中国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带，地震烈度7度以上区域超过国土面积的2/5 ^[1]，是世界上地震活动最频繁的国家之一^[2]。尤其在中国经济发展和城镇化程度迅速提升的时代背景下，城市人口集聚，土地利用率攀升，地震灾害为城市生命财产带来的潜在威胁不容小觑。中国传统地震应急救援行动往往存在3大难点：1)由于地震的突发性和破坏性，灾场情况十分复杂，建构筑物的倒塌废墟和结构坠物破坏了区域的交通可达性，难以在大范围、短时间内形成对灾害的有效评估和应对策略的迅速决断；2)大震巨灾发生后，往往伴有余震、火灾、爆炸和其他衍生灾害，危险意识薄弱和专业训练缺失可能导致救援过程出现严重的次生灾害；3)地震应急救援行动的时效性十分突出，在资源有限的条件下没有试错机会，精准的决策能力和专业的技术操作是应急响应阶段发现和抢救生命的仅有保障。但是，由于传统灾害学研究的方法局限和数据缺失，中国传统应急救援的训练方式还停留在以人海战术和手工操作为主的阶段，不仅对埋压者和施救者形成安全隐患，搜救效率也十分低下。本研究基于中国地震应急救援行动的特点，通过灾场仿真和灾情推演，为地震应急救援的实训功能设计提供理论支撑。

1 地震应急救援目标优选与灾场评估 1.1 救援目标优选

根据国际上通行的地震应急救援行动准则，正式开展救援行动前的首要工作是对灾场中建构筑物目标的救援价值进行评定和筛选，通过汇集初步的现场勘查信息形成快速决策，从而制定出区域内建构筑物备选目标的搜索营救次序。由于地震灾害波及范围较广、受损的建筑物数量多，中国应急救援队通常在划分责任区域和搜索路径后，采用“救援五步法”来完成预估幸存者人数、判断是否有严重危险源、判断被埋压者的可达性、评估实施救援行动难度和建筑结构的损伤程度。可见，救援目标优选的实质是采用最小的时间成本和风险代价营救尽可能多的幸存者，因而单位耗时内待营救人数最多而行动难度较低的目标建筑具有较高的优先级。但是，学校和医院作为特殊建筑，不论灾损情况如何，都具有区域内最高的优先级。同时，出于人道考虑，中国执行“效率优先与兼顾公平”^[3]的行动伦理，即行动过程中先发现的幸存者一律优先救援。王恩福等^[4]作为中国地震应急救援专业队伍的组建者，曾指出鉴于行动耗时与生存率的密切关联，大震巨灾中救援行动的决策者平均只有15 min时间来决定区域内各个目标建构筑物的优先次序。救援目标的优选结果作为行动的总体实施纲领，是“黄金72 h”内制约整体救援效果的决定性因素，几乎没有容错空间。

1.2 灾场危险性评估

在完成初步现场勘查和救援目标优选的基础上，需要搜索救援任务的执行人员开展更为深入的灾场危险性评估，为后续救援行动完成几类基础工作：1)排查有毒物质、易燃易爆危险源并标注应对措施；2)排查目标建筑结构的安全隐患，对危险区域标注支护方案；3)标记搜救人员进入目标建筑的适用位置和撤离路径；4)行动方案建议。可见，灾场危险性评估的目的是针对目标灾场的现状进行细致梳理，通过对灾损信息的收集和分析为后续行动方案的制定提供依据，确保行动的安全、精准和高效。美国国土安全部于2011年颁布的《灾场建筑物稳定与支护技术》(Field Guide for Building Stabilization and Shoring Techniques)提出了强震后灾场危险性评估的标准及常见应对措施，尤其针对余震和其他次生灾害的安全隐患，提出规避建筑结构再次坍塌、结构构件移位的行动规则和适用技术^[5]，经整理后如表 1所示。在国际现行评估体系框架下，中国将危险物质排查置于评估流程的重要环节，同时规定有3类情况是暂时禁止救援人员入场行动的：1)正在发生火灾和随时有爆燃可能的建筑空间；2)已探明有毒或其他危险物质的建筑空间；3)结构严重破坏随时有倒塌可能的建筑空间。

