結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出效益分析的一種新指標(biāo)1

杜永峰1, 2) 李 慧1)

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結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出效益分析的一種新指標(biāo)

杜永峰李 慧

1）蘭州理工大學(xué)防震減災(zāi)研究所，蘭州 730050 2）蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州730050

本文提出一種評估同一地區(qū)不同類型結(jié)構(gòu)的抗震投入產(chǎn)出效益的新指標(biāo)，即結(jié)構(gòu)價值損失比率。利用“5?12”汶川地震后對甘肅隴南的學(xué)校、住宅、辦公、醫(yī)院和生命線工程等9類建筑物的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，研究了震害等級、經(jīng)濟(jì)損失與結(jié)構(gòu)抗震初始投入之間的關(guān)系，建立了結(jié)構(gòu)價值損失比率與結(jié)構(gòu)初始投入之間的關(guān)系和高烈度區(qū)危房率與地震地面運動峰值之間的關(guān)系。對比分析了土-木組合、磚-木組合、磚砌體結(jié)構(gòu)、非隔震框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)等不同類型結(jié)構(gòu)的抗震性能，并與實際鑒定的震害等級相比較。利用結(jié)構(gòu)價值損失比率，初步說明了采用隔震新技術(shù)結(jié)構(gòu)的減災(zāi)效益。

震害評價 基礎(chǔ)隔震 抗震經(jīng)濟(jì)投入 減震結(jié)構(gòu)體系

引言

發(fā)生在中國四川的汶川“5·12”特大地震，不僅造成了巨大的人員傷亡，而且還造成了城市基礎(chǔ)設(shè)施和土木工程結(jié)構(gòu)的巨大損失。作為四川省的近鄰省份，甘肅省在這次大地震中也遭受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，損失額在所有受到該次地震影響的省份中排名第二位。5月13日，甘肅省政府立即派遣了6支由地震工程專業(yè)研究人員組成的應(yīng)急評估專家組趕往災(zāi)區(qū)，幫助當(dāng)?shù)卣e極應(yīng)對和避免震損建筑在余震中可能發(fā)生的二次災(zāi)害。應(yīng)急評估期結(jié)束后，甘肅省建設(shè)廳又緊接著派出了由225人組成的10多個建筑物震害鑒定小組，對隴南、甘南、天水等市州的部分建筑做了震害鑒定（杜永峰等，2008a）。筆者作為應(yīng)急評估專家在地震災(zāi)區(qū)工作了14天，對一些公共建筑（如學(xué)校、醫(yī)院）的受損情況做了大量的調(diào)查研究。同時，筆者被指派為隔震結(jié)構(gòu)評估專家，對距離大地震震中200km的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能評估（杜永峰等，2008c）。2008年夏天筆者所在研究團(tuán)隊為了收集不同類型結(jié)構(gòu)的損傷數(shù)據(jù)，在地震災(zāi)區(qū)工作了1個多月（Du等，2010）。本文通過對比不同類型建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的損壞率，討論了分別采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)與新技術(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

1 地震烈度分布和建筑調(diào)查類型

“5·12”汶川地震對甘肅的隴南、天水、甘南等市州造成不同程度的破壞。這里以三個地區(qū)中烈度最高、烈度分布為6度到8度的隴南市建筑震害鑒定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。本文依據(jù)的是甘肅省政府建設(shè)主管部門正式發(fā)布的震害鑒定匯總資料，工程樣本是隴南市地方政府申報提交鑒定的3323棟、總面積為4,854,851m的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施。統(tǒng)計所依據(jù)的建筑類別分為：學(xué)校、醫(yī)療、通訊、電力、政府辦公、生命線工程、住宅、城市基礎(chǔ)設(shè)施和其它共九種類型。其中，生命線工程是指除單列的醫(yī)療、通訊、電力建筑以外的給排水、能源供給和交通系統(tǒng)的配套建筑，而給排水系統(tǒng)、能源供給系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和路橋交通系統(tǒng)的設(shè)施都?xì)w于城市基礎(chǔ)設(shè)施。

2 評價指標(biāo)

2.1 震害等級指標(biāo)

按照我國建筑震害鑒定規(guī)程對震害等級的一般劃分原則，將震害等級指標(biāo)分為5級，如表1所示。

表1 建筑震害等級指標(biāo)

2.2 價值損失率和成本指標(biāo)

本文的統(tǒng)計調(diào)查是建立在不同結(jié)構(gòu)最初的成本之上，根據(jù)結(jié)構(gòu)震害損傷的程度提出一個價值損失率來表示?？紤]到結(jié)構(gòu)基本完好狀態(tài)意味著僅需要極少的修復(fù)即可繼續(xù)使用，花費基本上限于對粉刷的修補而已；而對于危房、頻臨倒塌或已倒塌的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)建筑需要拆除，由于只有一小部分材料有可供重復(fù)利用的價值，故可視為大多數(shù)初始造價已損失，僅保留了極小的使用價值。舉一具體數(shù)字為例，如基本完好狀態(tài)結(jié)構(gòu)的價值損失為初始造價2%的話，同一結(jié)構(gòu)處于倒塌狀態(tài)時則只能保留相當(dāng)于2%初始造價的價值，即價值損失率為初始造價的98%。基于此種考慮，利用建筑震害等級指標(biāo)D做線性插值，即可得到其它相應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的價值損失率，如圖1中的點劃線所示?？紤]到中等及以上建筑震害的治理需要較多的配套支出，價值損失隨震害等級的提高迅速增加，利用曲線擬合方法得到下述二次非線性的價值損失率（Du等，2010）：

