基于城市規(guī)劃的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

王志濤，馬 祎，馬東輝,2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 抗震減災(zāi)研究所，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100124)

我國(guó)是世界上地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的國(guó)家之一，地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)表明，建筑物破壞與倒塌是造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的主要原因。通過(guò)建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估找出高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)城市抗震防災(zāi)規(guī)劃編制、建筑物抗震改造和民眾防災(zāi)意識(shí)的提高具有重要的指導(dǎo)意義。

一般來(lái)說(shuō)，建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)取決于兩方面因素，一是建筑所在場(chǎng)地面臨的地震危險(xiǎn)性，與其地震背景相關(guān)，不受人為因素控制，是導(dǎo)致地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的客觀因素；二是建筑本身的易損性，與其是否采取有效的抗震設(shè)防措施有關(guān)，是導(dǎo)致地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的主觀因素。而建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)則是上述兩方面的耦合，是指未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)建筑物發(fā)生不同等級(jí)震害風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展了大量的研究工作。在地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，自1968年CORNELL[1]提出概率性地震危險(xiǎn)性分析方法以來(lái)，KIUREGHIAN等[2- 4]針對(duì)地震發(fā)生在時(shí)間上均勻分布的假定、在空間分布上的不均勻性及計(jì)算模型等方面進(jìn)行了發(fā)展與改進(jìn)。在易損性評(píng)價(jià)方面，出現(xiàn)了各類易損性評(píng)價(jià)方法百花齊放的現(xiàn)象，如CUTTER[5]強(qiáng)調(diào)了承災(zāi)體由于暴露在災(zāi)害環(huán)境下可能會(huì)遭受破壞的可能性；尹之潛等[6]按照結(jié)構(gòu)形式和建筑材料對(duì)房屋建筑的地震易損性進(jìn)行了分類。在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，AMBRASEYS等[7]將地震風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)為風(fēng)險(xiǎn)(Risk)=危險(xiǎn)性(Hazard)×易損性(Vulnerability)；呂大剛等[8]分析了本質(zhì)不確定性和知識(shí)不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響；馮啟民等[9]基于已有群體建筑物易損性矩陣，通過(guò)概率分析和數(shù)據(jù)擬合開(kāi)展了群體建筑物地震破壞概率模型研究。同時(shí)，針對(duì)城市或區(qū)域尺度的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也得到了廣泛的重視，如孫柏濤等[10]建立了建筑物抗震能力綜合分區(qū)分類方法和地震易損性矩陣，對(duì)我國(guó)大陸建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布開(kāi)展了研究；李玉森等[11]從地震危險(xiǎn)性和承災(zāi)體脆弱性兩個(gè)角度，對(duì)遼東半島地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)估；陳靜等[12]針對(duì)城市總體規(guī)劃階段的需求，構(gòu)建了地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系；唐麗華等[13]對(duì)多個(gè)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并指出了各自的優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題。

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建筑物表現(xiàn)出數(shù)量巨大、建設(shè)時(shí)期不同、結(jié)構(gòu)類型多樣等錯(cuò)綜復(fù)雜的特點(diǎn)。在實(shí)際城市抗震防災(zāi)規(guī)劃過(guò)程中，由于傳統(tǒng)建筑震害預(yù)測(cè)方法所需的詳盡基礎(chǔ)資料不易獲取，給其評(píng)價(jià)工作帶來(lái)困難。因此，建立一種適用于城市規(guī)劃階段的簡(jiǎn)單快速并能夠保證宏觀評(píng)估精度和可靠性的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者從城市規(guī)劃階段對(duì)建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求出發(fā)，按照數(shù)據(jù)的易獲取性、評(píng)估方法的簡(jiǎn)單易行性及評(píng)估結(jié)果的可靠性等原則，尋求建立一種適于城市規(guī)劃階段的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1 建筑物地震風(fēng)險(xiǎn)概念模型與影響要素分析

1.1 建筑物地震風(fēng)險(xiǎn)概念模型

對(duì)于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的概念，由于災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)影響因素的多樣性，目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的定義。雖然不同研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有著不同的見(jiàn)解，但基本思想都是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，并與損失聯(lián)系在一起。目前關(guān)于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究主要集中于兩個(gè)方面：①研究?jī)?nèi)容方面，即風(fēng)險(xiǎn)的影響因素(指標(biāo))研究；②評(píng)估方法方面，即數(shù)學(xué)模型的研究，但仍存在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完善、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不客觀等問(wèn)題。

