重建基督城：地震引起建筑结构体系的巨大变化

原创 2017-12-03 Michel Bruneau 陆新征课题组陆新征课题组

重建基督城：地震引起建筑结构体系的巨大变化

Reconstructing Christchurch: A Seismic Shift in Building Structural Systems

Michel Bruneau，Greg MacRae著，孙楚津等选译

译者注：2011年的新西兰基督城(Christchurch)地震是现代地震史上的一个标志性事件。由于新西兰的抗震设防措施较为有力，所以在基督城地震中倒塌的房屋很少。但是由于大量建筑虽然没有倒塌，但严重破坏没有修复价值，导致整个基督城中央商务区(CBD)有70%的建筑必须拆除重建。其中基督城最高的51栋建筑，虽然无一倒塌，但是37栋在震后被迫拆除。基督城地震充分体现出“韧性”(Resilience)抗震的重要价值。基督城地震已经6年多过去了，国际上韧性抗震理念的先导者，美国纽约水牛城大学(University at Buffalo)的Michel Bruneau教授等近期整理了基督城重建中的一些资料，我们将其中一些内容和插图翻译，供各位同行参考。具体报告可以参阅本文的链接。并感谢黃世建教授分享相关资料。

概述

在2010-2011年Canterbury地震之后，基督城(Christchurch)中央商务区(CBD)的大部分区域遭到毁坏，一座全新的城市在此出现。本文汇报了我们开展的以下研究工作：(a)新建的不同结构体系建筑的定量分析(截至2017年初)，(b)指出对结构材料和某些结构体系选择决策产生影响的驱动力。

此项研究涉及了对基督城CBD超过60%迄今为止建成的震后建筑（即74栋建筑）的结构设计者的一系列访谈，访谈对象也同时包括来自惠灵顿（Wellington）和奥克兰（Auckland）的工程师们，以及一位建筑师、一位项目经理和一位开发商人员。数据也通过多种来源收集（包括基督城市议会数据库），并且对74栋考察建筑的结构形式和决策驱动力的量化信息进行了收集。

主要发现：

在地震之前，基督城CBD和阿丁顿（Addington）地区几乎所有建筑都采用钢筋混凝土（RC）框架或剪力墙作为它们的结构体系。但从2011年开始的基督城重建过程中，水平抗侧力体系是钢结构、RC结构和木结构的建筑数量的大致比例为10:10:1。然而，如果按照面积比来算的话，水平抗侧力体系是钢结构、RC结构和木结构的建筑之比大约为79:20:1，这是因为钢结构体系倾向于应用在更大的结构上。除此之外，对于以上的RC建筑，有四分之三其内部重力框架是钢结构。
重建的混凝土结构几乎全都是剪力墙结构体系。例外的有(i)一栋基础隔震建筑在其一个正交方向上应用了RC抗弯框架，(ii)一栋建筑在一个方向上应用了RC摇摆墙。
建造的钢结构建筑使用了各种各样的水平抗侧力体系。按照应用的建筑数量从多到少的顺序，使用频次最多的体系为：防屈曲支撑（BRB）框架、传统抗弯框架（MRF）、带有梁截面削弱（译注：RBS，狗骨头）的抗弯框架、带有可替换耗能梁段的偏心支撑框架（EBFs）、中心支撑框架（CBFs）、传统偏心支撑框架、摇摆钢框架体系和使用摩擦型连接的偏心支撑框架。大多数新建的隔震建筑使用了钢结构偏心支撑框架或中心支撑框架。若只考虑非隔震建筑，BRB框架应用占到了新建建筑面积比的近40%。
最常见的木框架为使用了旋切板胶合木(laminated veneer lumber)的木框架，应用在了大约3%的建筑上。
在74栋考察的建筑中，9%使用了混合体系，14%使用了基础隔震，3%使用了粘滞阻尼器。
震后设计规范提高了正常使用和设计水准地震下的要求。除此之外，没有任何强制性规定要求在基督城重建中使用更具韧性(Resilience)的结构体系。尽管如此，很多工程师和业主都认识到了更具韧性的体系的优势，这也逐渐成为了结构形式决策讨论的一部分。很多工程师表示，他们也会在设计建筑时使其在设计水准地震下的层间位移远小于规范中的最大限值。这样做是为了限制结构和非结构损伤。
具体每栋建筑使用何种结构体系的决策取决于很多因素，包括制定决策的人。从已开展的调查中可以发现，大多数情况下是工程师选择结构体系。位列其后的其他情况为业主要求成本最低、业主选择“低损伤”解决方案和业主要求IL3水平的建筑。尽管结构工程师拥有重要的话语权，从访谈中还是可以明显看出体系的决策是由一群人决定的，包括客户、建筑师和其他参与方（即项目经理、工料测量师等），这样涉及到成本、建造速度、对结构性能和建筑震后运营的认识、承租人的需求、工程文化、距上一次临近的地震发生的时间、客户的现金流和其他因素的考虑也十分重要。决策在全国不同地点有所不同，而且受到当地施工技术可用程度、资源获取途径和关系实力大小的影响。因此，虽然有些结构形式比其他结构形式更常见，但是没有某一种形式在全国是占主导地位的。同样值得注意的是，尽管基督城广泛覆盖的保险项目通过在坎特伯雷（Canterbury）再投资超过400亿新西兰元的方式支持了重建工作，保险业似乎并没有对重建中使用的结构体系类型产生重要影响。
这种向钢结构的转变归因于许多因素的组合作用。这些因素包括新西兰立法机构允许了新结构体系；坎特伯雷（Canterbury）系列地震后对钢结构低损伤和可修复性的认识；钢材相比若干年前的低价格；钢结构快速的建造速度；表现良好且与钢结构建筑相适应的廉价楼板体系的利用；经济的防火设计方法的出现；基督城使轻结构具有经济优势的较差土壤条件；易与钢结构结合的“低损伤技术”（下文给出定义）的出现；发展出了一些熟知其承载能力的体系（例如BRB体系），因此可以用较小的截面超强达到经济的设计；以及对于使用一些其他材料的结构体系的性能和采购问题的认识。

