揭秘“硅基视觉大法”|剪力墙结构智能设计的数据表征与理解的优化方法

本文摘要（由AI生成）：腾讯基金会设立的“科学探索奖”旨在奖励在数学物理学、生命科学、信息电子等九个领域具备科学探索精神的青年科技工作者。奖项由马化腾等知名科学家共同发起，投入10亿元启动资金。此外，文中还列举了多篇与建筑结构、抗震防灾等相关的最新研究论文，涉及城市抗震弹塑性分析、建筑震后损失预测、地震次生灾害模拟等多个领域。本文为二月底国内疫情爆发时期应腾讯科学探索奖邀请写的一个小文章，首发于腾讯科学探索奖 公 众 号。========1994年，世界卫生组织首次提出了“健康城市”的定义：一个不断开发、发展自然和社会环境，并不断扩大社会资源，使人们在享受生命和充分发挥潜能方面能够互相支持的城市。健康城市的一个重要方面，就是城市防灾减灾的设计与规划，它事关人民生命财产安全及社会和谐稳定。但以往的城市发展规划与实践，聚焦城市职能、产业空间、交通系统等的组织和优化，缺乏系统应对全国性重大疫情或灾害的防控规划及治理预案。2003年SARS疫情爆发之后，人们开始关注居住区域的健康安全问题，不过，这仅仅是基于“个体”的规划设计；而此次新冠肺炎疫情的爆发，则对城市“整体”的发展与规划理念提出更高要求。也就是说，在做好疫情常态化防控的前提下，如何确保城市运行平稳有序、不同城市之间的人口流动、各类生产企业复工复产等等。以疫情为鉴，我们该如何反思并改进城市整体的防灾体系，以科学的方式做好城市防灾减灾工作？清华大学陆新征教授从城市土木工程建设的角度，提出自己对城市防灾韧性及综合减灾对策方面的一些思考。陆新征清华大学土木工程系教授2019年“科学探索奖”交通建筑领域获奖人4R衡量的防灾“韧性” 2003年的SARS疫情扰乱了城市的正常运转，今年年初的新冠肺炎疫情再次让我国大部分城市几乎陷入停摆的状态，对各行各业的发展造成了较大的影响。这些“黑天鹅事件”暴露出了我国城市防灾系统的薄弱之处，因此，对于城市防灾工作不能停留在“头痛医头，脚痛医脚”的阶段。近年来，“韧性”（Resilience）成为国际减灾领域的一个关注焦点。其基本思路就是，在灾害发生时损失应尽可能的小，灾后恢复过程应尽可能的快。防灾韧性的基本理念我们可以用“4R”指标来描述一个城市的韧性，即Robustness，Redundancy，Resourcefulness，Rapidity。从四个维度对此次疫情影响进行剖析，可以窥见城市在应对突发公共卫生事件中的不足之处。Robustness（鲁棒性）主要指城市系统既有资源对灾害的抵抗能力。疫情集中爆发后，医疗系统首当其冲，大量重症病人迅速耗尽武汉和湖北其他城市的医疗资源，这表明作为城市功能重要组成部分的医疗系统鲁棒性不足。从其余省份病死率低于湖北可以看出，当医疗系统可以满足病患收治需求时，新冠肺炎病死率可得到较大程度的控制。Redundancy（冗余度）主要指城市各系统的备灾能力和替代解决方案。当既有资源鲁棒性不能满足需求时，应及时启动储备或引入替代资源来应对灾害。建设武汉火神山、雷神山医院以及方舱医院就是一个提供冗余度的方案，替代资源投入后，在收治病患方面确实取得了显著成效。因此，北京、上海、深圳等城市在疫情发生后迅速建设本地的集中救治医院，为防范本地疫情恶化提供了重要的防疫储备。Resourcefulness（资源可获得性）主要指城市在抵御灾害以及灾后恢复阶段的资源可获得性。这次新冠肺炎疫情还有一个突出的特点就是医疗人员和医疗物资的短缺，这给防疫工作造成了巨大的困难。Rapidity（快速性）主要指城市的灾害应急与快速恢复的响应时效性。这次疫情发生后，河南、浙江等地的高效反应有效地降低疫情在本地的传播与扩散，也充分体现出响应速度对灾情控制的影响。除了公共卫生外，城市面对其他灾害时，其韧性“4R”也很可能存在类似的问题。因此，韧性防灾理念对完善城市防灾对策具有重要价值：既需要在灾前准备的充足的鲁棒性(Robustness)和冗余度(Redundancy)，也需要在灾时具备足够的资源(Resourcefulness)和采取及时的对策(Rapidity)。 