如前所述，建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)取決于地震危險(xiǎn)性和建筑物的易損性。因此，采用的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概念模型為R=H×V，其中，R為建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，H為地震危險(xiǎn)性，V為多種因素影響下建筑的易損性，表征的是建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的多種致因因素之間的一種耦合關(guān)系。在建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素的選取過(guò)程中，考慮到影響因素多且不確定性大的特點(diǎn)，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)要素選取時(shí)不僅要與建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)在規(guī)律和邏輯保持一定的合理性，還要滿足城市規(guī)劃階段評(píng)估方法簡(jiǎn)單易行、數(shù)據(jù)具備代表性和易獲取性等要求。按照上述原則，選取地震危險(xiǎn)性、建筑物的結(jié)構(gòu)類型、建筑的建設(shè)年代、建筑物用途、地震烈度、場(chǎng)地條件和容積率7方面指標(biāo)作為風(fēng)險(xiǎn)要素，并基于此構(gòu)建建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)要素分析

1.2.1 地震危險(xiǎn)性

地震危險(xiǎn)性是指某一場(chǎng)地在一定時(shí)期內(nèi)可能遭受到地震作用的大小和頻次，目前國(guó)際上公認(rèn)的較好方法是概率地震危險(xiǎn)性分析方法，是以某場(chǎng)地在未來(lái)一定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)地震參數(shù)(烈度、加速度、速度、反應(yīng)譜等)超過(guò)某一給定值的概率來(lái)表達(dá)。

高小旺等[14]在統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)我國(guó)45個(gè)城鎮(zhèn)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，指出地震烈度極大值的概率分布符合極值Ⅲ型。在極值Ⅲ型表達(dá)式的基礎(chǔ)上，根據(jù)抗震設(shè)防烈度為50年超越概率10%的地震烈度，可得到任意給定烈度i所對(duì)應(yīng)的超越概率P[15]，如式(1)所示。

(1)

式中：ω為地震烈度上限值，一般取ω=12；I0為50年超越概率10%對(duì)應(yīng)的基本烈度值；k為形狀參數(shù)，其取值如表1所示。

表1 規(guī)范中形狀參數(shù)k的取值

由式(1)可知，已知基本烈度I0和形狀參數(shù)k的值，即可求出任意給定烈度i所對(duì)應(yīng)的超越概率值P。由于在進(jìn)行建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需要某烈度或地震動(dòng)參數(shù)發(fā)生的概率，因此必須由超越概率求得發(fā)生概率，則設(shè)防基準(zhǔn)期T年(50)內(nèi)發(fā)生I=i的概率為：

P(I=i|T)=P(I≥i|T)-P(I≥i+1|T)

(2)

1.2.2 建筑物的結(jié)構(gòu)類型

建筑物的抗震性能與其結(jié)構(gòu)形式和建筑材料有著密切的聯(lián)系。依照結(jié)構(gòu)形式和建筑材料的不同，文獻(xiàn)[4]將我國(guó)現(xiàn)有建筑按照易損性分類進(jìn)行了劃分，不同類別建筑物的易損性有著明顯差異，同時(shí)從歷次震害案例中也可以看出，不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物抵御地震的能力也不相同。如汶川地震中多層砌體房屋和底部框架上部砌體房屋大量倒塌；1995年阪神地震中190 975棟住宅、547棟公共建筑、3 105棟其他建筑發(fā)生了不同程度的破壞，由于建筑結(jié)構(gòu)不合理、施工質(zhì)量差等造成了巨大的人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失約500億美元[16]?；诖耍P者選取了建筑物結(jié)構(gòu)類型作為建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要影響因素之一。