1.3 安全韧性影响

Mayunga将“资本”理解为韧性系统在承受外力打击下可以调动的资源储备，而通过5种“资本”形态可以量化灾害下系统的安全韧性，即社会资本、经济资本、物质资本、人力资本以及自然资本^[6]。鉴于城市的客观条件相对固化，Cutter等提出“组织韧性”的概念，通过梳理城市的灾前准备力、灾中反应力、灾后改变力、学习力与成长力、组织有效性等软性条件建构了城市安全韧性评估体系，强调了城市韧性系统中应急响应形式对整体防灾减灾能力的制约作用^[7]。

可见，目标区域的安全韧性特征不单由城市系统的物理环境决定，对灾场环境的精准预判能力、应急力量的介入方式等软性条件同样对城市系统的安全韧性产生不容小觑的影响。本研究从应急救援理论出发，对目标场地进行灾情推演和灾损预判，为目标灾场的安全韧性分析提供依据。

2 地震灾情推演与安全韧性分析 2.1 强震仿真模拟与灾情推演

本文的模拟实验思路是：针对中国中学教学楼建筑形式和结构设计参数开展调研，以4个教学楼典型平面为基础建构了算例模型，分别输入初始振幅不同的El-Centro波、Koyna波和一条人工波共3组地震动，最终组成12个实验对比组，模拟强、中、弱3种程度的地震致灾效果^[8]。观察算例模型主要功能空间的变化过程、结构稳定性特征等灾损发展情况，以结构构件发生大位移为判定标准，通过分析建筑结构在灾变过程的空间变化和位移特征，探索了中学教学楼建筑在地震作用下的常见灾损场景及其致灾机理。图 1为“一”字形平面教学楼在El-Centro地震波作用下的常见灾损场景及其致灾机理(文中U₁、U₂和U₃轴分别对应图 1图例中的x、y和z轴)。从图 1中可以观察到结构破坏的起始位置、结构构件破坏失效的次序、主要功能与交通空间的变形和破坏方式，以及各结构构件应力变化和时间节点信息。

2.2 基于幸存者分布预估的安全韧性分析

建筑倒塌过程的仿真模拟分析，虽然可以在一定程度上揭示建筑工程在地震持续作用下灾损发展机制和结构稳定状态的变化，但无法转化为应急救援人员可以直观识别的信息，为救援行动提供直接指导^[9]。因而，本研究以室内空间形态变化为线索，通过对室内空间人群移动趋势和幸存者潜在分布方式的判定，实现对目标灾场环境的安全韧性分析。图 2为本研究的观察视角示意与空间坐标系，U₂、U₃轴分别为水平和垂直地震动加载方向，A、B为观察面。建筑中主要功能空间随时间变化过程如图 3所示。从A观察面视角可以看到，右侧楼梯间最先发生解体，毗邻教室空间的楼板向楼梯间方向断裂倾倒，导致人群向该处集中滑落；由于山墙面的大规模破坏和角柱的失效，该楼端部空间内的人群向室外跌落的可能性较大；其他位置的幸存者可能随建筑倒塌方式呈现出隔层分布的特点。图 4为综合推演后幸存者在场地中可能的分布方式。这一结果虽然随着个体工程案例的差异不尽相同，但针对特定建筑类型开展研究可知幸存者分布方式的趋势性规律，不仅能总结出中国典型灾场场景的细节特征从而辅助决策，还能提高日常训练的针对性和救援实践的精准性。

