美国NSF SimCenter+清华城市弹塑性分析=旧金山184万建筑地震模拟
美国国家科学基金(NSF)重大项目"多灾害模拟中心(SimCenter)"采用清华大学研发的城市抗震弹塑性分析方法，完成旧金山湾区184万建筑的震害模拟
1906年4月18日，美国旧金山市(San Francisco City)遭遇了一场Mw 7.8级的大地震，造成旧金山市80%的城区被毁，超过3000人死亡。
图1 1906年大地震造成旧金山市80%的城区被毁(图片来源：维 基 百 科)
1906年旧金山大地震是美国伤亡人数最多的地震之一，产生了深远的影响。同年12月，美国地震学会(Seismological Society of America)成立，加州伯克利大学的Lawson教授(开创伯克利地震实验室)、斯坦福大学的Branner教授(开创斯坦福地震图书馆)、加州理工的Wood教授(开创加州理工地震实验室)等一代杰出科学家开始登上历史舞台，地震科学的研究进入了一个新的篇章。此后，在周围加州伯克利大学、斯坦福大学、北加州结构工程师协会、应用技术委员会(ATC)、劳伦斯国家实验室等研究和工程机构的支持下，美国旧金山市在世界防震减灾领域一直居于领导性的标杆地位。
图2 Lawson，Branner 和 Wood教授(图片来源：Wiki及Caltech)
图3 美国旧金山市在世界防震减灾领域一直居于领导性的标杆地位(图片来源：sfgov.org)
美国国家科学基金(NSF)近期启动了为期5年的NHERI (Natural hazards engineering research infrastructure)计划，预期投资6200万美元，重点支持8个多灾害物理实验中心及一个多灾害计算模拟中心的建设和研究（关于物理实验中心的简介请参阅：美国基金委4千万美元多灾害试验研究中心竞争结果公布）。2016年美国NSF批准由美国加州伯克利大学(UC Berkeley)领导多灾害模拟中心项目(即SimCenter) (关于SimCenter的简介请参阅：美国科学基金委新资助的多灾害模拟中心SimCenter简介)。 
图 4美国国家科学基金(NSF) NHERI (Natural hazards engineering research infrastructure)计划
在SimCenter的研究规划中，一直将“模拟社区韧性(Simulating Community Resilience)”作为重要研究内容，计划深入研究城市在地震、飓风等灾害下的破坏模拟方法和韧性对策。因此SimCenter选择旧金山湾区(San Francisco Bay Area)(图5)作为SimCenter的应用示范区域，同样比例尺下旧金山湾区和北京的地图对比如图6所示。
图5旧金山湾区(San Francisco Bay Area) (图片来源：yicai.com)
图6 同样比例尺下旧金山湾区和北京地图对比
旧金山湾区地震模拟的具体工作分工为：由劳伦斯-伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)负责模拟Hayward断层7.0级地震的地面运动，由加州伯克利大学和UrbanSim等机构负责收集旧金山湾区近200万栋建筑的信息，由清华大学负责将其研发的城市抗震弹塑性分析程序加入SimCenter的模拟框架(Workflow App)，并完成湾区建筑的地震响应分析。有关城市抗震弹塑性分析方法的简介可以参阅：
按照上述安排，清华大学团队整理了：
(1) 清华大学硕士研究生韩博研发的城市抗震弹塑性分析程序(详见论文A coarse-grained parallel approach for seismic damage simulations of urban areas based on refined models and GPU/CPU cooperative computing. Advances in Engineering Software, 2014)
图7 SimCenter Workflow App中韩博研发、曾翔整理的城市抗震弹塑性分析程序
(2) 清华大学博士研究生曾翔研发的性能化震损预测程序(详见论文Application of the FEMA-P58 methodology for regional earthquake loss prediction, Natural Hazards, 2016)
图8 SimCenter Workflow App中曾翔研发的性能化震损预测程序
(3) 清华大学博士研究生熊琛研发的可视化程序(详见论文Building seismic response and visualization using 3D urban polygonal modeling. Automation in Construction, 2015)
并建立了上述程序与SimCenter Workflow App的JSON数据接口。
2017年11月，SimCenter向NSF及相关部门汇报了其关于美国旧金山湾区遭遇Hayward断层7.0级地震引起的建筑震害模拟结果(图9)。
图9 SimCenter汇报美国旧金山湾区遭遇Hayward断层7.0级地震引起的建筑震害模拟结果("The SimCenter Regional Earthquake Simulation workflow is a workflow application that uses the results of a simulated magnitude 7.0 earthquake on Hayward fault to make a determination of downtime & loss for every building in the San Francisco Bay Area.")
