震后社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法技术

一种震后社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法，包括：S1收集需要恢复社区的建筑群及生命线网络基本信息，并划分工作区块；S2确定在相应地震场景下社区建筑群内各单体建筑的功能损失和修复时间、各工作区块内建筑震后功能损失及恢复时间、区块内生命线网络资源缺失比，获取建筑间功能相互依赖矩阵；S3建立恢复目标函数及约束，建立在资源下考虑建筑功能相互依赖的社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化模型；S6求解优化模型，给出社区建筑工作区块最优恢复过程恢复轨迹帕累托前沿。本发明专利技术能显著提高社区建筑群灾后恢复效率，决策者可根据其他偏好和经验从有限的最优调度中做出最终决策，为城市管理机构的防灾减灾及设计规划提供依据。灾及设计规划提供依据。灾及设计规划提供依据。

【技术实现步骤摘要】
震后社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法


[0001]本专利技术属于防灾减灾韧性研究
，涉及一种震后考虑建筑功能相互依赖的社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法。

技术介绍

[0002]建筑群是维持城市正常生产和运行的基础。在地震作用下，建筑物的破坏和倒塌会使社会功能无法正常运行。震后，制定快速的建筑群恢复计划，可以有效地减少地震造成的损失。例如，2011年，新西兰的克赖斯特彻奇市发生两次大地震，地震造成了该城市大规模的破坏，使得该市70％的建筑在都被拆除，并且中央商务区是空置了两年多，对当地的经济和社会造成了巨大的影响。韧性抗震减灾概念最早在2003年由Bruneau等学者提出，并被定义为“当灾害发生时，一个系统抵御灾害并且在灾后能够很快恢复，以最大限度地减少灾害对社会经济破坏”，并通过4个“R”即“鲁棒性”“快速性”“智能性”“冗余性”来评价韧性。因此一个韧性系统应该具有减少破坏概率,减少破坏造成的后果,减少恢复时间的特征。相比于传统的建筑群抗震性能研究，建筑群韧性研究考虑的因素更加全面更符合实际需求。因此研究社区建筑群的韧性以提高社区建筑群的韧性是城市防震减灾规划与建设中至关重要的环节，但目前针对社区建筑群韧性的研究及应用相对较少且主要集中在灾中鲁棒性的研究，大部分研究都忽略了灾后建筑群恢复的快速性。
[0003]关于抗震韧性的研究中大部分文献都是关于城市生命线网络韧性、单体建筑韧性和城市韧性的研究，较少学者研究社区建筑群韧性。然而地震后，大量的建筑被破坏，如何评价和量化社区建筑群的韧性，并在有限的社区资源下合理安排大量建筑的恢复过程，也是当前研究的热点。社区建筑群韧性的研究建立在单体建筑韧性的基础上，并且与服务于社区建筑群的生命线网络息息相关。关于单体建筑韧性，学者们已经做了大量研究，例如，中国住建部提出的“建筑抗震韧性评价标准”、美国联邦应急管理局提出的新一代单体建筑的抗震性能评估框架(FEMA P
‑
58)及单体建筑抗震性能评估软件PACT、美国太平洋地震工程研究中心(PEER)提出的采用全概率方法的第二代“基于性能的地震工程(PBEE)”、美国ARUP公司提出的一套单体建筑的抗震韧性评级系统(REDiTM Rating System)等。另外，由于社区内居民对建筑使用，使得社区内建筑具有了不同的使用功能，例如居住、商业、娱乐、公共服务等，这些不同的使用功能使得离散的建筑间具有了相互依赖性，这种建筑间功能的相互依赖性对社区的正常运行至关重要，如何量化这种建筑间功能的相互依赖性对社区建筑群韧性的影响，也是目前研究的重点。
[0004]根据现有研究文献可知，系统韧性与恢复过程中系统性能随时间变化有关，不同的恢复调度使得社区建筑群韧性也不同，恢复时间较短的恢复调度可能恢复后的韧性值较小也可能韧性值较大。因此在社区建筑群后期恢复过程中，单个恢复目标可能并无法有效的判断建筑群的恢复效率，需要多个目标共同协调社区建筑群的灾后恢复过程。
