方东平，李全旺，李 楠，王 飞，刘 影，顾栋炼，孙楚津，潘胜杰，侯冠杰，汪 飞，陆新征

(1. 清华大学土木水利学院，北京 100084；2. 北京市地震局，北京 100080)

“社区”这一概念最早出现在德国社会科学家滕尼斯写于1887 年的《社区与社会》一书中。现在学界一般将城市社区定义为在城市一定范围内，按照相关规定和制度结合而成的，具有一定共同经济利益和居民心理因素的城市社会群体和社会组织[1]。我国目前的社区建设多以法定社区为界，居委会社区、街道、区等范围都可视为社区。社区的地域界限不宜太大，以居民日常生活能够发生交互为界；也不宜太小，需要覆盖基本的社会服务设施和组织机构。在北京市内“街道”一级的行政范围较为符合本文中“城市社区”的概念。

在地震灾害情境下，Bruneau 等[2]将韧性定义为社会单元能够减轻灾害，吸收灾害发生时的影响及采取措施及时恢复，以减小社会扰动和减轻未来地震影响的能力。本文结合中国防灾减灾的实际情况，将韧性定义为系统在受到外界扰动时抵抗、调整、恢复和适应的能力。这里韧性有两方面含义：一是降低外界扰动带来的影响；二是扰动带来的影响发生后能够及时恢复。

国内外学者对韧性评价的框架都进行了有益的探索。在国外，旧金山湾区都市规划研究协会(SPUR)[3]提出了建设具有地震韧性的旧金山湾区的目标；俄勒冈州提出了俄勒冈州韧性计划[4]以应对未来地震和海啸的风险；美国国家标准技术研究院(NIST)提出了针对建成环境的社区韧性规划指南(CRPG)[5]，旨在帮助社区的建筑和基础设施系统制定长期韧性目标以及相应的韧性规划。

在国内，孟令君等[6]在2015 年联合国环境署和澳大利亚联邦科学与工业研究组织颁布的韧性、适应性和转变评价框架(RATA Frame)的基础上对已有社区韧性指标进行筛选，得出中国社区韧性指标体系，并对天津市河东区东兴路既有社区进行了案例研究；郭小东等[7]在对北京城内老旧社区深入调研分析的基础上，从老旧社区的功能结构角度确定了韧性指标体系；杨雅婷[8]通过梳理国内外关于韧性内涵的研究，提出社区地震韧性评价指标体系，并在北京市区内选取三个社区进行评价分析；清华大学方东平等[9]提出基于“三度空间下系统的系统”视角考察城市韧性。该理论将城市视为一个在物理、社会、信息组成的三度空间下由多个子系统构成的“系统的系统”，并以若干子系统及其交互为例来阐述城市韧性的内涵与特征。

北京是我国大陆东部自然灾害多发的地区，且地震灾害突出。北京人口超过千万、地震设防烈度高达8 度，也是国际上为数不多发生过7 级以上强震的特大城市。因此，充分评估地震安全韧性，保障抗震救灾能力是北京市防灾减灾工作的重点。

目前虽然对地震韧性问题已有诸多研究，但是尚缺少可以实操的区域地震韧性评价方法和工具。因此，清华大学团队在北京市地震局的支持下，以一个典型社区为对象，开展了社区地震安全韧性评估工作。研究内容主要包括针对该社区：1) 社区韧性评估体系；2) 建筑系统韧性评估；3) 交通系统韧性评估；4) 生命线系统韧性评估；5) 非实体系统韧性评估；并在此基础上开发了韧性评估系统应用示范软件平台。针对评估结果，研究提出了若干韧性提升措施并进行了讨论。本研究初步实现了包含多个子系统的社区地震安全韧性评估，成果可以作为示范为未来北京市范围内的推广应用提供参考。

1 理论方法

1.1 社区韧性评估体系

1.1.1 整体韧性体系构建

基于“三度空间下系统的系统”理论及CRPG提出的建成环境对社会机构的支撑理论，本研究明确了社区主要要素及其相互支撑的具体形式，提出城市韧性社区的结构如图1 所示。

图1 城市韧性社区结构示意Fig.1 The structure of an urban resilient community

该示意图有两层含义：1) 韧性社区结构特征，社区由建成环境、社会机构和社区成员组成的“一核两壳”结构构成，每层壳都对内层起到功能支持作用和保护作用；2) 自然灾害对城市社区的作用机理，城市社区中自然灾害一般会破坏建成环境造成其功能的下降或中断，甚至产生次生灾害，进而依赖于建成环境的社会机构功能受到影响，不能满足社区居民的需求，最终形成对社区产生较大影响的灾难。

