В области проектирования и строительства устойчивость — это способность поглощать или избегать повреждений без полного отказа и является целью проектирования, обслуживания и восстановления зданий и инфраструктуры , а также сообществ. [1] [2] [3] Более полное определение заключается в том, что это способность реагировать, поглощать и адаптироваться, а также восстанавливаться после разрушительного события. [4] Ожидается, что устойчивая структура/система/сообщество сможет противостоять экстремальному событию с минимальными повреждениями и нарушениями функциональности во время события; после события она должна быть способна быстро восстановить свою функциональность, аналогичную или даже лучшую, чем до события.
Концепция устойчивости возникла из инженерии, а затем постепенно применялась к другим областям. Она связана с уязвимостью. Оба термина относятся к пертурбации событий, что означает, что система/инфраструктура/сообщество могут быть более уязвимы или менее устойчивы к одному событию, чем к другому. Однако это не одно и то же. Одно очевидное различие заключается в том, что уязвимость фокусируется на оценке восприимчивости системы в фазе до события; устойчивость подчеркивает динамические особенности в фазах до события, во время события и после события. [5]
Устойчивость — это многогранное свойство, охватывающее четыре измерения: техническое, организационное, социальное и экономическое. [6] Поэтому использование одной метрики может быть нерепрезентативным для описания и количественной оценки устойчивости. В инженерии устойчивость характеризуется четырьмя R: надежностью, избыточностью, находчивостью и быстротой. Текущие исследования разработали различные способы количественной оценки устойчивости с учетом множества аспектов, таких как функциональные и социально-экономические аспекты. [5]
Застроенная среда должна быть устойчивой к существующим и возникающим угрозам, таким как сильные штормы или землетрясения, а также обеспечивать надежность и избыточность в проектировании зданий. Новые последствия изменения условий для эффективности различных подходов к проектированию и планированию могут быть рассмотрены в следующем семестре. [7]
Инженерная устойчивость вдохновила другие области и повлияла на то, как они интерпретируют устойчивость, например, устойчивость цепочки поставок .
Согласно словарю, упругость означает «способность восстанавливаться после трудностей или потрясений». Корень термина упругость происходит от латинского слова «resilio», что означает возвращаться в состояние или отскакивать назад. [8] В 1640-х годах корневой термин давал упругость в области механики материалов как «способность материала поглощать энергию при его упругой деформации и высвобождать эту энергию при разгрузке». К 1824 году термин развился и стал включать в себя значение «упругости». [9]
Томас Тредголд был первым, кто ввел понятие устойчивости в 1818 году в Англии. [10] Этот термин использовался для описания свойства прочности древесины, поскольку балки изгибались и деформировались, чтобы выдерживать большую нагрузку. Тредголд обнаружил, что древесина прочная и не горит, несмотря на то, что была посажена в плохих почвенных условиях и в открытом климате. [11] Затем в 1856 году устойчивость была уточнена Маллеттом в отношении способности конкретных материалов выдерживать определенные нарушения. Эти определения могут использоваться в инженерной устойчивости из-за применения одного материала, который имеет устойчивый режим равновесия, а не сложную адаптивную устойчивость более крупных систем. [12] [13]
В 1970-х годах исследователи изучали устойчивость в связи с детской психологией и подверженностью определенным рискам. Устойчивость использовалась для описания людей, которые имеют «способность восстанавливаться после невзгод». Одним из многих исследователей был профессор сэр Майкл Раттер, который интересовался сочетанием рисков и их относительных результатов. [14]
В своей статье Resilience and Stability of Ecological systems (1973) CS Holling впервые исследовал тему устойчивости через ее применение в области экологии. Экологическая устойчивость была определена как «мера устойчивости систем и их способности поглощать изменения и нарушения и при этом сохранять те же отношения между переменными состояния». [15] Холлинг обнаружил, что такая структура может быть применена к другим формам устойчивости. Применение к экосистемам позже использовалось для привлечения других способов человеческих, культурных и социальных приложений. Случайные события, описанные Холлингом, являются не только климатическими, но и нестабильность нейтральных систем может происходить из-за воздействия пожаров, изменений в лесном сообществе или процесса рыболовства. Устойчивость, с другой стороны, является способностью системы возвращаться в состояние равновесия после временного нарушения. Следует изучать системы с множественными состояниями, а не объекты, поскольку мир представляет собой гетерогенное пространство с различными биологическими, физическими и химическими характеристиками. [16] В отличие от устойчивости материалов и техники, экологическая и социальная устойчивость фокусируются на избыточности и постоянстве многоравновесных состояний для поддержания существования функции.
