文章编号：1000-4750(2021)01-0001-07
孙柏涛，李 洋
摘 要：在中国地震灾害预测的理论、技术和实践已经有40年的历史，由于政府、社会和公众对防灾减灾意识的逐渐增强，该学科得到了较为广泛的应用，使其成长为地震工程领域比较受关注的学科之一。该文拟从时间节点维度和政府、社会和公众应用的视角阐述其沿革、发展和应用延伸的历程。总体来说，震害预测的发展过程是按照以下的脉络延展的：初期只是针对典型区域内几类建(构)筑物的单体，目的是出不同类型结构抗震的薄弱环节，为其减灾和加固提供基础依据；而后，重点转向了工作区域内不同结构的体抗震能力和可能造成的损失及人员伤亡的分布，目标放到了城市、区域的规划、防灾准备和震时的应急评估；近十余年，保险业为了厘定保额和赔率，推动了体震害预测和灾害风险评估工作；目前，由于政府的大量投入和指导，并分类推进全社会的灾害风险评估和治理，使得震害预测工作迎来了新的发展契机。随着不同的发展阶段，震害预测理论和方法的研究都得到了逐步完善、深化和延伸。该文仅从一个侧面概述了震害预测发展历程，难免挂一漏万和出现评论上谬误，供本行业从业人员讨论。
关键词：体震害预测；震害指数；震害矩阵；生命线系统；破坏等级
中图分类号：TU746.1 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.ST04
EVOLUTION AND DEVELOPMENT OF EARTHQUAKE
DISASTER PREDICTION IN CHINA
SUN Bai-tao , LI Yang
(Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration,
Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration, Harbin, Heilongjiang 150080, China)
Abstract: The theory, technology and practice of earthquake disaster prediction have a history of 40 years in China. Because of the increasing awareness of the government, society and public on disaster prevention and mitigation, research in this area has been widely expanded and has grown into one of the more important topics in the field of earthquake engineering. We present an account of its evolution, development, and application from the viewpoints of time node
dimensions and government, society, and public applications. Generally speaking, the development of earthquake damage prediction has progressed according to the following sequence: in the initial stage, it was only aimed at several types of buildings (structures) in earthquake-prone areas to discover the weaknesses in different types of structures, and to provide the basis for disaster reduction and structural retrofit;then, the focus shifted to the seismic capacity and possible damage to different structures in the working area with the objective of developing guidelines for the planning of cities and regions, the disaster prevention preparation and emergency assessment in the event of an earthquake; in the past decade, the insurance industry has promoted mass earthquake disaster prediction and disaster risk assessment to determine appropriate insurance rates and odds ratios; at present, with the input and guidance of the government and the classified promotion of disaster risk assessment and governance of the whole society, earthquake disaster prediction has encountered a new development opportunity. Throughout the development of these different stages, the theory and methods of earthquake disaster prediction have been gradually improved, deepened and extended. By summarizing the
收稿日期：2020-07-13；修改日期：2020-10-22
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2019YFC1509301)；中国地震局地震工程与工程振动重点实验室重点专项项目(2019EEEV0103)；中国地
震局创新团队发展计划资助项目(中国大陆地区地震灾害模拟与评估)
通讯作者：孙柏涛(1961−)，男，哈尔滨人，研究员，博士，主要从事结构工程、地震工程研究(E-mail: ************* ).作者简介：李 洋(1979−)，男，沈阳人，博士生，主要从事应急评估、震害预测研究(E-mail: *****************).
第 38 卷第 1 期Vol.38 No.1工 程 力 学2021年
1 月
Jan.
2021
ENGINEERING MECHANICS
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陈坤儿子生母何琳development of earthquake disaster prediction, we aim to obtain feedback from and promote discussions with practitioners in this industry.