建设“可抵抗”的城市实际上，城市面临着多种多样的灾害，传染病只是其中之一。简而言之，城市综合防灾面临着“高聚集风险”和“防灾能力不足”两个方面的巨大挑战。首先，我们正在进行着历史上史无前例的城市化进程，大量人口涌入城市特别是大城市，进而带来了风险的高度聚集，而在未来很长一段时间内，这样的人口聚集趋势是经济和社会发展的必然规律。其次，我国仍存在大量的防灾短板和风险隐患，一旦灾害发生，“木桶效应”则会非常突出。在城市化带来的人口聚集风险还会继续上升的情况下，化解“防灾能力不足”的短板是保障城市健康且可持续发展的关键。特别是随着我国人口出生率的下降和老龄化的快速到来，建设新城市的需求会逐步下降，改善既有城市的安全、健康和生活品质的需求会不断增加。因此，提升既有城市的综合防灾能力，应成为未来基本建设的发展方向。建设防灾设施并通过不断更新来消除城市基础设施防灾短板，是提升防灾能力的有效措施。在城市建设和更新时，应当综合考虑多种灾害的防灾需求。例如，这次疫情后，很多城市会更新既有的医疗设施，但在部分地震高风险区，医院的建设除了考虑传染病以外，也可发挥其在地震后救援的功效。与此同时，很多城市都有灾害避难场所的建设规划，亦可考虑满足突发公共卫生事件时的需求，将其迅速改建为类似于方舱医院的临时医疗设施，从而实现“一次投资，综合防灾”这样更加高效的目标。虚拟灾难来的“考试”无论是提升城市的防灾韧性，还是提升综合减灾能力，都离不开科学可靠的“情景-对策”方法。例如，灾前可以开展多种灾害情景模拟，定量分析灾害可能造成的损失，通过成本收益分析，确定应该把城市系统的鲁棒性提升到何种程度，以及需要预留多少冗余度。灾害发生之后，也可以通过“情景-对策”分析，对不同灾后响应手段的后果进行模拟，优化灾后决策。要构建灾害情景，就需有相应的模型支持。模型可以分为“基于物理(Physics-based)的模型”和“基于数据(Data-driven)的模型”两大类。所谓“基于数据的模型”，是根据历史类似事件的经验总结规律，推演未来事件的发展。“基于数据的模型”在灾害应对工作中发挥了非常重要的作用，特别是随着大数据和AI等技术的发展，前景非常好。但由于我国城市的快速发展和面临灾害的多样性，历史灾害经验往往难以满足实际的需要。例如，自1976年唐山地震后，我国已经有44年没有在大城市发生强烈地震灾害，百米以上高层建筑等现代工程结构的震害资料几乎是空白。因此，需要在深入揭示灾害机理的基础上，建立“基于物理的模型”，为缺乏历史经验的灾害情景构建提供科学依据。例如，清华大学研发了基于非线性结构动力学的城市抗震弹塑性分析方法，采用此方法开展了北京CBD高层建筑群再次遭遇1679年三河-平谷8级地震的情景模拟。地震情景模拟放大50倍的效果图，参阅往期文章：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？国内的医疗工程建设同样面临着缺少经验的问题。在疫情期间，各地新建或改建集中治疗的医院，其中最著名的就是火神山医院和雷神山医院。为了防止病毒扩散，这些医院在室内暖通设计时采取了负压病房空气系统，并利用专门的排风系统向室外集中排出病房内受污染的空气。虽然排风系统针对含病毒空气采取了很好的过滤措施，但是由于建设期间对新冠病毒的传染机理认识有限，不能排除其通过排风口集中排放的有害气体是否会造成医院新风口及周围环境二次污染的风险。火神山医院不同设计方案下有害气体浓度分布图，参阅往期文章：武汉火神山医院病房有害气体的高空排放设计和分析通过“基于物理的模型”，可以快速准确模拟排风口污染空气的扩散机理，为医院建设的污染风险防控提供依据。城市的高速发展使得我们积累的灾害经验难以满足未来防灾减灾的需求。因此，只有深入开展灾害机理研究，构建更具有科学性和预测性的灾害情景模拟方法，并通过合理的“情景-对策”分析来科学应对灾害威胁，才可为未来城市的发展提供科技创新支撑。 