建筑抗震韧性的概念和评价方法及工程应用

引用文献:

李雪 余红霞 刘鹏 . 建筑抗震韧性的概念和评价方法及工程应用[J]. 建筑结构,2018,48(18):1-7 .

Li Xue Yu Hongxia Liu Peng. Resilience-based seismic performance concept, assessment methodology and engineering application[J]. Building Structure,2018,48(18):1-7 .

作者:李雪 余红霞 刘鹏
单位:奥雅纳工程顾问
摘要:从城市韧性和建筑抗震韧性两个层面对韧性的概念进行了介绍, 通过对基于规范的抗震设计、基于性能的抗震设计和基于韧性的抗震设计这三种抗震设计方法进行的比较分析, 阐述了传统设计方法的局限性和基于韧性的抗震设计方法的优越性。最后, 介绍了奥雅纳公司主导开发的建筑抗震韧性评价体系REDiTM以及其在美国旧金山市的实际工程项目中的应用情况。
关键词:基于韧性的抗震设计 抗震性能评价 REDiTM 工程应用
作者简介:余红霞,博士,工程师,Email:Vala.Yu@arup.com。
基金:

1 韧性的概念

   韧性 (Resilience) , 又称可恢复性, 是20世纪70年代在生态学领域出现的一个术语, 用以描述系统在受到干扰后维持或恢复功能的能力。韧性的概念可以用于不同的层次和不同的时间维度。在城市和建筑领域, 韧性逐渐被用于量度和评判建筑物在重大自然灾害 (如地震) 后的功能恢复能力。由于地震影响的范围不会限于一个单体建筑, 韧性的概念也延伸到城市的基础设施在突发事件之后城市功能恢复正常运作的能力。因此, 本节从城市和单体建筑两个层面讨论韧性的概念。

1.1 城市韧性

   韧性的概念应用于城市时, 是指城市系统不断地适应环境的变化, 保持其支持人类的生存和各类生产生活的能力。当长期压力或突如其来的冲击可能会造成城市的物质系统或社会系统的大范围破坏或崩溃时, 就可以采用韧性城市的概念来描述。这种冲击或压力可能是自然灾害, 如地震、台风、海啸等, 也有可能是社会问题或政治安全问题或经济问题等。

   奥雅纳工程顾问在洛克菲勒基金会的支持下, 于2015年开展了城市韧性指标的研究, 建立了一套含4个维度、12个目标、52个指标的城市韧性指数评估体系[1]。4个维度为健康与愉悦 (Health and Well-being) 、经济与社会 (Economy and Society) 、基础设施与环境 (Infrastructure and Environment) 和领导与策略 (Leadership and Strategy) 。健康与愉悦维度是针对“人”的, 保证在城市生活和工作的每个人的健康和幸福, 评估城市在多大程度上能够满足人们的基本需求 (食物、水和住所) 。经济与社会维度是针对“组织”的, 反映社会和经济体系如何通过强制性法律和财政管理使城市人口能够和平生活并具有群体意识, 还考虑城市是否具有集体认同和相互支持的环境。基础设施与环境维度是针对“物理”环境的, 要求城市具有完善的基础设施建设及生态环境, 保证基础设施在灾害发生时具备持续运转的能力。领导与策略维度是针对“知识”的, 要求城市具备高效的领导及管理系统。

   这4个维度中, 表面看, 只有基础设施与环境是与建筑抗震韧性相关的, 但事实上, 当今社会变得越来越复杂, 各个社会系统之间相互关联和相互制约。2010年2月27日的智利地震事件是一个典型的案例, 智利康赛普西翁大都会地区发生的8.8级地震, 采用智利抗震规范[2]设计的建筑受到了中等程度的损害, 人员伤亡也有限, 看似达到了智利抗震规范[2]要求的目的。但是地震造成电力、供水和污水管网发生中断, 交通运输处于停滞状态。更出乎意料的是通信网络几乎完全崩溃, 包括互联网、电话和广播。各部门无法相互沟通, 人们无法从圣地亚哥的灾害管理机构获得帮助, 政府部门也无法向公众通报所发生的事情;关于粮食短缺、抢劫和纵火的报道导致民众的不安全感和恐慌, 这种恐慌升级为广泛的抢劫和焦虑。康赛普西翁大都会地区震后失控的状况反映出相比于重建基础设施, 城市从灾难带来的社会和人文问题中恢复过来, 需要更长的时间。事实上, 这也是韧性与风险评估的区别。风险评估仅仅评估风险发生的可能性以及可能产生的后果, 风险评估中一般认为, 一旦某个灾害发生的概率足够小或可能产生的后果不太严重, 则可以接受。不考虑灾害后的后续处理措施。另外, 在风险评估中一般分体系, 比如地震、火灾、飓风等进行单独评估, 不考虑各系统之间的相互作用。因此, 风险评估远远不足以应付当今社会复杂的需求。这也是为什么近些年韧性的概念逐渐变得越来越普遍。