具有韧性的社区，在灾害对其内部子系统的结构或功能造成影响时，能够采用韧性管理的手段，协调各类资源和采取最优的应急恢复策略，使其损失尽量减少和功能尽快恢复，尽量避免对社区成员造成更大的影响。

根据韧性的定义，评估社区的整体地震韧性可以转化为考察震后社区子系统的需求满足程度变化，以及震后社区子系统的功能恢复情况。如图2所示，本研究将系统的韧性水平定义为预期功能(Anticipated Performance)恢复曲线的横坐标轴围成面积t−S∆ABaCa与目标功能(Desired Performance)恢复曲线的横坐标轴围成面积t−S∆ABdCd之比，t=max(ta−t0,td−t0)。图中，Q(t)为系统功能，t0为灾害发生时刻，td为目标恢复完成时刻，ta为预期恢复完成时刻。

图2 系统功能变化曲线示意图Fig.2 Function evolution curve of a system

1.1.2 建成环境韧性评估

本文按照CRPG[5]对社会机构的分类，对社区内的社会机构进行识别，并根据马斯洛需求层次理论[10]对各社会机构满足的功能进行分析，得到社区的社会机构组成与各社会机构应满足的功能。

在此基础上，参考NIST[5]中设定的建成环境恢复目标，确定PGA 为0.20g、0.30g和0.40g的情况下社区建成环境的功能恢复目标。具体地，在建成环境子系统(如建筑、交通)内进一步划分出关键、重要、较重要和其他机构，分别确定其震后最低功能水平与恢复时间，即可得到图2 中目标功能恢复曲线的关键点Ba和Ca。

最后，应用层次分析法(AHP)确定建成环境指标权重。层次分析法首先需要对问题进行层次分解，对于建成环境韧性问题，社区成员的需求可以由社会机构直接满足，社会机构功能大小依赖于支撑其运行的基础设施功能水平。之后，需要确定层次中各因子权重，具体可以通过专家访谈、问卷调查等方式判断各因子的相对重要性，并对结果进行一致性检验。综合社会机构层次和基础设施系统层次的权重结果，即可得到每一类社会机构中某种基础设施相对总目标的最终权重，为各系统和社区的韧性评估提供基础。

1.2 建筑系统韧性评估

1.2.1 建筑系统韧性评估流程

本研究采用《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591−2020)[11]规定的建筑地震损失评价方法进行建筑地震损失预测，其总体流程(图3)主要包括三个部分：1) 建筑信息集成；2) 分析结构响应，得到工程需求参数(EDP)；3) 评估损伤状态，开展韧性评价。建筑系统韧性评估指标包括：建筑的修复费用、修复时间和人员伤亡情况。

图3 建筑系统抗震韧性评价的流程Fig.3 Earthquake resilience evaluation workflow of a building system

1.2.2 建筑信息集成

建筑信息集成的重点是建立建筑性能模型，即用于计算建筑地震损失的必要建筑信息集合。它包含建筑基本信息，以及建筑各层的易损结构构件和非结构构件的种类、数量、易损特性和维修成本。建筑基本信息有建筑层数、层高、层面积、使用功能和现行建造成本等。建筑内部由同一个EDP 决定的易损结构构件和非结构构件，被称为性能组。性能组的易损特性由服从对数正态分布的易损性曲线刻画，给定一个决定性能组损失的EDP 的大小，就可以通过易损性曲线得到它发生某个破坏状态的概率。性能组的修复费用等韧性评价指标由若干结果函数刻画，每个破坏状态对应一个结果函数。

1.2.3 结构响应分析

结构响应分析分为城市区域尺度和重点建筑尺度。在城市区域尺度，采用城市抗震弹塑性分析方法[12]对建筑物进行震害分析。对于多层框架结构、砌体结构等具有剪切变形模式的建筑，采用多自由度(MDOF)集中质量剪切模型；对于框架-剪力墙和剪力墙等具有弯曲变形模式的高层建筑，采用MDOF 集中质量弯剪耦合模型。MDOF集中质量层模型具有以下特点：1) 计算效率较高；2) 能够输出各个楼层的地震响应，便于进行地震损失分析；3) 能充分利用城市GIS 数据提供的建筑宏观描述性数据(建筑外形，建设年代，场地类别，结构类型)并结合设计规范，自动确定模型合理的弹塑性参数。在重点建筑尺度，则使用有限元软件对建筑物进行精细化的动力弹塑性时程分析。上述分析可以得到关键的EDP，包括各层的峰值楼面加速度(PFA)、层间位移角(IDR)、以及残余位移角等。

