中学教学区地震救援仿真训练废墟设计策略研究

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地震救援的难点不仅在于地震灾害的突发性和强破坏性,还受到城市工程环境和场地使用状态的影响和制约。然而方法性指导和量化数据的缺失,引发了救援效率低下、二次灾害频发和管理混乱等一系列问题。鉴于地震应急救援的复杂性和专业性,近年来国际上以地震救援仿真训练废墟作为训练平台,利用高度仿真的灾场场景开展日常地震应急救援训练,增加救援者的实战操作经验。但由于长期的忽视与基础理论的缺失,以及数据收集与量化研究的技术局限,学术界针对地震救援训练设施的研究还不多见。  仿真训练废墟的概念起源于上世纪末发达国家对城市复杂工程环境的防灾减灾需求,其初衷是为了让救援者熟练掌握地震应急救援的行动流程及技术操作,同时利用高度仿真场景来模拟灾场特征,以接近实战的方式提升训练效果,做到仿真训练的针对性、科学性和专业性。本研究采用文献整理、卫星图像调研分析、地震模拟等方法,在系统研究我国地震应急救援实践的需要的基础上,运用跨学科的方法总结出中学教学区地震救援仿真废墟的实体形态、坠物场景和实训功能布置的设计策略,从定量和定性两方面完整准确地探讨了仿真训练废墟的设计问题。  首先,本文梳理了国内外各类文献中关于地震应急救援行动及其技术应用的记录,从地震风险、应急救援理论和灾场行动的特征入手,阐述了仿真训练废墟的功能要求与技术种类。指出了制约设计的四个影响因素:原型建筑用途及特征、建筑结构的倒塌特征、结构坠物的分布特征、安全保障与重复使用。总结了中学教学区的规模与面积指标、功能分区与空间特征、人行流线与活动规律等空间要素。然后,根据中学教学区的空间要素及仿真训练废墟的设计要求,阐述了针对中学教学区的调查与强震模拟实验方案,通过架构中学教学区地震灾损信息模型,界定了仿真训练废墟设计及实训功能所需的综合灾场信息、空间数据信息、模拟实验的设定及相关参数,从场地布局与建筑两个层面整合了综合灾场信息,为后续中学教学区强震模拟实验及相关设计策略的提出打下了基础。再次,运用有限元分析方法模拟教学楼结构在强震中的破坏与倒塌过程,通过分析模拟结果对比了不同工况下教学楼结构常见的倒塌特征及其触发机制,对典型教学楼结构倒塌形态及破坏规律的进行了总结,以模拟结果为例提出了提取仿真训练废墟实体形态的方法,并通过废墟结构优化、生存空间与藏人点界定解决了不同倒塌特征下各类废墟结构的稳定性与训练区域划分问题,提出仿真训练废墟的实体形态设计策略。持续输入地震动直至结构完全 倒塌以观察各算例结构坠物的产生过程及其对教学区场地的潜在影响,并通过对比不同地震动与平面布局影响下教学楼结构坠物的位移范围及分布状态,总结了教学区结构坠物的典型分布场景及灾场特征,以模拟结果为例阐述了提取教学区地震救援仿真训练废墟结构坠物场景并进行设计、优化的方法,提出仿真训练废墟的坠物场景设计策略,界定了可满足不同训练要求的坠物场景类型与情景设定思路。最后,根据前两个阶段提取的形态和灾场坠物布置信息,结合地震应急救援行动的流程及技术特征,充分挖掘不同废墟空间与坠物场景的利用潜力,在灾场仿真的基础上安全、可控地实现地震救援的训练目的,并通过一系列技术办法使仿真训练废墟达到功能与空间的完美统一。  本文属于建筑学、灾害学、计算机等学科的交叉研究,开创性地从建筑结构倒塌与结构坠物对场地影响两方面整合了综合地震灾场场景,建构了以往防灾减灾领域较少涉及的建筑——场地两者间的有机关系,拓展了地震救援训练设施的训练维度与仿真程度。同时为地震灾场仿真及训练设施设计领域提供了全新的研究视角与技术解决方法,为我国地震救援仿真训练废墟设计理论的确立及防震减灾事业做出贡献。
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