场地韧性的概念及有关问题的讨论

2022-08-04 07:49薄景山张毅毅王玉婷2赵鑫龙陈亚男
世界地震工程 2022年3期
关键词:韧性抗震稳定性

薄景山,张毅毅,薄 涛,王玉婷2,,赵鑫龙,陈亚男

(1.防灾科技学院中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室,河北三河 065201;2.中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程震动重点实验室,黑龙江哈尔滨 150080;3.北京市地震局,北京 100080)

引言

城市及其城市中的各类建筑工程无一不坐落在一定的场地之上,其稳定性及安全性与场地密切相关。随着韧性城市和建筑抗震韧性理念及评价方法提出[1-8],场地韧性等级评价问题日显突出。理论上,城市和建筑的韧性评价应该考虑场地的韧性问题,场地韧性评价是城市和建筑韧性评价的重要组成部分。但由于这方面研究工作滞后,使得在已有城市韧性评价和建筑抗震韧性评价中鲜有场地评价的内容。在REDiTM评估系统中没有把场地条件作为评估指标而对建筑的抗震韧性级别进行评价[9],只是提出了降低地震诱发的次生灾害对建筑不利影响的措施;在我国国家标准《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591-2020)[10]中,也只是在确定地震动输入时规定:“对处于发震断裂两侧10 Km 以内的结构,地震动参数应计入近场影响。当建筑位于条形突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段时,尚应估计不利地段对地震动可能产生的放大作用,按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[15]的规定确定”,除此之外,没有对场地做任何规定;场地韧性是一个全新的概念,场地韧性等级评价在学术界还是空白。因此,对场地韧性的概念及有关问题开展讨论和探索,提出场地韧性概念并讨论场地韧性等级的评价指标和方法,对推动韧性城市和建筑抗震韧性研究有重要意义。

1 韧性和场地的概念及其评述

1.1 韧性的概念

关于韧性(Resilience)一词的起源、内涵和演化,不同领域的学者开展了大量的研究工作。ALEXANDER[11]从语源学角度分析认为:Resilience一词最早源于拉丁语“resilio”,本意是“回复到原始状态”。大约在16 世纪左右,法语借鉴了这一词汇“résiler”,其包含有“撤回或取消”的含义。Resilience 这一英文单词经过不断演化而成为现代英语中的“resile”,并被沿用至今。汪辉等[12]认为:历史上首次对Resilience 定义的是1824 年出版的《大英百科全书》,定义为“受到压力的躯体在受压而引起的变形之后恢复其大小与形状的能力和从灾难或变化中恢复或易于调适的能力”。在自然科学领域“韧性”最早是被应用在物理学领域,用来表示弹簧的特性,同时也用其来描述材料抵抗外部冲击以及在外力作用下稳定性的能力[13]。自从生物学家HOLLING[14]在1973年发表《生态系统的韧性与稳定性》一文后,韧性一词逐渐在不同的学科领域被应用,并在不同的学科领域被赋予了新的内涵。尽管韧性的核心含义没有变化,但不同学科领域对韧性学术概念的定义存在着一定差异。在物理学领域,韧性被认为是材料变形时吸收能量的能力和系统产生位移后重新返回原平衡位置的速度;在社会学领域,韧性被认为是社会应对各种冲击而保持可持续发展的能力;在经济学领域,韧性是指具有应对外部经济动荡的能力;在防灾领域,韧性是指一种社会组织结构,能够尽量减少灾害的影响,同时有能力迅速恢复社会经济活力,或城市系统抵御灾害和灾后恢复的能力;在城乡规划领域,韧性是指城市系统遭遇危险时,通过抵抗、吸收、适应并及时从危险中恢复过来,使其所受影响减小的能力;在工程抗震领域,韧性是指建筑或城市在设定地震作用下,维持与恢复原有建筑或城市功能的能力。可见:尽管不同学科赋予韧性的内涵有所差别,但其核心思想都围绕着“抵抗、吸收、恢复和适应”等关键词来描述,所表述的都是系统的一种能力。由此,韧性可理解为系统抵抗和吸收各种干扰的能力以及受干扰后恢复原始状态或适应新状态的能力。这种干扰可以是自然的,也可以是人为的,在不同的学科领域有不同的内涵。