1.2.4 建筑韧性评估

韧性评价环节主要采用蒙特卡洛方法计算韧性评价指标，即对每个随机变量，根据其分布随机确定其取值进行计算，得到一个损失结果，一次这样的计算称为一次“实现”。对于每次实现，遍历建筑的每个性能组，根据对应的EDP、易损性曲线和结果函数，随机确定其损失，最后加总得到建筑的总修复费用。通过执行大量的实现，就能模拟各个随机变量的不确定性，得到大量修复费用、修复时间等韧性评价指标的样本。最后假定韧性评价指标服从对数正态分布，根据样本对总体的统计参数进行估计，拟合得到指标的分布，并根据规范使用具有84%保证率的拟合值作为建筑韧性评价的依据。

修复费用、修复时间和人员伤亡均根据《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591−2020)[11]计算。1) 修复费用：综合考虑构件修复、拆除和置换产生的各项费用，包含采购、运输和劳务成本等。建筑修复费用为建筑所包含的处于各个损伤状态的各类构件修复费用的总和；2) 修复时间：计入所有震损构件完成建筑功能性恢复所需的名义修复时间，不计入震损评估、方案制定等开工前准备工作耗时。计算修复时间时考虑建筑主要修复工作的层内先后次序，不同楼层的修复工作可以同时展开。楼层名义修复时间根据不同修复工作内容的单位面积或单位震损构件的工人数量需求计算；3) 人员伤亡：根据不同功能建筑的人员密度以及不同破坏状态的人员伤亡比例计算。

1.3 交通系统韧性评估

1.3.1 交通系统韧性评估流程

交通系统应当在震后保持一定的功能水平，为人员疏散、伤员就医、救灾人员及物资转运等抗震救灾行动提供基础，并尽快恢复以满足居民的日常工作生活需求。对应以上功能，交通系统的地震韧性指标包括：避难场所可达性、医疗机构可达性以及其他设施可达性。

交通系统的韧性评估分为日常交通情况模拟和震后交通情况模拟两个阶段。对于日常交通情况，首先需要根据路网、人口、基础设施等信息建立交通模型，并在模型基础上进行分析，获得正常状况下节点之间的最短距离分布情况，作为后续震后交通分析的依据。

对于震后交通情况，采用蒙特卡洛模拟的方法，通过多次随机试验的方法获得各指标的近似分布，主要流程如图4 所示。

图4 交通系统抗震韧性蒙特卡洛分析流程图Fig.4 Earthquake resilience evaluation workflow of a transportation system using Monte Carlo analysis

1.3.2 城市道路震后通行概率计算方法

地震灾害下，路网内各条道路的通行情况直接决定着交通系统在震后是否可以满足应急救灾工作产生的交通需求。导致城市道路在地震作用下无法通行的原因主要有两类：1) 由于临街建筑物破坏、倒塌产生的瓦砾堆积导致的道路阻塞；2) 由于桥梁损坏导致的道路中断。

针对前者，采用杜鹏[13]提出的修正的道路阻塞概率模型进行分析。模型首先根据建筑倒塌或严重破坏的概率和建筑立面面积计算瓦砾阻塞密度，然后按式(1)计算道路通行概率：

式中：Q表示路段的瓦砾阻塞密度；Qc为临界瓦砾阻塞密度，根据经验可取为0.25[14]；Pw为道路的通行概率。地震强度越大，建筑物破坏概率越大，道路通行概率越低。

针对后者，桥梁达到各类破坏状态的概率可用桥梁结构的易损性曲线[15]表示。桥梁破坏状态会影响道路的通行能力，本文假设当桥梁的震后状态不超过中度破坏时，在短时间内桥梁可以通行；当破坏状态达到严重破坏或毁坏时，桥梁停止使用，道路因此中断。基于以上假设，在特定地震强度下，桥梁的通行概率Pq即为桥梁的破坏等级低于严重破坏的概率。地震强度越大，桥梁破坏程度越严重，道路中断的可能越大。

从道路结构的角度来讲，路段可分为包含桥梁的路段和不包含桥梁的路段两种。路段通行概率Pl则需考虑瓦砾阻塞(Pw)和桥梁破坏(Pq)两个因素的影响，如式(2)所示：

1.3.3 交通系统修复速度确定

由于地震之后道路的具体破坏情况具有较大的随机性，且对中断的道路、桥梁所采取的具体修复方式多种多样，因此很难准确估计震后各交通元件的恢复时间[16]，目前也很少有定量的关于城市道路、桥梁的修复速度的研究。本文假设交通系统在震后修复的首要目标是尽快抢通所有中断道路、桥梁，恢复交通功能，对任意一条道路、桥梁须被全部抢通后方可投入使用。具体计算修复速度时，可参考社区范围内挖机清运、临时桥梁搭设等道路、桥梁抢通措施的经验数据。

