◆ ◆ ◆ ◆ 遗产建筑抗震韧性基准周期研究
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遗产建筑抗震韧性基准周期研究
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文/方立新，孙 逊，李 剑
引言
相比一般既有建筑，遗产建筑的抗震评估面临不小的挑战，其棘手之处在于如何平衡“不得改变文物原状”原则下遗产建筑最小干预要求与其绵延漫长后续生命周期内所需的抗震性能提升之间的矛盾。本质上，这是一个研究者将基于什么样的性能目标完成遗产建筑抗震评估的问题。
对于遗产建筑，虽然后续使用年限的概念并不适用，但是其抗震性能目标的标定仍然必须要以特定地震重现期相关联的时间标度作为参照，这种时间标度将是建立遗产建筑抗震评估架构的必要基础。本文所讨论的抗震韧性基准周期，可帮助完成相关评估架构的基础锚定。
既有建筑抗震鉴定
国内对现有建筑的抗震性能评估执行的是国家标准《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009) [1](简称《抗震鉴定标准》)，该标准是总结2008年汶川地震相关经验教训，并吸收当时建筑抗震鉴定最新研究成果而制订的。《抗震鉴定标准》提出了现有建筑鉴定的后续使用年限概念，即根据现有建筑设计建造年代及原设计依据规范的不同，将其后续使用年限划分为30、40、50年三个档次，分别采用A、B、C类建筑抗震鉴定方法。其关键技术路线是采用等超越概率原则获得后续使用年限内的地震动参数取值：与原设计使用年限相比，由于后续使用年限逐渐缩短，结构所面临的地震威胁也逐渐减小；抗震验算时，应根据不同的后续使用年限和地震作用重现期，确定地震影响系数最大值；后续使用年限和地震作用重现期30、40年对应的地震影响系数最大值与50年对应的地震影响系数最大值的比例分别为0.75、0.88。
由于应用了等超越概率原则，《抗震鉴定标准》明确了现有建筑在后续使用年限内具有相同概率保证的前提下，可实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，即与国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)一致。
《抗震鉴定标准》不适用于古建筑以及文物建筑，但实践中很多历史保护建筑包括文物建筑会参照该标准进行抗震评估和加固，通常按A类建筑后续使用30年进行抗震鉴定，地震作用的计算相对于新建建筑或者50年后续使用年限的现有建筑进行了0.75的折减。
国家文物局组织编写的《文物抗震 近现代文物建筑评估规范》(征求意见稿)[2]目前在征求意见阶段，其将为遗产建筑的抗震干预实践提供更直接的指导。该评估规范中不再出现后续使用年限的概念，但是其对于多层与高层混凝土房屋、内框架砖墙等结构体系，地震作用效应(内力)调整系数取值为0.65，相当于地震作用的折减，折减幅度比《抗震鉴定标准》后续使用30年的A类建筑更大。
建筑的抗震韧性
近年来，抗震韧性研究已成为国内外建筑抗震研究的热点，国际上已有FEMA P-58、REDi、USRC等多部建筑抗震韧性评价标准面世[3-5]，其中REDi标准是国际著名设计咨询公司奥雅纳(ARUP)牵头联合多家单位在FEMA P-58的基础上建立的一套3个等级、4个维度、65个指标的建筑抗震韧性指数评估体系。国内则于2020年开始实施《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020)[6](简称《抗震韧性标准》)，该标准通过给定水准地震下的人员伤亡、修复费用和修复时间评价指标，判断房屋建筑维持与快速恢复建筑功能的能力。