Key words: earthquake damage prediction of building stock; standard earthquake damage index; seismic damage matrix; lifeline system; damage degree
新中国成立后，地震对工程结构可能造成的危害性研究在我国是始于20世纪的50年代。1952年，当时还是清华大学建筑系教授的刘恢先先生受中国科学院的委托到哈尔滨筹建一个研究所，叫中国科学院土木建筑研究所，1954年该研究所正式建成。由于刘恢先在美国康奈尔大学(Cornell University，USA)学习和工作时曾从事该领域研究，在1956年这个研究所即成立了一个“抗震组”，刘恢先兼任这个二级部门的负责人，从而开启了新中国地震工程学科领域研究的篇章[1]。当时的研究工作还没有到政府和社会的需求，仅仅是研究兴趣所致，按照刘恢先的说法，叫“忙来下一步闲棋”。
1955年在刘恢先的主导下，我国翻译了前苏联的《地震区建筑规范》。1959年受原国家建委的委托，我国编制了第一部抗震规范的草案稿，59版《地震区建筑规范》(草案)。该规范在除了充分利用我国当时的抗震研究成果外，还主要以前苏联57版抗震规范为蓝本，同时也参考了其他国家的规范和研究成果。此时的规范适用范围是“一般建筑物的设计”，涵盖的建筑物类别不多，但包含了道桥和水工工程等内容。由于行政管理上的变化，该规范没有得到正式的颁布和实施。
1964年刘恢先又主持编制了我国第二部抗震规范的草案稿，《地震区建筑设计规范》(草案稿)是在59版规范基础上进行了部分内容的增减和修改。此次修编去掉了水工工程内容。本次规范虽然没有得到正式颁布，但对当时的工程设计及以后的规范发展起到了积极的作用。
1966年3月8日河北省邢台地区发生6.8级地震，此后一个月内该地区又连续发生了4次6级以上的破坏性地震，其中最大的一次是3月22日7.2级地震。本次震型的地震共造成的死亡人数超过了8千人，由此，地震对我国人民生命和财产的严重危害性得到了中央政府的高度重视，地震预报与地震工程的研究工作也步入了一个新的阶段。
抗震设计规范主要是针对新建工程结构物的抗震能力要求而进行规定的，那么由于各种原因，我国存在大量的既有建筑不能都拆除重建，只能依据地震区划规定的该区域地震危险性，对其进行抗震能力的鉴定。而后，对不符合其抗震能力要求的工程结构要进行加固。邢台地震后，由当时的国家建委推动，出台了一系列不同结构类型的抗震鉴定的标准[2]，但基本都是草案稿，或者是试行稿。也在京津冀等我国部分地震风险高的地区(当时称之为地震区)开展了相关工作。
1976年7月28日唐山发生了7.8级大地震，死亡人数达到了24万余。按照1956年颁布的我国第一代全国地震区划图，《中国地震区域划分图》，当时唐山地区是属于Ⅵ度区，而唐山大地震的市区的实际烈度达到了Ⅺ度。因而，该区划图的主编李善邦、邓启东等地震学家意识到，由于人类对已有地震资
料的积累和地震本身发生机理的认识还不充分，地震的中长期预测有很大的不确定性，仅按照区划图中所确定的烈度进行鉴定和加固工作会带来相应的风险，建议按照地震危险性分析的基础上给出不同烈度下对工程结构的安全性鉴定。
1 震害预测的发展历程
1.1 震害预测和抗震鉴定的关系
地震灾害预测一般是泛指在未来某时间地震危险性下，可能产生灾害程度的估计，应该涵盖的物项和灾害内涵更广泛。但是多年来的用法习惯，地震灾害预测是特指对工程结构可能造成的灾害程度的估计，简称震害预测。
抗震鉴定是需要在烈度确定的前提下(一般是基本烈度)对单体结构逐个进行符合性检验的详细工作，如果按照各个烈度对大量工程结构开展这项工作几乎难以完成。由此，按照不同烈度或者按照不同地震概率水准对大量工程结构进行可能造成的灾害预测产生了。
原国家建委根据1975年国家地震局给出的中长期地震预报结果，在1976年上半年正在推进，并准备实施对唐山等地进行抗震鉴定，此时唐山大地震发生了，原定的鉴定工作由此搁置[3]。国家适时的转变了抗震减灾策略，1980年开始，十六
2工 程 力 学
家单位赴河南的安阳、新乡、焦作和鹤壁等开展了较小范围的震害预测试点工作，是因为河南、山西和河北等地连续多年被划定为重点监测地区，也就是认为是地震危险性高的地区。