1.2 建筑抗震韧性

   在现代都市, 部分公共建筑早已超越了最初的为人类提供庇护所的功能, 成为重要的社会支持系统, 比如医院, 能源、交通、通信系统的控制中心, 大型的金融数据中心等, 其破坏或功能中断都有可能导致大规模的社会组织的崩溃。对于这样的公共建筑, 仅仅按照设计规范的要求控制其在地震下的人员伤亡和建筑结构破坏程度是不够的。对于具有重要的文化、群体意识和象征意义的建筑也应对其地震后的影响和后续恢复措施进行考虑。而对于次重要的建筑, 如果已经决定了在某个级别的地震后将其推倒重建, 那么在保证人员安全的前提下, 过度控制结构破坏也很可能是毫无意义的。将所有的这些因素纳入设计中考虑, 就是韧性设计。

   在2011年新西兰基督城 (Christchurch) 地震中, 由于大量建筑严重破坏, 没有修复的价值, 导致整个基督城中央商务区 (CBD) 有70%的建筑必须拆除重建。基督城较高的51栋建筑, 虽然无一倒塌, 但是其中37栋在震后也被迫拆除。住宅建筑中, 超过100 000个住房破坏, 10 000个住房需要拆除, 2013年4月新西兰政府估计的重建总费用将达到400亿美元。这个示例充分说明考虑地震后重建的需求而对不同的建筑设置不同的韧性等级的重要性。

2 抗震设计方法的比较分析

   第1节提到了在抗震中考虑韧性的重要性。本节对目前抗震的几种设计方法和理念进行介绍, 并着重说明韧性设计在具体的设计目的和设计方法中与常规的抗震设计的区别。

2.1 基于规范的抗震设计

   我国《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) [3]采用“三水准”抗震设防目标, 即“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”。对于“小震不坏”, 主要通过控制结构构件的承载力和变形来实现, 但对于非结构构件并未给出相应的设计规定。而在地震作用下, 较大的楼面加速度会造成非结构构件的破坏。非结构构件的破坏可能会造成建筑的使用功能中断, 需要耗费较大的修复费用和时间来恢复建筑的使用功能。吊顶、玻璃幕墙、橱柜、壁挂式和悬吊式设备等非结构构件发生破坏或倒塌掉落时甚至可致人员伤亡。因此对于非结构构件设防目标的确定, 需要综合考虑非结构构件破坏可能造成的经济损失、建筑功能中断时间和人员伤亡等指标。对于“中震可修”, 仅表示对建筑结构的修复在技术上是可以实现的, 但并不代表是经济可行的, 尚需对修复成本和修复时间进行评估。若修复成本过高, 甚至高过推倒重建的成本, 则从经济角度无法实现“可修”的设防目标。若修复时间过长, 建筑物长时间无法恢复使用, 居民的安置问题将难以解决。对于“大震不倒”, 是为了保证罕遇地震下建筑不发生倒塌, 保证人员的生命安全, 但由于未考虑非结构构件的破坏以及建筑功能的中断, 对公众生命安全和正常生活起关键作用的设备设施可能会发生破坏, 医院、应急部门可能无法发挥作用, 且非结构构件破坏可能引发坠物等次生灾害。

