美国NHERI科学研究计划(第三版)提出的6大关键问题

NHERI简介

    为了进一步整合美国的防灾研究资源，自2015年开始，美国国家科学基金会启动了NHERI计划（Natural hazards engineering research infrastructure）。

    NHERI 是一个分布式的、多用户的国家设施，为自然灾害工程社区提供最先进的研究用的基础设施。NHERI使研究人员能够探索和测试突破性的概念，以保护民宅、企业和基础设施生命线免受地震、风灾和水灾的影响，使创新能够有助于防止自然灾害成为社会灾害。

    NHERI 集中了全美众多知名科研机构，是美国近年来本领域比较有标志性的科研计划。我们课题组此前对NHERI的一些研究动向也做过一些报道：

• 美国国家科学基金投资300万美元建立CONVERGE中心

• 美国NSF投资1630万美元升级世界最大户外振动台
  

• 全部开源！美国国家科学基金多灾害模拟中心SimCenter发布四款新软件
  

• 美国科学基金委新资助的多灾害模拟中心SimCenter简介

• 美国基金委4千万美元多灾害试验研究中心竞争结果公布
  

NHERI的架构

    今年10月，NHERI发布了其第三版科学研究计划（Science plan），对6个关键科学问题进行了讨论。

    我们课题组对其进行了简单的翻译和整理，翻译得不好，请大家海涵，感兴趣的读者推荐阅读原文。

关键问题1

科学界如何更有效地收集和分享数据和信息，以促进和培养符合伦理的、协作的、具有变革性的研究和结果？

科学领域的观察和分析是提供评估实验和数值研究所需数据和信息的关键。这些观察可能揭示出跨越多个学科的信息，并可能刺激综合研究。通常，自然灾害事件后的现场观察可以揭示当前设计和建设实践以及社区准备和事件应对中的弱点。过去的许多研究项目都是基于这样的现场观察启动的，并且通常会导致建筑标准的改进和社区在减灾、准备、应对和恢复方面的努力。

所有的自然灾害现场表现数据，无论是由极端事件侦查网络(EERs)收集的，还是其他组织收集的，都可以存储在DesignSafe上，并对任何人开放。这对自然灾害研究者来说是一个非常需要的资源，因为没有其他的集中系统来存档多灾害后事件观察。DesignSafe网络基础设施保存了使用RAPID设施和NHERI项目工具的研究人员收集的数据，为研究人员提供了更细致地研究灾害事件数据的能力。这种网络基础设施还整合了多学科数据，提供了比以往任何时候都更强大的地理空间视觉效果，显示出灾害对基础设施和社区的影响。

对DesignSafe的使用经验提示了未来研究的有希望的发展方向。例如，但不限于以下： 

1. 提高研究中使用的场地条件、基础设施和社会影响的优质清单的可用性。这些部分或完整的清单可以帮助识别对社区韧性的威胁，提供评估性能的基线，因此可以优先考虑研究以解决已识别的不足。

2. 开发区域系统来收集和分析用于规划、减灾、应对和恢复的传感器和图像信息——使所有人都能访问来自联邦机构和地方当局的现有数据。

3. 开发可以在事件发生前创建设施或结构的3D图像及相关元数据的仪器和测量系统，并记录损坏的空间分布，使得可以进行更严格的勘察评估。

4. 研发网络基础设施以收集、存储、探索和分析灾害事件的现场数据，使用数据仓库以适应各种利益相关者使用的格式。

5. 开发经济可持续和有力整合到更广泛研究项目中的数据和信息共享方法。

关键问题2

在考虑灾害暴露和社区特征的变化、新兴技术和可持续性目标时，实现社区韧性的有效且可能具有变革性的减灾措施是什么？

很少有社区会认为自己足够抵御所有自然灾害，同时最小化环境影响。NHERI研究可以通过许多方式提高社区韧性。以下列出的是几个可能有助于这项工作的研究重点领域示例。这个列表并不是详尽无遗的，因此也应考虑其他创新的想法和概念。