【致谢】感谢清华大学方东平教授、李楠副教授、北京科技大学许镇教授、北京建筑大学解琳琳副教授、深圳大学熊琛博士、福州大学林楷奇博士，以及杨哲飚、顾栋炼、廖文杰、孙楚津同学等对本文写作的帮助。感谢中信建筑设计研究总院有限公司、中南建筑设计院股份有限公司、北京市建筑设计研究院有限公司等在新冠肺炎集中治疗医院污染风险分析上提供的支持。 项目介绍 “科学探索奖”（Xplorer Prize）是面向基础科学和前沿技术领域，支持在中国内地及港澳地区全职工作、45周岁及以下青年科技工作者的公益性奖项。作为一项长期运营的科技公益项目，腾讯基金会投入10亿元作为奖项的启动资金。 秉承“面向未来、奖励潜力”的项目宗旨，“科学探索奖”聚焦数学物理学、生命科学、天文和地学、化学新材料、信息电子、能源环保、先进制造、交通建筑、前沿交叉等九个领域，旨在奖励具备科学探索精神、潜心进行科学技术研究，并对国家未来发展有巨大推动作用的青年科技工作者。 2018年，腾讯成立20周年之际，“科学探索奖”由腾讯公司董事会主席兼首席执行官、腾讯基金会发起人马化腾，与北京大学教授饶毅，携手杨振宁、毛淑德、何华武、邬贺铨、李培根、陈十一、张益唐、施一公、高文、谢克昌、程泰宁、谢晓亮、潘建伟等知名科学家共同发起。 ---End---相关研究相关文章，在仿真秀官网搜索新论文：台风风灾对港口运营的经济影响：以中国港口为例新论文：中柱失效后混凝土板柱结构承载性能影响因素研究新论文：不同冲剪方向下板柱节点抗倒塌性能研究新论文：基于BIM与虚拟现实的建筑震后火灾救援场景模拟新论文：社区地震安全韧性评估系统及社区应用示范这栋楼是什么结构的，元芳，你怎么看？——大人，时代变了！|新论文：使用机器学习方法预测城市建筑结构类型新论文：次边缘柱失效后钢筋混凝土平面框架连续倒塌承载力的试验分析和计算评估新论文：基于集群计算的大跨斜拉桥精细有限元模型更新新论文：钢筋混凝土板柱节点冲切及冲切破坏后行为的数值模拟新论文：边柱以及边中柱失效后平板结构连续倒塌行为试验研究新论文：武汉火神山医院病房有害气体的高空排放设计和分析新论文：主余震作用下区域建筑震害预测方法新论文：城市抗震弹塑性分析的开源框架新论文：考虑劳动力资源约束的城市尺度建筑抗震韧性模拟和震后维修规划新论文：基于无人机与深度学习的建筑震害评估方法新论文：抗震&防连续倒塌：一种新型构造措施新论文：混凝土梁柱子结构连续倒塌动力效应的试验研究层间位移角判别准则不适用于剪力墙，怎么办？|新论文：基于曲率的剪力墙损伤评估方法新论文：结合BIM和FEMA P-58的建筑地震损失预测方法新论文：地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究新论文：扔砖头、跳盒子，这也是做科学试验哦！| 地震次生坠物情境中的人员疏散模拟新论文：改变框架-核心筒结构剪力调整策略对其抗震性能影响的研究综述：城市抗震弹塑性分析及其工程应用新论文：适用于多LOD BIM的建筑地震损失评估新论文：新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架承载力计算方法新论文：角柱失效后平板结构连续倒塌行为实验研究新论文：城市建筑群多LOD震害模拟及北京CBD算例美国NSF SimCenter+清华城市弹塑性分析=旧金山184万建筑地震模拟新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器新综述论文：21世纪建筑结构连续倒塌和鲁棒性的研究和实践新论文：中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究新论文：一根钢筋混凝土梁，承载力你能算对么？| 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