导语

在地震后，城市层面有系统性的修复策略，而每个建筑单体也有自身的修复需求。建筑单体与城市之间的交互作用对城市震后修复过程有重大影响。为了考虑这种影响，“学术小镇”课题组提出了一种基于双尺度系统动力学的城市建筑震后修复过程预测方法，系统地模拟建筑单体与城市建筑群的详细修复过程。并在土木工程领域期刊Earthquake Engineering Structural Dynamics发表，相关内容也已授权发明专利。

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研究背景

城市修复是建筑单体与城市的双重反馈的动态过程，而不是修复多个单体建筑的重复性工作。

建筑与城市的交互作用

具体来说，城市规模的修复资源总是有限的，现有资源通常无法支持所有受损建筑同时修复。在这种情况下，必须确定城市修复的优先次序。例如医院等具有关键功能的建筑，必须首先被修复。

此外，基于这种城市优先级的资源分配会影响建筑与城市的修复进度。

因此，震后修复过程需要考虑建筑与城市的交互作用。

系统动力学广泛用于复杂、相互依赖的非线性系统行为的分析方法，可以用来考虑城市建筑震后修复过程中各要素的交互关系。

系统动力学

建立双尺度系统动力学模型可以实现单体建筑和城市双尺度的震后修复过程预测。一方面，可以充分考虑单体建筑修复过程中各要素的动态交互关系，预测单体建筑的详细修复过程；另一方面，可以模拟建筑与城市的交互作用，通过资源调配过程量化城市整体功能恢复进展。

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研究难点

为了实现双尺度的城市建筑震后修复预测，必须解决以下三个挑战：

基于优先级计算建筑修复工作量

地震发生后，通常无法同时开展城市受损建筑的修复工作，因此需要确定建筑在城市修复中的优先级，考虑城市优先级对建筑修复工作量的影响。

建立多因素影响的建筑修复系统动力学模型

建筑的修复受多种资源（如工人、机械、物资、资金）的影响，这些资源的动态反馈是非常复杂的，需要建立多因素影响的单体建筑修复系统动力学模型。

建筑-城市双尺度的建筑修复过程预测

在震后修复过程中，城市与单体建筑互相影响。需要结合建筑单体修复系统动力学模型，开展建筑-城市双尺度震后修复过程预测。

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研究方法

针对以上三个挑战，提出基于双尺度系统动力学的城市建筑震后修复预测方法，包括三个部分：考虑城市优先级的建筑修复工作量计算、单体建筑修复系统动力学模型、双尺度震后修复过程预测模型。

技术路线图

考虑城市优先级的建筑修复工作量计算

首先，根据建筑功能分类确定城市修复优先级；

之后，基于优先级建立统一的修复工作量计算方法，确定建筑的修复面积、预期修复物资和预期修复时间，为建筑单体修复提供数据基础。

单体建筑修复系统动力学模型

分别建立单体建筑的修复资源（工人、机械、物资、资金）的系统动力学模型，预测不同修复资源产生的施工速度以及修复过程中的资源需求；

在此基础上，建立建筑修复进度系统动力学模型，根据预期修复时间对施工速度进行调控，实现单体建筑修复过程的预测。

建筑修复进度系统动力学模型

双尺度震后修复过程预测模型

首先，建立城市修复资源系统动力学模型，结合城市优先级和单体修复资源需求，通过贪心算法模拟城市到单体的资源分配过程。

资源分配流程图

之后提出震后功能完备度双尺度评估方法，量化城市整体的修复进度，实现资源约束下城市建筑修复过程预测。

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模型验证与应用

模型验证

以真实地震中轻微破坏和严重破坏的两栋建筑为例，验证单体建筑修复过程系统动力学模型的准确性。

案例建筑

单体建筑修复成本和修复时间的平均误差分别为1.65%，9.9%，表明所建立的单体修复模型的可靠性。

应用案例

以北川900栋建筑为例，开展城市建筑修复过程预测研究，以最大工人数、最大机械数和物资调运延迟为资源水平参数，展示三种资源水平下的资源分配及修复进展情况。

预测结果

结果表明在本案例三种资源水平下，修复资源数量越多、物资运输越及时，城市修复进度越快，修复成本越低。

为更好地观察修复过程的空间特征，通过倾斜摄影测量模型展示北川在中等修复资源水平下的修复过程预测结果。

修复过程预测结果

下图为同一时间不同功能建筑的恢复情况。

建筑功能完备度

通过本文所提方法，具有重要功能的建筑可以优先修复，使城市能够迅速恢复关键功能，满足韧性目标。

最后，通过所提方法，讨论了不同的资源水平、修复模式和结构体系对城市建筑群震后修复过程的影响模式。

不同应用情景下的预测结果

案例研究表明，高水平修复资源可以使修复时间和成本分别降低57.8%和5.2%。相比之下，当资源可用性较低时，需要将部分资源投入到返工任务中，从而导致修复时间增加63.0%，成本增加6.7%，材料增加77.9%。

结语：

本文提出了一种基于双尺度系统动力学的城市建筑震后修复过程预测方法，可以充分考虑城市和单体建筑之间的交互作用，从而系统地预测单体建筑和整个城市的详细震后修复过程，可用于城市抗震韧性的评估和决策。

提示

本文已办理Open Access，点击阅读原文，可免费下载论文！

“Xu Zhen, Zhang Furong, Wu Yingying. A dual-scale system dynamics prediction method for post-earthquake repair of urban building groups. Earthquake Engineering Structural Dynamics. 2023;1-22. https://doi.org/10.1002/eqe.3823”

专利：许镇, 张芙蓉, 郝新田. 一种社区建筑群震后修复过程预测方法及系统, ZL202210362500.4, 2022.04.08

转自：“学术小镇”微信公众号

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