城市灾害应对的刚性、弹性与韧性
摘要
城市灾害应对经历了从抗灾到减少灾害损失、降低灾害风险，再到与风险共存的适灾型理念变化过程，韧性城市研究已经成为国际关注的热点。作为世界上灾害频发最严重的国家之一，韧性理念能否成为降低我国城市灾害风险的 “灵丹妙药”？本文提出城市可靠度理论模型，结合功能恢复曲线，分析了城市灾害应对的刚性、弹性与韧性策略特征，提出我国城市应根据自身的发展阶段和发展特点，灵活地选取相应的防灾减灾对策。
01
城市应对灾害的理念变化
城市灾害应对领域经历了从抗灾到减少灾害损失、降低灾害风险，再到增强韧性、与风险共存的适灾型理念的变化过程（图 1）。近代社会的灾害应对理念是建立在人与自然对立的二元论基础上的，即灾害是一种自然现象，人类通过工程防御的措施就可以征服和消除它，在此阶段的防灾理念更多的是追求零风险。随着对灾害认知的逐步深入，特别是在 20 世纪末期开展“国际减灾十年” 活动后，人类逐渐意识到，尽管城市不断为防灾增加经济和技术投入，但仍然不断受到自然灾害的冲击。
图1 城市应对灾害的理念变化
于是，联合国在 1994 年提出“横滨战略”，发布了《建立更安全世界的预防、防备和减轻自然灾害的指导方针及其行动计划》。1999 年又呼吁全世界“把减轻灾害风险工作综合到可持续发展中，继续进行防灾减灾和风险管理”，同时，在国际减灾战略中放弃了在“灾害”前面使用“自然”这样的定语，因为越来越多的人意识到，灾害是由自然中的致灾因子与社会、人类的脆弱性相结合后产生的结果。
2005 年卡特里娜飓风事件之后，城市管理者开始质疑长期以来使用的城市灾害治理理念。2005 年世界减灾大会通过的《兵库宣言》，认为“人类社会必然要与自然界的危害风险并存”“应对灾害不仅包括恢复和重建，而且还包括在防灾、备灾和应急措施的减灾大循环背景下，建立以人为本的预警系统，开展风险评估、教育，以及采取其他主动积极的、综合全面的、涉及多种危害和吸收多部门参与的方针并开展这样的活动”。随后，一些学者、政府机构开始从经济、社会、生态等不同角度提出防灾韧性城市的理念。
灾害韧性概念产生于 20 世纪末，美国学者米歇尔∙布鲁诺 (Michel Bruneau) 于 2003 年首次构建了“性能曲线”（Functionality Performance）模型，该模型强调社会单位（如组织、社区 ）要在灾害发生时控制其影响，并以最小的社会破坏和减轻未来灾害影响的方式进行恢复活动。基于这一概念，美国旧金山、洛杉矶等城市先后提出旨在应对灾害的“韧性城市”建设行动纲领。例如旧金山规划与城市研究协会将“地震韧性城市”定义为：城市在大地震后保持安全和可用的能力。
尽管国内外学者对于灾害韧性的定义尚未达成共识，但几乎所有的灾害韧性定义均包含了三个基本要素：一是系统在灾前的“鲁棒性”（Robust，意为“健壮性”）；二是系统在灾时的应对能力；三是系统在灾后的恢复能力。
因此，考虑灾害发生的不确定性，城市灾害韧性的认知可概括为：在遭受常遇灾害后，城市依靠自身的抗灾稳定性（或“健壮性”），能够保持正常运营，且城市具备灵活的灾害应对措施，可自行恢复原有功能；在遭受罕遇灾害后，部分设施可能遭受破坏，但城市的基本功能不应瘫痪或发生脆弱性破坏，可以通过较强的恢复和修复功能，实现新的系统平衡（图 2）。
图2 安全韧性城市的概念图解
然而，近三十年来的城镇化快速发展，使我国城市面临着建筑物密度过大、基础设施交错复杂、时空被高度压缩等问题。在此背景下，韧性城市建设能否成为国内应对灾害的一剂“良方”，既有待时间验证，也需要城市管理者去冷静思考。