1.3.4 基于最短路径的节点可达性评价方法

图论方法是一种非常有效的研究交通系统震后通行能力的方法。通过将路网中的交通节点简化为节点集，将道路简化为边集，将道路通行距离作为边集的权重，即可将城市路网简化为赋权图。目前最常见的描述交通系统连通程度的指标是节点之间的连通可靠度，即两个节点之间存在一条通路的概率。但是对例如应急避难、伤员就医等震后产生的应急交通需求而言，不仅要求节点之间存在连通的道路，还关注节点之间道路的便捷程度。因此本文在连通可靠度的基础上提出了距离接受度的概念，通过计算节点之间存在满足距离要求的通路的概率来描述节点之间的可达性。距离接受度τaccept定义为：可接受的到达特定地点最短距离相比正常最短距离的倍数。当破损的路网中两节点之间的最短距离大于原最短距离的τaccept倍时，即认为这两个节点之间不存在足够便捷的通路，是不可达的。考虑到研究对象社区内青年人比例较大，τaccept的取值可以相对提高，本文取τaccept=1.5。

针对具体的交通需求，需要对基于可达性的指标进行定义。以任意交通节点为起点的交通需求可以分为两大类：1) 第一大类包括应急避难需求和就医需求，此类交通需求的目标节点不固定，只需到达满足条件的节点之一即可满足需求，指标即为可达概率；2) 第二类交通需求为目的地具有特殊性的交通需求，例如前往工作场所的交通需求，需要考虑从节点到所有工作场所的可达性情况来判断交通需求的满足情况，此时指标为可达的工作场所占所有工作场所的比例。

在考虑各类交通需求的基础上，进一步可以将节点指标以节点出行人数为权重进行加权平均，即可得到该类功能性设施的整体可达性指标。

将城市路网抽象为赋权图后，可以利用Dijkstra 算法对任意两节点之间的最短路程长度进行求解。

1.4 生命线系统韧性评估

1.4.1 生命线系统韧性评估流程

本研究重点评估了供电、通信、供水、排水及供暖等五类子系统构成的生命线系统的韧性水平，具体的评估流程如图5 所示。

图5 生命线系统抗震韧性评估流程图Fig.5 Earthquake resilience evaluation workflow of a lifeline system

生命线系统韧性是指生命线系统能够消化并吸收外界干扰，并保持原有主要特征、结构和关键功能的能力[17−18]。因此，可以通过刻画生命线系统主要特征、结构或者功能在灾害前后的变化趋势来确定生命线系统的韧性水平。由于生命线子系统多样且各子系统本身特点差异明显，所以功能的内涵与具体的度量方式也存在巨大差异。本研究涵盖以下五类生命线子系统，并通过以下方式对其各自的功能水平进行测度：

1) 供电子系统：考察供电网络在灾害作用下结构的完整性，即供电网络在地震作用下节点的存活率[19]。

2) 通信子系统：负责传递信息，使得信源和信宿之间保持通畅。通信子系统的功能可以用信道数来表示，该指标主要取决于信源和信宿之间的路径数量[20]。

3) 供水子系统：负责提供水质合格且压力稳定的水资源[21]。供水系统的功能发挥水平可以通过供水满足率来衡量。

4) 排水子系统：负责污水排放(排雨水功能此处暂不考虑)。排水子系统的功能发挥水平可以通过排污任务的完成率来衡量。

5) 供暖子系统：负责提供温度适宜压力稳定的热水流[22]。用供暖子系统流量满足程度来度量供暖子系统的功能发挥水平。

1.4.2 系统失效及恢复过程分析

生命线系统因为子系统间关联性的存在，单一子系统的局部失效可能会造成整个生命线系统的崩溃，即生命线系统的失效存在级联特征。基于系统间的关联关系以及每个子系统失效过程，可以确定由五类系统组成的整个生命线系统的破坏过程如图6 所示。

五个系统的恢复顺序为“供电子系统—供水子系统/排水子系统/通信子系统—供暖子系统”。在时间维度上，五个系统的恢复顺序如图7 所示。

图6 生命线系统组件失效计算流程图Fig.6 Simulation workflow of component failures in lifeline systems

图7 生命线系统恢复流程图Fig.7 Recovery workflow of lifeline systems

每类子系统的恢复策略存在差异。本研究假设在有限的恢复资源下以节点流量或管道流量最大化或者对建筑功能恢复提升的贡献最大化为准则来确定恢复排序。具体的恢复流程如图8所示。

