建筑物震害空间分布模拟GIS方法

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建筑物震害模拟空间复合技术
空间复合技术是把多源空间数学模型及空间数据在同一个地理坐标中进行叠加、 合并、 分解等技术操
作, 生成新的具有空间特征的专题图件或统计专题图, 从而揭示出新的认识或者新的规律。这种技术是基于 GIS 软件平台的, 利用数学模型活化或者数据同化方法才能实现。实质上 , 它是一种基于 GIS 软件平台的二 次开发技术。 建筑物震害的空间分布模拟的目的是给出强烈地震作用下城市建筑物的震害程度及其空间分布状态, 该模拟需要解决几个主要问题 : 地震影响场的空间模拟 , 可以利用适于本地区的地震动参数( 烈度、 地面峰值 加速度或者反应谱) 的衰减规律数学模型 , 把这一数学模型编成 GIS 软件平台相容的计算机程序嵌入到 GIS 软件平台之中, 并和区域地理图件相配合 , 通过 GIS 软件本身的功能 , 能够实现在给定地震参数( 震级 M 、 震 中距 R 、 断层破裂方向 等 ) 条件下, 画出地震动参数空间分布场、 图 , 称这个过程为地震影响场空间模拟, 这个实现的过程是数学模型活化的过程 ; 由于场地条件影响到建筑物的震害程度, 因此通过矢量化和数据同 化处理 , 把场地小区划图也嵌入到 GIS 软件中 , 并和城市建筑物分布图叠加, 使每栋建筑物的场地类型能得 已确定; 建筑物易损性分析方法可以给出每栋建筑物或者群体建筑物的易损性 , 把这个结果作为 GIS 平台的 数据库, 参与分析, 利用 GIS 平台的空间复合功能 , 把地震影响场空间模拟 , 场地条件及地震地质灾害空间分 布图和建筑物易损性空间分布进行复合 , 给出建筑物震害的空间分布结果。具体的技术框图为:
Spatial simulation GIS method of seismic damage of buildings
REN Xi- ti1 , GAO Hui- ying2
( 1. Seismological Bureau of Shandong, Jinan 250014, China; 2. Ocean University of China, Engineering College, Q ingduo 266071, China)
图 2 地震烈度影响场
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建筑物震害空间分布及重灾区识别
建筑物的空间分布是在 1#500 比例尺的建筑物分布图上表示的。在该电子图中, 每栋房屋都赋予 ID
码, 按 ID 码赋上每栋建筑的编号、 所属单位、 建筑地址、 名称、 结构类型、 建筑年代、 用途、 建筑面积、 层数、 建 筑高度、 居住人数、 室内资产、 设防标准、 场地条件、 现状等普查属性。 ( 1) 利用 GIS 的查询和统计功能可以统计得到各种统计数据, 预测区共普查了 5771 栋房屋, 建筑面积为
Abstract: This paper presents a method of spacial distribution simulation of seismic damage of urban buildings. Firstly, the intensity attenuation formulation and analysis model of seismic damage to the buildings can be synthesized, and the derivative database using special analysis technology GIS is formed. Then the special distribution and statistical character ist ic of the seismic damage of the urban buildings can be graphed. Thus the crit ical seismic damage area can also be i dentif ied. As an example, the special distribution of the seismic damage to the buildings in Dong Ying city illustrates that the method presented in the paper is pract ical and efficient. Key words: seismic damage prediction of buildings; spatial simulation; GIS