   我国《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB50223—2008) [4]中划分了4个抗震设防类别:特殊设防类 (甲类) 、重点设防类 (乙类) 、标准设防类 (丙类) 和适度设防类 (丁类) 。同时要求对建筑抗震设防类别的划分应综合考虑建筑破坏可能会造成的直接和间接经济损失、人员伤亡、社会影响以及建筑功能中断对全局抗震救灾和恢复难度的影响等因素。例如, 涉及国家公共安全和震后可能会遭受严重次生灾害的建筑, 需按甲类进行设防;不能发生使用功能中断或中断后需尽快恢复的建筑, 需按乙类进行设防。由此可见, 我国《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB 50223—2008) [4]对建筑在震后的经济损失、使用功能中断时间以及次生灾害影响都纳入了考虑范围。但对于上述指标的评估方法尚需进一步研究, 如定量地给出各类设防类别所应满足的经济损失和建筑功能中断时间等指标的具体要求。

2.2 基于性能的抗震设计

   基于性能的抗震设计理论是20世纪90年代初由美国学者最早提出的, 其核心内容包括性能目标的选择、地震风险水平的确定以及对建筑结构的性能评估。基于性能的抗震设计方法使业主或者设计者能够更清晰地了解建筑结构在给定地震风险水平下是否能够达到预定的性能目标, 从而采取相应措施对其进行优化设计。

   美国第一代基于性能的抗震设计定义了一系列离散的性能水平, 如正常使用、立即使用、生命安全和防止倒塌。同时对结构构件和非结构构件均给出了对应于各个性能水平的破坏状态。我国《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) [3]中也给出了实现抗震性能设计目标的参考方法。针对结构构件划分了4个抗震等级, 并给出了结构构件对应不同抗震等级和地震水平所应达到的承载力和变形要求;针对非结构构件也划分了3个参考性能水准及其相应的变形要求。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [5]也提出了结构抗震性能设计方法, 划分了A, B, C, D共4个抗震性能目标等级和1, 2, 3, 4, 5共5个结构抗震性能水准, 其中结构抗震性水准按照预期的震后损坏程度、损坏部位和继续使用的可能性进行宏观判别。

   然而第一代基于性能的抗震设计存在几方面的局限性, 例如, 地震作用下的结构响应预测的准确程度存在不确定性;性能水平限值的可靠度有待考察;缺少对业主、投资人或房屋用户等利益相关者来说易于理解并据此做决策的性能指标。

   为了弥补上述局限性, 美国联邦应急管理署 (FEMA) 与美国应用技术委员会 (ATC) 于2001年开展了对新一代基于性能的抗震设计方法的研究, 即ACT-58/ACT-58-1计划, 并于2006年颁布了项目规划文件FEMA 445[6]。新一代基于性能的抗震设计方法采用修复费用、人员伤亡情况和建筑使用功能的中断时间等性能指标取代了第一代基于性能抗震设计方法中的离散性能水平。这些性能指标对于业主、投资人或房屋用户来说更易理解且更有价值, 可以更好地帮助他们进行决策。同时, 新一代基于性能的抗震设计方法给出了对可能的修复费用、人员伤亡和使用功能中断时间的估算方法以及考虑结构响应分析准确程度和地震风险水平不确定性的性能评估框架。此性能评估框架不仅可用于地震灾害下基于性能的设计, 还可应用于其他极端灾害, 如火灾、洪灾或恐怖袭击。

   作为ACT-58/ACT-58-1计划第一阶段的研究成果, FEMA P-58[7]提出了建筑性能评估方法。该性能评估方法将性能目标与建筑可能遭受的损伤及其可能造成的人员伤亡、建筑使用功能丧失、修复或重建费用等后果联系起来, 采用上述的性能指标更易于决策者理解。同时, 该评估方法合理地考虑了结构响应分析准确程度和地震风险水平的不确定性。因此, 最终得到的性能评估结果是人员伤亡、修复费用和修复时间等性能指标的概率分布。

   性能评估过程包括:根据倒塌易损性函数评估建筑物是否倒塌;根据结构地震反应分析生成地震需求参数;根据建筑残余位移角评估建筑物是否可修;根据结构构件和非结构构件的易损性函数确定构件损伤状态;根据构件损伤状态及相应的结果函数计算人员伤亡、修复费用、修复时间等性能指标。性能指标的计算过程如图1所示。

图1 性能指标计算过程

   图1 性能指标计算过程

    