1.5 非实体系统韧性评估

1.5.1 非实体系统韧性评估流程

非实体系统韧性评价需要考虑的最重要因素是人员伤亡及其恢复，本研究选取社区成员和医疗机构作为非实体系统的典型代表进行韧性评价，流程如图9 所示。

图8 单一生命线系统恢复任务计算流程图Fig.8 Simulation workflow of the recovery process of lifeline subsystems

图9 非实体系统抗震韧性评估流程图Fig.9 Earthquake resilience evaluationworkflow of non-physical systems

1.5.2 社区成员韧性评估

“人员伤亡”的估计主要依赖于“建筑损坏”的分析结果。研究根据HAZUS MR4[23]的建筑损坏标准估计社区内所有建筑的损坏程度，统计每个建筑内人数，再依据HAZUS MR4[23]给出的建筑损坏与该建筑相关人员伤亡比例的对应矩阵，估算出各个建筑内和周围不同严重程度的伤亡人数。

在一天中的不同时间，不同功能的建筑室内及周边室外人数会周期性变化。考虑到研究对象社区特点，研究选择住宅人数最多的2:00 AM 作为分析的时间点。该时点的“应住人数”和室内外人数比例根据FEMA[23]的经验规律估算。

根据社区成员的功能定义，选取震后死亡率作为社区成员的地震韧性评价指标。

1.5.3 医疗系统韧性评估

医疗系统的功能是为人们提供全面的医疗服务，为量化评价其功能，将地震后医疗系统的功能定义为能获得医疗服务的人数与应该获得医疗服务的人数之比，如式(3)所示：

式中：t为天数；Nia(t)为第t天患疾病i医疗服务的人数；Nir(t)为第t天需要获得医疗服务的患疾病i的人数；βi为不同疾病患病人数的比例。

基于文献调研、实地调研和专家访谈，梳理医疗系统主要功能并确定相应量化指标。然后基于“三度空间”的理论框架，通过文献调研、实地调研和专家访谈，梳理出影响医疗系统功能的实体要素、社会要素与信息要素，形成影响要素清单。本研究将基于上述要素和影响关系，利用AnyLogic 仿真平台，首先建立单体医院功能的系统动力学仿真模型；进一步地，考虑医院之间的病人流、物资流等交互关系，建立系统动力学仿真模型，如图10 所示。

2 典型社区应用示范

为了充分验证社区地震安全韧性评估理论方法的可行性和合理性，并为社区地震安全韧性评估的推广工作提供参考，研究以一个典型社区为分析对象，开展了案例研究。本节对该社区地震安全韧性评估结果进行介绍。

2.1 建成环境

该社区位于北京市海淀区，地区面积约4 km2，户籍人口近5 万人，流动人口约4000 人，是北京市内较为典型的、内部功能较为齐全的社区。识别得到其社会机构包括：1) 家庭：宿舍、居民区等；2) 政府管理机构：街道、居委会等；3) 医疗卫生机构：社区医院及相关配套设施；4) 学校：办公楼、教室、实验室等场所及相关设施；5) 媒体机构：新闻中心，网络信息化服务中心等；6) 公益机构：志愿服务队等；7) 文化服务机构：图书馆、博物馆和名人故居等设施及场所；8) 经济机构：企业和零售部门。各类社会机构在该社区中的分布如图11 所示。

研究根据层次分析法原理，首先确定社区建成环境韧性问题的层次结构。其总目标是功能满足社区成员需求，社区成员的需求可以由上述8 类社会机构直接满足。社会机构功能大小依赖于支撑其运行的基础设施功能水平。建立层次模型如图12 所示。

基于上述层次模型，设计AHP 调研问卷。向专业人员、街道办居民科工作人员、社区医院安全保障部门人员和学生等发放调研问卷93 份，回收问卷82 份，其中行业专家问卷60 份。对每份专家问卷的每个判断矩阵分别计算特征向量和一致性系数，剔除一致性检验不合格的特征向量后求平均值并归一化，得到各指标权重系数，如表1所示。

图10 AnyLogic 系统动力学模型Fig.10 System dynamics model in AnyLogic

图11 社区机构分布图Fig.11 Distribution of social institutions in the community

2.2 建筑系统

本研究根据社区所在地设防烈度、建筑场地类别和设计地震分组确定了目标规范反应谱，利用美国太平洋地震工程研究中心(PEER)提供的地震动数据库NGA-West2[24]选出了符合目标反应谱的11 条水平地震动记录。

图12 典型社区系统层次模型Fig.12 System hierarchical model of the community

表1 每个社会机构中各基础设施权重Table 1 Weight of different infrastructures in each social institution