1.2.3 建筑的建設(shè)年代

建筑的建設(shè)年代對(duì)建筑物地震風(fēng)險(xiǎn)的影響也是顯而易見(jiàn)的，建設(shè)年代越久遠(yuǎn)，地震時(shí)損壞的風(fēng)險(xiǎn)就越大[17]。建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防情況是影響其抗震能力的重要因素，隨著抗震防災(zāi)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的建筑物抗震規(guī)范歷經(jīng)了多次修訂，不同的建設(shè)年代表征了不同時(shí)期建設(shè)房屋所采取的抗震設(shè)防措施情況。我國(guó)首次引入建筑物抗震設(shè)計(jì)是在第一個(gè)五年計(jì)劃期間，1966年邢臺(tái)地震后促使我國(guó)著手編制中國(guó)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。隨后于1974年，頒布了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TJ11-74)；1978年汲取唐山大地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，正式頒布了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ11-78)，標(biāo)志著我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)新的階段；之后分別于1989年、2001年和2010年進(jìn)行修訂。參照上述抗震設(shè)防規(guī)范的沿革，按照1980年之前、1980—1990年、1990—2000年、2000年之后分檔，作為影響建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的要素。

1.2.4 建筑物用途

地震來(lái)臨時(shí)不同使用用途的建筑物破壞所帶來(lái)的損失以及對(duì)救災(zāi)進(jìn)程的影響是有很大差異的。例如中小學(xué)校、幼兒園及養(yǎng)老院等公共建筑等由于人員密度大、自救能力差等原因，一旦在地震中倒塌容易造成群死群傷，加大人員傷亡的比例，從而導(dǎo)致地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加大。生命線系統(tǒng)中的建筑破壞或倒塌會(huì)導(dǎo)致城市基本功能無(wú)法維系，影響災(zāi)后救災(zāi)甚至引發(fā)次生災(zāi)害等不利后果，也會(huì)放大地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因此，以建筑物用途作為影響建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

1.2.5 地震烈度

地震烈度指一次地震中在其波及的不同地點(diǎn)所引起的地面震動(dòng)強(qiáng)烈程度，表示地震對(duì)地表及工程建筑物影響的強(qiáng)弱程度，一定程度上更能夠反映出災(zāi)區(qū)的損失情況。在實(shí)際開(kāi)展建筑易損性評(píng)價(jià)工作時(shí)，需要對(duì)不同地震烈度條件下的建筑群體可能的破壞情況進(jìn)行評(píng)估，此處地震烈度表征的是建筑物震害評(píng)估時(shí)的地震作用，地震烈度越大，相應(yīng)的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越大。

1.2.6 場(chǎng)地條件

場(chǎng)地條件一般指局部地表地質(zhì)條件，其在剛度和土動(dòng)力性質(zhì)方面的差異直接影響著該區(qū)域建筑的破壞程度。國(guó)內(nèi)外大量震害實(shí)例表明，不同場(chǎng)地上的建筑物震害差異是十分明顯的。1985年墨西哥8.1級(jí)地震，震源位于西南岸外太平洋底40 km，距震中400 km的墨西哥城中的高層建筑(包括一些鋼結(jié)構(gòu)房屋)和長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的震害，而距震中僅80 km的海岸城市比墨西哥城的損壞還要輕。這主要是由于墨西哥城位于新近代沉積盆地，由震中傳到墨西哥城的長(zhǎng)周期地震波被城市場(chǎng)地放大了，直接造成了墨西哥城市中心地面建筑的嚴(yán)重破壞。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張，同一城市場(chǎng)地類型在空間分布上往往有較大差異，故選場(chǎng)地條件作為影響建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要因素之一。

1.2.7 容積率

容積率是地產(chǎn)評(píng)估和城市規(guī)劃的重要依據(jù)[18]，也是描述城市土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的一項(xiàng)重要的控制性指標(biāo)。容積率r一般可表示為：

r=F/A

(3)

式中：F為地塊內(nèi)建筑總面積；A為地塊面積。容積率反映一塊土地上總的建筑容量，一般容積率越高，土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越大，建筑物密度就越大，相應(yīng)的承載的人口密度也就越大。

在人地矛盾日益尖銳的今天，由于房?jī)r(jià)的快速上漲，“高容積、低密度”的城市開(kāi)發(fā)思想逐漸得到人們的青睞。但從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)角度來(lái)看，需要重視容積率對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響，一般容積率越大，相同房屋破壞概率條件下人員傷亡的嚴(yán)重性也會(huì)增加，也必然導(dǎo)致建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的放大。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

通過(guò)建構(gòu)的建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概念模型可以看出，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與7項(xiàng)指標(biāo)之間具有高度復(fù)雜的非線性、不確定性和離散性的特點(diǎn)，建立其之間的映射關(guān)系并不容易。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為具有很強(qiáng)的非線性映射能力和柔性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)論在網(wǎng)絡(luò)理論還是在性能方面已經(jīng)比較成熟。因此，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概況