首先，美国劳伦斯-伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)国家能源研究科学计算中心利用其29.1千万亿(Pflops)次超级计算机，设定Hayward断层(图10)发生了一场M 7.0级地震，模拟得到了旧金山及周边100 km×100 km×30 km区域的地震动传播过程，以及地表各个网格点处地面运动(图11)。该模拟工作具体介绍参阅：美国国家能源研究科学计算中心完成百亿亿次级近断层地震地面运动模拟。
图10 Hayward断层(图片来源sfbayquakes.org)
图11 M7.0 Hayward断层地震10秒时地面速度分布(图片来自LBNL)
与此同时，加州伯克利大学和清华大学团队共同完成了分析对象区域1,843,351栋建筑的数据整理工作(图12和图13)。(花絮：由于建筑数量太多，ArcGIS软件悲催死机，我们不得不另找解决途径GIS平台问题)
图12 分析区域建筑年代分布
图13 分析区域建筑层数分布
基于以上区域建筑信息及地震动信息，清华大学团队曾翔、程庆乐等研究生和SimCenter团队采用城市抗震弹塑性分析方法，对目标区域184万栋建筑进行了震害模拟。
首先根据不同建筑的实际位置，将劳伦斯-伯克利国家实验室模拟得到的不同地点的地震动输入相应的建筑物，图14a给出了旧金山泛美大厦(Transamerica Pyramid)输入的地震动时程记录(网格点S_27_28)，图14b给出了旧金山One Rincon Hill输入的地震动时程记录(网格点S_28_28)，图15为每栋建筑输入的PGA的分布。
(a) 网格点S_27_28地震动时程
(b) 网格点S_28_28地震动时程
图14 不同地点输入的地震动时程记录
图15 每栋建筑输入的地震动时程PGA分布
而后，利用SimCenter Workflow App中的数据准备模块，将建筑信息和地震动信息转化成JSON格式输入文件。逐栋建筑完成弹塑性时程分析后，再将相应的计算结果输出到JSON文件中。(花絮：由于SimCenter Workflow App加入了大量的文件I/O而严重影响了运行时间，导致所有184万栋建筑的计算需要数天时间才能完成)
图16给出了本次分析得到的建筑损失比中位值的分布图，图17给出了建筑修复时间中位值的分布图，图18给出了震后将贴“红标”(Red Tag)的建筑分布(已对重灾区建筑物做了图片模糊化处理)。
图16 分析区域建筑损失比中位值分布
图17 分析区域建筑修复时间中位值分布
图18 分析区域“红标”(Red Tag)建筑分布
为了对震害结果进行更真实感的展示，对旧金山中心城区(图19)进行了弹塑性时程分析结果的动态可视化。
图19 3D可视化涉及的旧金山中心城区
图20给出了计算得到的旧金山中心区域地震可视化场景，不同的颜色代表建筑位移的大小。
(a) GIF动画
图20 旧金山建筑地震场景模拟
需要说明的是， 2016年初，中国地震局就和清华大学合作完成了太原市示范区约4万栋建筑基于城市抗震弹塑性分析的震害模拟及可视化工作，其关键技术与本次旧金山湾区震害模拟基本相同。
1937年，刘恢先先生从美国博士毕业，而后返回战火纷飞的中国，先后在浙大、西南联大、清华任教，创立中国地震局工程力学研究所，成为中国地震工程学的奠基人之一。80年过去了，沧海桑田。
本研究工作在过去十余年先后得到以下项目的支持，在此表示诚挚感谢。
[1] 国家自然科学基金(51578320)、基于多尺度和分布异构计算的城市建筑群地震灾害情景模拟与损失预测
[2] 国家自然科学基金(51222804)、高层建筑抗震
[3] 国家自然科学基金(51178249)、基于GPU/CPU 协同计算的城市建筑群震害模拟
[4] 国家自然科学基金-美国NSF联合资助项目(51261120377)、可恢复功能超高层建筑结构及其性能化抗震设计研究
[5] 国家十二五科技支撑计划(2013BAJ08B02)、基于并行计算与地理信息技术的城市建筑震害仿真技术
[6] 中国地震局地球物理研究所基本科研专项(DQJB14C01)、太原示范区重要建筑和一般建筑震害数值模拟及可视化
[7] 国家十二五科技支撑计划(2015BAK17B03)、超高层建筑地震破坏模拟与预测
[8] 国家“十一五”科技支撑计划(2009BAJ28B01)、特大地震下钢筋混凝土框架结构抗倒塌关键技术研究
[9] 国家“十一五”科技支撑计划(2006BAK01A02)、台风、地震XX等重大自然灾害耦合及其引发建筑和工程设施破坏的XXXX技术
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
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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
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