   此性能评估方法虽然可以清晰地给出建筑物在地震作用下的损伤状态和相应的人员伤亡、修复费用和修复时间等性能指标的概率分布情况, 然而该性能评估方法也存在其局限性, 例如该性能评估方法仅限于评估建筑物本身的震后响应, 地震可能会造成的电力、供水和污水管网的中断、坠物次生灾害、火灾、有害物质的释放、地表断层断裂、滑坡、土壤液化、假潮和海啸等均不在此评估方法的考虑范围内。

2.3 基于韧性的抗震设计

   基于规范的性能抗震设计和第一代基于性能的抗震设计都没有考虑地震后建筑使用功能的中断。而对于一些特殊的建筑, 功能的中断可能造成的损失远远超过建筑初期的投资或引发巨大的社会影响, 比如通讯、医院等生命支持工程, , 股票交易市场等金融机构, 其业务中断可能引发巨大的经济损失。对于这些项目而言, 如何通过前期的设计降低地震对建筑的使用功能的影响值得重要考虑, 这也是对建筑进行抗震韧性设计最初的动机。新一代的基于性能的抗震设计方法中FEMA P-58[7]提出了建筑性能评估方法, 此性能评估方法对建筑的震后修复成本和时间等进行了评估, 但仍不足以被称为基于韧性的抗震设计, 因为在该评估体系中, FEMA P-58[7]假设建筑的修复是在理想条件下进行, 不存在资金、资源、行政许可等方面的限制。这在实际中显然是不可能的。而业主真正关心的是建筑物的实际修复时间和成本。在1.2节的新西兰基督城的案例中, 如果预先已经对地震后可能的修复需求和修复成本进行了评估, 则更可能的结果是对不同的建筑根据其重要性及存在的意义价值进行分类, 并采纳不同的标准, 允许部分建筑直接拆除, 对另一部分建筑则加强保护, 减小修复时间和成本, 而不是让所有的建筑都处于相似的抗震水平。

   相比于新一代基于性能的抗震设计, 由于建筑的抗震韧性指标与城市和社区密切相关, 基于韧性的抗震设计过程不仅关注建筑物在地震作用下的损伤情况及其相应的修复费用及时间, 还要考虑影响建筑物恢复使用功能的外部阻碍因素, 以及地震诱发的次生灾害对建筑物的不利影响。

3 建筑抗震韧性评价体系REDiTM

   奥雅纳工程顾问公司联合大学学者、顾问、政府工作人员在FEMA P-58[7]的基础上共同开发了对建筑抗震韧性进行评级的框架体系 (Resilience-based Earthquake Design Initiative for the Next Generation of Building, 简称REDiTM) [8]。本节对REDiTM的抗震韧性目标划分和评价方法进行介绍。

3.1 抗震韧性目标划分

   REDiTM将建筑的抗震韧性划分为3个级别, 分别是白金级、金级和银级。每个级别都评估3个指标:

   (1) 修复时间:根据对功能的需求不同分为修复至可使用的时间和修复至功能完全恢复正常的时间。之所以定义了上述两个时间是考虑了实际的需求, 在地震发生后, 很多人可能都露宿街头, 此时, 只要经鉴定建筑物是安全的, 就应该允许用户使用, 而内部功能的全部修复可以在使用期间同期进行。

   (2) 直接经济损失:是指修复所有的结构构件和非结构构件, 使建筑恢复到地震前的状态所需要的成本。

   (3) 人员的安全性:提供一定人员的安全性是所有的抗震设计的一个基本要求。

   表1列出了REDiTM评价系统的3级抗震韧性目标。金级和白金级的目标是实现立即重新使用, 快速恢复功能以及低水平的直接经济损失, 基于这两个目标设计的建筑, 与基于规范抗震性能设计的建筑相比, 其地震风险大幅度减少。银级的目标不包括立即重新使用, 但是造成的损失大幅度减少且规划措施的到位, 使功能恢复所需的时间限制在6个月内。