此外，在以上访谈的发现和讨论的基础上，可以得到以下的关键点：

越来越多的人开始接受一个观念，即将防止生命损失作为地震性能目标对于一个优秀的现代结构来说的的确确是不够的

尽管依照新的新西兰规范设计的所有结构体系在工程师、建筑师、客户和其他建设行业的利益相关方看来都能满足他们在地震下防止生命损失的设计目标，建设行业（没有政府干预）还是逐渐远离了一些符合规范的体系，这些体系需要满足高延性需求，产生较大的位移/层间位移（对结构和非结构构件造成重大损伤），呈现出在大多数基本的分析中没有直接考虑的损伤机制（例如造成楼板损伤的梁伸长效应），并且在大震之后难以检查/维修/复原。基于这样的原因，地震前随处可见的作为水平抗侧力体系的RC抗弯框架，在重建的CBD中几乎不存在了。可以注意到，本次重建研究中遇到的唯一的RC抗弯框架建立在隔震结构之上，只需要满足较低的延性需求。随着地震的影响在人们记忆中日渐消褪，跟踪这样的工程实践能否持续下去将是一件有趣的事情。

结构工程师的专业意见影响了低损伤体系的采用

在新西兰，为了限制结构地震损伤而特殊设计并且在大震后不需要立即拆除重建的结构体系被定义为“低损伤技术/结构”。就建造成本、预期性能（结构的和非结构的）、震后检查需求/成本或者震后复原需求/成本而言，不是所有的低损伤体系都是等价的。这些性能和成本的问题与整个用以继续居住使用的建筑相关（包括结构的和非结构的效应）。对于其中的一些体系在3-D地震晃动下会有怎样的表现，或者这些体系的总成本是否像它们的提出者/支持者所说的那样低的问题，专业意见中存在分歧。基于这一原因，许多工程师提出只考虑“已建成的”低损伤解决方案。

尽管某些体系需要较高的技术，其他提到的控制建筑损伤的方式仅仅需要在使用一些传统体系的同时限制层间位移和延性。

承租人的预期很大程度上影响了个体建筑的结构体系选择

要求震后具有较低的结构和非结构损伤、最小化的对正常运营的影响或者商业活动持续性的承租人对某些建筑的结构体系选择产生了直接的影响，他们要么是参与到“量体裁衣”的建筑的讨论当中，要么是寻找那些愿意满足他们需求的业主/开发商。项目也可以由开发商按照规格进行开发，并猜测这部分市场的预期。然而，没有复杂要求的承租人也产生了同样重要的影响，尽管是非直接的，这表现在开发商在竞争性的市场下计算新建建筑投资回报时所考虑的出租率上。在所有情况下，建造者必须评估市场可以负担的出租率，深入洞察承租人对目标使用率的预期，并且平衡这些需求和每次投资产生的风险。在大多数情况下，即使是考虑了韧性/低损伤建设，成本仍然是重要的（成本被表明是业主进行结构体系选择时考虑的最重要因素）。这一点限制了建筑设计者向更好的建筑性能和大震后结构立即完全可运行的目标前进的程度，除了某些建筑有着对成本不敏感的业主。

如果期望地震性能的额外提高能应用到所有建筑，需要来自政府的规定

尽管个体建筑的建设可以在承租人预期直接或非直接的驱动下具有较高的地震性能，社区的地震韧性还是更多地由社区内大多数重要建筑的普遍性能，而不是由一小部分建筑的主要特征决定。考虑到一个地区有着各种各样的预期和手段相差甚远的建筑业主，为了提高区域韧性（包括区域内的个人结构），并降低一些主要结构按照规范最低标准设计而影响达到原本“低损伤”城市诸多方面要求的可能性，需要有政府的规定。虽然在覆盖充分且不考虑人口和商业迁移问题的情况下，保险被认为是一种提供区域韧性的手段，但这只有在其保持可获得、可负担和充足且大多数利益相关方已经购买的情况下才可靠。

背景和环境影响最后的决策及结果

由于诸多原因，重建基督城的结构体系选择可能和(其他地区)实际建造的结构体系有很大的不同。譬如，如果某些结构体系的性能在先前地震下没有发现严重的损伤或者深刻的经验教训，则建设可能会继续以和震前类似的方式进行。又如，如果重建时不同材料的相对成本与现有建筑显著不同，如果有些研究还没有进展到易于应用的形式，或者如果某些地震解决方案的市场推广还没开始，那么结构形式可能会与现有建筑不同。

重建的经历伴随着利益相关方知识水平的提高

来自基督城建设行业各个领域的利益相关方都已经学会了理解不同体系的关键问题。这个行业也富有足够的经验来解释其是如何考虑影响结构体系选择的大量因素的。从访谈范围内人们的描述中可以明显看到，体系的考虑不仅与水平抗侧力体系本身相关，还与整栋建筑的成本效益相关。这样的认识使行业处于良好的状态，以清晰理性的方式看待未来的问题（譬如修订的地震灾害图、价格涨跌、新产品/技术和利益相关方的地震性能预期），这些认识超越政府最低的标准要求，平衡了结构形式选择决策的性能、成本和其他问题。

基督城的经历在现在看来可能是唯一的，但是它可能在全世界范围内有着相似发达城市中心经历未来灾难性地震后重现。因此，基督城的重建经验是非常重要的，它为现代城市震后重建过程中控制结构工程师决策的一些机制提供了一个独到的洞察视角。