【原】开源 |“场地-城市效应”模拟程序＆建筑抗震韧性评价程序

陆新征课题组 2021-02-21

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前言

转眼一年又过去了，又到了”512“。非常感谢这一年来国内外的师长、朋友们的帮助和支持，使得我们课题组可以做一点点力所能及的科研工作。但是，我们课题组的力量无疑是非常微小的，汇集众人的智慧，群策群力才可以推动抗震减灾事业前进。

此前我们接触了几个国外的科研项目，例如OpenSees、SimCenter等，对这些项目中的开源平台非常感兴趣（参见：全部开源！美国国家科学基金多灾害模拟中心SimCenter发布四款新软件）。一方面，计算模拟已经成为各个科研领域，包括防灾减灾领域，必不可少的研究手段。另一方面，传统的研究传播工具，如论文等，实际上已经越来越难以满足计算模拟领域的需要。做过计算模拟的朋友们都知道，一个计算模拟的成果，不仅牵涉到有相关的理论模型，还有大量的程序开发、调试，以及算例、参数设定等工作。动辄成千上万行代码以及数以MB甚至GB的数据文件，实在不是几页十几页论文纸面上可以说得清楚的。更重要的是，科学演进的规律就是继承和发展。再好的计算模拟方法，如果离开了相应程序的支持，那么读者不仅非常难以学习，更难以在其基础上发展进步。从而导致一方面很多成果不幸被白白浪费，另一方面很多研究者又不得不花费大量时间重起炉灶从零开始。而最近20多年在计算机领域得到广泛拥护的开源项目，为解决上述问题提供了很好的手段，特别是Github等代码管理平台的推出，为开源项目的开发、维护提供了非常良好的手段。因此，在我们课题组以往工作的基础上，我们今年想尝试推动两个开源的项目，希望能为国内外相关领域的研究者，提供一点点可供参考的资料和素材。当然，我们课题组本身水平就很有限，加上并非软件工程科班出身，研究产出和代码水平都难免贻笑大方。希望各位专家朋友不吝批评指正，更希望对相关工作感兴趣的同仁能够一起共同研究。我们提供这些程序的目的，就是希望成为各位同行推动防灾减灾事业进步过程中的一粒小小的“铺路石”。

一：“场地-城市效应”模拟程序

我们介绍的第一个程序是“场地-城市效应”模拟程序。去年我们课题组曾经介绍过相关工作（详见：发了那么多SCI，有兴趣了解一下“SCI效应”么？ | 新论文：考虑“场地-城市效应”的区域建筑震害数值模拟方法）。简单说，就是希望建立一个计算环境，把地面以下的土体和地面以上的建筑群放在同一个数值模型里面，从而考虑其相互作用。

什么是“场地-城市效应”？这套程序与以往的区域建筑震害分析方法有何区别？是否有必要如此大费周章的将它考虑进来？

所谓“场地-城市效应”，是指地震作用下城市区域内建筑结构与场地之间的相互作用，这一效应的存在对建筑与场地的地震响应均可产生不同程度的影响。实际上，早在上世纪90年代，人们发现1985年墨西哥Michoacan地震中记录下了无法单纯用场地效应来解释的长周期地面运动。于是在1996年，Wirgin与Bard发表论文指出，“场地-城市效应”可能对上述非正常现象提供较为合理的解释。在接下来的时间里，国际上相关领域的学者不断从理论、试验和模拟等途径出发，试图揭示“场地-城市效应”的机理，并希望在实际城市场景中加以应用。从理论上讲，“场地-城市效应”包含了场地效应、“土体-结构”相互作用、“结构-土体-结构”相互作用等复杂问题，严重增加了研究难度。但是，目前已有的研究不断地说明了“场地-城市效应”在实际城市场景中的重要意义。例如，美国国家工程院院士J. Bielak的研究结果表明“场地-城市效应”对地面运动的改变可以达到30%左右甚至更多 (Coupled Soil-Structure Interaction Effects of Building Clusters During Earthquakes. Earthquake Spectra)。尤其是在当今城镇化快速发展的大背景下，城市中矗立着密集的建筑群（如图1），使得“场地-城市效应”在城市震害分析中已经无法再被忽视。但是以往的方法往往直接选取自由场地地面运动作为建筑的地震动输入，忽略了建筑与建筑之间以及建筑与场地之间的相互影响。