1966年邢台地震后，我国就制订了房屋建筑抗震鉴定标准(草案)等，其工作内容和方法得到了大家的共识，使得抗震鉴定工作是有据可循。可是，在1980年开始的震害预测工作初期，科技人员只是开始探索不同结构类型震害预测的方法。四十年来，针对各类结构的震害预测的方法逐步得到发展、完善和延伸。但是，至今针对某一类结构做震害预测时必须采用哪种方法并没有达到统一，仅是约定俗成。我国2003年第一版和2014年第二版颁布的《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》(GB/T 19428−2003)(GB/T 19428−2014)[4]中也没有具体规定不同结构类型所必须采用的方法，仅对单体结构在做不同级别(甲、乙、丙、丁)的工作所采用的单体结构分析方法的繁简程度进行了规定。
1.2 震害预测的对象和服务功能的演化
20世纪80年代的震害预测工作主要是以建(构)筑物单体为对象展开的。因为通过邢台、通海和唐山等地震深刻认识到建筑结构的倒塌是造成大量人员伤亡的主要原因。对重要结构的单体进行分析是为了了解该结构的抗震能力，对普适性结构是选取一定的样本进行分析，搞清楚不同类型结构的抗震能力差异。主要目的是为政府对建筑结构减灾规划提供科学依据。
20世纪90年代，体和生命线工程的震害预测得到了更多的关注。由于联合国推动“国际减灾十年”的科研与行动计划，呼吁科学家和各国政府，学术团体于本世纪最后十年在世界范围内开展减轻灾害工作。美国、日本等国家分别开展了重点城市的“未来地震灾害预测与损失评估”工作，促进了我国政府对该项工作的重视。由此，震害预测的对象拓展到了对一个城市或区域可能造成的震害损失估计。如果对城市或区域逐个单体做震害预测的话，其工作量浩大。因而，建筑物的体震害预测和城市生命线工程中单体预测的研究工作得到了进一步的重视。这个阶段，乌鲁木齐的天山区、黑龙江省大庆市、海南省海口市和辽宁省鞍山市等部分区域分别开展了试点工作。
本世纪前10年，震害预测工作的实施和应用得到了较大的进步。国家地震局从政府层面成立了“若干城市震害预测和防御对策专家组”，鼓励并指导各省、市等地方政府大力开展这项工作。并在1990年《震害预测工作大纲(试行稿)》的基础上，2003年颁布了我国第一版《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》(GB/T 19428−2003)。此时的该项工作不仅是针对城市和区域震害损失估计和分布，而且延展到了城市生命线系统中的管网、电力、交通和通讯等子系统中的单体结构震害，并初步考虑了单体震害对子系统网络功能的影响。同时，将地理信息系统(GIS)融入到了管理软件平台是当时的一个亮点，因为能更直观的展示所分析的结果，更好的服务政府、行业的规划和决策。这个阶段，震害预测作为地震工程学研究中的一个分支逐步走到了前台，受到了科技管理者和科技人员更多的关注，从而本学科的研究得到了更多的资助和实际应用。
近十年来，震害预测针对各种需求以不同精度向区域、城市和乡村等更广阔区域延展。随着计算技术和应用软件的高度成熟和空间技术的普遍应用，对单体工程的震害预测多采用基于大量样本的模糊数学判别和有限元建模的易损性分析，从而替代了利用实际震害统计分析、半理论-半经验的简化方法和简化的抗震分析方法等；对城市或区域的体震害预测和损失评估网格化表征和城市或区域的地震灾害模拟与3D动态展示[5 − 6]已成为研究工作和实际应用的增长点，使得预测的结果更直观，更易于得到政府和民众的接受。尤其是近几年，体震害预测和损失评估的结果作为区域灾害风险分析的基础和韧性城市评价的依据之一，展现了其更广阔的应用前景。
2 震害预测的关键指标和方法解读
2.1 建(构)筑物地震破坏等级由来
建(构)筑物地震破坏等级是度量地震作用下其破坏程度的尺子，在震害预测工作中描述房屋等工程结构时所选用的5个破坏等级是源自于由地震工程学家编制的地震现场烈度评定规范。
早期的宏观烈度的划分是服务于地震学研究的，由于地震学家在编制规范时对土木工程专业理解上的局限性，很难将工程结构的构造和震害特点描述更翔实和具体，多数把房屋等震害程度分成3个等级，即完好、破坏和毁坏。后来，在工行银行信用卡
工 程 力 学3
地震工程学家主导编制该规范后[7]
，为了能够更科学的划分地震发生后的宏观烈度等震线，将结构破坏程度的3个破坏等级扩展到了5个破坏等级，即完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏，且不同工程结构的各个破坏等级对应的构件破坏状态和破坏数量的百分比均有较为详细描述。