1.2 场地的概念

在土木工程领域,场地(Site)是指工程建设所在地。城市建设场地是指一定范围内的城市所在地;在我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[15]中,场地是指工程群体所在地,具有相似的反应谱特征,其范围相当于厂区、居民小区和自然村或大于1.0 km2的平面面积。王锺琦等[16]在《地震区工程选址手册》一书中对场地的定义是“工程活动所占用或相互影响的土地,其范围大小无需定义。但在其范围内存在的各种地质、地形等环境因素可能改变着局部的地震运动及其破坏作用,因而成为重点研究和评价的对象”。需要强调,场地和地基是不同的概念,地基是指支撑基础的土体或岩体[17],其范围通常为基础以下的有限深度;场地包含了地基在内的较大范围和深度的岩土体。场地是一个复杂的地质体和岩土系统,依据场地岩土的组成及其性质可将场地划分为不同的类别。主要由坚硬基岩组成的场地称为基岩场地;主要由第四系松散沉积物构成的场地称为土层场地。我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)根据土层的等效剪切波速或岩石的剪切波速将场地划分为四大类,并以此来确定抗震设计反应谱的特征周期;在化建新等[18]主编的《工程地质手册》(第五版)中:根据场地对建筑抗震的影响、不良地质作用的发育程度、地质环境被破坏的程度、地形地貌的复杂程度和地下水对建筑的影响等五个条件将场地划分为三个等级,并以此作为划分岩土工程勘察等级的依据之一。尽管对场地的理解还不统一,但场地是由地质体组成的复杂岩土系统、不同场地性能及其稳定性存在差异、在外界的干扰下存在失稳的可能性、场地条件对城市和城市中各类建筑工程的安全有重要影响,这些是目前土木工程领域取得的共识。

在场地和韧性的概念讨论的基础上,我们可以尝试把韧性的概念引入场地。如果把场地看成由岩土组成的系统,场地韧性的初步含义可理解为场地所具有抵抗和吸收各种干扰的能力以及受干扰后恢复原始状态或适应新状态的能力。这种能力取决于场地本身的稳定性和受到干扰的强度和方式。因此,有必要讨论场地的稳定性和抗干扰问题。

2 关于场地的稳定性和抗干扰问题的讨论

场地的稳定性直接影响城市和建筑的稳定性,场地的稳定性取决于场地条件和场地所遭到的各种外界干扰。场地条件是指场地的地形地貌条件、岩土类型及工程地质性质、地质构造和区域地壳稳定性、水文地质条件和不良地质现象发育程度等;外界干扰主要指包括地震在内的各种地质作用和人类工程活动等,这种干扰在多数情况下是随机的。人类工程活动对场地的稳定性会产生一定干扰,例如设计不当的人工边坡可能会引起场地失稳;过量的开采地下水会引起地面沉降等,不过这些干扰可以通过合理的措施而规避。场地既为建筑基础提供了支撑和环境,也是地震动的传播介质。因此,在工程抗震领域,场地对地震动的影响和场地在地震作用下产生震害现象的分析是研究的重点方向。本文主要讨论场地条件与场地的稳定性和场地抗干扰(主要是地震作用)的宏观关系。

2.1 地形地貌

地形和地貌是影响场地稳定性和抗干扰能力的重要因素之一。通常,开阔、平坦、相对高差较小的简单地形和无特殊地貌的场地,其稳定性相对较好,抗干扰能力也较强,从地形地貌的角度来衡量这类场地是工程建设的有利场地。复杂的地形和特殊的地貌,例如,条件突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘地带,以及特殊的黄土地貌和喀斯特地貌等是工程建设不利的地段,其稳定性一般较差,对各种干扰的响应较强,抗干扰能力减弱。例如强震资料显示[19],局部地形的影响可使地表峰值加速度增大30%~50%。目前,关于地形地貌对震害的影响比较统一的认识是,局部不规则地形的顶部较底部对地震动的放大效应强烈、地震动强度大和震害严重;形态变化急剧的部位较缓慢渐变的地震动大,震害严重,在选择工程建设场地时,应尽量避开。当然,这一领域尚有若干问题需要研究,例如局部地形的几何尺度对地震动放大作用的影响,不同地形对地震波选频放大的问题等。