   表1 REDiTM韧性目标

表1 REDiTM韧性目标

3.2 抗震韧性评价方法

   在进行建筑抗震韧性评价时, 首先需要对建筑在设计水平地震作用下的损伤状态进行评估, 包括其结构构件和非结构构件。这一评估过程基本遵循了FEMA-P58[7]的架构。但是在REDiTM中还考虑了其他的因素, 比如组织韧性和环境韧性。要达到一定的级别, 在组织韧性和环境韧性方面也必须满足一定的强制性标准。

   考虑组织韧性是因为使受损建筑物恢复其使用功能的时间不仅仅是对建筑进行修复工作所需的时间。这一过程可能受到其他各种因素的影响, 比如是否需要等待相关机构对建筑的安全检测?业主是否需要对承包商进行招标?业主是否购买了保险?用于修复的资金何时可以到位?在很多情况下, 这些制约因素的影响往往超过实际的修复工作本身。在REDiTM中, 通过引入阻碍因素 (Impeding Factor) 来考虑以上因素的影响, 并且列出了以下几类提高组织韧性的方法和途径:

   (1) 制定韧性规划, 进行风险识别, 通过组织业主、工程师、建筑师等进行深入座谈, 确定韧性目标、识别风险并制定计划, 确保各方设计均有利于降低风险, 实现业主的韧性目标。座谈会讨论的内容包括但不限于:确定恢复建筑物使用功能的时间目标和经济损失目标;讨论降低地震需求和结构损伤的结构设计方法;识别对建筑功能起关键作用的机电设备、建筑构件, 并采取相关措施保护其免受破坏。

   (2) 提供电力设施、供水系统、污水处理设施、燃气管道的备用系统, 避免由于外部设施中断造成建筑物无法正常使用。

   (3) 减少阻碍因素, 缩短启动震后修复所需的时间。指定专业人员进行快速震后检查;将震后修复费用纳入预算或制定震后快速融资计划;对于采购时间较长的物资, 白金级和金级的建筑需控制其损伤仅限于美学功能的丧失, 银级的建筑允许其发生损坏甚至需要更换, 但要采取提前购买多余物资并安全保存等措施。

   (4) 评估影响商业恢复运行的因素, 包括员工回到工作岗位的可能性、公用设施的持续性和交通情况。为员工或居民储存至少可维持3d的食物和饮用水;对于医院, 需为每个床位的病人提供食物和水;为居民或员工提供地震知识培训和应急包。

   (5) 推广韧性设计, 以提高基础设施性能来降低自然灾害的影响, 鼓励建筑结构设计采用“超越规范”的韧性目标。

   环境韧性则要考虑周边环境对目标建筑的修复的影响, 比如建筑是否位于密集的城区?其周边进入场地的道路是否容易受到地震的影响?周边的其他建筑是否易于发生垮塌或坠落?建筑所在地区是否易受海啸、地基液化、滑坡或其他地震诱发灾害的影响?为了降低地震诱发的次生灾害对建筑物的不利影响, 可采取如下措施:

   (1) 根据建筑所在场地的岩土数据评估地震作用下是否会发生地基液化或其他地基破坏。如果预计会发生地基破坏, 则需在结构分析和设计中考虑地基破坏的影响。

   (2) 不允许将建筑物建造在震后易发生地基液化且沉降达到150cm以上的场地上, 除非建筑物位于农村或郊区且建筑高度低于9m。

   (3) 如果建筑坐落于滑坡区域或邻近断层断裂区域、雪崩区域或堤坝下游, 需由专业人员进行灾害评估, 并采取相应措施预防结构破坏。

   (4) 建筑物不允许修建在海啸淹没区域, 除非特定场地的海啸淹没研究表明, 该场地的淹没深度低于1m且底层楼面高度大于淹没深度, 但需采取相应措施预防结构破坏。不允许将重要设备放置于淹没深度以下位置。另外, 需制定海啸疏散计划。

