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方东平:城市韧性——实体 · 社会 · 信息

导读

2021年9月29日,作为2020/2021中国城市规划年会暨中国城市规划学术季的重要活动之一,由中国城市规划学会城市安全与防灾规划学术委员会承办的“专题会议二十一:提升城市治理能力,建设防灾韧性城市”在线上成功举办。方东平教授作了题为《城市韧性——实体·社会·信息》的报告,主要从灾害与韧性城市、城市的三度空间、清华大学团队的相关研究成果等三方面进行了分享。


方东平

清华大学土木水利学院院长、清华大学未来城镇与基础设施研究院执行院长、教授


一、灾害与韧性城市

方东平教授指出,谈韧性离不开灾害,没有灾害对城市的冲击,就没有韧性的问题。中国是一个人口大国,在过去的一二十年里经历了大量自然的、人为的、社会的各种各样的灾害冲击,韧性对中国来说变的更加重要。目前关于韧性城市的定义各种各样,2017年在《土木工程学报》上我们给出的定义是:

城市韧性是城市系统及其各子系统受到扰动时可以维持或者迅速恢复,并通过适应来更好地应对未来的不确定的能力。

这里面有几个关键词,一个是扰动,扰动其实就是灾害。另一个是维持或迅速恢复,受到扰动可以维持系统的运转,可以尽快地恢复。当然,随着研究和认识的不断深入,这个概念也在不断的深化,过一段时间可能就有更好的定义出来。

另外,我们可以用下图来做一个解释,韧性可以看成一个过程。在时间轴的左端,也即灾害来临之前做了很多的准备,以地震灾害为例来说就是抗震设计,使城市工程能够抵抗一定的灾害打击,但是不可能做到所有规模的地震都可以抵抗,特别是大地震发生之后,城市系统中不管是建筑还是生命线系统还是其他的基础设施都会有一定程度的损害。所以有一个功能下降的过程,纵轴则体现的功能。同时,灾后生产、生活要恢复,所以恢复的快慢对老百姓和城市来说都是至关重要的。因此,韧性,相较于安全,最重要的一个不同,就是强调了恢复阶段的一系列特征。


韧性概念示意图


二、理解我们的城市

研究城市韧性首先需要深刻理解城市。城市不是建筑与基础设施的简单集合,人类的活动、信息的流通都是城市的重要组分,城市可以看做是由物理、社会、信息组成的“三度空间”。三度空间中最直观的是物理空间,其涵盖所有可见的除人以外的自然物体与人工物体,如自然环境、基础设施、建筑等。社会空间是城市区别于“建筑群”的关键要素,是指人及人类活动所组成的空间,包括经济、文化、教育、医疗等。同时,随着社会的不断进步,城市的运转越来越离不开信息技术,互联网技术、BIM(建筑信息模型)、GIS(地理信息系统)、大数据、人工智能等技术日益改变着人们的生活方式。在经历城市化的同时,城市也在经历着“信息化”,信息对于现代城市来说已经不可或缺。因此,除物理空间、社会空间外,现代城市还具有信息空间。信息空间是指各类信息流所组成的空间,包括人们之间的沟通信息、互联网信息等。物理、社会、信息三度空间共同组成了整个“城市空间”。


三度空间视角的城市


从另外一方面来看,城市是一个系统的系统,也就是由大大小小的系统组成的一个复杂的系统,包括基础设施系统,如交通、通讯、电力、水资源等,包括服务性的系统,如食物、教育、医疗、金融、政府管理等。更重要的是这些复杂系统是相互关联、相互作用、相互依存的,这种依存导致了城市的复杂性。如果我们把这样一个复杂系统放在三度空间中,就得到了对城市的理解,就是所谓三度空间中“系统的系统”这样一个概念性的模型。


三度空间中“系统的系统”


三、团队研究成果

1、总体研究框架

关于韧性城市的研究思路不仅仅局限于科学与工程的范畴,同时关注社会与经济的知识,通过系统的系统概念,并通过大数据、城市计算等新的手段来打造一个未来城镇与基础设施开放式的研究与应用平台,希望通过大量数据支撑的研究,来为城市未来的发展做出贡献。

