量化城市地震救援难度：一种基于建筑物倒塌模式的、以政策为导向的评估方法

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Quantifying urban seismic rescue difficulty: a policy-oriented assessment methodology based on building collapse patterns

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，结合参数化建模算法与多自由度（MDOF）-离散元（DEM）混合模拟技术，通过多维度分析（全球配置特征、局部失效特征、空间分布特征）量化倒塌模式，并建立包含生存空间指数（SSI）和救援路线复杂度指数（RRCI）的评估模型。案例研究显示，该方法能有效分类北京通州区46栋代表性建筑的倒塌模式，并评估其救援难度，为优化资源配置和提升城市抗震韧性提供科学依据。

　　地震后的救援效率对于城市抗震韧性至关重要。然而，建筑倒塌模式对救援难度具有决定性影响，目前在城市灾害政策中对此关注不足。本文提出了一种政策导向的方法，用于量化城市区域地震救援难度，重点基于建筑倒塌模式进行分析。首先，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）模型与离散元方法（DEM）以实现建筑群倒塌的模拟。此外，构建了一个多维度分析模型，整合了定性与定量指标，用于分析倒塌模式。该方法的可靠性通过汶川地震案例研究进行了验证。基于该验证方法，开发了结合生存空间指数（SSI）和救援路线复杂性指数（RRCI）的救援难度评估模型，以量化地震后的救援难度。最后，在北京通州地区进行了一项案例研究，将倒塌建筑分为四个救援难度等级，并讨论了相应的救援策略。这些发现为优化地震后救援策略和资源配置提供了有价值的见解，从而增强城市灾害响应能力，促进抗震城市的发展。

建筑倒塌模式对救援难度的影响主要体现在堵塞救援路线和改变生存空间。通过对建筑倒塌模式的深入研究，可以更准确地预测和评估地震后的救援难度，为制定科学合理的应急响应策略提供依据。现有的研究大多关注建筑的损坏类型和埋藏深度，而忽视了倒塌模式对救援难度的具体影响。本文提出的模型不仅考虑了倒塌模式，还结合了多种指标，包括生存空间和救援路线复杂性，从而提供了一个更全面的评估框架。

本文提出的方法主要包括三个关键部分：第一，通过符合规范的参数化快速建模算法，开发了一种适用于城市规模建筑群倒塌模拟的混合仿真方法；第二，构建了一个多维度的倒塌模式分析模型，结合了全局配置、局部失效和空间分布特征；第三，基于倒塌模式的特征参数，开发了一个救援难度评估模型。这一综合方法结合了建筑群倒塌模拟、定量倒塌模式分析和系统性救援评估，支持地震后的决策制定，从而提升城市抗震能力，为可持续城市发展做出贡献。

在建筑倒塌模拟方面，本文采用了离散元方法（DEM）来模拟建筑群在地震荷载下的倒塌情况，并通过多自由度模型（MDOF）进行快速的地震损伤评估。MDOF模型能够高效地进行大规模分析，同时保持较高的准确性。DEM方法则能够有效地模拟建筑的碎片化过程，但通常应用于单体建筑，而本文将其扩展至城市建筑群，填补了这一研究空白。通过将两种方法结合，能够更准确地模拟建筑群在地震作用下的倒塌过程，为后续的救援难度评估提供可靠的数据支持。

在倒塌模式分析中，本文引入了三个关键指标：全局配置特征、局部失效特征和空间分布特征。全局配置特征通过相对高度比（RHR）来衡量倒塌后的建筑高度与原始高度之间的比例，局部失效特征则通过组件密度分布（CDD）和组件尺寸分布指数（CSDI）来表征。空间分布特征则通过面积扩展比（AER）和层间空隙比（IVR）进行量化分析。这些指标共同构成了对倒塌模式的全面评估，为救援难度的系统性评价提供了基础。

为了验证所提方法的可靠性，本文采用了2008年汶川地震中三种典型的建筑倒塌案例：倾斜倒塌、叠层倒塌和碎片堆倒塌。通过将模拟结果与实际倒塌情况进行对比分析，本文验证了模型在不同倒塌模式下的适用性。结果显示，模拟结果与实际倒塌情况在多个维度上表现出高度一致性，证明了所提方法的有效性。此外，通过不同的倒塌模式，本文还分析了其对救援难度的影响，从而为制定针对性的救援策略提供了科学依据。

