在这个问题上
问题在夏季的桥梁工程,把抗灾能力
2019年7月1日 体积 49 问题 2
在这个问题上的工程创新的示例介绍了文章,发展弹性的基础设施。

通过基于风险的设计和成本 - 效益分析,提高抗御力

星期一,2019年7月1日

作者: 查尔斯和基思·波特Scawthorn

城市经济依赖于水,电,通讯,交通共享基础设施。 ESTA关键基础设施可以通过设计和缺陷建设被削弱,在恶化时,陈旧,事故和过度需求,但本文着重从自然灾害破坏,其中可能包括地震,海啸,火山喷发,热带气旋,水灾,冰风暴和火灾。有证据气候变化将加剧造成的损失水文气象现象,热带气旋首先,冬季风暴,洪水和野火也(USGCRP 2018)。基础设施的弹性,以增强这样的危害,提出了一种基于风险的方法,称为 性能化设计,使情况下考虑到成本收益率和风险定价策略和决定。

催化最近发生的事件

2011年至合谷穴地震和海啸

其中最令人震惊的最新基础设施 - 危险的相互作用是2011年,合谷穴地震和海啸,造成(日本2019年国家警察署)16000人,摧毁了世界上最大的核电站之一,带来的30损失世界第三大经济体的电力生产的百分之一。只有9 -country的54个运算核单元REMAIN(nippon.com 2018)。

事件的总体经济影响难以评估。直接损失估计约为$ 360十亿(2011美元),但不包括从农业生产,营业中断损失普遍的经济影响,化石燃料发电的生产成本增加补充损失的核能力,福岛清理的持续成本和非货币环境和社会心理的影响(例如,重村等人2012 ;. 2014 Steinhauser等人)中。仅清理费用估计约为¥700000亿($ 626十亿)在未来40年(2017年jcer)。随着合并的直接损失的估计,这是历史上第万亿美元的自然灾害。

,此外,十年前,研究显示ADH造成内陆至少4公里869广告ADH海啸淹没一个同样大小的该事件(等箕浦他。2001)。和2007年的一项研究估计8+地震-tsunamigenic在30年内的幅度的99%的可能性(佐竹等在2007年)。

最后,值得一提的是,-fukushima核电站,东京电力公司(TEPCO)的拥有者,曾在2007年被迫柏崎刈羽关闭了-station核电(世界上最大的)的新泻县中越后-oki地震,并从此只因为政府 - 日本(麦柯2012)大量补贴的2011灾难-avoided破产。

美国飓风和野火

在2005年卡特里娜飓风造成了至少1200人死亡,$ 125十亿损害,新奥尔良的数年,即使该事件是可预见的克利和一“的自然和人为因素的鸡尾酒”,是由于部分放弃(伯恩2004) 。其中包括数十年之久的地面沉降和湿地的保护和屏障岛的损失,防洪基础设施的破坏活动期间。

桑迪飓风(2012年)的影响24个国家,在特别是纽约市因风暴潮,其中淹没的街道,隧道和地铁线路和停电和周围的城市严重损坏。 -damages我们为$ 65十亿。哈维卡特里娜飓风,2017年是有记录以来最昂贵的飓风相匹配,以$ 125十亿在损伤(NHC 2018),principalmente由于休斯敦和得克萨斯州东南洪水。胡里甘蔗超群,而且在2017年,3000人死亡,造成的满目疮痍波多黎各,其中已经-extremely缓慢复苏。卡特里娜飓风,沙,哈维,玛丽和总额,$ 450十亿(2018 NHC)的经济损失。

在西方国家的灾难性大火已经存在毁灭性的,尤其是在加利福尼亚州,2017至18年这138人死亡,31,000多名结构(CalFire 2019)的持续破坏,有接近$ 30十亿(III 2019)的经济损失。令人感兴趣的是极端风力条件和电力线引起的点火之间的强相关性,这些都导致了一些灾难性野火(Miller等人2017 ;.米切尔2013; syphard和基利2015)。[1] As a direct result of these wildfires, the largest investor-owned utility in the United States, Pacific Gas & -Electric (PG&E), filed for bankruptcy (Bloomberg 2019). PG&E’s debtholders and people harmed by the wildfires incurred an unrecoverable loss because of a risk that PG&E failed to adequately fund 和 instead externalized on them.