从应对灾害的全过程来看（图 3），其包括灾前的减灾活动和临灾准备、灾时的预警与应急救援、灾后的恢复与重建。灾前的减灾活动又包括城市综合防灾规划与政策的制定，城市工程设施抗灾能力的设计、建造、运营与维护，公众的教育与培训等环节。
图3 灾害管理的全过程
实践经验证明，灾害的防御对策具有综合性、多样性的特点。在灾害管理的诸多环节中，既需要以刚性为主、强调灾害防御的物质环境建设，也需要灵活的、具有弹性的非工程减灾对策，更需要以韧性理念为主的城市灾害风险管理策略。每个城市应根据自身的发展阶段、发展特点和防灾短板，灵活地选取相应的减灾对策。
02
城市灾害应对的理论模型
2.1 城市功能可靠度模型
我们可以将城市功能可靠度定义为：在规定时间（发展周期）、规定条件（适度灾害设防标准、技术和管理措施等）下，城市系统完成既定功能的概率。
城市作为一个复杂的巨系统，在发展过程中，时常会遭受某种不确定性因素的扰动（狭义上可以理解为“灾害”），这种扰动会造成城市功能水平的降低。我们用 S 表示某种灾害对城市造成的后果，S 可以理解为经济损失或人员伤亡，在基础设施系统破坏方面，也可以理解为城市系统功能下降的百分比。影响 S 的因素有很多，如灾害发生的水平、频率、强度，城市承灾体的规模、特性，城市财富的集中程度等；
另一方面，我们用 R 表示城市对灾害的抵御能力，它是由城市自身的能力决定的，与外界的扰动无关。影响 R 的因素也很多，既有工程层面的因素，如工程设施的抗灾设防水平、承灾体的脆弱性、基础设施的冗余性等，也有城市层面的因素，如城市规模、空间形态、城市肌理等，还有社会层面的因素，如城市的灾害应急管理水平、民众的灾害意识、保险制度等。
可见，当 R ＞ S 时，即城市抵御灾害的能力大于灾害对城市造成的影响，这时可以认为城市的功能是正常运作的。当 R ＜ S 时，即灾害对城市造成的影响超出城市抵御灾害的能力，这时可以认为城市功能会失效。这些影响因素具有随机性、模糊性和动态性特征，因此，从时间维度上看，S 和 R 都是随机变量，并服从一定的分布规律（图 4）。
图4 城市功能可靠度模型示意图
虽然每一种影响因素不一定完全服从正态分布，但我们可以用失效概率来衡量城市应对灾害的可接受风险，即图 4 中分布曲线围合所形成的阴影面积。
城市在正常发展的过程中，当然是功能失效概率越低越好。为了使图 5 中的阴影面积缩小，有三种途径：
图5 降低灾害发生后城市功能失效的途径
一是尽量减少 S 值（图 5a），即减少灾害对城市的影响后果，包括减轻灾害源的发生频次、大小，控制城市发展的规模等。在实际操作中，由于灾害的自然属性（突发性、随机性等），以控制灾害源为目的的措施很难实现。人类社会可以做的是控制城市发展的规模，避免由于灾害的规模效应和连锁效应而出现“小灾大害”的情况。
第二种途径是增大 R 值（图 5b），即提高城市抵御灾害的能力，包括提高建筑物和基础设施的设防水平，对城市薄弱区的改造与加固，增加生命线工程的冗余度，灾害防御设施的建设等，这些措施大多是刚性的，提高的是城市系统的“健壮性”。
第三种途径是提高城市应对灾害的稳定性和适应性（图 5c），即城市在面对灾害时，可以最大限度地维持城市现有的功能水平，而不至于太离散，包括城市良好的空间形态、城市生态的多样性、城市经济和产业的多元性、基础设施多尺度的网络连通性、政府灾害治理决策的高效性和连续性等。由于城市系统各部分在灾害扰动中互相适应，维持动态平衡，保持恢复能力，因此，第三种途径可以归类为韧性对策。