   (5) 对邻近建筑的抗震性能及其对评级建筑的影响进行定性评估, 其中抗震性能评估采用FEMA P-154[9]给出的抗震能力快速观察判定方法。

   (6) 不允许在具有重大结构缺陷、易发生倒塌的建筑周边新建建筑。除非已针对该建筑制定拆除方案或加固方案或采取其他减灾措施。

   (7) 评估周边非建筑结构物发生破坏后是否会对评级建筑的韧性目标造成不利影响, 在必要时采取相应减灾措施。

   (8) 在所有的建筑中安装自动喷水灭火系统。

4 REDiTM的实际工程项目应用

   181弗里蒙特大厦 (181 Fremont) 位于旧金山市中心, 建成于2017年, 可以说是美国西海岸最具抗震韧性的高层建筑。该建筑采用基于韧性的抗震设计方法, 达到REDiTM评级系统中列出的金级评级, 在重现期为475年的地震作用后, 能够立即重新使用, 只有有限的功能中断。其性能目标超出了美国加州建筑规范CBC 2010[10]对新建高层建筑的抗震目标要求。

   为了达到金级评级要求, 要求该建筑的结构构件在重现期为475年的地震作用下基本保持弹性, 并且对非结构构件的设计采用相对于美国加州建筑规范CBC 2010[10]更严格的受力和位移限制要求。在组织韧性和环境韧性方面, 基于REDiTM评级系统, 还对业主提供了关于执行准备措施的其他建议, 以实现增强的抗震性能目标。要实现这样的高性能目标, 需要采取全面的基于韧性的抗震设计方法, 通过加强结构构件和非结构构件的设计及采用灾难应急计划, 识别可能阻碍建筑重新投入使用和恢复使用功能目标的所有威胁, 并采取相应措施降低其不利影响。因此, 设计团队在性能化抗震设计的基础上作为补充, 采用REDiTM中基于FEMA P-58[7]开发的损失评估方法来验证设计方案和规划措施的有效性, 以实现更高的性能目标。REDiTM给出的损失评估方法不仅考虑了建筑物的损伤, 还考虑到公用设施中断和其他外部阻碍因素, 比如承包商的到位时间, 修复资金和资源的到位时间等, 从而明确地估计与重新使用或恢复使用功能等具体恢复状态相关的停工时间。

   基于韧性的抗震设计的关键是控制结构的层间位移和楼面加速度, 以实现减小结构构件和非结构构件损伤的目的。为此, 应尽量将结构构件的损伤状态限制在弹性状态甚至更好的情况下。任何需要大修的结构构件损坏都可能导致建筑物在震后检测中被标为黄色 (表示进入受限制) 或红色 (表示不安全, 禁止进入) , 这将阻碍居民/租户重新使用建筑物或恢复业务运营。所有结构构件都设计成在重现期为475年的地震作用中保持弹性, 采用非线性动力时程分析以验证结构设计是否达到该性能目标。

4.1 结构构件设计

   181弗里蒙特大厦采用巨型框架-钢核心筒结构体系, 其中巨型框架由巨型柱和巨型斜撑组成, 如图2所示。为了优化该建筑在风和地震作用下的结构性能, 本项目在巨型支撑中设置了一种新型黏滞阻尼器, 形成阻尼耗能巨型支撑, 有效降低了地震需求, 有助于该建筑在475年一遇的地震中保持结构弹性。另外, 防屈曲支撑 (BRB) 也被引入到巨型支撑的传力路径中, 以保护主要、次要支撑和阻尼器免受损坏。阻尼耗能巨型支撑示意图如图3所示。

   巨型柱作为主要的抗侧力构件, 其受力性能对整体结构的抗震性能起到极为关键的作用。为了减小巨型柱在地震作用下的拉力, 按照允许巨型柱底部在最大地震作用下可拔出大约1in (约25.4mm) 对其进行设计。

4.2 非结构构件设计

   非结构构件的性能对于实现遭遇475年一遇的地震作用后建筑的重新使用和恢复使用功能的性能目标至关重要。根据REDiTM, 181弗里蒙特大厦的改进设计包括:

图2 181弗里蒙特大厦结构体系[11]

   图2 181弗里蒙特大厦结构体系[11]

    

图3 阻尼耗能巨型支撑示意图[11]

   图3 阻尼耗能巨型支撑示意图[11]   下载原图

    

   (1) 在高层建筑中, 电梯对建筑的重新使用和功能恢复起着至关重要的作用。为了确保至少有1台电梯能够在475年一遇的地震发生后发挥作用, 对每个楼层停靠的电梯中的1个电梯的导轨和支架进行升级以满足美国加州建筑规范CBC 2010[10]对医院建筑的的要求。181弗里蒙特大厦是美国第一座利用电梯作为指定的疏散路线的塔楼。