使用弹性多危害性能化设计

减少,在某些情况下防止这种灾难性的损失,也就是说,促进社会和经济活力,对关键基础结构需要设计为响应随之而来的风险。称为基于风险的方法 性能化设计 (PBD)在建筑设计行业已经出现在过去的几十年中,首先在防火设计(-hadjisophocleous等1998 ;.米查姆1998年),以及后来在地震设计(FEMA 2012;波特2003)及风(Larsen等上。2016)。

基于性能的对比处方性设计

PBD必须允许设计师量身定制一个新的设施,以实现风险的选择水平的潜力。以有意义的方式表达对非工程利益相关者,对风险管理包括概率维修成本,生命安全的影响,以及功能 - 的损失“三个D”元,死亡和停机时间。

但在实践中很少使用PBD的方式。 -rather,它是作为价值工程的最常见形式(VE)-to降低了施工成本,同时同等程度的实现生命安全的一个更传统的,规范的设计将实现。也就是说,可以使用PBD创造表现好于规定的建筑设计将需要以同样的成本。相反,PBD经常用来去过,提供安全的水平,为AIMS即规范设计,但以较低的成本,通过减少下的一所需的功能将是指令性的设计偷工减料。 PBD正在使用主要是为了省钱,开发商和业主对的前期建设成本,而不是挽救更多乘客的生命,或减少未来地震修理费用,或降低未来住户将受到影响的停机时间。

THUS PBD设计提供了更大的潜力弹性。规范状设计,它承认5月,是不可能的,以避免极端负荷,但与规范设计它提供了通过显式计算的机会,平衡前期成本对长期弹性。一个可以选择如何在极端负载下限制损害是可以接受的,这样的损失和恢复快。

PBD一直应用至今很大程度上是建筑设计,应用,虽然潜力等基础设施ITS已经认识了一段时间(2009年摄)。我们提出的供水系统受到地震激发的性能化设计的案例研究。

使用PBD的一个供水系统

我们专注于多少供水系统的对抗地震破坏硬化。 PBD在通用和联邦紧急事务管理署方针对58(FEMA 2012)特别是缺乏内置的规范,使得在全部或任何设施的股份持有人的代加工,设计人员可以自由地使成本之间的权衡这种业绩和未来似乎是适当的。

在申请中所描述这里,我们设计埋供水管道,以成本收益分析的手托标准目标的弹性网格,既没有固定的,也没有固定的输出输入的情况下。

  • 测量条件是在未来的经济损失和生命安全的现值降低的好处。
  • 在衡量成本,以抗震管系统添加到其对提升-earthquakes后容量供水的经济成本。
  • 生命安全非常看重金钱用生命统计(VSL)的交通价值,美国能源部,从本质上讲部门的可接受的成本,避免死亡和非致命受伤不明身份的人在未知的未来时间(有时统计称为死亡和受伤)(美国运输部2015年)。

在没有固定的成本或收益的情况下,最佳的设计是产生超出增量成本的增量效益(见,例如对于纽南等的。2004年对于这样的成本收益分析的基础)的最大投资。

设计一个弹性的供水网

由建筑科学国家研究所的一项研究审查达到或超过当前建筑法规的成本效益比(BCR)。它发现,模型构建节约社会$ 11%$ 1个额外的相对于30年前的法规要求花(2018 MMC,简称缓解节省2或MSV2)代码。还发现,超过这一设计目前的规范要求,可以节省社会$ 4%$花费1额外的,在当地的地方节省花费超过每$ 1 $ 16个一些变化。图1示出通过BCR危险和缓解类别值。

