城市的布局或纹理如何影响极端天气事件

时间:2020-04-03 17:45 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

城市的布局或纹理如何影响极端天气事件

如果你曾经在城市街道上转了个弯,结果却被空气炸得粉碎,那么你就走进了一个被称为“城市峡谷”的地方。

就像它们的地质对应物一样,城市峡谷是两个高表面之间的空隙——在这个例子中,是建筑物之间的空隙。然而,它们所引导的阵风有着真实的含义。它们可以放大飓风的风力,也可以根据它们的排列方式增加城市的气温——这种排列方式被称为城市肌理。问题是,据麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)的研究人员称,目前的减灾措施没有考虑到城市的肌理。因此,他们经常低估损害,在某些情况下低估了三倍之多。

重新考虑当前实践

为了了解城市肌理的潜在影响,CSHub的研究人员首先调查了当前的建筑实践。他们研究的一个实践是建筑规范。

根据联邦紧急事务管理署的说法,“建筑规范是一套管理结构设计、施工、改造和维护的法规。”它们的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。

为了使建筑物免受风的危害,规范规定了建筑物必须如何与风相互作用,即阻力系数。建筑物的阻力系数决定了它暴露在风中的空气阻力的大小。当建筑物的阻力系数增加时,其损坏的可能性也随之增加。

“设计规范假定建筑物的阻力系数是固定的。在某种程度上,这是有道理的——建筑物的形状不会改变太多。“然而,我们发现影响阻力系数的不仅是建筑物的形状,还有相邻建筑物的局部结构,我们称之为城市肌理。”

城市肌理衡量的是在离某一建筑一定距离的地方发现邻近建筑的概率。Roxon通过在城市中每个建筑周围画出一定直径的圆环来计算。然后他数了数每圈的建筑数量。

每圈的建筑物越多,在那个距离找到建筑物的可能性就越大。而概率越高,局部纹理越有序、规则,而概率越低,局部纹理越无序、不可预测。为了捕捉整个城市的肌理,罗克逊把每座建筑物的肌理平均起来。

“平均而言,我们发现那些纹理混乱的地方更有弹性,”Roxon说。“如果你无法预测风将从哪个角度吹来,它将提供最大程度的保护。另一方面,对于一个有着相同建筑密度的有序城市来说,在极端危险事件中,你会看到更多的破坏。”

混乱的街道之所以具有弹性,是因为它们是如何分配风的。由于风的分布更加随机,像波士顿或巴黎这样无序的城市在风经过像纽约这样有序城市的走廊时所产生的放大效应就会减小。Roxon发现,在某些情况下,拥有更有序结构的城市会将飓风风力从3级放大到4级。

城市肌理对阻力系数和风荷载的影响在2017年飓风“厄玛”(Irma)过境西佛罗里达期间表现突出。

“纹理效应的一个例子是在Irma期间佛罗里达州的萨拉索塔和李县,”与Roxon合作的CSHub研究员Ipek Bensu Manav解释说。“这些县地理位置相近,所以他们经历了类似的飓风风险。当你看房屋库存时,它们也很相似——大多是单层和两层的单户住宅。”

然而,这两个国家在质地上有所不同。

马纳夫说:“萨拉索塔县的纹理不那么有序,很少落在典型的网格上,而李县的纹理更有序。”他说:“在李县,我们看到了更多的结构性破坏,一些建筑物完全倒塌。还有更多的洪水和植被的倾覆。因此,厄玛在这个县造成了更大的破坏,但它的纹理效果更好。”

事实证明,有序的纹理对热量也有类似的影响。

Roxon说:“我们发现温度也是如此,特别是城市热岛效应。”“夜间,有序城市与乡村环境之间的温差最大。”

代码破解

那么,如果街道布局极大地影响了危险损害,为什么建筑规范不考虑这一点呢?

简单地说,目前很难将它们合并在一起。

目前,研究建筑物阻力系数的标准工具是计算流体动力学(CFD)。CFD模拟通过模拟热风的流动来测量建筑物的阻力系数及其危险风险。虽然CFD模拟具有很高的精度,但它要求极高的时间和大规模的计算能力。

“利用现有的资源,CFD模拟在城市规模上根本行不通,”Roxon说。“例如,纽约市有100多万幢建筑。运行模拟将花费很长时间。如果你只是对建筑物的布局或风向做一个小的调整,你就必须重新运行模拟。”

尽管存在缺陷,CFD模拟仍然是了解气流的重要工具。但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,从城市肌理中衍生出的某些变量,可以让我们相对准确地估算建筑物的阻力系数,并识别出易受损害的区域。”然后我们可以用CFD模拟来精确地确定损伤会发生在哪里。”

本质上,城市肌理是利益相关者的首要工具,允许他们评估风险,然后使用他们的资源,包括CFD,更有效地识别脆弱的建筑进行改造,进而拯救生命。

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自然灾害除了造成生命损失外,还造成巨大的经济损失。根据国家海洋和大气管理局的数据,自1980年以来,258起自然灾害已经给美国造成了超过1.75万亿美元的损失。

虽然大量的实践可以预测和减轻这些成本,但Manav发现它们仍然留下了很多问题——即城市肌理。

通过与Roxon的合作,她发现,通过对城市肌理等社区特征进行折现,当前的模型往往低估了损失,而且往往是戏剧性地低估了损失。

为了对飓风造成的损失进行统计,马纳夫再次将目光投向了佛罗里达州的萨拉索塔和李县。她对每个县进行了传统的损失估算和城市结构调整后的损失估算,其依据是每年预期灾害事件的95%——相当于一些最强飓风,如厄玛飓风。她发现,当她将城市肌理纳入估算时,预期损失增加了。这种增长在李县尤为明显,其有序的结构可能会放大风荷载。

马纳夫说:“在萨拉索塔县,我们看到,在整合城市肌理时,平均房屋价值的预期损失从1%上升到6%。”“但在利县,我们看到的损失要大得多,大约相当于平均房屋价值的9%。”

如果不考虑城市肌理,那么,这些传统的估计大大低估了破坏程度。这使居民意识不到他们的危险风险,并因此使他们脆弱。

弹性的激励

尽管这些损失估计是发人深省的,Manav希望它们能帮助社区变得更有抵御风险的能力。

她指出,目前,抗灾能力还没有得到广泛实施,因为大多数人仍然不知道它的成本效益。

她说:“减少危险措施没有得到实施的一个原因是,它们的好处没有得到充分的宣传。”“很明显,按照更好的标准进行建设是有成本的。但为了平衡这些成本,在发生危险事件后减少维修成本是有好处的。”

这些减少的损害成本是显著的。

简单的行动,如选择更坚固的木瓦,改善屋顶到墙壁的连接,增加百叶窗和耐冲击的窗户,就可以减少足够的危害损害,在像佛罗里达沿海这样的危险易发地区,两年之内就可以得到足够的补偿。

通过使用城市肌理来计算风险成本,Manav和Roxon希望房主、开发商和决策者将选择实施这些相对简单的做法。唯一的关键是让他们的动机广为人知。

这篇文章由麻省理工学院新闻(web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

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