2020-04-01 01:01:02
城市的布局或纹理如何影响极端天气事件

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如果您曾经拒绝过一条只被空气炸毁的城市街道,那么您就踏入了所谓的城市峡谷。

就像它们的地质构造一样,城市峡谷是两个高表面之间的空隙,在这种情况下,是建筑物。但是,它们引导的阵风具有实际意义。它们可以根据自己的布置(称为城市纹理的布置)来放大飓风或提高城市的气温。麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)的研究人员认为,问题在于,目前的减灾实践并未考虑城市的质地。因此,他们经常低估损失,在某些情况下,损失可能高达三分之一。

重新考虑目前的做法

为了了解城市纹理的潜在影响,CSHub研究人员首先调查了当前的建筑实践。他们研究的实践之一是建筑规范。

根据联邦紧急事务管理局(Federal Emergency Management Agency)的说法,“建筑法规是一套规范结构设计,建造,变更和维护的法规。”其目的之一是通过指定建筑物的强度来保护建筑物的居民免受自然灾害的侵害。

为了使建筑物免受风灾危害,法规规定了建筑物必须如何与风相互作用,该值称为阻力系数。建筑物的风阻系数决定了它在风中时会遇到的空气阻力。随着建筑物的阻力系数增加,其损坏的可能性也会增加。

CSHub的研究人员杰克·罗克森(Jake Roxon)说:“设计规范假定建筑物的阻力系数是固定的。从某种意义上讲,建筑物的形状变化不大。” “但是,我们发现影响其阻力系数的不仅是建筑物的形状,还包括邻近建筑物的局部配置,我们将其称为城市纹理。”

城市纹理衡量在距给定建筑物一定距离处找到相邻建筑物的可能性。 Roxon通过在城市中的每栋建筑物周围绘制一定直径的圆环来进行计算。然后,他计算每个环中的建筑物数。

每个环中的建筑物越多,在该距离找到建筑物的可能性就越大。概率越高,局部纹理越有序和规则,而概率越低,则混乱和不可预测性越大。为了捕获整个城市的纹理,Roxon将每个建筑物的纹理平均在一起。

Roxon说:“平均而言,我们发现具有无序纹理的区域具有更大的弹性。” “如果您无法预测风将来自哪个角度,它将提供最大程度的保护。另一方面,对于具有相同建筑密度的有序城市,您可能会期望在极端情况下遭受更多破坏危险事件。”

无序的街道具有弹性的原因在于它们如何分配风。通过更随机地分配风,像波士顿或巴黎这样的无序城市在风穿过有序城市(如纽约)的走廊时,所经历的放大倍数就会减少。在某些情况下,Roxon发现,具有更多有序纹理的城市可以将飓风从3类放大到4类。

在2017年飓风艾尔玛期间(穿过西佛罗里达州),城市纹理对阻力系数和风荷载的影响尤为突出。

CSHub与Roxon合作的研究人员Ipek Bensu Manav解释说:“纹理效果的一个例子是Irma期间佛罗里达州的Sarasota和Lee县。” “这些县在地理位置上彼此靠近,因此遭受飓风的风险也很类似。当您查看建筑存量时,它们也很相似-主要是单层和两层的单户房屋。”

但是,两个县的质地不同。

“萨拉索塔县的质地较不规则,落在典型的网格上的次数较少,而李县的质地较有序,”马纳夫说。 “在查看李县时,我们看到了更多的结构破坏-一些建筑物完全倒塌了。还有更多的洪水和植被倒塌。因此,艾尔玛在该县造成了更多破坏,具有更高的纹理效果。”

事实也证明,有序纹理对热量的影响类似。

Roxon说:“我们发现温度也是这种情况,特别是城市热岛效应。” “有序城市在夜间与农村环境之间的温差最大。”

代码破解

那么,如果街道的布局对危险性破坏有很大影响,为什么建筑规范就不考虑这些危害呢?

简而言之,目前合并它们太困难了。

目前,用于研究建筑物阻力系数的标准工具是计算流体动力学(CFD)。 CFD仿真通过对热风流进行建模来测量建筑物的风阻系数及其危险风险。尽管CFD模拟非常准确,但仍需要大量的时间和大规模的计算需求。

Roxon说:“利用现有资源,CFD模拟根本无法在城市规模上发挥作用。” “例如,纽约市有超过一百万座建筑物。运行模拟将花费很长时间。如果仅对建筑物的布置或风向进行一点调整,则必须重新运行模拟。 ”

尽管存在缺陷,但CFD模拟仍然是了解风流的重要工具。但是Roxon相信他的城市纹理模型可以弥补CFD的局限性,并在此过程中使城市更具弹性。

“我们发现,某些从城市纹理中得出的变量使我们能够相对准确地估算建筑物的阻力系数,并确定易受损坏风险的区域。然后,我们可以运行CFD模拟来确定损坏的确切位置。发生。”

本质上,城市结构是利益相关者的一线工具,使他们可以评估风险,然后更有效地利用其资源(包括差价合约)来识别脆弱的建筑物以进行改造,从而挽救生命。

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除了丧命之外,自然灾害还会造成巨大的经济损失。根据国家海洋与大气管理局的数据,自1980年以来,美国共发生258起自然灾害,造成超过1.75万亿美元的损失。

尽管许多实践可以预测并减轻这些成本,但Manav发现它们仍然留在桌子上很多东西,即城市风貌。

通过与Roxon的合作,她发现通过忽略社区特征(例如城市纹理),当前的模型通常会大大低估损失。

为使飓风遭受损失,Manav再次将目光投向了佛罗里达州的萨拉索塔和李县。她根据年度预期灾害事件的第95个百分位数,对每个县进行了常规损失估算和城市结构调整后的损失估算,这相当于一些最强的飓风,例如Irma。她发现,将城市结构纳入估算时,预期损失会增加。在李县,增长尤为明显,其有序的纹理可能会放大风荷载。

“在萨拉索塔县,考虑到城市风貌,预期损失从平均房屋价值的1%增加到6%,” Manav说。 “但是对李县这样做,我们看到的损失额要高得多,大约相当于平均房屋价值的9%。”

因此,如果不考虑城市的质地,这些传统的估计就大大低估了损失。这使居民没有意识到他们的危害风险,因此使他们容易受到伤害。

抵御灾害的动力

这些损失估计值令人震惊,Manav希望它们可以帮助社区变得更具抗灾能力。

她指出,目前,抗灾能力尚未得到广泛实施,因为大多数人仍未意识到其成本效益。

她说:“未实施减轻危害措施的一个原因是,其益处没有得到充分传达。” “显然,要建立更好的标准是有成本的。但是要平衡这些成本,则可以减少危害事件后维修成本的好处。”

这些减少的损坏成本是巨大的。

选择更坚硬的木瓦,改善屋顶与墙体的连接以及增加百叶窗和抗冲击窗户等简单的动作,就可以减轻危害损害,足以在像佛罗里达州沿海这样容易发生危害的地区,在短短两年内收回成本。

Manav和Roxon通过使用城市纹理来计算危害成本,希望房主,开发商和政策制定者将选择实施这些相对简单的做法。 唯一的关键是使其激励措施广为人知。

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