在不同工况下的仿真实验中发现，地震幸存者在场地中的分布特征及其生存概率与建筑结构破坏过程关系密切，原型建筑的平面布局形式和倒塌方式的影响巨大，尤其当建筑平面形式复杂程度较高时，建筑结构常常在失效倒塌后因结构破坏不充分形成各类的生存空间。不同的倒塌特征则对应着不同的幸存者潜在分布方式，其对应的生存概率也不相同。通过对不同算例模拟结果的分析，结合原型建筑平面布局、建筑倒塌过程的推演和最终倒塌形态特征，可以对幸存者的总体分布状态及形成机制形成规律性认识。

根据人群与建筑工程承灾体信息的整合，可以梳理出不同目标建筑的救援难度等级与人群大致的生存概率。本文总结了幸存者人群分布与对应常见灾场特征的内在关联，如表 2所示。

3 地震应急救援实训功能设计策略 3.1 结构支护训练

结构支护是地震应急救援行动中应用最为广泛的技术之一。有别于老旧建筑的常规结构加固，该项技术是指在对灾场危险源进行排查时，为防止建筑物持续破坏对被困人员、应急救援人员和场地其他建筑工程形成二次伤害而采取的临时支护措施^[10]。其特点是根据结构失稳部位特征而采用适用的预制构件，通过快速装配固定成型来承担原有建筑结构构件的荷载而阻止结构灾损的持续发展。美国联邦应急管理署将支护处理对象界定为非常危险、比较危险和一般危险3种类型，同时以支护性能参数和操作耗时为判定标准，将支护措施划分为3个等级：一类支护是采用点支撑的方式对十分危险的结构区域快速支撑措施，二类支护则是采用两点和多点支撑手段对一类支护的后续补充与巩固措施，三类支护则多是针对非紧急情况或非承重结构的常规支护措施。根据强震模拟实验的结果，可以从丰富的结构破坏案例中甄选出适合表达不同危险程度的结构灾损场景，从而可以开展针对性的结构支护训练。如图 5所示，在甄选的算例模拟结果中根据结构破坏程度的不同，划分出A、B、C 3大区域，分别指代比较危险、非常危险和一般危险3类情况。B区训练场景中，由于底部框架柱失效，救援者亟须采取点支撑迅速控制破坏发展，而后根据承重结构损伤情况决定后续的二类和三类支护措施；A区场景除了进行楼板支撑操作外，主要开展二类支护训练；C区则开展针对一般危险的三类支护训练。

3.2 搜索营救训练

搜索营救是应急救援行动的核心环节，主要是搜索分队采用合理的搜索路径规划、生命探测设备与技术操作探知被埋压者的分布情况与具体位置，然后营救分队通过路径清理、障碍物破拆、重物转移、伤员转运等操作将幸存者转移至安全地带。同样，根据甄选的算例模拟结果，结合建筑倒塌后形成的各类废墟空间，可以将场地划分为分别指代不同难度等级、不同技术仪器适用场景的搜索训练区域。图 6所示场景中形成了倾斜倒塌区、悬挂倒塌区、未倒塌区、侧向倒塌区与正向倾覆区5大类区域。同时，结合实训科目的具体要求可进行更细致的拆分，如模拟视障情况下利用搜救犬、红外/声波生命探测仪开展的低照度空间搜索训练，模拟结构垃圾阻碍救援路径情况下开展楼板或剪力墙破拆的复杂条件训练等。

