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(nèi)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(jīng)濟(jì)損失、修復(fù)時(shí)間與費(fèi)用和人員傷亡等方面進(jìn)行抗震韌性評(píng)估，并分析易損性建筑加固所需要的加固費(fèi)用及其加固前后的抗震韌性提升效益。結(jié)果表明：在研究區(qū)地震引起建筑群受損面積為1621萬(wàn)m2、直接經(jīng)濟(jì)損失為185.05億元、修復(fù)時(shí)間為0.59年、修復(fù)費(fèi)用為112.83億元，傷亡人數(shù)在0.5至2.6萬(wàn)人之間;研究區(qū)中等以上受損建筑群所需要加固費(fèi)用為36.2億元，其中中等破壞建筑加固所需費(fèi)用約占總費(fèi)用的74%。如果預(yù)測(cè)的受損建筑在地震前得到加固，毀壞和嚴(yán)重?fù)p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(fù)費(fèi)用與修復(fù)時(shí)間也大量降低，死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經(jīng)濟(jì)效益能達(dá)到100億元左右。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進(jìn)房屋抗震加固工程是當(dāng)?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障任務(wù)之一。

關(guān)鍵詞：抗震韌性;韌性提升效益;混凝土結(jié)構(gòu);呼和浩特市

中圖分類號(hào)：TU318;TU375? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2022）02-0022-06

1 引言

我國(guó)是世界上地震活動(dòng)強(qiáng)烈且地震災(zāi)情最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。2011年2月22日新西蘭Christchurch地震的慘痛教訓(xùn)提醒我們“城市抗震韌性”的重要性[2]。該問(wèn)題引起了我國(guó)城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑和地震等相關(guān)部門廣泛重視，但現(xiàn)有的地震工程技術(shù)手段和政策經(jīng)濟(jì)措施尚不能滿足抗震韌性城市建設(shè)的需求[3-5]，2017年在《國(guó)家地震科技創(chuàng)新工程》中專設(shè)了“韌性城鄉(xiāng)”內(nèi)容[6]，并在“十四五”規(guī)劃中提出建設(shè)“韌性城市”[7]。

在城市抗震韌性提升當(dāng)中，如何評(píng)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(wèn)題[8，9]。薛榮剛[10]等對(duì)小學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了抗震及其修復(fù)時(shí)間與費(fèi)用方面評(píng)估，鄭山鎖[11]等建立砌體結(jié)構(gòu)建筑加固費(fèi)用估算模型，王元棟、呂西林等先后研究了加固前后結(jié)構(gòu)韌性變化[12，13]。目前，針對(duì)既有建筑抗震韌性評(píng)價(jià)與提升對(duì)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(gè)重要建筑為主，特別是一般建筑群為對(duì)象的抗震韌性提升研究成果較少。但隨著我國(guó)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(huì)與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)的需求[11]，建筑群為研究對(duì)象的研究逐漸增多，林旭川等對(duì)建筑群抗震韌性分析提供量化指標(biāo)[21]，方東平等以典型社區(qū)為研究對(duì)象進(jìn)行了抗震韌性評(píng)估，并提出了提升方案[22]。

隨著內(nèi)蒙古地區(qū)城市化快速發(fā)展，建筑群越來(lái)越多。但現(xiàn)有建筑抗震能力普遍偏低[23]，滿足新的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建筑較少[24]。同時(shí)，現(xiàn)階段對(duì)于建筑群抗震韌性評(píng)價(jià)及其對(duì)策效益研究成果較少，影響當(dāng)?shù)氐卣鹨装l(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的進(jìn)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(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了多次7級(jí)以上地震，而烏素圖—奎素段在內(nèi)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(guò)復(fù)發(fā)周期[25]?？梢姶笄嗌缴角皵嗔褳跛貓D—奎素?cái)嗔训卣饘?duì)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(nèi)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(jié)構(gòu)建筑物（以下簡(jiǎn)稱鋼混建筑）為例進(jìn)行抗震韌性評(píng)價(jià)與抗震加固效益分析。首先，在研究區(qū)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果基礎(chǔ)上，利用研究區(qū)建筑與人口數(shù)據(jù)和易損性矩陣[26]，推測(cè)建筑物受損程度與面積和傷亡人數(shù)。并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虄r(jià)格和施工團(tuán)隊(duì)規(guī)模，計(jì)算出受損建筑物的修復(fù)時(shí)間及其相關(guān)費(fèi)用。最后，參考加固案例參數(shù)，計(jì)算研究區(qū)易損性建筑所需要加固費(fèi)用，并分析對(duì)象建筑物加固前后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)預(yù)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(shí)施和自然災(zāi)害防治能力提高工作提供科學(xué)依據(jù)與參考價(jià)值。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

