韌性Resilience最早用來描述生態(tài)系統(tǒng)在遭受環(huán)境擾動時(shí)，恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。Michel Bruneau教授最早將這個(gè)概念引入到土木工程領(lǐng)域中，希望建筑、社區(qū)乃至城市能夠在災(zāi)害發(fā)生后，快速恢復(fù)到災(zāi)害前的功能水平，以最小化災(zāi)害所帶來的影響。近年來，我國地震災(zāi)害頻發(fā)，不僅給社會生活生產(chǎn)帶來極大損失，也嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，為此，韌性城市成為輿論關(guān)注的熱點(diǎn)。中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院工程技術(shù)研究所所長鄧烜認(rèn)為，韌性城市理念有多個(gè)維度，提高建筑物抗震韌性便是其中之一。

國內(nèi)相關(guān)規(guī)范、條例中也明確指出有關(guān)建筑震后使用功能的相關(guān)要求。

《建筑工程抗震管理?xiàng)l例》（征求意見稿）中指出：

“位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場所等公共建筑應(yīng)當(dāng)采用隔震減震技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)不喪失建筑功能?！?/span>

《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中指出：

“為貫徹執(zhí)行國家有關(guān)建筑工程防震減災(zāi)的法律法規(guī)，實(shí)行以預(yù)防為主的方針，使建筑采用隔震技術(shù)后，地震安全性得到進(jìn)一步提高，遭遇設(shè)防地震后建筑使用功能不中斷，避免人員傷亡和次生災(zāi)害，減少社會影響和經(jīng)濟(jì)損失，制定本標(biāo)準(zhǔn)?！?/span>

本文將從傳統(tǒng)建筑地震下的表現(xiàn)入手，分析造成建筑功能喪失的主要原因；介紹現(xiàn)有抗震韌性的評價(jià)方法，并通過案例分析對比不同結(jié)構(gòu)方案對抗震韌性的影響；最后，提出了一種便于工程人員實(shí)際操作的抗震韌性評價(jià)方法。

一、傳統(tǒng)建筑地震表現(xiàn)

按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)建造的建筑，基本滿足了小震結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞、大震結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌的要求。然而，人們從歷次地震中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有效減輕了地震破壞，但由于建筑功能喪失所造成的經(jīng)濟(jì)損失依舊巨大。引起建筑功能喪失的主要因素體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

① 結(jié)構(gòu)安全性的喪失

（與結(jié)構(gòu)變形有關(guān)）

框架結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)

② 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞

 （與樓面加速度、結(jié)構(gòu)變形有關(guān)）

建筑吊頂破壞

建筑隔墻破壞

③ 設(shè)備機(jī)能的喪失

 （與樓面加速度有關(guān)）

配管相連處破壞

機(jī)器固定處損傷

以上提到的三方面，使傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)很容易在地震災(zāi)害下成為“站立的廢墟”，即建筑震后功能無法得到有效保證。為了體現(xiàn)以上三方面對建筑震后使用功能的影響，國內(nèi)外學(xué)者對建筑抗震韌性進(jìn)行了量化。

二、建筑抗震韌性的量化方法

相比于直接量化建筑抗震韌性，量化震后建筑的修復(fù)花費(fèi)、修復(fù)時(shí)間及人員傷亡，可以更加直觀、方便地評估建筑震后功能的可持續(xù)性。

《建筑抗震韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中根據(jù)建筑在地震下修復(fù)花費(fèi)、修復(fù)時(shí)間及人員傷亡的評級結(jié)果，將建筑的抗震韌性分成三個(gè)星級。美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署FEMA于2012年頒布了FEMA-P58，通過結(jié)構(gòu)層間位移角、樓面加速度等指標(biāo)量化了震后建筑的修復(fù)花費(fèi)、修復(fù)時(shí)間及人員傷亡，為建筑震后功能可持續(xù)性的評估提供了幫助。

下面將簡單介紹FEMA-P58 對修復(fù)花費(fèi)、時(shí)間及人員傷亡的計(jì)算流程：

FEMA-P58是基于概率的評估方法。通過蒙特卡洛模擬，充分考慮了地震動不確定性、工程需求參數(shù)不確定性、結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)不確定性等等。最終的計(jì)算結(jié)果將以某一分位值作為計(jì)算結(jié)果的代表值。

從計(jì)算流程中可以看出，構(gòu)件易損性作為聯(lián)系工程需求參數(shù)與構(gòu)件損傷狀態(tài)的“橋梁”是十分重要的。構(gòu)件易損性曲線描述了構(gòu)件在某一給定的工程需求參數(shù)下發(fā)生不同程度損傷的概率分布情況。

鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件的易損性曲線

上圖為某一鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件的易損性曲線，橫軸為最大層間位移角，縱軸為構(gòu)件在不同損傷狀態(tài)（Damage State, DSi）下的超越概率。為了方便理解，這里以層間位移角為4%為例來說明。圖中A、B、C、D的高度分別代表了當(dāng)最大層間位移角為4%時(shí)，該類構(gòu)件未發(fā)生損傷、發(fā)生輕微損傷、發(fā)生中等損傷與發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的概率。下表中給出了不同損傷狀態(tài)的描述。

除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的易損性信息，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑設(shè)備的易損性信息是更加值得注意的，它們往往是造成建筑物使用功能中斷的主要原因。與結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同的是，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑設(shè)備的損傷情況往往對樓面加速度等工程需求參數(shù)更加敏感。下圖中給出了建筑吊頂系統(tǒng)的易損性信息。

建筑吊頂系統(tǒng)的易損性曲線

三、案例分析

下面將以一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目為例，通過計(jì)算罕遇地震下的修復(fù)時(shí)間與花費(fèi)來評估其抗震韌性。此外，分別對采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案、基礎(chǔ)隔震方案與減震方案的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，量化采用不同結(jié)構(gòu)方案對建筑抗震韌性的影響。

某幼兒園項(xiàng)目，主體結(jié)構(gòu)三層，無地下室，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。設(shè)防類別為乙類重點(diǎn)設(shè)防，抗震設(shè)防烈度：8度半，場地特征周期0.55s。

所考慮的建筑內(nèi)容中結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括框架梁與框架柱；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括建筑幕墻、內(nèi)隔墻、吊頂、吊燈、給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、空調(diào)機(jī)組與置物架。

三種結(jié)構(gòu)方案在罕遇地震下工程需求參數(shù)平均值的計(jì)算結(jié)果如下：

將多次罕遇地震作用下工程需求參數(shù)的計(jì)算分析結(jié)果輸入到程序中，程序會對工程需求參數(shù)矩陣進(jìn)行擴(kuò)充，并采用蒙特卡洛模擬的方法計(jì)算每一工程需求參數(shù)向量所對應(yīng)的修復(fù)時(shí)間與修復(fù)花費(fèi)，最后將以某一分位值的修復(fù)時(shí)間與花費(fèi)作為計(jì)算結(jié)果代表值。這里以84%分位值為例，對比不同結(jié)構(gòu)方案的修復(fù)時(shí)間與修復(fù)花費(fèi)。