场地-城市耦合弹塑性分析+神威太湖之光+无人机 | 三项黑科技助力新北川县城震害预测

声明：本文主要是为了宣传科普抗震知识，吸引非专业读者，所以用了一下现在比较好玩的“黑科技”一词。我们的研究工作还刚刚开始，存在很多不完善之处，恳请各位专家批评指正。

一、摘要：

(1) 主要技术要点

(2) 模拟结果视频(含配音解说，强烈推荐观看，约3分钟)

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=o0637hl8m9e&width=500&height=375&auto=0

该视频高清版可在以下网址下载，电脑播放效果更好：

https://pan.baidu.com/s/1_HbdM2lKxeDH7k1t-ZKfaw

二、技术细节

2.1 研究背景

地震是偶发灾害，预测城市的可能震害对城市抗震减灾具有重大价值。从地震发生到成灾，经历了复杂的断层破坏、地震动传播、场地放大、工程破坏等过程，有很多关键科学问题需要解决。

随着科学技术的进步，近年来在地震工程多个领域都取得了很多重要的技术进步。2018年是汶川地震十周年，十年前的那次灾难给北川县城造成了巨大的损失。此后，在全国人民的大力支持下，重建了新北川县城。为了预测新北川县城将来遭遇地震灾害时可能受到的破坏，我们和多个单位一起，采用了一些最新的“黑科技”，对新北川县城进行了震害模拟。本文将向大家汇报一下相关工作，当然为了避免被不当利用，我们对公布的结果做了一些处理，重点介绍技术要点，希望大家理解。

2.2 关键技术

(1) 黑科技1：“神威•太湖之光”地震波传播模拟

震害预测第一个关键问题是获得合理的地震动输入。从震源到场地是一个复杂的过程，以往研究受限于计算机能力的限制，一般只能模拟得到低频地震波(<1Hz)的传播，而高频地震波只能通过经验模型近似得到。从计算量上说，模拟的频率每提高1倍，计算量需求就增加16倍以上。所以在本次研究中，我们和国家超级计算无锡中心合作，国家超级计算无锡中心付昊桓教授团队利用目前世界上最快的“神威•太湖之光”计算机，模拟了2008年汶川地震在北川新县城场址引起的地震动，包括了从低频到高频的全频段地震动输入。

图1“神威•太湖之光”地震动传播模拟(Fu et al., SC17, 2017)

(2) 黑科技2：场地-城市建筑群耦合地震弹塑性分析

熟悉我们课题组工作的朋友们都了解，我们近些年采用城市抗震弹塑性分析方法开展城市建筑群震害模拟。针对城市里面不同的建筑物，通过构建精细化建筑模型和非线性多自由度层模型，输入合适的地震动进行地震弹塑性时程分析，可以获得建筑的地震响应和震害演化过程。将动态建筑地震响应和城市高真实感3D模型相结合，还可以得到较高真实感的震害预测可视化结果。

图2 城市抗震弹塑性分析的建筑模型

在北川县防震减灾局的支持下，我们收集了北川新县城建筑的设计资料，为本课题的开展奠定了重要基础（注：为了避免被不当利用，我们对本文公开的建筑数据做了必要的修改）。

图3 调研北川新县城建筑设计资料

为了得到更好的建筑震害模拟结果，需要合理的地震动输入以及地上-地下耦合作用模型。地震动传播模拟得到基岩地震动后，如何从基岩传递到地表，再如何作用在建筑物上，一直是一个比较困难的问题。特别是对于存在密集建筑物的城市区域，建筑物会对地表地震动产生显著影响。再加上地面复杂地形的影响，传统的不考虑地表建筑物和地形影响的一维场地放大效应模拟方法难以满足要求。因此我们和香港科技大学王刚教授团队合作，开发了场地-城市建筑群耦合地震弹塑性分析计算程序。该程序的执行流程如图4所示。其基本原理就是将方圆若干平方公里的场地土体的谱单元模型和地上成百上千建筑的结构模型放在一个程序里面计算，从而得到地上建筑群和场地土体的耦合作用。

图4 场地-城市建筑群耦合地震弹塑性分析计算程序执行流程

图5 北川新县城场地-城市建筑群耦合地震弹塑性分析

(3) 黑科技3：固定翼无人机倾斜摄影测量

震害预测的关键问题之一是获得整个城市区域建筑物的详细数据。除了调研设计图纸外，如何获取建筑物的高真实感外观数据也是一个很大的难题。我们和中国地震局地球物理研究所合作，地球所杨建思教授团队采用成都纵横无人机公司研发的垂直起降固定翼无人机，安装上5镜头倾斜摄影照相机，仅用了半天时间，就完成了北川新县城全城的航拍工作。基于航拍数据，我们课题组通过高性能机群的并行图像处理，可以得到整个北川新县城的3D城市模型，包括2亿个多边形，分辨率达到0.035m/像素。 