呼和浩特市位于東經(jīng)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(gè)市轄區(qū)，建成區(qū)面積260Km2，總常住人口約221萬(wàn)人，生產(chǎn)總值達(dá)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(guò)。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(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源：（1）建筑數(shù)據(jù)采用中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的《2020年城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》及當(dāng)?shù)卣y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);（2）建筑造價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)源于公布2020年下半年省會(huì)城市住宅建安工程造價(jià)[28];（3）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷方式獲取的呼和浩特市區(qū)居民室內(nèi)財(cái)產(chǎn)（包括室內(nèi)裝潢、家電、家具、其他生活物品、汽車）調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.3 地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

本文推測(cè)對(duì)研究區(qū)影響度最大的大青山山前斷裂烏素圖—奎素?cái)嗔岩鸬卣鸬牡卣鹆叶?，該斷裂的長(zhǎng)度約46Km[29]。

在工程安全性評(píng)估等防震減災(zāi)工作中，常常需要對(duì)活動(dòng)斷裂未來(lái)可能發(fā)生的地震震級(jí)進(jìn)行評(píng)估，本文采用阿那爾等[25]對(duì)大青山山前斷裂烏素圖—奎素?cái)嗔褜?duì)研究區(qū)地震危險(xiǎn)性的評(píng)估結(jié)果：未來(lái)呼和浩特市區(qū)可能發(fā)生地震規(guī)模為7.2級(jí)，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(jì)算，得出研究區(qū)政府所在地地震烈度為8度。此結(jié)果與其它研究成果結(jié)論一致[30]。

3 建筑物震害預(yù)測(cè)

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(duì)研究區(qū)地震烈度為8度時(shí)，采用西部地區(qū)石河子市易損性矩陣[26]（表1），計(jì)算鋼混建筑物受損面積。依據(jù)《災(zāi)害直接損失評(píng)價(jià)》把建筑物受損等級(jí)劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞等5個(gè)等級(jí)（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(dá)到1620.99萬(wàn)m2，其中毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微破壞面積分別為31.78、127.14、444.98、1017.09萬(wàn)m2。對(duì)象建筑受到地震烈度8度強(qiáng)震時(shí)以輕微和中等受損為主，出現(xiàn)少量嚴(yán)重和毀壞受損建筑。

3.2 地震直接經(jīng)濟(jì)損失

地震災(zāi)害的一般特征是損毀大量抗震設(shè)防未達(dá)標(biāo)易損性建筑物，導(dǎo)致造成重大經(jīng)濟(jì)損失。本文所述的直接經(jīng)濟(jì)損失包括建筑本身經(jīng)濟(jì)損失和室內(nèi)生活物資的經(jīng)濟(jì)損失。預(yù)估建筑物經(jīng)濟(jì)損失時(shí)采用尹之潛、鄭山鎖等[32，33]提出的建筑物自身破壞損失計(jì)算公式，公式如下：

Lz=Ai×B×η（i）? （1）

其中：Lz—建筑物自身破壞經(jīng)濟(jì)損失，Ai—建筑物在破壞等級(jí)為i時(shí)的總面積（萬(wàn)m2），B—建筑物單位面積價(jià)格，η（i）—建筑物在破壞等級(jí)為i時(shí)的破壞損失比例。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高，室內(nèi)財(cái)產(chǎn)逐年上升。室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失計(jì)算公式如下：

