破壞比進行類比統(tǒng)計，并得出群體建筑的中等以上破壞比值，計算建筑損壞預(yù)估數(shù)據(jù)，并以此作為人口疏散的依據(jù)。

陽宗海區(qū)域不同建筑損害數(shù)量主要包括城中村及非城中村數(shù)量。

本次規(guī)劃共收集全城181個城中村的相關(guān)數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)分類整理后，根據(jù)陽宗海區(qū)域在Ⅷ度設(shè)防相應(yīng)等級地震建作用下的震害矩陣不同破壞等級建筑數(shù)量計算公式對城中村建筑的破壞情形進行計算和統(tǒng)計，合計毀壞670棟，嚴(yán)重破壞4 668棟，中等破壞12 349棟。部分社區(qū)統(tǒng)計見表5。

表4 云南地區(qū)Ⅷ度區(qū)內(nèi)房屋建筑的破壞比統(tǒng)計 %

表5 城中村框架建筑損壞統(tǒng)計

非城中村建筑損壞情況包含了建成區(qū)域采樣數(shù)據(jù)和未建規(guī)劃區(qū)域推演數(shù)據(jù)兩部分。規(guī)劃對建成區(qū)所有數(shù)據(jù)分類整理后，以社區(qū)為預(yù)測單元按不同用地類型推演未建區(qū)，最后根據(jù)陽宗海區(qū)域在Ⅷ度設(shè)防相應(yīng)等級地震建作用下的震害矩陣不同破壞等級建筑數(shù)量計算公式對非城中村建筑的破壞情形進行統(tǒng)計，合計毀壞2棟，嚴(yán)重破壞380棟，中等破壞1 908棟。

通過對全城現(xiàn)狀建成區(qū)、未建區(qū)規(guī)劃建筑的分布、建設(shè)情況，可以預(yù)測陽宗海區(qū)域在規(guī)劃期末，如果遇到VIII度設(shè)防相應(yīng)等級地震，將會形成毀壞建筑672棟，嚴(yán)重破壞建筑5 044棟，中度破壞建筑14 258棟。

2.3 群體建筑破壞預(yù)測結(jié)論

通過以上分析，可以確定陽宗海區(qū)域城鄉(xiāng)群體建筑的薄弱區(qū)，以輔助確定舊城改造、城市更新的相關(guān)區(qū)域，為政府決策提供一定的數(shù)據(jù)支撐，同時也作為人口疏散的依據(jù)，如圖2所示。

3 疏散人口預(yù)測

避難人口主要分為緊急避震人口及無家可歸人口(也叫固定避震人口)。緊急避難人口是指地震開始后30 min內(nèi)，需要就近尋找空間進行緊急疏散的受災(zāi)人口，在規(guī)劃中，通常判定全城人口都需要就近尋找空間進行躲避；無家可歸人口通常指失去住所的人員，需要在固定避難場所生活一段時間，此類人員數(shù)量與建筑破壞程度有關(guān)，需結(jié)合群體建筑評價結(jié)果進行預(yù)測[6-8]。

3.1 緊急避震人口預(yù)測

3.1.1 緊急避難人口概念

緊急避難人口是指地震開始后30 min內(nèi)，需要就近尋找空間進行緊急疏散、站立的受災(zāi)人口。

3.1.2 緊急避震人口預(yù)測方法

緊急避震人口預(yù)測以社區(qū)劃分單元，其中已全部建成社區(qū)采用自然增長率的方式預(yù)測社區(qū)人口，其他未建區(qū)的社區(qū)采用已建成的社區(qū)單位用地面積人口密度類比推斷來預(yù)測社區(qū)規(guī)劃人口[9]。

陽宗海區(qū)域包含國家級風(fēng)景名勝區(qū)，在城鄉(xiāng)總體規(guī)劃中，包含了大量的旅游建設(shè)用地。陽宗海區(qū)域人口包括外來游人、服務(wù)人口和當(dāng)?shù)鼐用?類。本次規(guī)劃中，震時，判定全城人員都需要就近尋找空間進行躲避。

緊急避震人口預(yù)測中以社區(qū)劃分單元，首先區(qū)分旅游建設(shè)用地及其他建設(shè)用地。已全部建成社區(qū)非旅游用地采用自然增長率的方式預(yù)測社區(qū)人口；其他含有非旅游用地未建區(qū)的社區(qū)采用已建成的社區(qū)單位用地面積人口密度類比推斷來預(yù)測社區(qū)規(guī)劃人口[10]。根據(jù)現(xiàn)狀已建成社區(qū)的建設(shè)密度，將規(guī)劃預(yù)測密度系數(shù)分為高、中、低3類，類比推演其他非旅游用地未建區(qū)。旅游建設(shè)用地通過單位面積接待容量進行計算，并結(jié)合日均最大旅游人口，通過計算最終得出每個社區(qū)的緊急避難人數(shù)。

3.1.3 區(qū)域緊急避震人口結(jié)論

通過對區(qū)域社區(qū)緊急避震人口規(guī)模的預(yù)測，可相應(yīng)地預(yù)測各個社區(qū)的緊急避震場所規(guī)模，以加強緊急避震場所建設(shè)的合理性。

