基于不确定性感知与可解释决策支持框架的多灾害韧性建筑材料选择

《Journal of Building Engineering》：Material Selection for Multi-Hazard Resilient Buildings using an Uncertainty-Aware, Interpretable Decision-Support Framework

　　

**• 混合 RANCOM-CRITIC-GRA 框架对材料进行抗灾韧性排序。
• 低建筑自重和混凝土结构体系被评为最具韧性。
• 防爆玻璃和水泥立面是排名最高的围护结构选项。
• 爆炸、火灾和地震风险是材料选择的主要驱动因素。
• 精确的 Shapley 值分解解释了每种备选方案为何被优先选择。**

**引言**

保障建筑设施的保护性和耐久性，是实现可持续发展和提升社会福祉的核心条件。在过去的数十年间，灾害的复杂性与不可预测性——涵盖自然灾害、人为事故事件以及蓄意人为事件——改变了风险格局，并暴露了单一灾害思维的谬误（Dubina 和 Dinu, 2024）。爆炸、快速蔓延的火灾以及地震活动可能独立发生、同时发生或相继发生，并引发连锁性灾难，造成严重的人员伤亡和经济损失。在此背景下，减轻结构与非结构脆弱性不仅是一项管理层面的要求，更成为一项工程目标，旨在维持服务供给、最小化停机时间并实现高效恢复（Roohi 等, 2024）。

在危机情境中影响建筑性能的诸多变量中，材料选择最为关键（Eberhardt 等, 2022）。作为建筑功能与结构承载能力之间的交汇点，材料直接影响荷载分布、失效模式、能量耗散过程以及火灾蔓延动力学特性（Watson 等, 2018）。不恰当的材料选择可能导致脆性断裂、过早屈曲、不安全的非结构坍塌，或拖长废墟清理周期。反之，经过深思熟虑的材料组合已被证实可降低爆炸压力和冲量、减缓火灾蔓延速度、维持关键子系统的运行能力，并简化修复和重新启用流程（Ghoroghi 等, 2022）。尽管材料选择具有战略意义，但该流程往往受制于相互矛盾的评价准则——例如防护性能与成本或供货速度的取舍——数据与判断的普遍模糊性、结果对多样变量客观赋权的依赖性，以及以非技术背景的利益相关方能理解的方式呈现结果的必要性（Soni 等, 2023）。

现有文献探讨了该问题的重要方面，从材料对特定灾害的响应到缓解特定威胁的整体设计建议（Worku, 2024; Al-Atesh 等, 2023）。然而，仍存在一个显著缺口：缺乏一种集成的、以材料为基础的方法，能够同时考察材料相对于多种灾害组合的性能表现，并兼顾运营与管理层面的考量，如实施有效性、成本敏感性、碎片处置和可修复性。一个稳健的评价框架应提供对折中取舍的清晰且可操作的表征，解释为何特定选项占优，以及在假设与输入的合理变动下结果如何保持稳健性。

鉴于上述缺口，本研究致力于开发并展示一个务实的、适用于多种准则和多灾害情境下的建筑材料评价与优先排序框架。阐明显著的材料性能及其产生的关键性能结果——从降低结构失效可能性、遏制火灾蔓延到快速恢复和经济动员——旨在使决策者能够制定有据可依的优先事项，并适当地设计改进方案，在安全性、可行性和成本效益之间取得平衡。因此，在推荐结果的精确性方面与对可信变动的稳健性方面并重，以最大化建议被采纳和落地的可能性。

大多数关于建筑韧性的混合研究将爆炸、火灾和地震性能视为各自独立的问题，分别使用各自的评价准则和逻辑体系。这种做法在实践中存在局限，因为单一材料属性——如质量——会同时影响所有三个方面：它决定了地震期间的惯性需求、决定了立面如何响应爆炸压力，以及影响火灾穿过隔墙或屋面组合构件的蔓延速度。本文开发的框架在统一的评价准则体系下，对结构体系、立面、玻璃、隔墙和屋面进行整体评估，使这些跨灾害效应能够在结果中显现，而非在不同模型间被割裂。

本文开发的三项方法论特征使这种集成成为可能。第一，结合 RANCOM 和 CRITIC 赋权方法，能够在专家优先级——例如爆炸和地震性能应比成本赋予更高权重——与基础数据中客观分布的差异之间取得平衡，而非让一方简单覆盖另一方。第二，专家评分中的不确定性通过 Beta 分布蒙特卡洛模拟传递至两两胜出概率，使得差距较小的情况——如水泥立面与复合立面，或钢筋混凝土屋面与轻型金属屋面——能够反映其实际置信度水平，而非呈现为单一但具有欺骗性的精确排名。第三，精确的 Shapley 值分解将每种备选方案的韧性得分归因于其各项组成准则（相对于类别特定的基准值），从而在排名附带明确说明哪些准则驱动了该结果，而非仅仅给出一个无解释的汇总数值。