2.2 岩土类型、覆盖层厚度及土层结构

场地岩土的类型、覆盖层的厚度和土层结构等对场地稳定性和抗干扰能力的影响极为显著。一般情况下,基岩场地较土层场地的稳定性好和抗干扰能力强;由坚硬土、均匀的中硬土或岩土种类单一、工程地质性质变化不大、土层结构简单且覆盖层厚度较小的土层组成的场地,其稳定性较好,抗干扰能力也较强。由分布不均匀、岩土种类多、土层结构复杂、覆盖层厚度较大并含有软弱土、液化土、特殊土等组成的场地,其稳定性一般较差,对各种干扰的响应较强,抗干扰能力减弱。震害调查和强震观测资料表明,土层场地较基岩场地的放大作用明显,通常覆盖土层地表峰值加速度是其之下基岩的1~10倍,多数在2~4倍;建在坚硬地基上的建筑物一般震害较轻,建在软弱地基上的建筑物一般震害较重[20-21]。软弱土层反应谱的特征周期较坚硬土层的大,在不同类型的岩土之上的地基对不同的结构会产生选择性的破坏[22]。

2.3 地质构造和区域地壳稳定性

重大工程,如核电站等,在工程选址中要考虑区域地壳的稳定性,在城市规划或一般工程建设中,区域地壳稳定性一般只作为选址的对比条件。工程抗震中主要是考虑活断层对工程建设的影响,重点是考虑如果活断层发生了地震,并产生了地表破裂,地表破裂对工程结构损坏和近断层地震动的影响问题。通常,场地及其附近活动断层越发育,场地的稳定性越差,受断层的影响越大。我国现行的国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[15]规定,对处于发震断裂两侧10 km以内的结构,地震动参数应计入近场影响,5 km以内宜乘以增大系数1.5,5 km 以外宜乘以不小于1.25的增大系数。不过,这一规定的合理还有待商榷。发震断层对震害的影响总体上可归纳为:地表断裂带上的结构无一幸免,断层的地表错动可谓无坚不摧。断层上盘的震害通常重于下盘的震害,震害严重的区域常分布在断层两侧数十米范围内,越靠近断层影响越大,远离这一区域的震害逐步减轻。此外,发震断层还可能诱发滑坡、崩塌等不良地质现象并产生次生灾害。

2.4 水文地质条件

地下水对场地岩土的力学性质和稳定性有显著影响。通常,含水岩土较非含水岩土的强度低、压缩性大;场地的地下水位越浅,其稳定性越差,抗干扰的能力越低。震害调查资料显示[23],地下水位埋藏越浅,震害越重。在早期的烈度评定中,需要利用场地条件对烈度进行调整,地下水埋深是一个重要指标。麦德维杰夫(MEDVEDEV.S.V)通过震害调查资料分析认为,地下水埋深大于10 m时,可不考虑对地震烈度的影响。接近地表时,烈度可提高一度,并给出了利用地下水埋深和地基土类型调整地震烈度的经验公式[24]。地下水对场地的地震动参数有显著影响,常晁瑜[25]对这些成果做了简要的总结,总体上,随着地下水位的上升,地表峰值加速度的放大效应减小,规准谱的特征周期变大,平台变宽。另外,地下水还为砂土液化和软土震陷提供了可能发生的条件,也使发生滑坡和崩塌等地震地质灾害的危险性增大。