《抗震韧性标准》给出了韧性指标的计算方法并提出了适应我国抗震设防标准体系的抗震韧性等级，当结构安全性已不再成为建筑抵抗地震灾害时的唯一需求时，维持建筑功能与实现建筑震后功能的快速恢复，会涉及到建筑中大量非结构系统和非结构构件的抗震性能问题。《抗震韧性标准》在这方面做了重要的基础性工作，该标准在国内抗震领域已产生重大影响，文献[7-10]从不同视角多方位地探讨了该标准在国内建筑抗震实践中的可执行性和可操作性。
对于遗产建筑，由于文物的不可再生特性，不仅需要关注结构的抗震安全，也要关注有历史价值的非结构构件在地震中的表现，目前一种尚在讨论中的观点认为[2]：对遗产建筑的三水准抗震策略，在中震条件下增加“重点保护部位轻微损伤”的要求，在大震条件下增加“重点保护部位不灭失”的要求。因此遗产建筑在结构安全性之外，当条件允许时有必要对建筑构件(包括非结构构件)进行更好的地震损伤控制，这个要求与《抗震韧性标准》指导思想是一致的。同时《抗震韧性标准》提供了更精细的建筑抗震性能化目标分析工具，如震后可恢复性指标以及加速度敏感型构件的地震易损性计算等。因此对于遗产建筑，无论是中震可修下对重点保护部位轻微损伤相关指标的量化，还是地震中不得损坏的其他非结构系统(如加速度敏感型的库藏文物柜)的韧性设计(如通过以硅胶阻尼器为核心的装置进行减隔震计算)，均可参考借鉴《抗震韧性标准》中的分析方法。
目前包括《抗震韧性标准》在内的国内外抗震韧性标准均不能直接应用于遗产建筑的抗震评估。一方面这些韧性评价标准所关注的震后建筑功能恢复能力并不能完全覆盖遗产建筑的关注点，另一方面人员损失、建筑修复时间和建筑修复费用等指标期望能在遗产保护行业获得足够的行业统计数据支撑尚有较大难度，而最关键的是遗产建筑生命周期的特殊性可能会要求完全不一样的评价策略。
然而，韧性这个词用于描述遗产建筑的抗震特性却是尤其贴切，它是遗产建筑在漫长生命周期中成功抵御不可测地震风险而顽强生存的必备品质。而在未来的时间进程中，遗产建筑也将基于原真性保护“最小干预”原则的要求，在其生命延续的不同时间节点以尽可能小的外界干预，维持住其最基本的抗震韧性需求。这与奥雅纳(ARUP)基于风险评估理论所提的城市韧性设计模型[11](图1)存在相通之处，即韧性设计依靠多次的较低水平干预以确保生命周期内的风险处于可接受水平。
▲ 图1 奥雅纳(ARUP)的城市韧性设计风险模型
遗产建筑的抗震韧性风险控制
以图1的城市韧性设计模型作为参考，图2构建了遗产建筑的抗震韧性风险控制模型，其中Δ T 定义为遗产建筑抗震韧性维系的基准周期，相关韧性风险控制模型试图在两个方面调解遗产建筑抗震评估中所遭遇的矛盾：
▲ 图2 遗产建筑的抗震韧性风险控制模型
(1) 不再受困于后续使用年限的界定问题，遗产建筑的生命周期通过抗震韧性基准周期ΔT前后衔接，在每个ΔT周期内维系基本的抗震韧性而不断延续。
(2) 每个Δ T 基准周期下的抗震性能评估可以采用与《抗震鉴定标准》同样的等超越概率模型，通过考虑相同概率水平的地震危险性，在相同概率保证的前提下实现与现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)的一致，即“小震(第一水准)不坏，中震(第二水准)可修，大震(第三水准)不倒”，而较小的抗震韧性维系基准周期，也意味着较低的抗震干预水平，从而更容易满足遗产建筑最小干预要求。