[0005]因此，如何提供一个分析方法来快速获取在有限的资源下考虑建筑间功能相互依赖的社区建筑群震后恢复调度及韧性值是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了克服以上技术上的不足，提供了一种震后考虑建筑功能相互依赖的社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法。本专利技术通过多目标优化分析方法来快速预测震后在有限恢复资源约束下考虑建筑间功能相互依赖性的社区建筑群恢复调度及韧性，该方法可以为社区建设群体韧性评价和恢复计划制定提供有益的参考，为城市管理机构的防震减灾决策和规划提供科学依据。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种震后考虑建筑功能相互依赖的社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1、收集需要恢复社区的建筑群及生命线网络基本信息，包括社区建筑群内建筑数量、各单体建筑的结构类型、建造年代、生命线网络的简化拓扑结构、各节点需求等；
[0010]S2、根据生命线网络地理位置及其各节点的服务区域划分社区工作区块，统计各个工作区块内的建筑数量，并统计工作区块q的实际资源需求量，记为Q
qreq
；
[0011]S3、地震场景下社区建筑群内各单体建筑的结构响应分析，以获取单体建筑的功能损失和修复时间，并对服务与社区建筑群的生命线网络进行破坏性分析，获取工作区块p中节点失效导致工作区块q的实际资源获取量，记为Q
pqarc
；
[0012]步骤S3中，针对步骤S1中获取的社区建筑群的基本信息，对社区建筑群内各单体建筑进行地震作用下的结构响应分析，进而确定各单体建筑内所有构件的损伤状态，根据构件损伤状态由公式(1)和公式(2)确定构件的功能损失L
i,j
及修复时间T
i,j
：
[0013][0014][0015]其中，L
i,j
为第i层第j个性能组的功能损失，性能组是指具有相同地震需求的易损性组的子集(例如，在特定方向、特定楼层水平上的楼层位移角、楼层加速度或速度等)，参考FEMA
‑
P58的——
[0016]相关定义，易损性组为FEMA
‑
P58提供的700多种结构和非结构构件集合；D
i,j
为第i层第j个性能组的平均损伤状态，n
j
为第j个性能组构件预设的损伤状态数量(不包含未损伤状态数量)；T
i,j
为为第i层第j个性能组的修复时间，Q
i,j,s
为损伤状态为s的构件数量，s＝1,2,3,4,为构件的损伤状态1,损伤状态2，损伤状态3和损伤状态4，f(Q
i,j,s
)为构件修复时间结果函数。
[0017]将单体建筑内所有构件划分为结构构件、建筑构件和服务构件，按各类构件的归属，依次计算结构构件、建筑构件和服务型构件各部分的使用功能损失L
k
(k为1、2、3)。在计算各部分功能损失时，假设每层内各性能组构件为并联，而层与层之间为串联，则根据式(3)可计算出各部分使用功能损失；在计算各部分修复时间时，假设每层内各性能组构件按结构构件
‑
建筑构件
‑
服务构件的顺序修复，且层与层之间为并行修复，根据式(4)可计算每层修复时间：
[0018][0019][0020]其中，N为结构层数，m
k,i
为第k个部分第i层所包含的性能组数量，λ
j
为第j个性能组的权重系数，T
i,k
为第i层第k个部分的修复时间。
[0021]根据结构构件、建筑构件和服务型构件三部分对整体结构使用功能贡献的不同权重，按式(5)和式(6)集成灾害发生后建筑的功能损失L和恢复时间T。
[0022][0023][0024]其中w
k
为第k个部分的权重系数，需根据建筑的实际功能即专家建议选取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种震后社区建筑群恢复调度及韧性评价多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、收集需要恢复社区的建筑群及生命线网络基本信息，包括社区建筑群内建筑数量、各单体建筑的结构类型、建造年代、生命线网络的简化拓扑结构、各节点需求；S2、根据生命线网络地理位置及其各节点的服务区域划分社区工作区块，统计各个工作区块内的建筑数量，并统计工作区块q的实际资源需求量，记为Q