摘要 : 提出了一个基于 GIS 技术的建筑物震害 空间分布模拟方法 , 该方法首 先利用 GIS 的 模拟活化技 术把地震影响场 , 建筑震害预 测等分析模型形成可供空间分析使用的二次数据 , 并 纳入城市基础数据 库之中 , 构成综合基础数据库。然后利用 GIS 把多重空间数据进 行空间复合 , 给出城市建 筑物震害的 空间分布及其统计特征 , 并识 别出城市建筑物的重灾区。最后利用东营市建筑区为例 , 说明 该方法的 实用性和有效性。 关键词 : 建筑物震害预测 ; 空间模拟 ; GIS 中图分类号 : P315. 9 文献标识码 : A
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世
界
地
震
工模拟空间复合技术框图
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地震动影响场模型
在我国华北地区 , 许多学者研究了烈度衰减规律, 由于数据几何统计方法的差异 , 所得的结果有些不同。
在本研究中 , 我们直接引用胜利油田地震区划中由 27 个 5 级以上地震记录资料求得的烈度衰减公式 ( 1988 年, 胜利油田地震区划报告 国家地震局地球物理研究所) : 长轴方向: Ia= 4. 171+ 1. 390M - 3. 5299lg( R a+ 16)
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1015. 8 万平方米, 建筑物类型包括: 多层砖房、 多层钢筋混凝土房屋、 工业厂房、 高层建筑、 空旷房屋和底框 架房屋五类。其中多层砖房 4824 栋占总栋数 83. 6% , 建筑面积为 809. 27 万平方米 , 占总建筑面积的 79. 67% , 其次是多层钢筋混凝土房屋面积为 95. 96 万平方米 , 占总面积的 9. 45% , 工业厂房为 61. 03 万平方米, 占总面积的 6. 0% , 高层建筑、 空旷房屋和底框架房屋较少, 分别为 33. 2 万平方米, 14. 82 万平方米和 1. 43 万 平方米 , 分别占总面积的 3. 27% , 1. 46% 和 0. 14% 。预测区以 90 年代建筑为主 , 建筑面积为 666. 75 万平方 米, 占 65. 8% ; 80 年代建筑面积为 322. 68 万平方米 , 占 31. 75% ; 70 年代及以前的建筑物较少, 建筑面积为 24. 99 万平方米 , 占 2. 46% 。预测区以 2~ 4 层和 5~ 8 层建筑为主 , 建筑面积分别为 428. 98 万平方米和 478. 68 万平方米 , 分别占 42. 2% 和 47. 1% ; 9 层以上为 33. 27 万平方米占 3. 27% , 1 层建筑面积为 75. 49 万平方米 占 7. 43% 。预测区的建筑从 1991 年开始 , 对 90 年代以前未进行抗震设防建造的建筑分批进行了加固, 加固 栋数为 534 栋, 面积为 96. 57 万平方米 , 等等。 通过 GIS 的输出专题图功能, 可以给出各种图表, 展示统计结果。 ( 2) 建筑物震害空间分布及高危害区识别 可用常用的建筑震害预测的方法来计算建筑物在不同烈度条件下的破环程度。例如, 分别用墙体抗剪 强度系数法以及单层厂房的震害指数法 , 计算多层砖砌墙体房屋和单层厂房的破坏程度。破坏程度分为五 级: 基本完好、 轻微破坏、 中等破坏、 严重破坏及毁坏。在建筑物逐栋普查的基础上 , 考虑到预测单元区的位 置、 结构类型、 建筑年代、 房屋层数等因素 , 进行建筑物抽样预测计算。抽样的比例为: 多层砌 体房屋 9~ 14% , 底框架及内框架房屋 10~ 12% , 单层厂房 10~ 15% , 钢筋混凝土房屋 10~ 14% , 在一个预测单元里 , 如 果房屋的类似性较好 , 抽样率可小一些。对每幢抽样建筑物 , 进行预测计算 , 然后把计算所得结果 , 按建筑物 的类别归类, 统计出不同烈度下的破坏百分比 , 即易损性矩阵。每一类建筑物都给出一个易损性矩阵。根据 建筑物逐栋普查的内容, 按建筑类型、 建筑年代、 层数、 场地条件等因素, 按类比原则进行逐栋破坏程度识别。 在类比的过程中 , 考虑到建筑物现状的一些缺陷和地质灾害因素 , 对计算结果进行修正, 那么就可以得到每 栋建筑物的震害程度。 由于每栋建筑物都有一个 ID 码, 而且都已经展示在 1#500 比例尺的电子图上了, 根据每栋的预测结果, 利用 GIS 的空间显示功能 , 可以把不同震害用不同颜色表示出来 , 从而展示了给定烈度下建筑物震害的空间 分布形态。如图 3、 图 4 所示。
收稿日期 : 2002- 10- 25; 修订日期 : 2003- 01- 08 作者简介 : 任锡泰 ( 1944- ) , 男 , 山东济南人 , 高级工程师 , 主要从事地震工程研究 .