2.5 不良地质现象

不良地质现象通常是指滑坡、崩塌、泥石流、砂土液化、软土震陷、地面沉降和地裂缝等地质现象,也称为物理地质现象。通常,场地不良地质现象越发育,场地的稳定性越差,危险性越高,抗干扰的能力越差。在工程建设中,不良地质现象发育的场地属于危险场地或危险地段,应尽量避开或采取工程措施进行处理。地震是产生不良地质现象的重要原因之一,在工程抗震领域主要研究地震引起的滑坡和崩塌、砂土液化和软土震陷、海啸、湖涌、地表破裂等地震地质灾害的成因和预测方法,以及减轻这些灾害的工程措施。

综合上述分析不难理解,场地是由岩土组成的系统,其是否具有抵抗和吸收各种干扰的能力,以及受干扰后恢复原始状态或适应新状态的能力是定义和理解场地韧性的核心。场地的稳定程度是场地抵抗和吸收干扰能力的重要指标,也是场地维持和恢复原有功能的基本保证;场地可能受到的干扰程度是场地能否恢复原有功能或适应新状态重要因素。实际上,任何系统都具有抵抗和吸收各种干扰的能力,以及受干扰后恢复原始状态或适应新状态的能力,但这种能力存在着差别。这一观点的理论基础是HOLLING 在2001年提出的“适应性循环理论”,其是理解场地韧性的理论基础。

3 场地韧性概念的理论基础

2001 年HOLLING 等[26-28]在其著作《Panarchy:Understanding Transformations in Human and Natural Systems》中首次将生态系统韧性的概念应用于人类社会系统,并建立了“适应性循环理论”,用以描述社会-生态系统中干扰和重组之间的相互作用及其韧性变化。适应性循环理论,也称为适应性循环扰沌模型,是一切冠以韧性研究领域的理论基础。该理论认为:系统在干扰下处于不断的动态发展变化中,系统的发展包含了四个阶段循环,分别是开发阶段(exploitation phase),也称为利用或成长阶段(growth phase);保持阶段(conservation phase),也称保存和守恒阶段;释放阶段(release phase),也称破坏阶段(collapse phase);重组阶段(reorganization phase),也称恢复或更新阶段(renewal phase)。HOLLING 等认为:在系统开发利用阶段,系统不断吸收元素并通过建立元素间的连续而获得增长,由于选择的多样性和元素组织的相对灵活性,系统呈现出较高的韧性量级。但随着元素组织的固定,其系统韧性逐渐被削减。在系统保持守恒阶段,因元素间的连接进一步强化,使得系统逐渐成型,但增长潜力转为下降,这时系统具有较低的韧性。在释放(破坏)阶段,由于系统内的元素联系已形成了固有的模式,需要打破部分固有联系取得新发展,此时潜力逐渐增长,直到混沌性崩溃的出现,在这一阶段系统韧性量级较低但却呈现增长趋势。在系统恢复重组阶段,韧性强的系统通过创新获得重构的机会来支撑进一步发展,一种可能是再次进入开发利用阶段,往复实现适应性循环;另一种可能是在该阶段由于系统的能力储备不足而脱离循环,导致系统失败。适应性循环理论是演进韧性观点的理论基础。演进韧性抛弃了对平衡状态的追求;本质目标是持续不断地适应,强调学习力和创新性。

需要强调,上述四个阶段的循环不一定是连续或固定的,也不是一个单一循环;而是一个嵌套在一起并相互作用的循环系统,其包含着各种时空尺度和速度。基于这一理论框架,演进韧性认为,韧性是和持续不断的调整能力紧密相关的一种动态的系统属性,主要体现在系统的鲁棒性(robustness)和迅速性(rapidity)。系统的鲁棒性取决于系统在吸收和应对不确定性干扰时的强度;而迅速性则取决于系统重新达到新稳定平衡状态时的组织韧性。例如,在一个地震易发区,韧性既表现在震前的准备和震后的迅速恢复以及在新的状态下的可持续发展。城市或建筑以及基础设施的抗震能力,场地的抗震能力,防震减灾规划以及公众的防震减灾知识等都是城市强健性或鲁棒性的表现;地震发生时快速响应,应急救援以及恢复重建等都是城市迅速性的表现;恢复重建后的城市是一种新的状态,未必需要恢复到要震前相同的状态,而是在比原来更稳定,抗震能力更强的新状态下,具有可持续发展的新城市。