1970年通海地震后，胡聿贤和刘恢先等将震害指数的概念，即采用[0.0, 1.0]的实数表征工程结构不同的震害程度，引入到了在地震现场调查时对不同工程结构破坏等级的划分中，这样大大便利了后来相关学科之间的相互衔接和应用，如表1。而后，在地震现场房屋安全鉴定规范制定中，孙柏涛等沿用震害指数的思路，将房屋的震后损伤状态的表征采用了“震损指数”。主要为的是区分在地震现场划分烈度时所采用比较“粗犷”的做法判断房屋或其他工程结构的“震害指数”。而房屋安全鉴定主要是关注在既发地震后，小于“中等破坏”等级的房屋在“预期”地震时的安全性，所以采用了比较“细腻”的做法。
表 1 震害指数D i 与地震破坏等级
浪漫经典Table 1 Seismic damage index and damage degree
破坏等级基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏毁坏
震害指数限值[0, 0.1](0.1, 0.3](0.3, 0.55](0.55, 0.85](0.85, 1.0]震害指数中值
0.2
0.4
0.7
1.0
而后的结构易损性分析时，通常人为的划定5个破坏等级和采用的震害指数限值等也就是对应上述规则沿用而来的，如图1。不同类型结构，依据其延性、抗力等指标所划定的各个破坏等级所包涵的范围也是不同。
图 1 结构破坏状态与结构变形关系示意
Fig. 1 Relationship between structural failure state and
structural deformation
x y R y R x 其中：为结构屈服变形；为屈服荷载；、
分别为作用荷载和结构变形。
陈小春比应釆儿大几岁在第二版《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》(GB/T 19428−2014)中对乡镇、农村和偏远地区的简易农居，如简易砖木房屋、土坯
房、穿斗木房屋和石砌(垒)房屋等改回3个破坏等级，是由于其构件的破坏特征难以详细划分，破坏的过程属于脆性破坏等原因。
在遭受或预期遭遇的地震时，对整体结构和对结构中的构件破坏程度(或状态)的表述在书写中经常容易混淆，采用“破坏等级”、还是“震害等级”经常得不到统一。通常情况，整体和构件的破坏程度分别讨论时均采用“破坏等级”或“地震破坏等级”来表述。但在同时描述构件和整体破坏时为了区分起见，宜将构件破坏表述为“破坏等级”，整体结构破坏则表述为“震害等级”。目前“震害等级”、“地震灾害等级”更广泛应用于对一次地震灾害大小的宏观定性，或者对一个城市或区域抗震能力的宏观表述。2.2 实际震害预测工作所应用方法的沿革
迄今为止，研究不同工程结构和设施(设备)震害预测方法，并发表成文的成果有数百计。与抗震鉴定
不同的是针对同一类结构或设施(设备)也许会有多种预测的方法，由于结构、设施(设备)的种类繁多，不同方法需要的参数和数据精度也各异。所以，在2003版和2014版的“震害预测”国标中没有对某种结构应采用的预测方法进行明确规定。本文不对各种方法科学性、适用性等进行评述，仅对在实际震害预测工作实践中较为广泛使用、并有一定共识的方法，及其发展的过程进行简单描述。
20世纪60年代和70年代的几次破坏性地震发生后，尤其是唐山地震后，从80年代起各种建筑结构单体震害预测方法就集中的出现了，见表2。那时的方法是有很强的目标指向和实用性的，就是针对在历次地震中破坏较为突出的结构类型[3]
，做震害预测目的是为各类型结构的抗震加固和编制抗震防灾规划提供基本依据。
早期的建筑结构单体震害预测方法多是以实际震害为参照依据，并以单体结构震害预测为主。通过分析其破坏机理，出主要承载构件(或震害多发生承载构件的位置)的承载能力和所遭受荷载(烈度)与结构震害状态之间的对应关系，给出预测的方法，即统计分析的方法、或半理论-半经验的方法。对震害现象样本较少的结构(如钢筋混凝土框架)采取简化的动力学分析方法。
20世纪90年代，生命线工程系统中一系列建(构)筑物、设施(设备)的单体震害预测方法涌
4
工 程 力 学孑怎么读