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種歸納學(xué)習(xí)的方法，該方法通過(guò)對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的迭代學(xué)習(xí)，從而歸納出樣本數(shù)據(jù)中潛在的規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別和預(yù)測(cè)評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域，并依靠于其自身較強(qiáng)的非線性映射能力、自適應(yīng)能力、容錯(cuò)能力和泛化能力廣受歡迎。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其利用非線性可微分函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練。該網(wǎng)絡(luò)具有3層或3層以上，包括輸入層、一個(gè)或多個(gè)中間層和輸出層，能夠存儲(chǔ)和學(xué)習(xí)大量的輸入-輸出模式的映射關(guān)系，且不需要揭示出這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)一組學(xué)習(xí)樣本提供給網(wǎng)絡(luò)后，神經(jīng)元的激活值從輸入層經(jīng)過(guò)各個(gè)中間層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元獲得相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出，并按照減小目標(biāo)輸出與實(shí)際誤差的方向從輸出層經(jīng)過(guò)各個(gè)中間層逐層修正各連接權(quán)值，最終回到輸入層。隨著這種誤差逆的傳播和修正不斷地進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入模式響應(yīng)的正確率也就不斷上升。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)大量的訓(xùn)練對(duì)樣本數(shù)據(jù)本身的內(nèi)在規(guī)律和運(yùn)行邏輯進(jìn)行模擬，在不需要揭示出數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式的前提下實(shí)現(xiàn)從多種輸入變量到輸出變量之間復(fù)雜的非線性映射，因此筆者基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建評(píng)估模型，以期實(shí)現(xiàn)不同影響因素條件下建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法。所設(shè)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層3層。其中，模型的輸入層為影響建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的各項(xiàng)因素，包括地震危險(xiǎn)性、建筑物的結(jié)構(gòu)類型、建筑物的建設(shè)年代、建筑物用途、地震烈度、場(chǎng)地條件及容積率7個(gè)影響因素，將其作為輸入變量。隱含層神經(jīng)元數(shù)目按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)置初始值，然后利用逐步增長(zhǎng)法增加神經(jīng)元的個(gè)數(shù)直到訓(xùn)練結(jié)果合適為止。輸出層為1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，為統(tǒng)計(jì)分區(qū)內(nèi)建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

3 實(shí)例分析與驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)的選取

建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)信息的樣本主要選自于《廈門(mén)市城市建設(shè)綜合防災(zāi)規(guī)劃基礎(chǔ)研究報(bào)告》(廈門(mén)市建設(shè)與管理局，北京工業(yè)大學(xué)抗震減災(zāi)研究所，2006)中記錄完整的場(chǎng)地分類與建筑物樣本數(shù)據(jù)，包括廈門(mén)市近5萬(wàn)棟建筑的震害預(yù)測(cè)結(jié)果[19]。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，首先按照城市道路將廈門(mén)市劃分為144個(gè)區(qū)塊，然后在每一區(qū)塊內(nèi)分別統(tǒng)計(jì)不同建筑結(jié)構(gòu)類型、不同用途、不同年代及不同類別場(chǎng)地等在分區(qū)中所占比例，由此得到的各影響參數(shù)的值處于[0，1]之間，地震危險(xiǎn)性、烈度及容積率按照區(qū)塊實(shí)際取值。同時(shí)，根據(jù)廈門(mén)市近5萬(wàn)棟建筑的地震災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果及其在144個(gè)區(qū)塊的分布情況，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)塊內(nèi)的建筑物平均震害指數(shù)，通過(guò)建筑物平均震害指數(shù)與地震危險(xiǎn)性的乘積可得到每個(gè)區(qū)塊的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。最后可以得到有效數(shù)據(jù)144組，每一組數(shù)據(jù)中包含了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所需的輸入層與輸出層樣本數(shù)據(jù)。

由于各種變量樣本數(shù)據(jù)存在過(guò)大或過(guò)小的數(shù)值即所謂的奇異數(shù)，非常容易影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間和效果，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)必須對(duì)變量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化預(yù)處理和歸一化處理，將輸入和輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閇0，1]之間的數(shù)值。這樣激活函數(shù)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的變化梯度會(huì)比較大，且會(huì)縮短網(wǎng)絡(luò)的收斂時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和靈敏程度，同時(shí)還會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與訓(xùn)練