qreq
；S3、分析地震场景下社区建筑群内各单体建筑的结构响应，获取单体建筑的功能损失和修复时间，并对服务与社区建筑群的生命线网络进行破坏性分析，获取工作区块p中节点失效导致工作区块q的实际资源获取量，记为Q
pqarc
；步骤S3中，针对步骤S1中获取的社区建筑群的基本信息，对社区建筑群内各单体建筑进行地震作用下的结构响应分析，进而确定各单体建筑内所有构件的损伤状态，根据构件损伤状态由公式(1)和公式(2)确定构件的功能损失L
i,j
及修复时间T
i,j
：：其中，L
i,j
为第i层第j个性能组的功能损失，性能组是指具有相同地震需求的易损性组的子集；为第i层第j个性能组的平均损伤状态；n
j
为第j个性能组构件预设的损伤状态数量，不包含未损伤状态数量)；T
i,j
为为第i层第j个性能组的修复时间；Q
i,j,s
为损伤状态为s的构件数量，s＝1,2,3,4,为构件的损伤状态1,损伤状态2，损伤状态3和损伤状态4；f(Q
i,j,s
)为构件修复时间结果函数；将单体建筑内所有构件划分为结构构件、建筑构件和服务构件，按各类构件的归属，依次计算结构构件、建筑构件和服务型构件各部分的使用功能损失L
k
，其中k为1、2、3；在计算各部分功能损失时，假设每层内各性能组构件为并联，而层与层之间为串联，则根据式(3)计算出各部分使用功能损失；在计算各部分修复时间时，假设每层内各性能组构件按结构构件
‑
建筑构件
‑
服务构件的顺序修复，且层与层之间为并行修复，根据式(4)计算每层修复时间：时间：其中，N为结构层数，m
k,i
为第k个部分第i层所包含的性能组数量，λ
j
为第j个性能组的权重系数，T
i,k
为第i层第k个部分的修复时间；根据结构构件、建筑构件和服务型构件三部分对整体结构使用功能贡献的不同权重，按式(5)和式(6)集成灾害发生后建筑的功能损失L和恢复时间T；
其中，w
k
为第k个部分的权重系数，需根据建筑的实际功能即专家建议选取；S4、根据单体建筑的震后功能损失和恢复时间，确定各工作区块内建筑震后功能损失及恢复时间，并确定工作区块内生命线网络资源缺失率，获取建筑间功能相互依赖矩阵；步骤S4中，在单体建筑功能损失的基础上，根据式(8)获取所研究区域中各个工作区块的功能损失；工作区块的恢复时间与恢复资源相关，假设各个工作区块恢复过程中的恢复资源相同，且假设其为1个恢复资源，则各个工作区块在该恢复资源条件下的恢复时间根据式(9)获取：式(9)获取：其中，L
br
为工作区块b
r
的功能损失，r＝1,2,3
……
,R,R为区域中工作区块数量；U
br
为工作区块b
r
中建筑数量，L
u
为工作区块b
r
中建筑u的功能损失，u＝1,2,3,
…
,U
br
；T
br
为工作区块b
r
的恢复时间，T
u
为工作区块b
r
中建筑u的恢复时间；定义工作区块间建筑功能相互依赖矩阵为BFIM，BFIM表示为:为:其中，a
pq
为工作区块p中节点失效导致工作区块q的资源缺失率，p＝1,2
…
,R；q＝1,2,
…
R；Q
pqarc
为工作区块p中节点失效导致工作区块q的实际资源获取量，Q
qreq
为区域q的实际资源需求量；考虑建筑群间使用功能相互依赖性的工作区块功能损失可根据式(12)计算，其中IL＝[IL
b1 IL
b2
ꢀ…
IL
br
ꢀ…
IL
bR
]，IL
br
为考虑建筑群功能相互依赖性的工作区块b
r
的功能损失；IL＝[L
b1
L
b2
ꢀ…
L
br
ꢀ…
L
bR
]，L
br
为未考虑建筑群功能相互依赖性的工作区块b
r
的功能损失；由于建筑群间使用功能相互依赖性并不会影响建筑在灾害下的破坏结果，因此考虑建筑群间使用功能相互依赖性的工作区块恢复时间仍可通过式(9)计算；S5、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明媛，张娟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：