准则级别的评估在方法论中具有双重意义，因为它支撑了本研究中后续开发的三项工程方案，包括高韧性方案、基准方案和成本效益方案。在本研究中，任何备选方案都不会被压缩为单一的汇总得分，因为其性能始终可以追溯至产生该性能的具体准则。这正是使得每个方案背后的折中取舍得以展示而非仅仅断言的原因，也正是揭示成本效率的提升是以韧性为代价购买的环节。后续方案是建立在准则级别的证据之上，而非仅仅依据排名，这一区别的重要性或许比初看之下更为显著。大多数混合多准则决策研究止步于排名本身，对于哪个备选方案胜出虽有参考意义，却很少解释其原因。上述基于 Shapley 值的归因方法弥补了这一缺口，展示了每项准则相对于同类竞争者如何拉升或拉低备选方案的得分。在多灾害情境下，这绝非小事一桩——备选方案的适用性既取决于其在整体排名中的位置，也取决于当前特定的灾害组合与优先级设定。因此，材料尺度上的跨灾害评价、混合赋权、不确定性传递以及准则级别的归因分析，推动该框架超越了仅有排名的结论，朝着更接近于论证为何某项材料选择合理的方向发展。

还有一个更需要新框架而非现有框架扩展的理由，与不确定性处理有关。单一灾害模型通常基于与该单一机制相关的相对狭窄的测试或现场数据进行标定，因此其不确定性处理——如果存在的话——与该标定紧密相关。引入第二或第三种灾害后，专家判断突然承担了更重的分量，需对无法获得等价单一灾害标定的准则进行评分——例如爆炸后的碎片清理或火灾后的可恢复性——而此类判断所伴随的不确定性通常比原始模型设计所能处理的程度更大。正确传递此类不确定性，而非将其压缩为单一点估计值，至关重要。恰恰是在那些差距较小、两到三种备选方案表现相近的案例中，决策者需要判断某个排名是否可靠，或在实际的专家输入变异下是否可能逆转。将单一灾害模型改造为多灾害用途，缺乏自然的位置来传递这种不确定性，因为其内部架构最初并未设计用于区分已标定的不确定性和通过征集获得的不确定性。如此改造现有的单一灾害模型存在扭曲其原始标定机制的风险；本研究则从一开始就围绕在三种灾害下同时评估的材料与构件搭建框架，通过 Beta 分布蒙特卡洛模拟一致地传递不确定性，使爆炸、火灾和地震性能在同一标准、同样的置信度处理下被权衡考量，而非事后勉强调和。

本文后续部分按特定格式组织。首先，回顾相关文献以框定本文的贡献并阐明持续存在的缺口。其次，描述本文的评价框架及其理论基础。然后，呈现重要结果并辅以敏感性分析和实际应用说明。最后，讨论和总结本文的结果与局限性，并建议未来研究的方向，为从一般性建议到系统性、基于材料的决策方法以增强建筑抵御多元灾害韧性铺陈路径。

**章节片段**

**相关研究**

近期关于爆炸威胁韧性和地震稳健性的研究表明，相关研究正逐步从结构层面的性能导向框架转向以决策为中心的方法以及城市规划实施层面。Quiel 等（2016）提出了一种用于评估结构抗爆炸损伤韧性的性能导向框架，该框架清晰地关联了灾害表征、结构配置与几何形态，以及损伤传播，从……

**方法论**

本研究采用的方法论具有跨学科特征，将多准则决策分析与不确定性量化及可解释的数据分析技术相结合。首先，定义并分类了八项性能与实施准则，包括抗爆性能、防火性能、抗震性能、碎片清理、可恢复性、实施速度、实施复杂性和成本，并区分其属于效益型准则还是成本型准则。然后对专家初始评分进行……

**结果**

本节呈现所提出的多灾害建筑韧性材料框架的结果，并讨论其工程意义。综合分析始于专家评分决策矩阵，以及采用混合 RANCOM-CRITIC 方法估计准则权重，随后进行 GRA 评价并在各自建筑构件类别内对备选方案进行排名。排名稳健性通过 Beta 蒙特卡洛……

**管理启示**

所提出的框架将多灾害材料评估转化为建筑业主、设计方、采购团队和公共机构在实际决策中可利用的信息。其主要启示之一是，韧性应在单个建筑构件和应用层面加以考量，因为对某一材料的通用偏好可能忽视立面、结构体系、隔墙、屋面或玻璃系统各自面临的不同要求。

**讨论与结论**

本研究提出了一种针对多灾害暴露下材料与构件选择、按类别定制的决策框架，适用于八个功能类别下的三十种备选方案，并针对八项韧性导向准则进行评估。尽管本研究的设计关注建筑材料，但其底层架构——包括混合赋权、类别内 GRA 评价、精确 Shapley 归因、Beta 蒙特卡洛不确定性传递以及韧性与成本折中分析——是……

**CRediT 作者贡献声明**

Mahdi Bitarafan：撰写——初稿，可视化，验证，资源，方法论，数据整理，概念化。Shahin Lale Arefi：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。Alireza Nemati：撰写——初稿，可视化，验证，项目管理，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Omidreza Mikaeili：撰写——初稿，可视化，验证，……

**未引用参考文献**

Katebi 等, 2022; Matsler 和 Maxwell, 2025; Shan 等, 2022。

**利益冲突声明**

? 作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

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