因为城市是以人为中心的,城市的一切功能都是为人服务的,所以通过对实体的一系列系统的研究,从实体走向社会,为整个社会服务,为城市服务。目前开展的一些具体工作有几个方面:基础设施的韧性、医疗系统的韧性、经济系统韧性,最后集成起来基于北京的抗震韧性城市行动计划做了一个社区韧性的研究,整个研究遵循这样的一个逻辑框架。


总体研究框架


2、实体基础设施韧性

实体基础设施韧性可以按照从感知到管理,分为五个方面。第一方面是传感器的研发,能够感知灾害对城市的影响,甚至在灾后没有能源供应的情况下也可以搜集相关的信息,为后期的决策提供支撑。第二方面基于传感的信息,设计与优化传感网络,把这些信息集成并且传输到数据平台。第三方面是基于数据和已有的物理模型进行韧性数据的融合分析和建模,可以实现对地震、火灾和风灾等的模拟。第四方面是基础设施的耦合机理的韧性推演,研究不同系统在灾害情况下的各种反应以及各系统之间的相互影响,推演什么样的灾害在哪些节点上会导致更大的冲击,便于采取对策避免不利事件的发生来提升其韧性。最后上述的研究都是为了提升整个城市的韧性来保证人的生命安全和生存条件,因此最后一方面是基于情景推演来进行韧性方案的比选,为城市韧性提升来做更优化的决策。


韧性视角下智慧城市基础设施系统安全与防护基础理论与关键技术


3、医疗系统的韧性

医疗系统在城市灾害的时候,特别是地震灾害的时候尤其重要,不但是救治伤员的地方,同时也给所有的老百姓建立信心。一方面是灾害发生以后,怎么把伤员从受灾的地点运到医院,同时考虑伤员的类型,并用主体模型来模拟整个院前的救治过程。另一方面,伤员送到医院以后,对整个的医疗过程进行系统动力学模型的构建,这个过程要考虑医院和外面的供电、供水结合起来,模拟外部的医院包括医护人员、医疗物资等等的一些资源需求之间的关系。最后,通过模型可以对地震灾害的组织韧性进行模拟,综合这些因素就可以对一个医院的整个韧性过程进行数值模拟,通过改变系统中相关的参数可以发现医疗系统韧性的变化,可以为当地的城市医疗系统规划提供服务。


医疗系统地震韧性定量评估与提升方法研究


4、经济韧性

首先把经济损失进行分类,分为直接经济损失和间接经济损失,任何一个灾害都是由于建筑、供水、供电等物理系统的失效引起的,然后会影响到生产环节以及后面的流通,这是受灾的一个链条。基于灾害全过程的停减产损失建模和预测框架,可以进一步分析哪些因素在灾后对企业的停产影响较大,分析表明房屋破坏和基础设施服务中断是企业停产的最主要因素,这样的损失也会影响到整个的供应链。


停减产损失起因


5、社区韧性

基于北京市抗震韧性城市建设行动计划,对一个社区各个系统进行了研究。首先是提出了社区结构的模型,由实体基础设施,社会基础设施来服务整个社区居民的需求。从俯视图看整个的结构可以分为“一核两壳”,其中一核是指社区居民及其形成的网络关系,两壳分别为城市中社会基础设施类型及其关联关系以及城市实体基础设施类型及其关联关系。灾害首先打击的实体基础设施,进而对教育、文化、家庭、经济的运作产生影响,最后对社区居民生活造成影响。同时,从供给和需求的角度灾害的影响是全方位的,对社区的韧性建立了相应的指标体系,并对每一个指标做了量化,即可以用来对社区韧性进行系统的评估。


社区模型结构


四、总结

上述一系列的研究只有一个目的,就是希望在下一次灾害来的时候,城市能够有更好的韧性,韧性需要一系列的深入的研究,来为韧性提升方案的制定提供支撑。在韧性整个周期的四个阶段里,城市要在物理空间、社会空间和信息空间上做大量的工作,才可以真正对城市韧性或者是安全性和恢复的能力有一个显著的提升,所以该项工作实际上是非常复杂的,而且不完全限于技术性的工作,还有大量的管理和治理方面的工作。


供稿单位:中国城市规划学会城市安全与防灾规划学术委员会

编辑:shiruyu
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