基于這種結(jié)構(gòu)價值損失率的定義，損失的總數(shù)可以表達(dá)為：

將式（2）的總損失值除以某類別的建筑物總面積和單位面積初始造價的乘積，可以得到對應(yīng)類別的建筑每單位面積上對應(yīng)單位投入造價的價值損失比率：

式（3）所定義的無量綱指標(biāo)可以用來反映用于建筑抗震的經(jīng)濟(jì)投入對建筑震害導(dǎo)致的價值損失的程度，從而間接反映用于抗震的經(jīng)濟(jì)投入對建筑物抗震能力的干預(yù)作用。

3 震害鑒定結(jié)果及震害等級統(tǒng)計分析

3.1 震害等級鑒定結(jié)果

隴南市實施了鑒定的震損建筑物總棟數(shù)、總面積數(shù)如表2所示，從表中可以看出，該地區(qū)大多數(shù)建筑物的破壞程度總體還處于輕微損傷階段。

表2 鑒定建筑物損傷比例統(tǒng)計

根據(jù)建筑物不同類型所得出的震害等級鑒定結(jié)果，按棟數(shù)、面積數(shù)及相應(yīng)百分比數(shù)列在表3—表11中。

表3 學(xué)校建筑鑒定結(jié)果

表4 醫(yī)療建筑鑒定結(jié)果

表5 通訊建筑鑒定結(jié)果

表6 電力建筑鑒定結(jié)果

表7 政府辦公建筑鑒定結(jié)果

表8 生命線工程鑒定結(jié)果

表9 住宅建筑鑒定結(jié)果

表10 其它工程鑒定結(jié)果

表11 城市基礎(chǔ)設(shè)施鑒定結(jié)果

3.2 震害等級統(tǒng)計分析

分別給除城市基礎(chǔ)設(shè)施以外的不同類別建筑順次賦以類別號，如表12所示。并將上述表格中震害等級的百分比分別用棟數(shù)比例和面積比例數(shù)據(jù)來表示，兩者之間的關(guān)系如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，該地區(qū)大多數(shù)類別的建筑物破壞程度同樣總體屬于輕微損傷。

表12 工程類別號

圖2 不同類型建筑震害等級的棟數(shù)比例

圖3 不同類型建筑震害等級的面積比例

將通信建筑與學(xué)校、醫(yī)療、住宅等幾種民用建筑的震害等級，用面積比例和棟數(shù)比例來表示，分別如圖4和圖5所示。由圖中可以看出，在各種建筑中，通信建筑的破壞程度最小，而醫(yī)療建筑的破壞程度最大，這與調(diào)研中所統(tǒng)計到的這兩種建筑的結(jié)構(gòu)抗震初始投入程度恰好相符。

圖6表示不同類別的公共建筑震害等級的比例。由圖中可以看出，點虛線對應(yīng)的生命線工程的震害等級比預(yù)期的要高，這主要是因為本次鑒定時考慮了供水管線、路橋之類的生命線工程的重要性，對其采取了比一般建筑更嚴(yán)苛的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)構(gòu)震害損失的統(tǒng)計關(guān)系分析

4.1 結(jié)構(gòu)價值損失比率與初始投入的關(guān)系

將調(diào)查獲得的不同類別建筑單位面積造價按從小到大的順序列在表13之中，再利用式（3）求得各個類別的建筑物每單位面積、單位投入的價值損失比率列在同一表格第二行。

表13 不同類別建筑單位面積造價與對應(yīng)價值損失比率

將表13中的價值損失比率與單位面積造價兩者之間的關(guān)系曲線示于圖7之中。由圖中可以看出，一般建筑物隨著建造時的單位面積投入增加，由于地震引起的結(jié)構(gòu)價值損失比率大致呈現(xiàn)減小的趨勢。結(jié)構(gòu)初始投入最高的通信建筑的價值損失比率最小，而結(jié)構(gòu)初始投入較低的醫(yī)療建筑、政府辦公和學(xué)校的價值損失比率都較高。這表明本文提出的指標(biāo)從一定程度上能合理反映用于抗震的經(jīng)濟(jì)投入對提高建筑物抗震能力的干預(yù)作用。