图1的模型不能直接用于遗产建筑的抗震评估，原因在于其不同周期情况下的可接受风险水平不变。而图2遗产建筑抗震韧性风险控制模型的一个特征是：当Δ T 较小时，建筑将可能面临较大的地震损害风险，即较小Δ T 的抗震韧性基准周期固然可以降低每一次的抗震干预水平，但同时也意味着必须容忍较高的可接受风险水平，即图2(a)纵轴上所标示的“较高地震损害风险”。相应的图2(b)纵轴所标示“较低地震损害风险”则是指当抗震韧性基准周期Δ T 较大时，通常意味着针对遗产建筑实施了更强的抗震干预，以满足更好的抗震性能提升要求。故当遭遇地震时，相比Δ T 较小情况而言，建筑在地震中发生相同程度损害的风险相对降低。
事实上期望通过不断减小抗震韧性基准周期来彻底转移或消除遗产建筑实际存在的抗震需求并不符合现实。这点在《抗震鉴定标准》中也有体现：基于等超越概率模型，后续使用年限低于50年的现有建筑在相同概率保证的前提下可实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”目标，但遭遇地震时受损程度会略重于按50年鉴定的建筑。文献[12]有更详细的描述：对于后续使用年限少于50年的建筑，在遭受抵御本地区设防烈度的多遇地震影响时可能会有轻微损坏；在遭受本地区设防烈度的地震影响时，可能会有严重的损坏，修复所花费的代价会很大；当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，不至倒塌伤人。
相比一般既有建筑，遗产建筑这个问题更加突出，这是因为：一般既有建筑后续使用年限结束(比如A类建筑30年的后续使用年限)也就意味着其生命周期的终止，而遗产建筑生命周期没有终止的说法，可以往后不断延续；同时，韧性基准周期Δ T 年限却可能比30年更短。这本质上仍然是遗产建筑必须满足最低干预限制的同时却要抵御漫长生命周期内地震风险所造成的矛盾。解决矛盾的途径是：考虑随着时间推移和技术的不断发展(低干预且高性能的抗震新技术问世)，未来将不断提高遗产建筑抗震韧性基准周期Δ T 年限，比较理想的情况是与新建建筑50年设计基准期持平，能有效抵御设防烈度地震；对于具有特别历史价值的文物建筑，甚至未来将抗震韧性基准周期Δ T 年限提升到100年以获得更好的抗震性能。
上述途径能执行的必要前提条件是之前每次抗震韧性基准周期内所采用的抗震干预技术应具有可逆性。所谓可逆性是遗产保护中的一个重要策略和原则，即通过采取可逆措施，使文物回到原始的状态，防止已有干预对文物造成不可挽回的损失。具体则表现在抗震韧性维系基准周期进行扩增转换时，已实施的抗震干预措施不得妨碍再次对遗产建筑进行保护，应在可能的情况下基于可逆性实现遗产建筑抗震干预新旧技术的迭代或更替。
图3描述了遗产建筑韧性维系周期在当前和未来时间进程中一种可能的转换情况，这意味着遗产建筑的抗震评估将是一个动态递进的过程。
▲ 图3 遗产建筑抗震韧性维系基准周期转换示意图
由于遗产建筑的结构体系多种多样，其重点保护部位也有各自不同的空间分布特征和构造特点，而遗产建筑不同的保护级别(国家级、省市级、区县级文保单位、不可移动文物、其他未列入文物保护单位的历史保护建筑)所反映的历史价值重要性差异也意味着针对不同的遗产建筑整个社会愿意承担的抗震加固经济成本是大不相同的，同时各类能适配遗产建筑原真保护需求的抗震干预技术升级迭代速度也可能迥异，最终造成抗震评估时可选用的技术空间差别会很大。因此每一个遗产建筑的抗震韧性维系基准周期转换的时间节点都将是个性化的，本质上遗产建筑的抗震性能评估是对其在生命周期延展路线上的不同时间节点能否维系基本抗震韧性水准的评估，不同的遗产建筑都应有其个体特征的抗震韧性基准周期转换专属时程图，每个遗产建筑的抗震性能评估都将对应各自的专属基准周期转换序列图谱，而不必依照简单划一的统一标准执行。