无疑,适应性循环理论是理解和定义场地韧性的理论基础。场地是客观存在地质体,若把其视为岩土系统,其韧性主要表现在稳定性(或称其为鲁棒性)和迅速恢复稳定状态的能力。场地韧性的研究是为韧性城市评价和建筑抗震韧性评价服务,理论上,场地韧性是城市韧性和建筑抗震韧性的重要组成部分。根据适应性循环理论,我们可以将场地的四个循环阶段划分为开发利用阶段、保持守恒(运行使用)阶段、释放(受干扰破坏)阶段和恢复重组阶段。场地长期处于这四个阶段的适应性循环过程中,场地的韧性是场地在这一循环过程中所表现出的与自身稳定性、抵抗干扰、快速恢复重组有关的行为特征。通常,如果一个场地越稳定,抗干扰的能力越强,被干扰以后恢复速度越快,在新的稳定状态下被利用的可能性越大并且造价越低,对城市和建筑以及基础设施的影响越小,则场地的韧性越高;反之,韧性越低。可见:场地韧性可以理解为场地在受到干扰时,维持和恢复原有功能和场地环境的能力,是韧性城市和建筑抗震韧性的重要组成部分。

4 场地韧性的概念及其内涵

在对场地、韧性以及适应性循环理论等概念理解的基础上,参照《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591-2020)[10],本文尝试给出场地韧性、城市场地韧性和建筑场地韧性的概念,以便于对这一领域研究感兴趣的研究者讨论和批评,期望在批判的同时提出对其完善的意见和建议,以填补这项研究领域的国内外空白。

4.1 场地韧性(Site resilience)

场地韧性可定义为:场地在一定强度的地质作用和人类工程活动作用后,维持和恢复场地原有功能和场地环境的能力,是衡量城市以及工程结构韧性的重要指标。

在该定义中,场地(site or area)是指城市和建筑工程所在地,也包括新建、改建和扩建的工商业及民用建设项目用地,以及城镇村庄、农村居民点建设用地和各类经济开发区的规划用地等[29]。场地是客观存在的地质体,可被城市建设和工程建设所利用,也可以被人类的工程活动改造,同时,也可能在地质作用和人类工程活动的作用下发生变化仍至产生灾害。地质作用又称地质过程,是指自然营力所引起的,使地球的物质组成,内部结构,表面形态以及物质运动的方式和强度发生变化的自然过程[30]。地质作用可分为内动力地质作用和外动力地质作用。该定义所称的地质作用主要是指火山喷发、地震及地震产生的次生灾害、滑坡、崩塌、泥石流、地下水开采引起的地面沉降和塌陷、地裂缝、海啸和湖涌等,这些地质作用的强度存在着差别,并且有强烈的随机性。人类的工程活动是人类开展各类工程建设的总称,是人类社会生存和发展必不可少的活动。因此,人类的工程活动主要在地质环境中进行,可能产生若干的地质灾害和环境问题,并对场地的功能产生一定影响,人类工程活动的强度同样存在差别。维持是指场地在地质作用和人类工程活动作用下不能失效,即不能丧失原有的功能。例如,饱和砂土场地在地震作用下,若产生严重液化则可能产生地基失效并丧失原有的功能,若产生轻微液化一般不会丧失原有的功能。恢复是指场地在地质作用和人类工程活动作用下,可能产生一定的破坏,但尚未产生地基失效,通过工程措施可以恢复原有的场地功能。例如,我国行业标准《建筑震后应急评估和修复技术规程》(JGJ/T 415-2017)[31]规定了场地环境和地基基础整体处于安全状态、危险状态和整体破坏的标准,对于安全状态和整体破坏不存在恢复的问题;而对于处在危险状态场地环境和地基基础可以通过工程措施恢复其原有功能。我国行业标准《危险房屋鉴定标准》(JGJ/T 125-2016)[32]也规定了单层、多层和高层房屋的地基评定为安全状态和危险状态的标准,对于处在危险状态的地基同样可以通过工程措施恢复其原有功能。场地原有功能可理解为城市和建筑工程在规划设计时所要求的保障城市和建筑工程安全稳定的场地性能。一方面场地作为各类建筑工程的地基或依托体,要保持稳定而不能失效,或部分受损而能够迅速恢复,对建筑工程正常使用不产生严重的影响;另一方面作为城市和建筑工程的建设环境,对城市和建筑工程的功能不产生严重影响。场地环境是指场地周围的情况和条件,一般指场地一定范围内的自然环境。该定义所称的场地环境是指场地一定范围内的地质环境,主要包括场地一定范围内的地形地貌、土体组成、断层发育情况和不良地质现象等。场地环境的稳定性对城市和建筑工程的安全有重要影响,是衡量场地韧性的重要内容。