Инженерная устойчивость относится к функциональности системы в отношении смягчения опасности. В рамках этой структуры устойчивость рассчитывается на основе времени, которое требуется системе для возврата в единое состояние равновесия. [17] Исследователи из MCEER (исследовательский центр по многоопасному землетрясению) определили четыре свойства устойчивости: надежность, находчивость, избыточность и быстрота. [18]
Социально-экологическая устойчивость, также известная как адаптивная устойчивость, [19] — это новая концепция, которая смещает фокус на объединение социальных, экологических и технических областей устойчивости. Адаптивная модель фокусируется на трансформируемом качестве стабильного состояния системы. В адаптивных зданиях как краткосрочная, так и долгосрочная устойчивость рассматриваются для обеспечения того, чтобы система могла выдерживать нарушения с социальными и физическими возможностями. Здания работают в разных масштабах и условиях, поэтому важно признать, что ожидаются постоянные изменения в архитектуре. Лабой и Фэннон признают, что модель устойчивости меняется, и применили четыре свойства устойчивости MCEER к этапам планирования, проектирования и эксплуатации архитектуры. [17] Вместо того, чтобы использовать четыре свойства для описания устойчивости, Лабой и Фэннон предлагают модель 6R, которая добавляет восстановление для этапа эксплуатации здания и избежание риска для этапа планирования здания. На этапе планирования здания выбор участка, размещение здания и условия участка имеют решающее значение для предотвращения риска. Раннее планирование может помочь подготовиться и спроектировать среду, в которой будет строиться, на основе сил, которые мы понимаем и ощущаем. На этапе эксплуатации здания нарушение не означает конец устойчивости, но должно предлагать план восстановления для будущих адаптаций. Нарушения следует использовать как возможность обучения для оценки ошибок и результатов, а также перенастройки для будущих потребностей.
Международный строительный кодекс устанавливает минимальные требования к зданиям, использующим стандарты, основанные на перформативности. Последний Международный строительный кодекс (IBC) был выпущен в 2018 году Международным советом по кодексам (ICC), сосредоточившись на стандартах, которые защищают общественное здоровье, безопасность и благосостояние, не ограничивая использование определенных методов строительства. Кодекс охватывает несколько категорий, которые обновляются каждые три года для включения новых технологий и изменений. Строительные кодексы имеют основополагающее значение для устойчивости сообществ и их зданий, поскольку «устойчивость в застроенной среде начинается с сильных, регулярно принимаемых и должным образом управляемых строительных кодексов» [20]. Преимущества возникают из-за принятия кодексов, поскольку Национальный институт строительных наук (NIBS) обнаружил, что принятие Международного строительного кодекса обеспечивает выгоду в размере 11 долларов за каждый инвестированный доллар. [21]
Международный совет по кодексам сосредоточен на предположении, что здания сообщества поддерживают устойчивость сообществ перед катастрофами. Процесс, представленный ICC, включает понимание рисков, определение стратегий для рисков и реализацию этих стратегий. Риски различаются в зависимости от сообществ, географии и других факторов. Американский институт архитекторов создал список потрясений и напряжений, которые связаны с определенными характеристиками сообщества. Шоки являются естественными формами опасностей (наводнения, землетрясения), в то время как напряжения являются более хроническими событиями, которые могут развиваться в течение более длительного периода времени (доступность, засуха). Важно понимать применение устойчивого проектирования как к потрясениям, так и к напряжениям, поскольку здания могут играть роль в содействии их разрешению. Несмотря на то, что IBC является типовым кодексом, он принят различными штатами и правительствами для регулирования определенных областей строительства. Большинство подходов к минимизации рисков организованы вокруг использования и занятости зданий. Кроме того, безопасность конструкции определяется использованием материалов, каркасами и требованиями к конструкции, которые могут обеспечить высокий уровень защиты для жильцов. Конкретные требования и стратегии предусмотрены для каждого потрясения или стресса, например, цунами, пожаров и землетрясений. [22]