现实条件下的抗震韧性维系基准周期
遗产建筑不仅未来的抗震韧性基准周期可能转换为50年甚至100年，当前现实条件下的抗震韧性基准周期也是基于可供选择的建筑抗震干预技术而进行动态匹配后确定的。
一般既有建筑的抗震鉴定是在明确的后续使用年限内单向性的抗震性能分析。与此策略不同，遗产建筑的抗震评估本质上是当下和未来时间进程的不同节点处对其抗震韧性维系能力的评估，以此确定是否可不断甚至无限延续其生命周期，脱离可适配遗产建筑保护需求的抗震干预技术去讨论遗产建筑的抗震评估是存在实践局限性的。故遗产建筑的抗震评估是关于允许干预技术的可选择空间和抗震韧性基准周期的确定这两者之间的动态互馈或耦合调谐的分析过程，即使在当前现实条件下其抗震韧性基准周期的确定也是如此：如果当前存在可适配的抗震干预技术(对遗产建筑原真性损害轻微却能大幅提升抗震性能，且具有与建筑重要性相匹配的所谓经济可行性)，当前起步的抗震韧性评估基准周期也完全可以确定为50年；否则应将当前韧性基准周期的目标降到40年或30年，再寻找当前是否存在适配的抗震干预技术；如果仍然不行，则将当前的韧性基准周期调整为20年或者10年，以此类推(图4)。这里的韧性基准周期允许缩减的背后逻辑依然显示了对遗产建筑抗震干预技术提出可逆性要求的指针意义，也意味着抗震干预技术可逆性评价在遗产建筑抗震评估体系中的独特地位。
▲ 图4 现实条件下确定遗产建筑抗震韧性基准周期的流程图
当前现实条件下的抗震韧性基准周期可否进一步减小以逼近“零干预”，或者演变成“零干预”下的等待?前者遗产保护学界已有公开讨论 [13-14] ，后者则陷入遗产建筑抗震干预的“等待”悖论：“提前采取抗震措施其实是一把双刃剑，防护不可避免地会损害文物的真实性；到底是等一等，让文物的真实性能多留一天是一天；还是为了抵御未来某天可能的风险，抓紧时间做预防？全世界的文物保护界，恐怕都在这两种观点间徘徊犹疑，没有定论” [15] 。“零干预”的“等待”本质上是对小概率事件的侥幸预期，而不是科学的概率决策，一旦遭遇2008年四川汶川地震或者2015年尼泊尔加德满都地震等类似的地震，遗产建筑会遭遇不可挽回的毁灭性破坏，因此遗产建筑韧性基准周期应该给予明确的下限值控制。
一个合理的可近似确定基准周期下限取值的方法是：当以Δ T 作为抗震韧性维系的基准周期进行评估时，在Δ T 周期内遭遇100年一遇的地震(即100年设计基准期超越概率63%的多遇地震)时，必须能满足该韧性维系基准周期Δ T 内的“可修”性能目标(Δ T 韧性基准周期内10%超越概率的第二水准目标)。
文献[16]给出了重现期为 T j 年( T j =30、40、60、75、100年等)的地震烈度在 T 年内的超越概率公式：
P(I i|T)=1 exp( T/Tj)
(1)
式中： i 为重现期为 T j 年的地震烈度； I 为随机地震烈度。
将 T j =100， P ( I i ∣ T )=10%代入式(1)，可以推算出 T 值为10.536年，即Δ T >10.536年。
考虑到遗产建筑的“可修”比一般建筑的“可修”要求更高，同时也考虑到可能出现新一代成熟抗震干预技术所需的时间跨度，故抗震韧性维系基准周期Δ T 的下限取值不应低于15年。