在城市区域尺度，将分别调幅至0.20g、0.30g、0.40g三个地面峰值加速度(PGA)水准的11 条地震动输入该社区619 栋建筑的区域建筑群震害分析模型进行动力弹塑性时程分析，得到每栋建筑的损伤状态如图13 所示。随着PGA 的增大，严重破坏和毁坏的建筑比例随之增加。在罕遇地震水平下，大部分建筑都至少达到中等破坏水平。

图13 不同PGA 水准下各地震动工况的社区建筑破坏状态比例Fig.13 Damage states proportion of the buildings under different ground motions at different PGA levels

三个PGA 水准下，社区建筑的总损失比如图14所示，图中柱状图表示修复费用中位值，黑色线段表示保证率分别为84%和16%的上下分位值范围。随着PGA 的增大，修复费用中位值增大，且离散性明显增加。进一步考察多层框架、高层建筑、未设防砌体和设防砌体四种结构类型建筑的损失情况，如图15 所示。未设防砌体损失情况相比其余三种结构类型建筑显著严重。建筑修复时间中位值分布如图16 所示。随着PGA 的增大，震损建筑需要更多的修复时间。该结果可为区域建筑群的修复时间分布和估计提供参考，实际修复时间还应考虑投入修复的人力、物力等的约束。

该社区整体名义人员伤亡率中位值如表2 所示。结果可为区域建筑群的名义人员伤亡率分布估计和相关的加固改造规划、救援资源配置等提供参考。

《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591−2020)建议了建筑修复费用、修复时间和人员损失的评级指标，并取三项评价指标的最低等级作为建筑的抗震韧性等级。基于层次分析法可以得到不同功能建筑的重要性系数，加权计算可得社区抗震韧性等级为0.255。可见社区抗震韧性水平有待进一步提升。

图14 不同PGA 水准下社区建筑的总损失比Fig.14 Total loss ratio of the buildings under different PGA levels

图15 不同PGA 水准下社区各结构类型建筑的损失比Fig.15 Loss ratio of the buildings with different structural types at different PGA levels

图16 不同PGA 水准下社区建筑的名义修复时间中位值分布Fig.16 Median value distribution of nominal repair time of the buildings at different PGA levels

表2 社区整体名义人员伤亡率中位值Table 2 Median value of total casualty rate of the community

在重点建筑尺度，本研究对社区内某办公楼、某教学楼和某图书馆的精细有限元模型进行了分析，并基于有限元分析结果进行了精细化抗震韧性评价。以图书馆为例，评价结果如表3 所示，其抗震韧性等级为0。图书馆建筑内有大量书架，在地震下易倾倒，故修复费用较大。

表3 图书馆抗震韧性评价结果Table 3 Earthquake resilience evaluation results of the library

2.3 交通系统

本研究在实地调查的基础上，完成了该社区交通网络的建模，构建了包含96 个主要交通节点、141 条道路的路网模型，如图17 所示。路网中共有10 座桥梁，以圆点标出。

对社区内现有桥梁的抗震安全性能进行了调研，典型桥的地震易损性曲线如图18 所示。由于桥梁类型相同，建造于相近年代，因此本研究将该易损性曲线用于所有10 座桥的破坏状态评估。

对该社区的人口构成和地理分布进行了调研，包括社区内所有11 个小区的人口组成情况，以及8 个学生宿舍区的人口组成。这些人员组成将用于形成不同位置、不同规模的交通需求。

图17 社区路网模型Fig.17 Road network model of the community

图18 桥梁抗震易损性曲线Fig.18 Earthquake fragility curve of bridges

分析得到在不同地震强度下，以路网中各个节点为起点的应急避难场所和医疗机构可达性指标的变化情况，如图19 所示。随着地震强度的增加，除直接连接避难场所的节点和社区医院所在节点之外，其余节点的可达性指标均有所下降。其中，70 号以后的节点下降幅度更加明显，主要是因为其多位于社区南部，建筑多为年代久远的砌体居民楼，且道路相对狭窄，因此在地震之后发生道路阻塞的可能性较高，到达避难场所的最优路线容易受到影响。此外，与正常情况对比可以看出，随着地震强度的增加，到达应急避难场所和医疗机构的最短距离有明显的升高趋势，图20展示了0.40g水准下医疗机构的结果。

图19 各节点的可达性指标Fig.19 Accessibility index of each node

将每次模拟中的节点指标以节点出行人数加权平均即可得到系统可达性指标。结果表明，在相同地震强度下各类交通功能的整体指标相差不大。当PGA 为0.20g和0.30g时：道路破坏数量不多，整体指标的下降不明显；而当PGA 增大到0.40g时，各类整体指标均发生显著的下降。