根據(jù)整理得到的144組數(shù)據(jù)樣本，對(duì)所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其中，126組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練，9組數(shù)據(jù)作為確認(rèn)樣本，9組數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本。訓(xùn)練樣本用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，提高精度；預(yù)測(cè)樣本用來(lái)檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效果；確認(rèn)樣本用來(lái)防止過(guò)擬合訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，所得到的訓(xùn)練樣本、測(cè)試樣本、確認(rèn)樣本的誤差曲線圖如圖1所示，由圖1可看出經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練后，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的誤差曲線隨著訓(xùn)練的進(jìn)程而顯著下降，均方誤差約為0.000 1，小于網(wǎng)絡(luò)誤差要求的0.000 5，表明訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)具備了良好的泛化能力，訓(xùn)練速度快，達(dá)到了訓(xùn)練的要求。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差曲線圖

經(jīng)訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層與輸出層的連接權(quán)值和閾值分別為：LW{2,1}=[0.663 3,-0.333 9,-0.012 7,0.055 9,0.017 8,0.027 0,-0.000 7]；b{2}=0.321 4。

輸入層到隱含層的連接權(quán)值和閾值分別為：

b{1}=[1.960 2,-0.500 1,8.567 9,-7.961 1,9.705 7,2.902 9,4.201 2]。

144組數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)情況如圖2所示，其中實(shí)線表示真實(shí)值，虛線表示輸出值(虛線與實(shí)線僅在端部稍有差異，大部分范圍重合)，前126組數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，第127～135個(gè)數(shù)據(jù)為確認(rèn)樣本，第136～144個(gè)數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)樣本。由圖2可以看出訓(xùn)練樣本的擬合度較好，測(cè)試樣本中真實(shí)值與預(yù)測(cè)值也基本重合，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)具備了較好的泛化能力。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真分析

為了驗(yàn)證利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建筑物風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的可靠性，用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)9組預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)樣本的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，結(jié)果如表2所示，可看出預(yù)測(cè)樣本的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差平均為3.89%，最大值為8.10%，基本滿足測(cè)試要求。

圖2 建筑物地震風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值

表2 測(cè)試樣本輸出值的相對(duì)誤差分析

4 結(jié)論

筆者從城市規(guī)劃階段對(duì)建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求出發(fā)，分析并選取了建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了評(píng)估模型，得到如下結(jié)論：

(1)選取了地震危險(xiǎn)性、建筑物的結(jié)構(gòu)類型、建筑的建設(shè)年代、建筑物用途、地震烈度、場(chǎng)地條件和容積率7方面影響因素，作為建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的因子，這些影響因子的數(shù)據(jù)較容易獲取，有助于快速評(píng)估建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及在城市規(guī)劃階段實(shí)行有效的風(fēng)險(xiǎn)管控，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

(2)由于建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與各風(fēng)險(xiǎn)影響因素之間的因果關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，難以建立精確的理論和方法來(lái)描述各影響因素與風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系。因此，利用具有強(qiáng)大非線性映射能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí)來(lái)追尋各影響因素與地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)之間的客觀規(guī)律，為城市建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了一種簡(jiǎn)易的方法。

(3)由于建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響因素的復(fù)雜性和不確定性，對(duì)于評(píng)估指標(biāo)的選取需要做進(jìn)一步的探索和研究，建立出更科學(xué)、更完善的指標(biāo)體系。同時(shí)，樣本庫(kù)的完善程度是影響模型可靠度的關(guān)鍵，因此模型應(yīng)用中仍需照顧到不同地區(qū)、不同建筑等多類型信息，擴(kuò)充樣本庫(kù)的數(shù)量，完善樣本庫(kù)的質(zhì)量，降低數(shù)據(jù)的離散性，才能形成更加全面、科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，使網(wǎng)絡(luò)具有更為廣泛的適用性。

(4)傳統(tǒng)的建筑物地震災(zāi)害預(yù)測(cè)方法基于給定烈度下建筑發(fā)生破壞的可能性，而建筑地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則同時(shí)考慮了給定烈度發(fā)生的可能性和建筑易損性的綜合效果，對(duì)于指導(dǎo)建筑物抗震防災(zāi)對(duì)策的制定更具意義。