3.2 無家可歸人口預(yù)測

3.2.1 無家可歸人口概念

地震發(fā)生時，劇烈的震動會導(dǎo)致建筑的大量損壞及倒塌，并導(dǎo)致供水、供電等生命線工程系統(tǒng)的失靈。社區(qū)人口會因此失去住所或在住所內(nèi)無法生存，只得前往避難場所避難。隨著救援的進行，城鄉(xiāng)的供水、供電等系統(tǒng)隨著時間的推移而被修復(fù)，建筑受損較輕的居民則陸續(xù)回到家中。一般來講，城鄉(xiāng)緊急供水完全修復(fù)所需最長時間在30天左右，這部分人屬于短期避難人員。而那些住宅建筑嚴(yán)重受損甚至倒塌的居民，只能暫時居住在固定避難場所，由政府提供相應(yīng)的食物供應(yīng)及住宿帳篷或搭建的活動板房等，在避難場所度過一段時間的避難生活，待建筑修復(fù)或重建完畢后搬入新住所，一般此類人員被稱為無家可歸人員。

3.2.2 無家可歸人口預(yù)測方法

由于城鄉(xiāng)人口在時間空間上存在較大的差異性，特別是城中村與非城中村人員密度存在較大差異，在抗震規(guī)劃中無家可歸人口計算結(jié)合建筑評價結(jié)果分為城中村無家可歸人口及非城中村無家可歸人口。其中城中村人口以棟均人口進行計算，非城中村人口以單位居住用地人口進行計算[11]。

規(guī)劃中通常將各個社區(qū)在抗震設(shè)防烈度下?lián)p壞、嚴(yán)重?fù)p壞、中度損壞建筑導(dǎo)致的人口總數(shù)作為無家可歸人口。某區(qū)域的無家可歸人口數(shù)量與建筑在地震作用下發(fā)生不同破壞狀態(tài)的概率有關(guān)，即與震害矩陣有關(guān)。某個區(qū)域的避難人口等于區(qū)域總?cè)丝诔艘员苷鹇?。避難人口通過式(2)計算所得，在式(2)中避難率E采用尹之潛模型變形，由式(3)計算得出。

POP=E×POP′

(2)

式中：POP為避難人口；POP′為區(qū)域人口；E為避震率。

(3)

式中：RT1為震害矩陣中毀壞概率；RT2為震害矩陣中嚴(yán)重破壞概率；RT3為震害矩陣中中等破壞概率。

本次規(guī)劃中震害矩陣采用周光全等的《云南地區(qū)房屋建筑的震害矩陣》：云南地區(qū)Ⅷ度區(qū)內(nèi)房屋建筑的破壞比統(tǒng)計。

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的破壞比，用式(3)計算出Ⅷ度區(qū)居住用地內(nèi)不同結(jié)構(gòu)類型的避難率E，見表6。

表6 Ⅷ度區(qū)居住用地內(nèi)不同結(jié)構(gòu)類型的避難率 %

3.2.3 城中村無家可歸人口

在本次規(guī)劃中，已知陽宗海每個城中村的總?cè)丝冢虼丝梢酝茢喑雒總€村的棟均人口，再分別算出相應(yīng)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的人口，結(jié)合表6的避難率E，預(yù)測出城中村無家可歸的人口數(shù)量。

3.2.4 非城中村無家可歸人口

非城中村區(qū)域以社區(qū)為劃分單位，以規(guī)劃居住用地面積及其單位面積的人口規(guī)模為計算基礎(chǔ)，結(jié)合避難率E，預(yù)測出非城中村區(qū)域無家可歸的人口數(shù)量。在本次規(guī)劃中，通過對陽宗海區(qū)域不同的居住用地進行采樣，得到單位用地面積人口及各結(jié)構(gòu)建筑用地占比，再結(jié)合城鄉(xiāng)總體規(guī)劃居住用地規(guī)模，測算無家可歸人口，對于未建設(shè)的居住用地則根據(jù)用地屬性根據(jù)采樣結(jié)果進行推演，結(jié)合表6的避難率E，預(yù)測出非城中村無家可歸的人口數(shù)量。

3.2.5 區(qū)域無家可歸人口結(jié)論

通過統(tǒng)計各個社區(qū)在抗震設(shè)防烈度下?lián)p壞、嚴(yán)重?fù)p壞、中度損壞建筑導(dǎo)致的無家可歸人口總數(shù)，陽宗海全城固定避震人口包括城中村人口、非城中村人口。無家可歸人口的測算可對固定避震場所建設(shè)投資的合理性提供支撐。

4 結(jié)語

基于云南震害矩陣，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)分析，提出群體建筑評價及人口預(yù)測的簡易方法，操作較為簡單，已成功應(yīng)用于陽宗海區(qū)域抗震防災(zāi)規(guī)劃項目中。云南地區(qū)抗震防災(zāi)規(guī)劃可依據(jù)云南震害矩陣及云南地區(qū)經(jīng)驗參數(shù)，對群體建筑及震害人口進行預(yù)測；其他地區(qū)可依據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)震害參數(shù)進行修改應(yīng)用。研究成果可為城市在抗震防災(zāi)中科學(xué)布局避震疏散場地、疏散道路等提供科學(xué)依據(jù)。