分析也得到了不同地震强度下各交通功能完全恢复所需的平均时间。其中，灾后医疗机构的交通需求修复速度最快，其余各功能修复时间相对接近。在0.20g水准下，各类交通功能完全恢复的平均时间大致在2 d 之内；在0.30g水准下，平均恢复时间增加到5 d 左右；在0.40g水准下，平均的恢复时间增加到了11 d 左右。

2.4 生命线系统

图20 到达医疗机构的最短距离分布图Fig.20 Distribution of the shortest distance to the medical institution

对五类子系统构成的生命线系统进行失效过程模拟，针对不同的PGA 输入，计算得到每类子系统不能发挥功能的失效节点以及失效边的比例。结果表明，在PGA 为0.20g时，各类子系统均能总体上保持正常运行。节点损失比例最多的是供暖子系统。这主要因为社区换热站的建设年代较早，且供暖子系统功能发挥需要供电子系统和供水子系统的共同支撑，二者有一个发生故障，供暖子系统的节点极可能失效。随着PGA 的增加，最先瘫痪的是供暖子系统，随后供电子系统和供水子系统同时在0.40g水准下失效。进一步分析可知，社区的供暖子系统和供电子系统均是单一源头系统，其中供电子系统只有一个接口和北京市电网合并，供暖子系统则只有一个锅炉房作为热源。单源系统如果源头发生破坏，整个系统将会发生崩溃。从系统层面来说，单源子系统的灾害承受能力较差，对其他子系统有强依赖的子系统灾害承受能力也较差。

通过比较生命线系统地震灾害破坏位置的分布可以发现，在各地震水准下，社区西南角均是比较薄弱的区域。

关于生命线系统的震后恢复，下面以供水子系统在0.30g下的恢复为例进行说明。供水系统在0.30g水准下损坏了6 个节点和29 条管道。通过供水管道流量参数可以算出每条毁坏的管道的流量。由于供水管道流量参数中包含了管道的起点和终点，即已知了供水网络的可达矩阵，基于此可以构建流量矩阵，对流量矩阵的行或列求和(水源节点应该用行求和，非水源节点用列求和)即可得到每个节点的流量。进而根据工程经验和专家访谈估计每个待修复节点和管道所需要的修复时间。供水子系统的恢复资源为5 个作业队伍，按照正常施工，每次有5 个队伍对供水子系统进行恢复，一共进行7 次作业能将整个供水子系统完全恢复到原来的功能水平(即达到正常的供水能力)。最终得到供水系统的修复时间为18 d。

根据上述分析，可以刻画出每类社会机构对生命线系统的需求逐步重新得到满足的过程。同样以供水子系统0.30g水准为例，该过程如图21所示，相应的每类机构生命线系统需求满足最低程度以及恢复时间统计如表4 所示。其他生命线子系统和其他地震水准的结果同理可得。

图21 各社会机构在供水子系统需求恢复过程中的需求满足程度(0.30 g)Fig.21 Satisfaction degree of water supplies demand by each social institution during the recovery process (0.30 g)

2.5 非实体系统

根据系统动力学模型所需参数，对社区医院相关资料进行调研。对于不能获取或者不存在的参数，采用合理假设数据。分析得到不同地震强度下的医疗系统功能演化过程如图22 所示。计算得到的韧性分值如表5 所示。随着地震动强度增加，医疗机构韧性水平下降，其功能满足社区成员医疗需求的水平下降。

2.6 整体评估

2.6.1 建成环境韧性综合得分

以上计算得到了各个建成环境系统的功能下降和恢复时间，由此可得各系统的指标分值，再乘上权重即可以得到不同地震动强度下的建成环境韧性综合分值，如表6 所示。随着地震加速度峰值增加，社区建成环境韧性水平下降，其功能满足社区成员需求的程度下降。

表4 供水子系统恢复中各社会机构需求满足的最短时间(0.30 g)Table 4 Minimum recovery time for water supplies demand by each social institution during the recovery process (0.30 g)

图22 医疗系统功能演化Fig.22 Function evolution of the medical system

表5 不同PGA 水准下社区医疗系统韧性分值Table 5 Resilience score of the medical system in the community at different PGA levels

表6 不同PGA 水准下建成环境韧性综合得分Table 6 Comprehensive resilience score of the built environment at different PGA levels

2.6.2 建成环境系统韧性分值

对每个建成环境系统内的权重进行归一化，乘上指标分值可以得到系统韧性分值，如图23 所示。其中，交通系统韧性值一直较高，表明满足需求的能力较其他系统高；建筑系统韧性值始终在4～7 分之间，表明其韧性水平不足，但在不同地震强度下满足需求的能力较为稳定。生命线系统在地震强度较小时韧性值高，地震强度高时韧性值很低，说明其满足需求的能力与地震强度密切相关。

