基于堆叠集成学习的TBM隧道掘进效率优化

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Optimization of TBM tunnelling efficiency based on stacking ensemble learning

本研究提出了一种基于建筑倒塌模式的城市地震救援难度量化评估方法，通过混合模拟方法（MDOF-DEM）集成参数化快速建模算法，实现了大规模建筑群倒塌模式的动态仿真与多维度特征分析。基于结构参数化设计和熵权法确定的权重系数，构建了包含存活空间指数（SSI）和救援路线复杂度指数（RRCI）的评估模型，并通过北京通州区案例验证了其可靠性。研究将倒塌模式分为倾斜、 pancake、倒塌堆三种类型，并建立四级救援难度分类体系，为优化资源配置和提升城市抗震韧性提供了科学依据。

　　地震后救援效率是提升城市抗震韧性的重要因素。然而，建筑物倒塌模式在城市灾害政策中仍未得到充分重视，而这些倒塌模式对救援难度有着决定性的影响。本研究提出了一种以政策为导向的方法，用于量化城市地震救援难度，基于建筑物倒塌模式的分析。该方法包括三个核心组成部分：第一，开发了一种符合规范的参数化快速建模算法，结合多自由度（MDOF）模型与离散元法（DEM），实现对城市建筑群倒塌的模拟；第二，构建了一个结合定性与定量指标的多维分析模型，用于评估倒塌模式；第三，开发了一个基于倒塌模式特征参数的救援难度评估模型。该方法整合了建筑群倒塌模拟、定量倒塌分析和系统性救援评估，为地震后的决策提供支持，从而增强城市的灾害响应能力，并为抗震韧性城市的发展提供理论依据。

地震导致的建筑物倒塌会形成复杂的救援场景，不仅影响救援路径的可通行性，还可能对幸存者的生存空间产生重大影响。因此，识别倒塌模式并评估其对救援难度的潜在影响是制定有效抗震策略的关键。当前研究中，倒塌模式被分为三种类型：倾斜倒塌、压塌倒塌和碎片堆积倒塌。倾斜倒塌通常由主要承重结构的失效引起，表现为建筑物显著倾斜，但仍保持一定的结构完整性；压塌倒塌则通过垂直方向的层间失效形成“压塌式”堆叠结构，往往发生在多层建筑的底部；碎片堆积倒塌则表现为建筑物整体结构的破坏，形成混乱的碎片堆积区域。这些倒塌模式对救援难度的影响各不相同，需要系统性地评估和分类。

本研究的创新之处在于将定量分析与定性分类相结合，构建了一个综合的评估框架。通过多维特征分析，包括整体结构特征、局部失效特征和空间分布特征，对倒塌模式进行了详细评估。整体结构特征使用相对高度比（RHR）来衡量倒塌后建筑物高度与倒塌前高度的比值；局部失效特征则通过构件密度分布（CDD）和构件尺寸分布指数（CSDI）进行分析；空间分布特征则利用面积扩展比（AER）和层间空隙比（IVR）进行量化。这些指标不仅有助于理解倒塌模式的空间特性，还能为救援路径复杂度和幸存空间评估提供依据。

在救援路径复杂度评估方面，本研究引入了救援路径复杂度指数（RRCI），结合CDD、CSDI和IVR进行计算。RRCI反映了救援路径在倒塌结构中的可通行性，是评估救援难度的重要参数。而在幸存空间评估方面，研究提出了幸存空间指数（SSI），用于量化幸存者可能被困的空间。通过将SSI和RRCI结合，构建了一个综合的救援难度指数（RDI），用于对倒塌建筑物进行分类。根据RDI的值，将救援难度划分为四个等级：低难度、中等难度、高难度和极高难度。这一分类方法为城市应急资源的分配提供了科学依据，有助于制定针对性的救援策略。

本研究通过汶川地震的实际案例验证了所提出的模拟和评估方法的可靠性。汶川地震造成了大量建筑物倒塌，研究团队选取了三个代表性案例进行模拟分析，分别对应倾斜倒塌、压塌倒塌和碎片堆积倒塌。通过与实际倒塌情况的对比，评估方法在多个维度上表现出高度一致性，验证了其在实际地震灾害中的适用性。此外，研究还通过北京通州地区的案例，对6299栋建筑进行了倒塌模式分析和救援难度评估。结果显示，碎片堆积倒塌在该区域占比较高，且对救援难度影响显著，而倾斜倒塌和压塌倒塌则在较低难度范围内，表明这些倒塌模式具有相对可预测性和可操作性。

该研究还探讨了如何通过政策制定来优化救援策略和资源分配。研究建议，在建筑设计中应考虑倒塌模式对救援路径和幸存空间的影响，制定相应的规范，以提高建筑物在地震中的可救援性。此外，应根据建筑类型和倒塌模式的分布情况，制定差异化的应急资源分配方案。例如，在RC-F结构为主的区域，应优先部署轻型救援设备和垂直救援队伍；而在URM结构集中的区域，应加强重型救援设备的配置和社区应急培训。这些政策建议不仅有助于提高救援效率，还能增强城市整体的抗震能力。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性和不确定性。例如，当前模型未考虑土壤-结构相互作用的影响，包括地基土壤的动态响应、土壤液化现象以及建筑物间通过地基的振动传递。此外，模型无法描述复杂城市系统中的建筑间依赖关系或功能连锁失效机制。这些因素可能对倒塌模式的预测和救援难度的评估产生影响。因此，未来的研究应进一步完善模型，考虑这些复杂因素，以提高评估的准确性和适用性。

本研究的成果为城市抗震韧性建设提供了新的思路和方法。通过量化评估倒塌模式对救援难度的影响，城市规划者和应急管理部门可以更好地制定应对策略，优化资源配置。同时，研究还强调了政策在提升城市抗震能力中的作用，建议在建筑设计规范中融入倒塌模式的考量，以增强城市在地震后的可救援性。这些研究成果不仅适用于汶川地震等历史案例，也为未来的地震灾害应对提供了科学依据和技术支持。