在救援难度评估方面，本文引入了生存空间指数（SSI）和救援路线复杂性指数（RRCI）。SSI用于评估倒塌建筑中可能存在的生存空间，而RRCI则用于量化救援路线的复杂程度。通过结合这两个指标，本文提出了一个综合的救援难度评估模型。该模型的评估结果将倒塌建筑分为四个难度等级：中度难度（54.35%）、低度难度（39.13%）、高度难度（4.35%）和极高难度（2.17%）。这些分类有助于识别高风险区域，并为救援资源的分配和应急响应策略的制定提供指导。

此外，本文采用熵权法确定了各个评估指标的权重。熵权法能够客观地分配权重，减少人为主观因素对评估结果的影响。通过对比不同的权重分配方法，本文验证了熵权法在救援难度评估中的优势，包括其客观性和计算效率。同时，该方法能够有效捕捉复杂多维建筑倒塌模式中各参数的区分能力，为定量评估提供了可靠的基础。

案例研究部分，本文选取了北京通州区6299栋建筑进行分析。该区域的地震设防烈度为VIII度，面临人口密集和基础设施复杂的挑战。通州区位于历史上活跃的山河-平谷断裂带附近，1679年8.0级地震曾对该区域造成严重破坏。本文分析了该区域在山河-平谷地震情景下的救援难度，结果显示，倒塌建筑主要呈现碎片堆倒塌模式，占比高达76.10%，其次为倾斜倒塌（19.60%）和叠层倒塌（4.30%）。这种倒塌模式的分布反映了该区域建筑结构的多样性和脆弱性。

在评估结果中，不同倒塌模式对生存空间和救援路线复杂性的影响显著不同。碎片堆倒塌的生存空间指数（SSI）呈现较大波动，而倾斜倒塌和叠层倒塌的SSI相对较高，表明其在倒塌过程中保留了更多的生存空间。同时，救援路线复杂性指数（RRCI）在不同倒塌模式之间表现出一定的差异，其中碎片堆倒塌的RRCI分布最为广泛，反映了其复杂的碎片分布和不确定的救援路径。这些结果表明，不同倒塌模式对救援难度的影响机制不同，因此需要采取针对性的救援策略。

在政策建议方面，本文提出了一系列增强城市抗震韧性的措施。首先，建议制定综合考虑倒塌模式的建筑规范，确保建筑在设计和建造过程中能够有效减少倒塌风险并提高救援可及性。其次，建议基于建筑类型分布，优化应急资源的配置，将轻型救援设备预置在具有较高生存空间的区域，同时将重型救援资源优先部署在高风险区域。最后，建议加强高脆弱性社区的防灾能力建设，包括提高居民的应急意识、完善社区应急通信网络和协调机制，以提升早期干预能力。

尽管本文提出的方法在多个方面取得了显著进展，但仍存在一些局限性和不确定性。首先，模型假设固定边界条件，未能考虑土壤-结构相互作用效应，包括地基土壤的动态响应、土壤液化的影响以及建筑物之间通过地基的振动传递。其次，模型无法描述复杂城市系统中建筑之间的详细相互依赖关系或功能连锁失效机制。此外，地震风险评估方法在地面运动特征描述和土壤影响方面也存在一定的局限性，特别是在确定地面运动输入时，未能充分考虑地震灾害评估中的随机性和认知不确定性。

为了克服这些局限性，未来的研究应优先考虑以下几个方面：首先，采用概率地面运动选择方法，以更全面地评估不同地震场景下的救援难度；其次，开发更全面的土壤-结构相互作用模型，以更准确地模拟地基对建筑倒塌的影响；第三，实施先进的场地特征描述技术，以提高对复杂地质条件的适应能力；第四，采用条件强度措施进行地面运动选择，以提升模型的可靠性；第五，通过地震后现场调查数据进一步验证救援难度框架。此外，将该方法扩展到概率地震危害分析，可以实现对多种地震情景及其发生概率的量化评估，从而制定更具适应性的救援策略。

综上所述，本文提出了一种基于建筑倒塌模式的政策导向方法，用于量化城市区域地震救援难度。该方法不仅考虑了建筑倒塌模式，还结合了多种定量指标，为城市抗震韧性评估和优化提供了新的思路。通过该方法，可以更准确地识别高风险区域，并为应急资源的配置和救援策略的制定提供科学依据。尽管当前方法主要关注物理倒塌指标，但未来的研究应进一步纳入非结构因素，如社会人口条件、基础设施可及性和救援资源可用性，以实现更全面的救援难度评估，从而制定更具适应性的城市防灾策略。