2.2 灾害作用下城市（或城市系统）功能恢复模型
城市通常是由居民生活空间，众多的机构、组织、设施以及一些建筑环境组成，我们关注的重点是那些对保持灾后城市福祉必不可少的组织和设施，如供水供电设施、救灾医院、消防救援组织、应急管理机构等。这些组织和设施构成了城市防灾能力的“骨架”。
为此，我们把城市任一时刻的功能状态，作为多维空间中的一个点，在灾害发生时，城市的功能状态将发生退化。灾后为了逐步恢复城市的正常功能，需要投入一定的资源，去恢复遭受灾害破坏的街区或基础设施。城市功能恢复时间的长短、恢复的效率，将取决于投入资源的多少，以及城市现有“骨架”组织或设施的应对能力。
如图 6 所示，用横坐标表示时间，纵坐标表示城市某一系统的功能，如供水能力、供电能力，也可以是多个单一系统功能的综合度量。在灾害或突发性事件发生前，可以假定城市维持 100% 正常运转的功能。在 t0 时刻，由于城市遭受了某种灾害或突发性事件，系统将从功能 100%的运转降低到某一程度。而灾后救援与恢复工作，将在一定时间内（t1-t0），把系统功能从一个较低的水平恢复到新的平衡状态。
图6 灾害发生后城市系统功能恢复曲线
因此，我们可以把城市在遭遇特定灾害下的预期功能损失（如某一系统失效概率）和系统功能恢复时间，作为评估城市应对灾害能力的指标，用 L 来表示。则 L 可用公式表示为：
（1）
其中，Q（t）表示t 时刻城市或城市中某系统的功能水平。显然，从公式可以看出，L 可以用图6 中ABC 围合区域的阴影面积SABC 来表示，灾害发生后，预期功能损失越小、系统功能恢复的时间越短，则城市期望损失越小，说明城市灾害应对能力越强。
从城市系统功能恢复曲线可以看出，要想提高城市的灾害应对能力（图7 中SAB'C），一种途径是提高城市系统的“健壮性”，即减轻承灾体的易损性，其主要对策应以刚性措施为主；另一种途径是提高城市系统在灾后的恢复效率，包括提高应急救灾能力和功能恢复能力，其主要对策应以弹性和韧性措施为主。
图7 灾害发生后城市功能恢复的策略
03
城市灾害应对的刚性、弹性与韧性
从城市功能可靠度模型和城市系统功能恢复模型可以看出，城市抵御灾害的对策应该是多样的，单纯依靠工程防御的方法不仅存在极限，而且成本高昂；单纯依靠城市对灾害的适应性和自我修复能力也仅是“治标”，而不能从根本上增强城市应对灾害的防御能力。
追本溯源，灾害在本质上是“人—物—环境”构成的复杂系统发生瞬变的自然过程，要充分认识灾害的自然属性和社会属性，采用刚性、弹性和韧性结合的手段，来实现灾害对城市系统的“低影响”和“低冲击”。
3.1 刚性是城市防灾的安全底线
刚性为本，主要是通过提高城市自身物质空间的抗灾能力，来构筑城市抵御灾害的第一道防线。中国的城镇化经历了二十年的高速扩张，在城镇化进程中，往往忽略了防灾能力的建设，造成历史的“欠账”。
“5·12”汶川8.0级大地震，造成了68 227 人死亡，374 643 人受伤，其中绝大部分的伤亡都是由建筑物倒塌引起的；而“3·11”东日本大地震，震级为9.0 级，虽然造成了15 985 人死亡，可是由建筑物倒塌引起的死亡人数仅有数百人。
可见，在中国复杂多元的国情、民情下，提升城乡建筑物和基础设施的抗灾能力，仍然是抵御灾害的第一要务。刚性的措施一般采用自上而下的途径，由政府主导，通过工程技术手段和政策规范标准来指导防灾减灾物质环境的建设。目前，我国正主导建立统一的、强制性的国家标准体系，这些强制性标准最重要的特征之一就在于底线管理。实际上其属于刚性的范畴，通过把城市所有的物质实体纳入标准规范的要求，来实现刚性管控，从而构筑城市抵御灾害的第一道防线。