可见:本文所定义的场地韧性涵盖了可能改变场地功能的作用,即地质作用和人类工程活动;以及场地抵抗、维持、恢复和适应这些干扰的能力;给出了地质作用和人类工程活动的内涵;解释了维持和恢复的含义;定义了场地功能和场地环境的概念。这一定义的提出填补了场地韧性的空白,对开展场地韧性评价以及城市韧性和建筑韧性的评价具有重要的理论意义和应用价值。在这一定义的基础上,我们也可以尝试给出城市场地韧性和建筑场地韧性的概念。

4.2 城市场地韧性(Site resilience of city)

城市场地韧性可定义为:城市建设和规划用地在一定强度的地质作用和人类工程活动作用后,维持和恢复原有用地功能和环境的能力,是城市韧性评价的重要指标。城市建设用地是指已有建筑和依法取得拟实施具体建设项目的用地;规划用地是指符合城市土地利用总体规划,并依法批准已确定规划用途的土地,主要指城市规划阶段的用地。

4.3 建筑场地韧性(Site resilience of building)

建筑场地韧性可定义为:建筑场地在一定强度的地质作用和人类工程活动作用后,维持和恢复原有场地功能和环境的能力,是建筑韧性评价的重要指标。建筑场地的功能主要是指保持建筑地基稳定,要求有足够的强度、沉降和倾斜变形应在允许的范围内;场地环境的变化,如发生滑坡、崩塌、泥石流以及地下水位的变化等,不能影响建筑的基本使用功能。

5 关于场地韧性等级评价问题的讨论

场地韧性是用来表示场地的一种能力。在工程实际中,需要对这种能力做出评价,以便在城市和建筑的韧性评价中应用,并用来指导城市规划、建筑的设计和加固。用哪些指标和方法来评价场地的韧性是韧性城市和建筑抗震韧性评价研究的基础,也是当前场地韧性研究的空白。本文提出了构建场地韧性评价指标体系和评价方法的初步设想,并就有关问题开展讨论。