2.6.3 社会机构中不同建成环境系统韧性分值

对每一类社会机构中各个建成环境系统的韧性进行比较，可以让每一类社会机构决策者直观了解该机构内的薄弱环节。以0.30g水准下的家庭为例，如图24 所示。结果表明，不同社会机构中各类建成环境系统薄弱环节并不相同。政府和媒体机构的建筑韧性相对较低，主要是相关机构的办公场所年代较久，医疗和家庭机构的建筑韧性有待提高；大部分社会机构的供水、供暖系统韧性相对交通系统、电力系统和通信系统较低，因此需进一步加强供水、供暖系统的抗震韧性。

图23 建成环境各系统韧性分值对比Fig.23 Resilience score comparison of different systems in the built environment

图24 家庭机构内各建成系统韧性分值对比(0.30 g)Fig.24 Resilience score comparison of different built systems in family institution (0.30 g)

3 韧性提升措施讨论

根据上节的典型社区地震安全韧性评估结果，本研究主要针对建筑系统初步提出了若干韧性提升措施，并对其效果进行了简单讨论。

3.1 城市尺度措施：加固非设防砌体

由分析结果可知，社区内存在较多老旧的未设防砌体结构，其在地震作用下容易遭受较为严重的破坏，不仅严重影响修复费用和时间成本，还会对人员安全构成威胁，故韧性水平较低。针对已统计的未设防砌体结构，建议进行抗震加固以提升抗震韧性。

为初步评估加固可能的效益，本文假定加固后的未设防砌体结构达到最新抗震设计规范要求，对社区建筑系统韧性进行了评价。结果如图25、图26 和表7 所示。

可见，加固后的未设防砌体结构的修复费用显著降低，且较大程度上减小了人员伤亡率，修复时间也有所降低。从抗震韧性等级来看，加固前社区抗震韧性等级为0.255，加固后区域抗震韧性等级为0.425。区域抗震韧性等级有一定提升，但依然处于较低水平。加固后社区抗震韧性等级主要由修复时间控制，如何降低建筑修复时间以充分提高建筑抗震韧性仍需进一步研究。

图25 不同PGA 水准下社区各结构类型建筑的损失比(加固后)Fig.25 Loss ratio of the buildings with different structural types at different PGA levels (after retrofit)

3.2 单体建筑措施：社区医院隔震加固

根据问卷调研，医疗机构对于社区的地震安全韧性有着至关重要的作用。该社区的唯一医疗机构为一所社区医院，考虑到医院的特殊功能，建议对医院进行隔震加固以提高其韧性水平。经计算，确定支座直径为600 mm，采用12 个天然橡胶支座(LNR)和18 个铅芯橡胶支座(LRB)，具体过程与参数不再详述。

图26 不同PGA 水准下社区建筑的名义修复时间中位值分布(加固后)Fig.26 Median value distribution of nominal repair time of the buildings at different PGA levels (after retrofit)

表7 社区整体名义人员伤亡率中位值加固前后对比Table 7 Median value of total casualty rate of the community(before and after retrofit)

依据《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591−2020)，对隔震前后的医院进行抗震韧性水平对比，对比结果如表8 所示。隔震后，医院的修复费用、修复时间以及人员伤亡率显著降低，抗震韧性等级从0 级提升至1 级。可见，隔震措施能有效改善社区医院的抗震韧性水平。

表8 隔震前后社区医院抗震韧性等级对比Table 8 Earthquake resilience level of the hospital (before and after the seismic base isolation)

4 结论

本文的第一部分简要描述了地震安全韧性评估理论方法；第二部分介绍了一个典型社区韧性评估的结果，主要成果包括：

(1)提出了可操作的社区韧性定量评价方法，该方法包括整体的社区韧性评估体系和建筑、交通、生命线、非实体四个系统的韧性评估流程。该方法梳理了社区的组成结构和各个系统的韧性指标，根据系统的功能下降和恢复时间计算韧性水平，可以给出各个系统以及整个社区的韧性得分情况。

(2)以一个典型社区为分析对象，开展了地震安全韧性评估。结果表明，社区整体韧性水平仍有提升空间。其中，交通系统满足需求的能力较其他系统高；建筑系统韧性水平不足，但在不同地震强度下满足需求的能力较为稳定；生命线系统在地震强度较小时韧性较高，地震强度高时韧性降低，满足需求的能力与地震强度密切相关。

(3)基于上述结果，重点针对建筑系统提出了若干韧性提升措施并进行了讨论。

在上述成果基础上，本研究还开发了韧性评估系统应用示范软件平台，初步实现了包含多个子系统的典型社区地震安全韧性评估，成果可以作为示范为未来北京市范围内的推广应用提供参考。