   (2) 参考2010年和2011年新西兰基督城楼梯倒塌造成的破坏性后果, 结构工程师对楼梯的设计和建造进行了改进, 相比于美国加州建筑规范CBC2010[10]的要求, 改造后的楼梯可以在最大地震 (MCE) 中承受更大的位移, 发生更小的破坏。

   (3) 为了保证玻璃幕墙在475年一遇的地震中能够保持气密性和耐候性, 对1个足尺的3层建筑模型进行试验。试验结果表明, 181弗里蒙特大楼的玻璃幕墙在1/50的层间位移角下仍可保持气密性和水密性, 而1/50的层间位移角远远超过了475年一遇的地震作用下结构的预期层间位移角。

   (4) 在非结构构件的连接件设计中, 对构件反应修正系数Rp采用了额外的限制, 以使其在475年一遇的地震中保持基本弹性。此外, 制定相关计划来确保非结构构件的安装符合图纸和规程要求。

   综上, 相对于普通的建筑, 预计本项目的加速度较小。因此, 预计机械和其他设备不会发生破坏。虽然如此, 对于关键的生命安全系统设备仍要求采用获得抗震认证的设备, 同时鼓励设计团队在可能的情况下对其他的非关键设备也采用认证设备。此外, 对于关键的系统, 还要设置紧急备用系统, 以保持建筑的基本使用功能, 比如保证电梯在地震后可运行8h。

4.3 组织韧性

   为了提高组织韧性, REDiTM中还为业主和设计团队推荐了一些地震防备和规划措施, 例如

   (1) 指定一名专业技术人员, 在地震发生后对建筑进行快速检查。相比于等待政府或相关机构指定人员进行检查, 这一措施可以帮助业主更快地确认建筑状态是否适合立即投入使用, 有助于避免延误。

   (2) 为了防止在震后停电的情况下非租户人员随意进入建筑内, 采用紧急备用安全措施, 如不仅需门禁密码还需要钥匙才能进入建筑内。

   (3) 由经过培训和认证的现场设施人员负责震后重新启动电梯, 若由外部供应商重新启动电梯可能需要花费较长时间。

   (4) 制定震后自动停止燃气供应的应急计划。

   (5) 在“业主抗震韧性指南”中纳入有关锚固重型或关键建筑构件、食物和饮用水储备等方面的建议。

5 结语

   基于韧性的抗震设计弥补了基于规范和基于性能的抗震设计方法的局限性。采用震后修复费用、修复时间和人员伤亡作为建筑的性能指标, 更易于业主、投资者和住户等利益相关者理解和进一步做决策。同时, 通过对组织韧性和环境韧性的全面考虑, 对建筑抗震韧性进行的评估更为合理和准确。奥雅纳公司主导开发建筑抗震韧性评价体系 (REDiTM) 可以对建筑的抗震韧性进行量化和评级, 已成功地应用于实际工程项目中, 这对基于韧性的抗震设计方法的进一步研究和推广具有重要的指导意义。

    

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[9] Rapid visual screening of buildings for potential seismic hazards:A handbook:FEMA P-154[S]. Washington D.C.:Federal Emergency Management Agency, 2015.
[10] California building code:CBC 2010[S]. Sacramento:California Standards Commission, 2010.
[11] IBRAHIM ALMUFTI, JASON KROLICKI, ADRIAN CROWTHER. The resilience-based design of the 181fremont[J]. Structure Magazine, 2016:42-46.
Resilience-based seismic performance concept, assessment methodology and engineering application
Li Xue Yu Hongxia Liu Peng
(ARUP)
Abstract: The concept of city resilience and building seismic resilience was introduced. Based on the comparative analysis of code-based, performance-based and resilience-based seismic design method, limitations in traditional seismic design procedures were identified. Resilience-based seismic design is considered as a more meaningful and useful seismic design, planning and assessment approach. For its implementation, ARUP created the Resilience-based Earthquake Design Initiative ( REDiTM) Rating System. The REDiTMframework and its engineering application were introduced.
Keywords: resilience-based seismic design; seismic performance assessment; REDiTM; engineering application
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