ESTA研究的一个重要目标是尽可能全面的收益和成本,在财产损失,包括减少,死亡和非致命性伤害,创伤后应激-disorder(PTSD),直接从业务中断间接损失的发病率占(BI)城市搜索与救援,保险费用成本,以及环境和历史影响相关的损失。薪酬确认为减缓措施的合理期限(75-100年,根据不同的基础设施),以三个贴现率账户的资金的时间价值(借贷,3%的实际成本,以及每年百分之七) 。死亡和受伤的好处是不打折的。包括前期成本和长期维护。然而,一些重要的好处非货币无法量化,:如朋友,学校,工作和熟悉的地方受害者断开;的家庭照片和传家宝损失;伤害到一个地方的文化和生活方式;和其他长期健康后果福祉。

的“原样”和弹性的水供电网比较

而对于建筑设计存在的代码,并且可以提高设计的效益成本比考虑,为基础设施存在较少的代码,即使考虑成本效益可以提高他们的设计。评估增强设计的好处,以下类别的基础研究MSV2审查BCRS:水,污水,电力,电信,公路和铁路。四个附加险被认为是:地震,洪水,风,火在荒地,城市界面(WUI)。我们讨论的优点和实施受到地震的城市供水管网的弹性电网成本的研究。也就是说,我们认为无论是通过减少地震易损性或其他明智的全部或部分改善配电干线,从而形成一个弹性网格(戴维斯2017年),以提高网络弹性成本效益。

一个三阶段的方法是在研究中使用:

  1. 第一阶段:研究考察一个理想化的供水管网,大小是代表一个中等一般大小的美国城市,才能得出结论,一般在高地震危险位置的城市。图2显示了示意性的网络,称为 AS-是网络,这是检验地震弹性。该图中示出了一个原水传输线从源(贮存器)的处理厂带来。经处理的水被输送到终端储层,然后分配网络,干线何处输送水配电线路。 (一些或所有干线可以形成弹性网格。)的模型区域是方形对称消除瓶颈或其它复杂因素。尺寸和分布管和干线典型平均天迁就需求包括普通火灾流(图3)的间距。
  2. 第2阶段:原样的网络强调断裂和泄漏随着随机从地震激励具有非凡的消防需求共同所得的(火以下地震现象; tclee 2005)。地震作用下[2] 原样的水系统,该系统设计时没有考虑到地震,招致修为成本以及不足水压双方继续为所有的客户提供消防供水(图4),导致服务的损失,并导致更大地震和更长的时间来恢复后的火灾。
  3. 阶段3:原样的系统进行了改进,以形成一个弹性的网格。更换改进家道选择干线具有较低管的那漏洞经历损伤少当受到地震激励。例如,铸铁或石棉水泥干线可能被替换为抗震球墨铸铁管(erdip)。该差额(如果有的话)和弹性网格系统ESTA,强调在相同的场景由此产生的后果,在与本原样系统的比较,以确定改进的好处。

在服务,火力大小,恢复时间和成本的损失之间的差额原样的和有弹性网格是弹性网格的利益衡量。这些好处包括(a)水系统维修成本降低损失,(B)与火灾有关的财产损失,(C)直接双向由于缺乏水相关的服务和消防-damage,(d)为的双其余的间接损失的那请问经济业务与谁失去水分服务或遭受火灾损失,及(e)死亡,受伤客户和PTSD地震发生后,从火灾,造成的-instances。转换为等值的这些好处都是那么每年一美元的集成随着频率的危险金额好处。