研究需求的例子包括：

1. 开发能够从组件到系统级别测量社会和基础设施系统因老化或灾害荷载而导致的脆弱性变化的传感器系统，包括无法接触的结构，如埋地管线。识别基础设施的脆弱性增加是必要的，特别是在促进减灾行动和灾后应对和恢复中，以保持韧性。

2. 理解在沿海风暴期间风、潮、波和相关侵蚀和碎片运输的时空变化，以更好地描述和预测对社区和基础设施的影响。开发能够提高风暴系统（如飓风和龙卷风）形成和运动预测的传感器和传感器系统。

3. 识别、测试和开发新的策略、材料和基于自然的解决方案，以减轻地球物理和大气灾害对社会和基础设施的影响，以及识别改善现有基础设施性能的生命周期效益，无论是对灾害韧性还是环境影响。

4. 开发地质、结构和非结构系统设计和建设的最佳实践。这包括为美国最常见的典型筑类型（例如，材料，材料和尺寸）和非建筑构件应用新材料，并考虑成本、多灾害性能和可持续性。

5. 使用灾后数据的勘察分析来识别基础设施性能和社区响应的亮点。例如，哪种工程设计过程导致了意想不到的（有益或不利）结果？什么社会影响改进或阻碍了社区的响应？减灾行动是否加剧了社会不平等？

6. 开发方法来考虑在孤立和复合灾害下的生命周期性能，无论是地球物理和/或大气起源的。这些方法需要被纳入基于性能的设计程序中。

7. 展示和放大在灾害负荷下提高性能的基础设施组件和系统的可持续性益处。

8. 开发方法，通过这些方法，可以单独或与其他组件一起使用自然和/或人工启发和/或人工介入的技术来增强自然地质材料的特性，使其在极端负荷事件中的性能得到提高，对环境有共同的益处。

关键问题3

影响基础设施系统和他们为社区提供的服务的抵抗力、恢复力和更新能力的关键物理、社会、经济和政策驱动因素是什么？

使用“脆弱性”来描述建筑物和其他结构的响应和性能，可以识别对韧性的威胁并优先考虑研究主题。这里的“脆弱性”既用于物理意义上的建筑环境，也用于社区居民福祉的社会意义上。改进的指标将被现有的工具用于帮助脆弱的社区变得更有韧性。

例如，需要研究： 

1. 识别用于韧性分析的脆弱性指标和度量，包括社会和物理方面。

2. 系统地研究基础设施和社会系统中的组件之间的相互关系，以识别影响所有层面韧性的关键脆弱性。识别社区恢复最需要的服务，并研究需要提供这些服务的基础设施系统。

3. 增强对孤立和复合自然灾害的基于性能的设计程序——无论是地球物理和/或大气起源的，包括考虑碎片冲击和建筑围护结构的性能。这些程序应该能够为改善性能和有明确定义的不确定性的生命周期分析提供经济设计。最终，这些程序应被整合以产生一致的多灾害分析。

4. 改善用于基于性能的设计和损失估计的系统和组件的脆弱性函数。然后可以评估所提出的减灾措施在减少损害、损失和提高整体韧性方面的效率。

5. 开发有效且可能具有变革性的减灾行动，以实现社区韧性，特别是在考虑不同的灾害、极端事件、变化的脆弱性、新兴技术、社区多样性和可持续性目标时。 

关键问题4

为了在自然灾害压力下通过集成建模、分析和实验测试建筑和社会系统来支持社区韧性，需要哪些方法论创新？

将自然、建筑和社会环境的数据进行整合，对于推进以人为中心的灾害韧性研究是必要的。2022年美日Workshop“关于推进以人为中心的韧性数据的需求、优先事项和合作关系 (HCD4R) ”最近发布了一些简报，专注于研究开发：(1) 以人为中心的韧性数据框架，(2) 协调收集这类数据的基础设施，(3) 利用这类数据的集成模型环境，以及 (4) 在这样的环境中使用的下一代人类决策模型 (Holtzer et al., 2023)。