3.3 高空营救与竖向转运训练

地震灾害中除了建筑倒塌和结构坠物等直接伤害产生压伤和砸伤致使人员无法自由移动外，建筑物中主要功能空间的破坏和疏散路径的中断可能导致人群被困而面临伤口感染、缺氧、火灾、余震、饥饿等次生灾害的威胁^[11]。因此，针对楼梯间解体、走廊坍塌(图 7)等常规交通路径失效的情况，需要实施高空营救，利用其他技术手段将幸存者转移至安全区域。通过采用3类手段实现高空营救与竖向转运：1)直升机救援。该类方式虽然效率高且适应性较强，但资源有限，难以在大震巨灾时开展大规模应用。2)救援绳索及其锚固件与滑轮组救援。通常可以开展多人次、多批次的大规模人员转运，操作时将锚固件或临时搭建钢架嵌入屋顶位置，由多人协同采用专用绳索和滑轮组构件实施操控。3)三脚架救援。此类方式多适用于建筑结构基本完好的室内条件，结合楼板破拆、滑轮组等装备，在常规交通空间被破坏的情况下，满足实施救援人员在楼层间竖向移动的需求^[12]。针对图 7所示空间常规交通路径中断、人群多批次强行通行安全隐患较大情景，通过室内楼板破拆转移被困人员不仅在方法上可行性更强，操作上也更为安全。

3.4 倾斜楼梯训练

当地震中建筑整体刚度良好而地基承载不稳时，常发生建筑倾斜而整体结构保持基本完好的现象。从生理学角度，由于习惯的世界坐标系发生翻转导致人的活动规则与行为体验发生改变，救援者容易产生严重的晕眩和恶心现象。然而，救援者还需要在建筑空间内开展一系列攀援、负重、破拆、锚固等复杂操作，因而为了加强救援人员在此类环境下的活动与适应能力，需要设置难度可以调节、照度环境可以变化、安全性能可以保障的训练设施，以提升救援者在此类倾斜空间环境中的行动能力。如图 8所示，在训练实施过程中，为方便在倾斜环境中开展教学、场景布置和监管评估等工作，需要在该训练场景中设置备用楼梯间，在保障安全疏散的同时，满足常规状态下的通行需求。

3.5 临时营地搭建训练

由于地震的突发性和灾损场景的规模化特征，在针对潜在被埋压人数较多、重要性较高的大型公共建筑实施救援行动时，时间往往会持续多日甚至长达数周之久。除了清理倒塌建筑和对伤病员开展应急救助外，各个救援单位、不同职能的救援队伍之间的联动机制和管控处置体系也在很大程度上影响着救援行动的效果。从营房的可重复利用性和快速搭建的需求出发，营房多采用预制装配轻型杆件，满足快速拆卸、简单坚固的驻扎条件，见图 9。临时营地将承担区域救援力量的应急指挥、物资集散、分类检伤和驻扎修整4大主要功能。图 10所示为临时营地示意图，阐释了临时营地应急医疗分检、应急物资配送和发放的功能需求和流线设计。可见，合理调节车行交通和人行流线，是发挥营地应急物流和医疗的核心职能的关键环节。

1) 医疗流线。医疗分检场地应紧邻救援目标建筑设置，以方便脱困的伤病员快捷检伤和实施分级医护。轻伤员通过简单消毒包扎处理后直接离开营地，而伤势严重者则经医护处理后转至观察区，更严重者直接送至附近医院接受进一步治疗^[13]。

2) 物资流线。应急响应程序启动后，不仅需要快速恢复受灾区域的通信和水电供应，还必须尽快解决医药用品、粮食衣物等必需品的后勤供应问题，因此物资的集散、储存和配送效率在救援行动中起着重要作用^[14]。营地不仅要合理布局、加强与其他商业和物流集散网点的交通联系，还需要注意自身的分区和流线设计，避免不同功能的交叉干扰。物资发放区域还须便于疏散和安全监管，防止哄抢和踩踏事件发生。图 11所示为某营地开展医疗分检、重伤员送医转运和物资配送、分发的训练场景。

4 结语

1) 计算机仿真技术为地震应急救援领域的重点难点问题研究提供了新的视角与方法借鉴。

2) 通过地震灾情推演，本文分析总结了不同情况下教学楼结构的典型致灾场景、被埋压者的潜在分布特点及其生存概率，利用有限元分析进行了仿真训练废墟的设计。

3) 从应急救援行动的基础理论出发，本文结合仿真模拟实验的结果，划分专项训练区域、设计行动流线等，为地震仿真训练废墟的设计提供了依据。