防震減災的終極目標：建造抗震韌性城市
導讀
本文由中國工程院院士、地震研究專家謝禮立於11月8日在北大博雅國際酒店所作的《從結構抗震到城市抗震》專題報告整理而成。報告圍繞當下城市規劃與景觀設計領域的熱詞之一——「resilience」展開，循序漸進地介紹了當前城市整體防震減災研究的理論基礎、技術進展與未來方向，將地震學與規劃設計兩大不同領域的研究內容有機地銜接在一起。
1 「抗震韌性」同樣不可忽視
從某種意義上說，全世界沒有哪個國家的地震災害比中國還嚴重：根據20世紀以來的資料統計，中國陸地面積佔全世界陸地面積的6.4%，而全世界33.3%的陸地地震發生在中國，超過世界平均值將近5倍。建國以來，記錄在冊的里氏7.0級以上地震有9次，其中3次造成萬人以上的失蹤與死亡；全國有30個省市發生過6級以上地震。從下圖可以看出，中國境內存在大量地震帶，更證明了防震減災的重要性。
2 韌性定義：城市抗震的理論基礎
如何盡量減少地震災害帶來的損失？釐清地震的發生和預防機理至關重要。這一切討論都基於「resilience」展開。如前所述，目前它的常見譯名很多，但都無法確切表達原詞的完整內涵。
Resilience一詞源於生態學，原本用來描述生態系統在受到外界擾動後能繼續保持其功能的特性，也包括系統失去部分功能或者發生不可恢復的永久性破壞後，依然能依靠其本身的能力恢復到或超過原來狀態的情況。這一現象普遍存在於生物界，如人體免疫系統對疾病的抵禦、農業生態系統中土壤活性的自我調節、森林生態系統在遭受火焚或砍伐後的逐步恢復等。其更具普適性的含義是：一個系統發生不可逆的變化時，只要不超過一定的閾值，依賴本身的功能就可使其特性及運行模式恢復甚至超過變化前狀態的特性。
3 城市抗震韌性的來源
過去人們往往認為，城市在地震中遭受破壞，只是由於結構工程（即建築物等）的抗震性差；現在人們則認識到，要有效抵禦地震災害，必須從整體上提高城市系統的抗震性。結合上文，「抗震韌性城市」的明確定義便產生了：它是指在遭遇地震襲擊時，依賴本身的功能就可使其特性及運行模式保持或快速恢復到地震前狀態的城市。
抗震韌性城市應對地震的機理可以用兩組要素來說明：一組為能力要素，包括震前能力（A0）、震後能力（A1）、閾值（AT）；另一組為韌性水平要素，包括完全韌性、中等韌性、低韌性、無韌性等級別。
A0代表地震發生之前城市的防震減災能力。地震發生後，城市遭受破壞，其防震減災能力降到A1水平；閾值AT由城市系統的防災特性決定，若A1沒有低於AT，說明城市自身的防災特性足以應對此次地震，經過一定時間可以恢復到原來的水平A0，甚至超過A0，這種情況下，城市對地震災害具有完全韌性；若A1低於AT，城市僅靠自身的防災特性無法自行恢復，對地震災害就是無韌性的。在完全韌性和無韌性兩種極端狀態之間還存在一系列中間狀態，如中等韌性、低韌性等，它取決於震后城市防災能力的恢復情況。
因此，「能力要素」決定了城市應對地震災害的韌性強弱。它們分別對應3個反映城市抗震韌性的概念：
設防等級：表現為城市的震前抗災能力A0。設防等級越高，城市抗震韌性越強；
易損性：表現為震前抗災能力A0與震後抗災能力A1的差值。易損性越小，城市抗震韌性越強；
防災資源：表現為城市系統自身的抗震特性，即閾值AT。防災資源越多，城市抗震韌性越強。
4 面向實踐：抗震韌性具象化
在城市抗震設計中，上述3個「韌性來源」仍然過於抽象。將它們進一步分解，可得到城市抗震韌性的10個具體維度：系統防災意志和決策能力、人居環境安全性、基礎設施的地震安全性、災害管理能力、生態環境、經濟發展水平、防災法規和標準、公共關係和媒體、信息安全，以及干擾的時空變化。它們為提升城市整體抗震能力提供了更切實可行的切入點。
這10個維度對城市抗震韌性的影響程度各不相同，在設計時需分清主次，以得到符合城市實際情況與需求的抗震方案。
在城市抗震減災研究中，定量研究也十分重要：這不僅包括對上述10個抗震韌性維度的定量化，還包括通過定量化數字技術對地震中的土木工程破壞現象進行模擬。當地震災害可以被精確再現時，才意味著人們真正掌握了地震對工程結構與城市產生破壞的作用機理；同時，也需要藉助數字化模擬技術對城市系統的抗震韌性進行預檢驗和評價，以真正做到未雨綢繆。
5 抗震韌性研究的未來方向
一是系統建模。系統模型應既能表徵抗震韌性及其動態規律，又能反映各子系統韌性對全系統韌性的貢獻；既能反映子系統之間的實體關聯性，還能體現功能連接的關聯性。城市是由電力、供水、交通、通信等多種子系統組成的複雜系統，在地震災害發生時，任一子系統的癱瘓都可能造成巨大的連鎖反應，因此，對於城市抗震研究來說，建立科學的系統模型至關重要。
二是複雜系統間的依存度確定。城市中存在大量的網路連接，不僅有各式各樣的實體連接，更有大量的功能性連接；要一一確定這些連接在不同時段的相互作用和相互影響，並用定量的方法確定其依存度關係。
三是不確定性的處理。不確定性在地震災害中無處不在，如地震動強度及其時空分布的不確定性，工程結構材料性能、施工質量、部件破壞順序的不確定性，以及城市韌性系統易損性中存在的不確定性，等。應對這些不確定性不能只依賴於地震學家的努力，也需要藉助大數據等新技術，開發出相應的工程方法。
四是創建更完善的韌性城市評價體系。目前，我們已經能對城市特定區域的地震災害過程進行數字化模擬；未來還需進一步研發能反映不同地震強度隨時空變化的工程震害精確預測方法和平台，並提出適當的定量化體系，對系統韌性指標以及各維度韌性對總韌性的貢獻進行更精確的衡量。
五是建立城市防震減災設計理論體系。從單體結構抗震發展到城市整體抗震，是抗震減災研究基本認識的一次提升；resilience概念的引入則為城市整體抗震開啟了新的思路。在此基礎上，應進一步建立基於風險、韌性和性態的三合一現代城市抗震設計理論，為系統韌性策略、系統設防參數和韌性等級的制定提供更多科學依據。
（除特別說明，插圖均摘自本次講座PPT。）
整理編輯 | 王胤瑜
*閱讀《景觀設計學》第10期和第34期，獲得有關「防災」與「韌性」的更多擴展資訊
*報告全程回放視頻地址：
景觀設計學LAFrontiers-一直播
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