例如，需要研究：

1. 改进支持捕获物理和社会脆弱性之间复杂互动的数据的方法。

2. 开发更好地将人类和物理系统耦合在一起的多尺度建模和模拟能力，以便在多个级别研究韧性，范围从个别家庭和建筑物到社区、地区和全国。

3. 解决公用事业的多灾害性能问题，包括能源和水供应分配，废物和暴雨水的移除和处理，以及电信网络，以便社区在灾后能更快恢复。

4. 改进支持对基础设施和社会系统对单个和多个灾害的适应性响应的预测建模的方法和数据。

5. 推进实验测试技术，如混合模拟和网络物理系统。

关键问题5

发展单一、共同出现和复合灾害影响的基础设施、社区、家庭和个人行为的分析和模拟技术，还存在哪些障碍和机会？

改进端到端模拟的开发与关键研究问题#6重叠，并突出了研究人员和NHERI之间协调的重要性。

然而，为模拟载荷作用的改进应在预测结构和非结构响应的更大背景下进行。

例如，需要研究：

1. 改进真实模拟地球物理和大气灾害载荷作用以及地面、结构、非结构和建筑围护结构响应的方法，以便建立基于物理的、端到端的模型。

2. 连接各种尺度的模型和模拟能力。例如，连接全球天气模型以模拟最终降尺度到建筑上压力分布的飓风，或者模拟家庭决策如何在社区至区域尺度上影响恢复模型。在地球物理灾害中，类似的多尺度建模与将材料连接到组件，再连接到部件，最后联系到结构和非结构系统的多尺度建筑模型相关。

3. 改进多物理模拟方法，以解决建筑物和其他结构及其组件对流体-结构、土壤-结构、风-波-结构相互作用的响应，作为物理试验的替代或辅助。

4. 改进设计和施工方法，以更准确地解决在自然灾害条件的实际加载下发生的复杂行为。

5. 继续探索替代建模框架，特别是那些利用数据密集型计算的进步，以及那些在社会科学中找到的，以理解基础设施和社会系统的行为。

关键问题6

为了更准确地描述施加在基础设施上的瞬态和可变性荷载作用的特性，社区对这些荷载作用的反应，以及这对未来基础设施防灾设计的影响，必须填补哪些方法论和实证上的空白？

荷载作用是设计过程的开端。自然灾害的荷载作用的强烈不确定性对于基础设施系统的基于性能工程实践以及衡量基础设施和社会系统之间的相互作用特别具有挑战性。降低不确定性将获得更有效和可靠的设计。

例如，需要进行研究以下问题：

1. 开发更好的实验室测试方法，以评估地球物理和大气自然灾害对基础设施的影响。最初，这必须在现有研究设施的背景下完成，但NHERI计划将启用新的并可能具有变革性的方法、仪器和设施改造。高级实验技术将带来具有更真实的非线性和随机交互的先进数值模型，这些模型利用了NHERI的信息基础设施以及计算和模拟组件。

2. 开发方法，能更真实地描述地球物理和大气灾害对基础设施和社会系统及其组件的单个单元的荷载和相关效应。在工程实践中使用的荷载效应的高度简化模型可能大大高估或低估荷载和效应，特别是对组件和子系统。示例包括龙卷风对建筑物和其他结构的影响，集中风荷载对建筑组件和外壳的影响，水和水携带的碎片对建筑物和单个结构组件的荷载，以及在空间不连贯地震地面运动下的土-结构相互作用。基于高保真计算模型的高级数值模拟方法应采用实验和现场观察获得的数据进行验证。

3. 提高我们将地球物理和大气灾害数据的频率和强度与建筑物（包括非结构组件）和其他结构的特定场地荷载作用连接起来的能力。防灾工程界正在与地震学家和大气科学家合作开发广泛的灾害数据集。然而，特定场地的影响，如行进路径、场地地质材料、地形粗糙度、可能的屏蔽以及风和水携带的碎片来源，可以大大影响荷载作用。

结语

   这份NHERI报告全长130页，还总结了一些最新的研究工作、NHERI可以提供的实验和数据资源等。感兴趣的读者可以访问以下链接阅读：

https://www.designsafe-ci.org/data/browser/public/designsafe.storage.published/PRJ-4240