计算弹性的经济利益

典型应用的折扣率在时间范围内的利益研究小组估计现值等于借贷的实际成本。 -benefits成本的现值是由BCR的弹性网格划分,如表1所示BCRS哪种情况下,礼物的活动,和四个西海岸城市(表2)考虑到他们目前的地震灾害。正如人们所期望的那样,表2显示了更灵活的基础设施成本有利更大的地震危险性:三藩市和洛杉矶,其中有非常高的地震灾害,效益远远超过,比如说,波特兰(俄勒冈州),地震活动在哪里较为温和的(“温和”的场均多年来,它应该指出的是波特兰和-Seattle的地震危险性是目前远远大于由于预期非常大-cascadia俯冲带大地震的“温和”;见阿特沃特等人2015年)。 。

研究包括以下意见:

  • 弹性网格的主要优点是由于改善了消防水的供应。
  • 弹性网格的好处是,由于缺乏消防服务能力。如果火情服务其增加的容量,例如,通过经由油罐卡车或便携式供水流动的水系统,所述弹性网格较少有益的。
  • 上述观察加强了点弹性电网概念不能是单纯的水部门,但需要主动密切合作重刑随着消防追捧。
  • 弹性网格-significantly是相当可能降低供水-customers的恢复时间。
  • 更近的间隔弹性网格的(例如,在每第五或第六配电线路,而不是每第十个干线)可能不显着增加BCR:增加,虽然好处,但它也增加了成本。
  • 是基于所述过度保守假设弹性电网所需更换的干线100%BCRS的调查结果。如果只需要弹性网格替换的一部分(例如,现有干线的50%被认为是低的脆弱性,因此没有需要更换),则BCRS本来一倍。

作为学习笔记,在BCRS是基于长期地震危险性概率,不随时间变化的概率。所有四个城市被判定为在未来几十年的大地震,如果BCRS会显着增加会议审议的高风险。

定价风险的价值

更有弹性的基础架构设计可以通过显然PBD的做法,这是在一些基础设施系统正在实施的早期阶段(2017年戴维斯)来实现。

非常重要的基础设施,但是,由于缺乏标准面对面的人自然系统性能-hazards鉴于意味着韧性是不是真的考虑。例如,电力系统的可靠性指标是利用系统测量值:如-interruption - 平均持续时间指数(赛迪)和系统的平均频率-interruption指数(赛菲)(IEEE 2012),但仅措施经验和Don这些过去的表现“T考虑灾难性的前瞻性自然灾害的影响。其结果,电力公司和公众可以是错觉关于电力的(Larsen等人2015 ;.莫尔丁2015)的可靠性下。

风险外部化成本

一个极端的例子是福岛县,东京电力公司的pretsunami如果没有包括崩溃和相关清理工作的风险定价的电力进行充电。这样的风险已经进入定价成本,(一)东京电力公司很可能发现它的成本效益,以建立更好的海啸防护及(b)当局将不得不准备金支付的费用灾后。

The same would apply for PG&E’s electricity pricing in WUI areas: not only would such pricing apply to locals, but some charge would apply to the broader customer base for bulk transmission that creates risk in crossing the WUI to serve urbanized areas.

在不断变化的环境中充电风险的一个例子是增加在美国通过铁路增加的石油运输。事故中的油罐车的火车可以很严重。最知名的最近的例子是7月2013出轨的货运列车的梅干提克湖的魁镇由-Montreal,缅因州和大西洋铁路(MMA)操作。在事故中丧生,47人,造成了广泛的破坏超过百万估计$ 100

增加铁路增加出货量的组合,并通过(梅森2018)高事故率轨已经提出显著关注关于运输安全和潜在影响环境(Frittelli等人2014 ;. Hughlett 2019; irs​​wg 2014000 2018),虽然推荐到目前为止,修复被限制在更频繁的检查和改进应急响应(irswg 2014)。也就是说,建议修复的目标是使灾难不太可能首先发生,减少损失,如果它确实发生,但没有解决他们的问题谁承担在这些情况下的风险。而石油和铁路营利性公司,并从能源的成本效益的分配,风险不成比例的整体公共利益(全部为近)由直接靠近铁路线的人员和财产(盖尔芬德2018)承担。