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任锡泰等 : 建筑物震害空间分布模拟 GIS 方法
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区中以空间分布的形态而存在 , 当受到地震作用时 , 他们的震害也将是空间分布的 , 而这种震害程度及其空 间分布的形态是城市改造 , 城市建筑抗震加固 , 制定抗震应急对策的重要依据。 GIS( Geographic Information Systems) 萌芽于 20 世纪 60 年代初期, 经过 40 年的发展 , 已经成为一种采集、 存 储、 管理、 分析与显示的计算机软件系统 , 它是分析和处理海量地理数据的通用技术。 20 世纪 90 年代初 , 我 国学者开始研究把 GIS 技术应用于地震工程。1994 年 , 胡聿贤指导中国地震局有关研究所的技术人员应用 GIS 技术 , 于 1996 年完成了乌鲁木齐市震害预测与防震减灾对策信息系统 , 这是我国第一个利用 GIS 技术以 逐栋建筑物为研究对象的城市震害预测示范项目, 开发平台是 ESRI 的 ARC/ INFO。1996 年至 2000 年 , 冯启 民主持的 大中城市震害预测及其信息管理系统示范研究 攻关项目在 9 个城市建立了基于 GIS 的信息系 统。开发平台是 ESRI 的 ArcView 平台 , 利用 GIS 技术把地震危险性分析, 地震小区划 , 建筑物易损性, 生命线 工程易损性 , 次生灾害, 人员伤亡及经济损失估计以及防灾减灾规划与应急对策等项技术综合集成, 建立起 实用的 GIS 防震减灾专用系统。同期, 谢礼立等研究了 GIS 与地震危险性分析模型的结合方法 , 建立了 基 于 GIS 的地震损失快速预估系统 , 并用它来估计了 1996 年丽江地震的损失和人员伤亡 ; 陶夏新等利用 GIS, 以华北地区等震线资料为实例 , 建立了地震烈度衰减信息系统。 1998 年 , 在第五届全国地震工程会议上 , 温 瑞智发表了 大庆油田防震减灾信息及辅助决策系统 论文 , 帅向华等发表了 防震减灾对策中基于 GIS 的疏 散模型的原理与实现 论文。2000 年高惠瑛、 冯启民应用 GIS 技术对城市供水管网破坏及功能失效进行了研 究, 并发表了多篇论文。2002 年, 在第六届全国地震工程学术会议上 , 徐敬海、 姚保华等的论文都讨论了 We bGIS 在城市防震减灾系统中应用的可行性。2002 年, 在 ISSST 国际会议上 , 高惠瑛、 陈天恩、 莫善军等发表了 利用 GIS 技术 , 研究城市灾害与安全问题。2002 年, 以冯启民为主编的!地震灾害预测及其信息管理系统技 术规范∀ ( 国标) 送审 , 用以规范全国城乡该领域的技术工作。可见, 在我国近十年来, GIS 技术在防震减灾领 域的应用研究是十分活跃的, 成果是显著的。本文所讨论的东营市建筑物震害空间分布模拟 GIS 方法, 是 95- 06 项目中的示范城市东营市建筑震害预测工作的技术总结, 着重于 GIS 的空间复合技术, 模拟建筑物 震害空间模拟的方法的研究和讨论。