图6 垂直起降固定翼无人机

图7 北川新县城3D模型

图8 将城市抗震弹塑性分析结果与3D城市高真实感模型相结合 

三、主要技术进展

针对城市地震灾害模拟的需求，本次工作我们课题组在以下两个方面取得了比较有价值的进步：

(1) 实现了“场地-城市建筑群耦合弹塑性分析”，从而可以较好考虑地上建筑和地下土体的共同工作和相互影响，突破了以往直接将自由场地地震动作为建筑地震输入的局限。分析结果表明，是否考虑“场地-城市建筑群耦合作用”会给建筑物的地震响应带来最大30%左右的影响。这项技术我们将会有专门论文详细介绍。

(2) 实现了基于倾斜摄影测量的城市建筑群高真实感地震模拟情境可视化，突破了高真实感城市3D模型获取的瓶颈。城市建筑群地震模拟可视化，从最早的静态2D/3D效果，到2.5D动态效果(Lu et al., Advances in Engineering Software, 2014)，到真3D动态效果(Xiong et al., Automation in Construction, 2015)，有两个问题一直没有得到很好解决：一个是城市3D模型的建模过程非常复杂且数据获取困难。另一个是缺少贴图和纹理效果。而通过倾斜摄影测量，可以在很短时间内很方便的获得城市高真实感3D模型，且具备贴图和纹理效果。

需要说明的是，由于种种原因，本次新北川模拟直到3月中旬才开始正式启动，因此很多工作虽然技术上已经成熟，但是受制于时间和人力、经费限制，只能局部试点。希望未来能有机会在更大的范围内更加系统全面的开展工作。

四、相关工作进展回顾

(1) 在汶川地震8周年（2016年5月12日），我们课题组以北京CBD为例，发布了城市抗震弹塑性分析的演示结果（参阅相关文章：陈肇元院士8年前提出的问题：如果重遇1679年康熙年间8级三河-平谷特大地震会成为什么样子？），介绍了该方法的关键科学问题。

图9  1679年三河－平谷地震引起的CBD地区建筑响应模拟（2016年5月12日）

(2) 在唐山地震四十周年（2016年7月28日），我们课题组发布了唐山市23万栋建筑的城市抗震弹塑性分析结果（参阅相关文章：如果40年前的那次地震再次发生，今天的唐山将会怎样? |唐山大地震40周年纪念），说明该技术可以用于真实巨大城市的地震情境模拟和震害预测。

图10 唐山市23万栋建筑抗震弹塑性分析结果（2016年7月28日）

(3) 在2017年5月12日，我们进一步将城市抗震弹塑性分析用于全国城市地震风险分析（参阅相关文章：中国大陆主要城市建筑地震灾害风险分析初探），

图11 根据GEAR1方法得到的城市地震经济损失风险(未考虑城市人口数量、GDP因素)（2017年5月12日）

该工作的一个重要产品，就是形成了一个地震破坏力速报软件（参阅相关文章：视频分享|地震破坏力速报软件演示|从216墨西哥地震再谈城市抗震弹塑性分析），并在九寨沟地震等若干次地震中得到应用（参阅相关文章：2017.08.08四川九寨沟7.0级地震破坏力分析）。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=n0554b1zzek&width=500&height=375&auto=0

视频：地震破坏力速报软件演示演示

(4) 在2017年11月6日，美国美国国家科学基金重大项目"多灾害模拟中心"(NSF NHERI SimCenter)向美国国家科学基金汇报城市抗震弹塑性分析方法在旧金山湾区184万建筑的震害分析中的应用。

图12 与美国NSF NHERI SimCenter合作完成的旧金山湾区184万建筑震害分析（2017年11月6日）

五、工作团队

本次工作得到了中国地震局地球物理研究所杨建思教授团队、国家超级计算无锡中心付昊桓教授团队、北京科技大学许镇教授团队的大力支持和帮助。参与本次工作的研究生包括：

田源

吴元

程庆乐

孙楚津

徐永嘉

城市抗震弹塑性分析的应用实例

一、城市抗震弹塑性分析方法用于震害预测

二、城市抗震弹塑性分析方法用于应急评估

三、城市抗震弹塑性分析方法用于次生灾害及经济损失预测

如果大家对城市抗震弹塑性分析有点兴趣，想亲手操作一下，欢迎下载城市抗震弹塑性分析教学演示程序：清华校园建筑震害预测教学程序v2.0

弹指十年，悲喜无常；但行好事，莫问前程

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