我们可以用“雨伞模型”来形象描述刚性与柔性（“弹
性 + 韧性”）的关系：一把雨伞，要想遮风避雨（应对灾害），需要伞骨和伞面的共同作用。伞骨的作用类似于刚性措施，支撑了整个伞面，是抵御灾害的前提和根本；伞面的作用类似于柔性措施，担负着遮雨的责任，没有伞骨支撑的伞面将成为无本之源（图 8）。
图8 灾害应对的“雨伞模型”
3.2 弹性是实现城市可持续发展的关键
灾害造成的损失有时并不全是由于承灾体抗灾能力不够引起的，例如不合理的土地利用、基础设施缺乏冗余度、城市老龄化、社会联系的松散、政府财政不足等也会导致城市的应灾能力降低。这些问题反映了在风险社会下，灾害问题本身已经超出了“物”的范畴，需要在“人—物—环境”的复杂系统中去寻求一种平衡的、弹性的策略（图 9）。
图9 城市系统的弹性和可持续性
城市弹性蕴含“柔软和灵活”的意思。刚性对策实施的主体在于“物”，是被动的应对，而忽略了以“人”为
主体的主动防灾机制，偏离了灾害的社会属性。应对灾害的最终目标并非单纯地减轻灾害造成的损失，而是要从长远的角度出发，实现灾害来临时对城市的“低冲击”，维持城市合适的生态环境和居住环境，保障城市的可持续发展。因此，在城市采取刚性措施、保障安全底线的同时，需要采取一些灵活、有效的弹性对策。
《城市弹性与地域重建—从传统知识和大数据两个方面探索国土设计》一书认为，城市应对灾害的弹性对策主要包括：吸取以往灾害中的经验和教训；建立灾害风险认知的平台；灵活考虑土地的脆弱性；维持并提升城市传统地区（老城区）的恢复能力；了解民族的传统做法；了解国际上关于灾害应对的方法；了解大城市交通系统的空间脆弱性；以居民生活质量指数来评估城市弹性的提升；城市居住用地的集约化；充分利用大数据来提升城市弹性等。
3.3 韧性是城市灾后功能持续的保障
工程层面的刚性减灾对策，对减轻灾害的直接影响具有较好的效果。但一方面由于城市在规划期内都有可能发生超越设防水准的灾害，一旦这种“可能性”成为现实，现有的刚性措施往往因超出极限状态而失效；另一方面灾害的连锁反应往往超乎想象，而刚性措施往往属于“先入为主”，对灾害的连锁反应不能起到效果，而韧性更强调灾害的全过程管理。物理学中，韧性指材料在遭受冲击过程中塑性变形和在断裂过程中吸收能量的能力。
同样，在城市层面，韧性可以指城市在遭受冲击（灾害）后，适应和化解灾害并从灾害中快速恢复的能力。因此，灾害发生之后，造成多少损失，取决于承灾体的“健壮性”，这是城市刚性特征所决定的；而灾后城市能否迅速开展应急救灾，能否快速地从灾害影响中恢复过来，取决于韧性措施。可见，韧性是构筑城市应对灾害的第二道防线，是城市灾后功能持续的保障。
弹性与韧性既有联系，又有区别。弹性和韧性都有遭受冲击（或灾害）之后恢复的能力，都强调“人—物—环境” 的协调。但弹性往往指城市遭受一次较小或中等规模的冲击后短期内的平衡恢复能力，正如图 9 中“走钢丝”的状态一样，当某一个时刻，“人—物—环境”突然失去平衡，如果人（指城市管理者）拥有保持平衡的杠杆（合适的弹性对策），不仅可以灵活地对抗冲击，还能够迅速地恢复城市原有面貌；如果在任何时刻遭受冲击后依然能保持这种平衡状态，就可以在时间轴上保持长期动态的稳定性，即实现城市的可持续发展。