现出来[8]。由于生命线系统的构筑物、设施(设备)类型繁多，各系统仅选取了几种典型的物项给出了方法，见表3。后期对水工构筑物、各种电力、通讯室内设施(设备)、支撑塔架等，以及生命线系统网络功能的连通性有了较为深入的研究。生命线工程中的建筑物基本采用已有的建筑物震害预测方法。
表 3 早期生命线工程震害预测方法包括的内容Table 3 Contents of earthquake damage prediction method
for lifeline systems in early stage
序号结构类型设施(设备)类型
1电力系统几种高压电器设备、电力网络的初步分析2通讯系统线路、机房交换设备等
3埋设管线几种管材的埋地管线
原雨4道路交通系统道路、桥梁(梁桥、拱桥等)
对拟工作区域的某种结构类型抽取一定量的单体样本进行计算，给出该单体结构的震害指数D i，对应
表1可以得到该单体对应的震害程度。然后，将该类结构的样本进行统计分析得到震害矩阵，表4为一个范例。如果样本数足够大，震害矩阵中的单项数值就表示了在不同烈度下(6度、7度、8度、9度和10度)该类结构各等级的破坏概率。
表 4 晋江市区多层砌体房屋震害矩阵 /(%) Table 4 Seismic damage matrix of multistory masonry
buildings in Jinjiang City
烈度
破坏程度
678910基本完好90.229.47.80.00.0
轻微破坏9.860.835.311.80.0
中等破坏0.09.851.049.017.7
严重破坏0.00.0 5.933.329.4毁坏0.00.00.0 5.952.9
一般来讲，通过计算分析得出的矩阵应该称之为“易损性矩阵”，但是多数的震害预测文献都沿用了地
震现场调查得到的地震破坏等级矩阵的名称，即震害矩阵。
体震害预测概念已经提出有很多年了，近十几年得到了较好的推进。因为在一个城市或区域进行抽样单体震害预测时现场工作量很大，还需要调查人员具有一定的专业背景。现在越来越少采用单体抽查的工作方式，而直接采用已有的震害矩阵，通过已有单体样本结构构造与拟工作区域的结构构造的相似性来模拟工作区的震害矩阵。
2.3 人员伤亡、经济损失预测与震害预测
1989年10月18日大同-阳高发生了6.1级破坏性地震，震后中国政府向世界银行申请贷款对受灾区进行恢复重建。按照国际惯例，中方需要对灾区所受地震灾害的直接经济损失进行评估，提供科学的评估结果。这是我国首次对一次地震在政府层面进行的直接经济损失评估。
20世纪90年代左右，美国等几个城市先后出版了未来地震经济损失评估报告，由此促进了我国震害预测工作的发展和延伸。预测城市和区域在不同地震危险性作用下，可能造成的人员伤亡和经济损失结果是为了给政府、企业和行业如何做好防灾减灾规划、防灾准备和震时应急决策提供最直观和现实的科学依据。
地震灾害直接损失的评估与工程结构震害预测结果有着直接的联系。在预测某类建(构)筑物在某烈度地震荷载作用下的直接经济损失一般采用下述公式[9]：
L H=
5
∑
J=1
S H(I,J)×R H(J)×D H×P H(1) L H I S H(I,J)
I J
R H(J)J D H
P H
H
式中：为某类结构在烈度下的损失；
为该类结构在烈度的破坏等级下的破坏比(破坏概率)；为破坏等级下的损失比；为该结构单位建筑面积造价；为该类结构在工作区内的建筑面积。代表的是某类结构。
I
将工作区内各类建(构)筑物在烈度下的损失叠加就是该烈度下工程结构损失的总和。此外，地震的直接经济损失还应包括生命线工程、室内外财产、装饰装修等的损失，同样与预测的结构主体破坏程度有关。
式(1)有着较为明确的物理意义，也是目前《地震现场工作 第4部分：灾害直接损失评估》(GB/T 18208.4−2011)等规范所采用的方法。当然，陈颙等[10]亦采用经济学算法或其他方法来计算未来地震经济损失。
表 2 80−90年代出现的单体建(构)筑物震害预测方法
Table 2 Earthquake damage prediction method of single
building (or structure) from 1980s to 1990s
序号结构类型序号结构类型
1多层砖混结构2砖柱厂房
3钢筋混凝土柱厂房4钢筋混凝土框架
5内框架房屋6砖烟囱
7老旧平房−−
工 程 力 学5
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