在经济方面,MMA及其外在风险:它实行的削减成本做法的消极后果上各方WHO没有选择招致他们。

公平定价风险

通常,经济学家敦促各国政府采取政策的内在外在这使成本和效益主要影响当事人选择承担WHO他们:当没有外部性,资源配置效率的实现。此外内在更公平的风险似乎外界人士。

一种方法来鼓励股权和基础设施的风险都PBD是的税务风险的创作,类似于由许多工业化国家采用的碳税(见www.carbontax.org)。[3] 只是作为一个碳 - 碳税鼓励对提供减碳活动,经济发展和减少资金,税收将有可能鼓励降低风险的经济发展,并为降低风险资金。而在个税我们可能比对国家税收的煤炭低短期风险的机会,一些国家,社区和开明的企业是碳基实施或征税政策,[4] 这样的路径确实存在。的税务风险的概念值得讨论。

合成:对于设计弹性时空模型

大多数方法以PBD和应变能力还比较狭隘:建筑表现仅仅是通常在决定楼宇业主的情况下,只有在一个单一的机构的背景下基础设施的性能,或者在最好的,经营者或机构。也许一个假设,这种做法仍然会走向。更大的利益,基于以下假设,市​​场看不见的手(从亚当·斯密的 道德情操论国家的财富) will produce nearly the same outcomes from economic actors such as MMA and PG&E as the companies might have produced from motives of pure humanity or justice. But the evidence from Lac-Mégantic, the 2018 California wildfires, 和 countless other examples undermines that hypothesis.

识别的缺乏ESTA更广阔的视野和无形的手从灾难充分保护社会中的失败是导致更好地为需求较长期的系统性表现,-angeles:如“by Design计划(-seismic安全市长专案组韧性2014;看到琼斯和阿霍2019在这个问题上)。需要什么,无论是建筑或城市基础设施系统的系统的城市肌理,就是承认在社区的许多建筑物和设施的基础设施故障的总和之间的差异。当作为处理彼此独立,且总体他们同时损失的(考虑到相关和负协同效应)的影响,这可以而且确实发生在地震,飓风,洪水和野火。 2011年的地震克赖斯特彻奇,新西兰,玛丽亚飓风(2017年)在波多黎各和天堂(CA)大火(2018)都见证了大规模杀伤性复合效应。从功利的角度来看,PBD必须计算成本和收益受影响的各方,不仅是开发商,业主或其他机构。

这PBD框架认为需要相关的自然灾害,结构性能,以及所有建筑物的经济学在城市区域的影响。理论模型显示,即使是很小的变化,在城市形态,高风险的区域时,会考虑,可以大大降低城市的生命周期成本(Scawthorn等的。,1982)。 ESTA平衡的办法有其局限性,这只是时间上的快照,以及更全面的PBD将审议自然灾害和恢复随着时间的推移,明确地占弹性。

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[1]  分析通常显示,电动相关点火占野火的(例如,-prestemon等人。2013年)只有一小部分,但是这是一个误导作为野火MOST小且快速抑制。大风是架空输电线路弧(和点火)在快速火灾蔓延的常见原因,在非常大的野火RESULTING难以抑制。因此,电相关的点火占相关的主要野火和损失的很大一部分(见Kousky等的。,2013)。

[2]  使用经修改的表示麦加利烈强度(MMI)的规模,计算,虽然使用更详细的工程参数来执行(参见波特2018)。

[3]  目前名单公布在//en.wikipedia.org/wiki/-carbon_tax。

[4]  这些国家和公司在上市//en.wikipedia.org/wiki/carbon_tax#united_states。

关于作者:查尔斯Scawthorn是在京都大学的风险管理基础设施(退役)教授,美国加州大学伯克利分校访问学者,和本金,温泉风险有限责任公司,大学伯克利分校。基思·波特是土木,环境,建筑和工程在科罗拉多大学波尔得分,主要的大学新闻系研究教授和风险LLC温泉,丹佛。