以下示例帮助说明图4所显示的确定当前遗产建筑抗震韧性基准周期的相关流程。南京某区级文物保护建筑，为民国时期所建的独栋西式住宅，共两层，结构体系为混凝土框架结构。目前南京地区对遗产建筑进行抗震加固设计，一般都参考有资质的检测鉴定单位按《抗震鉴定标准》所提供的建筑抗震鉴定报告，而根据《抗震鉴定标准》可判定该建筑不满足A类建筑抗震需求，应考虑对该建筑进行抗震干预，提高其抗震性能。首先设定该建筑的抗震韧性基准周期为50年，可选择的技术为“隔震设计+关键结构构件的外包钢加固”，但当前遗产建筑无论是异地平移还是原位隔震(可能出现建筑标高的改变)都需不同管理部门审批，受到严格限制，同时建筑平移或者原位隔震(在底部或地下增加隔振层)等技术措施在经济性上较难承受，故将该建筑的抗震韧性基准周期降为40年，可选择的技术为“X形软钢消能减震阻尼器+关键结构构件的外包钢加固”。经综合评判，相关技术方案对遗产建筑原真性态的干扰较少，造价也符合预期，与对结构进行全面的混凝土粘钢或包钢或其他的混凝土扩截面加固的技术方案相比，其可逆性的表现也占优势。故就该建筑而言，考虑以40年作为起始阶段的基准周期进行抗震干预来维系建筑所需要的抗震韧性水准是合理可行的。
结语
遗产建筑保护在实践中面临较低的抗震允许干预水平与较高的抗震性能提升需求之间的冲突矛盾，遗产建筑的抗震评估本质上是随当前和未来的时间发展进程对遗产建筑在不同时间节点处所需的抗震韧性维系能力所进行的评估，而对遗产建筑基本抗震韧性的保持和加强能帮助其不断延续其生命周期。本文基于所提的遗产建筑抗震韧性维系基准周期，重构了遗产建筑抗震评估的技术路线，其特征为：
(1) 遗产建筑在其不断延续的生命进程中，其抗震韧性基准周期的取值应当是可扩增的，在合适的时间节点可将转换成更长的韧性基准周期进行评估，每个遗产建筑都应有反映其个体特征的韧性基准周期转换序列的专属图谱，不需追求建立反映抗震韧性维系进程的统一时程标准。
(2) 遗产建筑的抗震性能评估应当是基于被允许的抗震加固技术干预后而进行的抗震性能目标评估，抗震韧性基准周期的确定与现实条件下的技术选择是互馈并彼此调谐的，本质上是动态判定的过程，而抗震干预的技术可逆性评价在遗产建筑的抗震评估过程中也因此具有独特的地位。
参考文献
作者简介
方立新 ，结构工程博士，东南大学建筑学院教授，研究方向包括：历史建筑保护、既有建筑加固改造、建筑结构及数字设计等。主持完成三项国家自然科学基金面上项目，一项江苏省自然科学面上基金项目，参加多项科技部重点研发计划课题。出版著作2部，在Engineering Structures和JOURNAL OF CONSTRUCTIONAL STEEL RESEARCH等SCI期刊及国内核心刊物上发表论文20余篇，参与设计的北京人民日报报刊综合业务楼获中国勘察设计协会优秀建筑结构专业一等奖及中国建筑学会建筑设计奖结构专业二等奖。
孙逊 ，东南大学建筑设计研究院有限公司总工程师，结构工程博士，教授级高级工程师，《建筑结构》编委。主持完成数十项建筑工程项目的结构专业设计，包括中国国学中心、北京人民日报报刊综合业务楼、郑州国际文化中心、青岛全民健身中心等，获中国勘察设计协会全国优秀工程勘察设计行业一等奖6项、二等奖11项、三等奖8项以及中国建筑学会、教育部、江苏省优秀建筑工程设计等奖项若干项。参与多项国家自然科学基金、支撑计划、重大专项等科研项目，发表论文逾40篇。目前兼住建部科技委超限高层建筑工程技术专业委员会委员、国家地震局地震易发区房屋设施加固工程技术专家组成员、中国勘察设计协会高校分会结构分会常务理事以及江苏省建筑工程抗震设防审查专家委员会委员等。（ 建筑结构·人物丨东大院孙逊：坚守，成就最好的自己 ）
李剑 ，东南大学建筑设计研究院有限公司工程师，毕业于东南大学结构工程专业，获硕士学位。主要从事复杂高层设计与研究工作，在国内核心刊物上发表论文4篇，获发明专利1项。