L=T×λ（i）×w（i）? （2）

式中：L—室內(nèi)財(cái)產(chǎn)破壞經(jīng)濟(jì)損失，T—建筑物受損總面積（萬(wàn)m2），λ（i）為建筑物在破壞等級(jí)為i時(shí)的破壞損失比例，w（i）為建筑物在破壞等級(jí)為i時(shí)的單位面積室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失。

室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失比與建筑物同等比例[34]來(lái)計(jì)算如表2所示，其中財(cái)產(chǎn)單位單價(jià)是通過(guò)當(dāng)?shù)貙?shí)地調(diào)查獲得，包括室內(nèi)裝潢、室內(nèi)財(cái)產(chǎn)和日常生活物品等內(nèi)容，平均1600元/m2[35]。對(duì)地震引起的直接經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算得到如圖3所示的結(jié)果，可知研究區(qū)鋼混建筑直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)185.05億元，其中建筑自身?yè)p失達(dá)112.83億元，占總經(jīng)濟(jì)損失的61%;室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失達(dá)72.21億元，占總經(jīng)濟(jì)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(dāng)發(fā)生地震時(shí)對(duì)鋼混建筑產(chǎn)生破壞，從而引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失最大;室內(nèi)財(cái)產(chǎn)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(zāi)害中地震災(zāi)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(shí)有所不同。本文采用張潔等[36]提出的地震人員傷亡預(yù)測(cè)模型估算研究區(qū)傷亡人數(shù)，其中白天定為7點(diǎn)到19點(diǎn)，該時(shí)間段人員分布比較疏散而均勻;夜間定為19點(diǎn)到次日7點(diǎn)，該時(shí)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(lái)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(shí)間調(diào)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(yán)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(shè)白天人員均勻分布在建筑物內(nèi)，而夜間集中在住宅建筑物內(nèi)，其不同時(shí)段人員密度為：

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，研究區(qū)白天發(fā)生地震時(shí)死亡人數(shù)為991人、受傷人數(shù)為4252人，傷亡人數(shù)合計(jì)5244人，夜晚地震發(fā)生時(shí)死亡人數(shù)為4830人，受傷人數(shù)為20716人，傷亡人數(shù)合計(jì)25547人。夜晚發(fā)生地震時(shí)傷亡人數(shù)遠(yuǎn)高于白天發(fā)生同級(jí)地震的傷亡人數(shù)。表明，地震發(fā)生時(shí)間的不同導(dǎo)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(yán)重。

3.4 建筑物修復(fù)時(shí)間與修復(fù)費(fèi)用

建筑修復(fù)時(shí)間與費(fèi)用是一般指建筑功能性修復(fù)所需時(shí)間與相關(guān)費(fèi)用。由于不同工程隊(duì)修復(fù)建筑所需時(shí)間不同，本文采用呼和浩特市區(qū)每年新施工建筑面積來(lái)?yè)Q算受損建筑所需修復(fù)時(shí)間，公式5顯示計(jì)算方法。建筑物修復(fù)費(fèi)用是受損建筑面積、單位面積造價(jià)[28]和建筑物損失比[34]來(lái)計(jì)算，公式6顯示具體計(jì)算方法。

其中，Q—建筑修復(fù)時(shí)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(fù)費(fèi)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(jià)。

計(jì)算的建筑物修復(fù)時(shí)間與修復(fù)費(fèi)用結(jié)果如圖5所示，從圖中看出研究區(qū)毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微受損建筑修復(fù)時(shí)間為0.04年（約半個(gè)月）、0.12年（約1個(gè)月）、0.23年（約3個(gè)月），0.20年（不到2個(gè)半月），合計(jì)修復(fù)時(shí)間為0.59年。同樣毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微受損建筑修復(fù)費(fèi)用為7.95億元、22.25億元、44.5億元和38.14億元，總修復(fù)費(fèi)用為112.83億元。表明，當(dāng)呼和浩特市區(qū)發(fā)生地震時(shí)，中等受損的建筑修復(fù)費(fèi)用最高，修復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)。針對(duì)總受損情況，工程團(tuán)隊(duì)需要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)，并且長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月時(shí)間才能修復(fù)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(jié)果表明研究區(qū)遇到烈度8地震時(shí)傷亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)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(guó)家相關(guān)加固規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（GB55201-2021）[37]，分析研究區(qū)易損性建筑加固所需要的加固費(fèi)用及其加固前后的建筑受損面積、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失和修復(fù)時(shí)間等加固效益。