5.1 关于场地韧性等级评价指标体系的初步讨论

本文提出的场地韧性概念参考了生态系统韧性和建筑抗震韧性的概念,并将适应性循环理论作为其理论基础。因此,需要把场地、城市及其城市中的建筑工程看成是一个有机联系的系统,场地韧性等级评价就是评价场地在这一系统中的韧性,也即评价场地在一定强度的地质作用和人类工程活动的作用后,维持和恢复场地原有功能和场地环境的能力,这种能力主要取决于场地的工程地质条件。场地的稳定性是评价场地韧性的核心内容,场地的工程地质条件越优良,其稳定性越好,场地的韧性越高。但场地韧性评价不同于场地稳定性评价,场地韧性要求对场地恢复原有功能和场地环境的能力做出评价。城市规划和建筑设计对场地功能和场地环境要求越高,对场地恢复原有功能和场地环境的能力要求越高,对场地抵抗干扰能力的要求也就越强,显然,满足这一要求的场地韧性也越高。必须强调,维持和恢复场地原有功能和场地环境的能力是相对于地质作用和人类工程活动的强度而言的,通常是在给定地质作用和人类工程活动强度的基础上评价场地韧性,地质作用和人类工程活动的强度越弱,场地恢复原有功能和场地环境的能力越强,场地的韧性越高。由此可见:场地韧性评价可以通过评价场地工程地质条件、城市或建筑工程对原有场地功能和场地环境的要求、地质作用的强度和人类工程活动对维持和恢复场地原有功能和场地环境能力的影响来实现。因此,可以通过上述五个方面来构建场地韧性评价指标体系,利用数学上多参量评价方法对场地韧性等级做出评价。可以理解,场地韧性是可以通过人为的方式被改造和加以提高,在岩土工程中,所有的地基处理和加固方法等都可以看成是提高场地韧性等级的措施。不难看出:城市和建筑工程对场地功能要求越高、对场地环境要求越高、场地工程地质条件越优良、场地地质作用的强度越弱、人类工程活动越弱,场地的韧性就越高;反之亦然。就地震这一单一灾种而然,对场地维持和恢复场地原有功能和场地环境的能力定量表述可以采用地震发生后场地恢复的费用、恢复的时间和由于场地原因造成的人员伤亡三个指标,也可以将场地的韧性值作为指标之一对城市及建筑的抗震韧性进行评价。指标体系可以按层次构建,每个层次可包含多个指标。在构建指标体系的过程中,尽可能的遵循指标体系的代表性、典型性、完备性、可获取性和可操作性的原则。

5.2 场地韧性等级评价方法

场地韧性的评价方法是指利用建立的评价指标体系,借助于某种数学方法对场地的韧性进行定量评价,评价的结果是给出场地的韧性值,这个值可用无量纲的数字来表示。场地的韧性需要多个指标来评价,因此,这类问题的定量评价可归结为数学上多参量评价问题。参照城市韧性评价中常用的方法[33-36],本文推荐熵值法、层次分析法、模糊综合评判、专家咨询法和因子分析法等作为场地韧性的评价方法[33-38],这些方法的原理、适于解决的问题和对方法的评价经整理列于表1。我国国家标准《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591-2020)[10]中采用的是最不利指标评价法。需要强调,这5种方法都可用于多参量的评价问题,本质上没有大的区别,但不同的方法对指标的要求和权重的处理存在差异。在城市韧性评价中使用较多的方法是熵值法和层次分析法。除了这5种方法外,数学上还有许多用于解决多参量评价问题的数学方法,这些方法都可尝试用于场地的韧性评价。

表1 本文推荐的场地韧性评价方法Table 1 Site resilience evaluation method is recommended

6 结语

韧性城市代表着当前城市发展的新理念新趋势,韧性城市的理念已被世界各国广泛接受,并被纳入城市规划、城市建设、防灾减灾和城市治理等领域。我国在“十四五”规划中首次将韧性城市建设纳入国家规划[39]。基于韧性的建筑抗震韧性设计理念代表着当前最先进结构抗震设计理念,在一定程度上弥补了基于强度抗震设计和基于性态抗震设计的局限性,对提升结构应对地震风险的能力极为重要。在韧性城市和基于韧性的建筑抗震韧性设计中,都涉及到场地的韧性评价问题。因此,研究场地韧性是韧性城市和建筑抗震韧性设计的必然要求。本文首次提出了场地韧性和城市场地以及建筑场地韧性的概念;讨论了场地韧性概念的理论基础;初步提出了建立场地韧性等级评价指标体系的设想,为构建场地韧性评价指标体系提供了新的思路;建议了场地韧性等级评价的数学方法,为实现场地的韧性等级评价提供了途径和方法。本文的研究工作只是场地韧性研究的起步,若干问题尚需深入研究。例如,场地韧性概念需要在实践中进一步完善;地质作用强度和人类工程活动强度的等级划分;场地韧性具体和详细的评价指标体系建立;各层次评价指标权重的确定;评价方法合理性和有效性的检验和论证;评价结果如何应用于城市韧性和建筑韧性评价等方面都需要开展深入的研究工作。

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