而韧性的作用更多的是在城市遭受较大或强烈的冲击时，城市已经不能保持平衡状态，但城市重要的功能能够得到保障，且对冲击具有较强的恢复力和转型力，在恢复过程中的城市形态和城市肌理有可能发生变化，从而达到一种新的平衡状态。
04
城市灾害应对的多样化策略
从城市功能可靠性模型和功能恢复曲线可以看出，提高城市灾害应对能力具有多种对策。作为一个发展中国家，我国的城市发展还不均衡，不仅存在城乡二元化的差异，还存在地区发展的差异，因此，不同的城市在不同的发展阶段需要灵活地采取不同的应对措施。具体来讲，主要包括以下几点（图 10）。
图10 城市灾害应对的层次模型
（1）城市应针对空间、建筑物和基础设施等承灾体的建成环境情况，辨识与分析其受灾害影响的关键因素和后果，预测评估承灾体的现状抗灾能力与预期抗灾目标之间的差距，制定科学、合理、可行的灾害应对方案。
以城市医疗系统应对地震灾害为例，当一所综合医院作为震后救灾所依托的应急救援机构而存在时，其期望的抗灾目标不仅是保证地震灾害发生后医院建筑结构的安全，而且希望医院能在灾时保持功能不中断，此时仅采取刚性措施（如提高抗震设防能力）是不能够满足其期望的防灾目标的，还需要采取韧性的措施（如采用自恢复结构体系，配置应急供电、应急供水设施等）。而如果其仅作为城市正常的医疗设施存在，则只需要满足规范要求的“三水准” 目标，采取刚性措施即可。
（2）对承灾体采取什么样的对策与人们对灾害风险的可接受水平相关。在可接受风险水平较高的情况下，往往依靠刚性措施就可以构筑应对灾害的第一道防线。当可接受风险水平降低后，继续采用刚性措施则很快会达到边际效应，即使再提高承灾体的“健壮性”，对减轻灾害风险的效果并不明显。此时，采取弹性或韧性的对策，构筑应对灾害的多道防线，往往可以达到事半功倍的效果。
（3）对于经济欠发达地区，当前应首先立足于刚性措施，加强对防灾相关标准的管理和落实，提高城市承灾体的抗灾能力。对于经济较发达、城市功能齐全、基础设施系统复杂的大城市，考虑到灾害的规模效应和连锁效应，应侧重于对城市韧性能力的建设。
（4）对于处于快速扩张期的城市，应该加强底线思维和刚性管控，特别是要强化城市安全线的划定，合理设置好城市的限制建设区、安全保护区和协调管控区；对于已经处于稳步发展期的城市，应在保证城市应对灾害刚性底线的基础上，因地制宜地采取弹性措施；对于处于提升转型期的城市，应抓住城市更新和城市“双修”的契机，精耕细作，强化韧性基础设施的建设，强化城市的多功能性、冗余性和多样性，全面提升城市的韧性适灾能力。
05
结论
在城市不断追求经济增长的过程中，现有的发展范式、不断增加的致灾因子暴露性、快速城市化以及能源和自然资本的过度消耗，导致“黑天鹅”事件频频发生。
在应对灾害的过程中，我们要跳出传统的侧重于从物理层面提升承灾体抗灾能力的思维定式，用系统、科学的理论，从整体角度（要素、功能和相互关系）出发，采取刚性和柔性结合的措施来提升城市的灾害应对能力。
这就要求我们从城市可持续发展的理念出发，既要弥补城市防灾减灾能力的短板，构筑城市安全的刚性底线，又要采取多样化、灵活性的策略，来适应城市各类承灾体在不同层面的防灾目标，最终为构建适灾型的智慧城市，走出一条适合我国国情和民情的灾害应对之路。
作者
郭小东 北京工业大学城市建设学部教授
费智涛 北京工业大学城市建设学部博士研究生
王志涛 北京工业大学城市建设学部副教授 （通讯作者）
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