4.1 建筑物加固費(fèi)用

在地震災(zāi)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(cái)產(chǎn)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(jì)算韌性提升所需要的費(fèi)用。因?yàn)椴煌甏?、不同加固方法的加固費(fèi)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(jià)，單位面積加固單價(jià)定為600元/m2[24]，研究區(qū)易損性建筑所需加固費(fèi)用如圖6所示，研究區(qū)毀壞、嚴(yán)重破壞、中等破壞建筑所需要加固費(fèi)用為1.9億元、7.6億元和26.7億元，總合計(jì)36.2億元，其中中等破壞建筑所需費(fèi)用最多，約占總費(fèi)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(shí)，依據(jù)鑒定結(jié)果和委托方的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。因此，委托方的經(jīng)濟(jì)條件和房屋后續(xù)工作年限的長(zhǎng)短，很難確定抗震韌性提升最高值。本文實(shí)際加固案例中新設(shè)防烈度比原設(shè)防烈度1烈度或2烈度提高的案例[11]和《新時(shí)代防震減災(zāi)事業(yè)現(xiàn)代綱要》的低成本導(dǎo)向[9]，計(jì)算假設(shè)受損建筑物全部加固到提高設(shè)防烈度1度前后的加固效益。假設(shè)加固對(duì)象建筑物設(shè)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(shí)對(duì)象建筑的建筑易損性作為建筑加固后建筑易損性，計(jì)算加固前后的易損性建筑物受損面積、經(jīng)濟(jì)損失和傷亡人數(shù)減少效益。結(jié)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(yán)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(jīng)濟(jì)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(shí)，修復(fù)費(fèi)用與時(shí)間也大量減少。從以上結(jié)果能看出，易損性建筑的抗震加固是傷亡人數(shù)、修復(fù)時(shí)間大量減少以外，經(jīng)濟(jì)損失減少約138.96億元，考慮加固需要36.2億元也產(chǎn)生100億左右的經(jīng)濟(jì)效益。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進(jìn)房屋抗震加固工程是當(dāng)?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障任務(wù)之一。

5 結(jié)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(jié)構(gòu)建筑群為例，進(jìn)行了抗震韌性評(píng)價(jià)及其抗震加固效益分析，得到以下結(jié)論。

（1）在研究區(qū)地震烈度8的地震時(shí)，受損鋼混結(jié)構(gòu)建筑物面積為1621萬(wàn)m2，造成經(jīng)濟(jì)損失約166.7億元;地震白天發(fā)生時(shí)死亡人數(shù)約991人、受傷人數(shù)約4525人，合計(jì)5244人，夜間發(fā)生時(shí)死亡約4830人，受傷約27016人，合計(jì)25547人，夜間發(fā)生地震的傷亡人數(shù)遠(yuǎn)高于白天發(fā)生同級(jí)地震的傷亡人數(shù);受損建筑的修復(fù)時(shí)間0.59年，修復(fù)費(fèi)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(fèi)用為36.2億元，其中中等破壞建筑所需費(fèi)用最多，約占總費(fèi)用的74%左右。

（3）研究區(qū)受損建筑物全部加固時(shí)，毀壞和嚴(yán)重?fù)p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(fù)費(fèi)用與修復(fù)時(shí)間也大量減少。并死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到100億元左右。

本文在當(dāng)?shù)貙?shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，推測(cè)了鋼混結(jié)構(gòu)建筑群抗震韌性和加固效益，以期對(duì)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(dòng)作用。但是今后仍需進(jìn)一步完善磚混、木結(jié)構(gòu)等其它建筑物的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和評(píng)估方法，并考慮抗震能力特低或過(guò)早老舊建筑不適宜加固而重建更合理等實(shí)際問(wèn)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(nèi)蒙古通遼人，博士，副教授，研究方向：城市災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41967056）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020GG0047）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)項(xiàng)目（2019GG015）

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