4.2 危房率與地震地面運動峰值的關(guān)系

圖8列出了醫(yī)療建筑、政府辦公和學(xué)校等幾種結(jié)構(gòu)的危房率隨甘肅省不同區(qū)域地震動峰值的變化規(guī)律（杜永峰等，2008b）。與預(yù)期結(jié)果大致一致，場地的地震動峰值加速度越大，結(jié)構(gòu)的危房率越高。

4.3 危房率與結(jié)構(gòu)體系之間的關(guān)系

表14列舉了位于甘肅省烈度最高的隴南市碧口鎮(zhèn)部分典型建筑的震害程度對比。表中分別列出了土-木組合結(jié)構(gòu)、磚-木結(jié)構(gòu)、磚砌體結(jié)構(gòu)、非隔震框架結(jié)構(gòu)和采用新技術(shù)的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)等不同體系相應(yīng)的破壞程度?？梢钥闯?，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的新技術(shù)投入的合理性已經(jīng)有所體現(xiàn)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)91%處于輕微損傷，而采用土-木組合、磚-木組合結(jié)構(gòu)的村鎮(zhèn)住宅和私有商業(yè)建筑危房率高達(dá)30%以上。而同處隴南市的基礎(chǔ)隔震磚砌體結(jié)構(gòu)處于基本完好狀態(tài)。調(diào)研得知，該基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)因采用隔震技術(shù)而增加的造價占初始造價的5.8%。用表13和圖7的結(jié)構(gòu)初始投入指標(biāo)與結(jié)構(gòu)的價值損失比率來衡量，將一般結(jié)構(gòu)的價值損失比率由投入最低的醫(yī)療建筑的0.61降低到投入最高的通訊建筑的0.51所付出的代價是結(jié)構(gòu)初始投入增加到250%。而采用基礎(chǔ)隔震新技術(shù)，僅用5.8%的初始投入增加額，換取的價值損失比率下降額達(dá)80%。雖然隔震工程樣本只有1個，但仍然顯示出了新技術(shù)的減災(zāi)優(yōu)勢。

表14 高烈度區(qū)建筑物的破壞率

5 結(jié)論

（1）利用實際工程震害調(diào)查結(jié)果表明，本文提出的價值損失比率指標(biāo)從一定程度上能合理反映用于抗震的初始經(jīng)濟(jì)投入對提高建筑物抗震能力的干預(yù)作用。

（2）結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)類型的選擇也是提高建筑物抗震能力的另一重要因素，但采用基礎(chǔ)隔震等抗震新技術(shù)，可以用較少的初始投入增加換取價值損失比率的大幅度下降。

杜永峰，李慧，莫庸等，2008a．5?12地震現(xiàn)場調(diào)查報告匯編．蘭州：甘肅省建設(shè)科技專家委員會．

杜永峰，李慧，2008b．5?12地震實地調(diào)查報告及震后建筑損傷評估報告．蘭州：救災(zāi)指揮部辦公室，甘肅省建設(shè)科技專家委員會．

杜永峰，李慧，2008c．隴南建筑結(jié)構(gòu)震害的宏觀分析與重建指導(dǎo)思想的建議．見：汶川地震建筑結(jié)構(gòu)震害分析與重建研討會（北京），182—188．

Du Y.F., Li H., 2010. An Evaluation of Cost Effectiveness of New Technology for Seismic Mitigation in Gansu during Wenchuan Earthquake. See: Proc. 7Int. International Conference on Urban Earthquake Engineering, Tokyo, Japan, 2010, 127—131.

A New Index for Cost-benefit Analysis of A New Technology for Seismic Mitigation

Du Yongfengand Li Hui

1）Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation, Lanzhou University of Technology, Lanzhou. 730050, China 2）Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education, Lanzhou Univ. of Tech.., Lanzhou. 730050, China

This paper presents an evaluation on the cost effectiveness of different types of buildings using traditional earthquake resistant design techniques, and compared with the case of application of base isolation technique in the same region. The buildings are divided into 9 categories, i.e., school, dwelling house, office, hospital, life line system, and so on. A new index of structure value loss ratio (SVLR) is proposed to examine the correlation of damage ratio, economical loss between the initial economic input and technical input, and the damage ratio of typical buildings, such as the combination of soil-timber structure, brick-timber structure, brick masonry structure, fixed base frame structure and base isolated structures, are compared to represent the earthquake resistant capacity. By comparing the performance of buildings using traditional seismic design technique and those using base isolation technique, we found that the base isolation buildings is preliminarily more effective in reducing the SVLR than the traditional seismic resistant structure.

Earthquake damage evaluation; Base isolation; Economical input for seismic resistance; Structural system for seismic mitigation

國家自然科學(xué)基金項目資助（50978130, 51178211）

2013-03-04

杜永峰，男，生于1962年。博士，教授，博導(dǎo)。主要從事結(jié)構(gòu)減震控制研究。擔(dān)任國際減震控制學(xué)會理事等學(xué)術(shù)職務(wù)。E-mail：dooyf@sohu.com

杜永峰，李慧，2014．結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出效益分析的一種新指標(biāo). 震災(zāi)防御技術(shù)，9（2）：182—191.