图1 各大城市均存在大量密集建筑群

因此，针对上述需求，我们与香港科技大学王刚教授团队合作进行了深入研究，并提出了一套适用于城市震害分析的“场地-城市效应”耦合数值模拟方法。简单来讲，该方法采用已经广泛使用的非线性多自由度集中质量层模型来模拟建筑的地震响应，采用SPEED程序（一款开源谱元程序）计算地震波在场地中的传播，通过建筑与场地边界之间的数据交互（建筑从场地获取加速度输入，场地从建筑获取反力边界），实现“场地-城市效应”的模拟。上述原理如图2所示，我们也欢迎读者查阅相关论文进行深入了解。

(https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/eqe.3108)

图2 “场地-城市效应”耦合数值模拟方法

目前该程序已经被集成到了美国国家科学基金 (NSF) 的重大项目“多灾害模拟平台SimCenter”系统内。我们也同时将该程序的简化版本开源到GitHub中(https://github.com/research-group-of-Xinzheng-Lu/SCI-effects-simulation.git )。在该项目中，我们提供了相应的详细输入输出案例说明，供大家了解使用。与常规的区域震害模拟不同，该程序不直接使用自由场地地面运动作为建筑输入，而是通过地震波的传播模拟同时进行一定场地范围内建筑与场地的时程分析，并给出建筑的破坏情况。

举个例子

如图3所示，假如我们想分析新北川县城，我们首先需要了解分析区域内的建筑信息、场地信息、以及地震波输入（比如从场地基岩处输入的地震波时程，需要与场地模型匹配）。有了这些基本数据，就可以使用我们的程序进行考虑“场地-城市效应”的震害计算，从而获得场地表面运动响应以及建筑的破坏状态。基于这些计算结果，采用不同的可视化手段，就可以生动形象的了解震害情景。我们欢迎广大读者共同探讨并提出宝贵意见。

图3 “场地-城市效应”分析案例示意

二：“建筑抗震韧性”评价程序

近两年来在各位同仁的大力支持下，《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T 19106-2019）已经到了报批阶段（参见：国标《建筑抗震韧性评价标准》编制启动会于11月23日在清华大学召开）。该标准提供了一套标准化的评估方法，可以对符合现行抗震标准的建筑，进一步给出由☆（一星）至☆☆☆（三星）的不同抗震韧性等级，从而使得抗震韧性更好的建筑，能够以一个更加通俗易懂的方式介绍给业主和用户。进而提升抗震减灾工作的社会关注度，推动多方面资源投入抗震减灾事业。当然，完成一个建筑的抗震韧性评价需要一系列复杂的计算分析工作，自然离不开相应的计算程序的支持。

为此，我们课题组基于《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T 19106-2019）韧性评价方法的框架和实现过程，针对其中的3个主要步骤：弹塑性时程分析，蒙特卡洛模拟和构件损伤状态确定，采用C++程序语言，完成适用于一般建筑抗震韧性评价的程序开发，并结合该程序，对一栋简单的七层钢筋混凝土框架和一栋100m的钢筋混凝土框架-核心筒结构进行韧性评价，给出构件层次的损伤状态。

因时间有限，目前程序适用于框架和框架剪力墙结构的韧性评价，仍处于开发完善阶段。希望各位专家朋友不吝批评指正，更希望对相关工作感兴趣的同仁能够群策群力，将“建筑抗震韧性评价”程序不断完善。

程序框架