Совет по устойчивости США (USRC), некоммерческая организация, создала систему рейтинга USRC, которая описывает ожидаемые последствия стихийного бедствия для новых и существующих зданий. Рейтинг рассматривает здание до его использования через его структуру, механико-электрические системы и использование материалов. В настоящее время программа находится на пилотной стадии, уделяя основное внимание готовности к землетрясениям и устойчивости. Для опасностей землетрясений рейтинг в значительной степени опирается на требования, установленные Строительными нормами для проектирования. Здания могут получить одну из двух систем рейтинга USRC:
Проверенная система рейтинга используется в маркетинговых и рекламных целях с использованием значков. Рейтинг прост для понимания, надежен и прозрачен, его присуждают профессионалы. Система рейтинга зданий USRC оценивает здания звездами от одной до пяти звезд на основе измерений, используемых в их системах. Три измерения, которые использует USRC, — это безопасность, ущерб и восстановление. Безопасность описывает предотвращение потенциального вреда для людей после события. Ущерб описывает предполагаемый ремонт, необходимый из-за замен и потерь. Восстановление рассчитывается на основе времени, необходимого зданию для восстановления функций после удара. [23] Могут быть получены следующие типы сертификации рейтинга:
Система оценки сейсмостойкости зданий может быть получена путем оценки опасности и сейсмических испытаний. В дополнение к техническому обзору, предоставляемому USRC, для оценки USRC применяется сейсмический анализ CRP с необходимой документацией. [23] USRC планирует создать аналогичные стандарты для других природных опасностей, таких как наводнения, штормы и ветры.
Система рейтинга транзакций предоставляет зданию отчет о подверженности риску, возможных инвестициях и выгодах. Этот рейтинг остается конфиденциальным в USRC и не используется для рекламы или маркетинга здания.
Из-за текущего внимания к сейсмическим вмешательствам USRC не принимает во внимание несколько частей здания. Система оценки зданий USRC не принимает во внимание какие-либо изменения в конструкции здания, которые могут произойти после присвоения рейтинга. Таким образом, изменения, которые могут помешать устойчивости здания, не повлияют на рейтинг, присвоенный зданию. Кроме того, изменения в использовании здания после сертификации, которые могут включать использование опасных материалов, не повлияют на сертификацию рейтинга здания. Рейтинг ущерба не включает ущерб, вызванный разрывом труб, модернизацией здания и повреждением мебели. Рейтинг восстановления не включает полное восстановление всех функций здания и всех повреждений, а только определенную сумму.
В 2013 году Фонд Рокфеллера инициировал программу «100 устойчивых городов» с целью помочь городам стать более устойчивыми к физическим, социальным и экономическим потрясениям и стрессам. Программа помогает облегчить планы устойчивости в городах по всему миру за счет доступа к инструментам, финансированию и глобальным партнерам сети, таким как ARUP и AIA. Из 1000 городов, подавших заявки на участие в программе, были отобраны только 100 городов с проблемами, начиная от старения населения, кибератак, сильных штормов и злоупотребления наркотиками.
В программе участвует множество городов, но в статье « Повышение устойчивости в городах по всему миру» Спаанс и Уотерхот фокусируются на городе Роттердам, чтобы сравнить устойчивость города до и после участия в программе. Авторы обнаружили, что программа расширяет сферу действия и улучшает план устойчивости Роттердама, включая доступ к воде, данным, чистому воздуху, киберустойчивости и безопасной воде. Программа решает другие социальные проблемы, которые могут ослабить устойчивость городов, такие как насилие и безработица. Таким образом, города могут проанализировать свою текущую ситуацию и составить план адаптации к новым потрясениям и стрессам. [24] Результаты статьи могут поддержать понимание устойчивости в более крупном городском масштабе, которое требует комплексного подхода с координацией в различных масштабах правительства, временных масштабах и областях. Помимо интеграции устойчивости в строительные нормы и программы сертификации зданий, программа «100 городов устойчивости» предоставляет другие возможности поддержки, которые могут помочь повысить осведомленность через некоммерческие организации. [24]
После более чем шести лет роста и изменений существующая организация «100 устойчивых городов» прекратила свое существование 31 июля 2019 года. [25]
RELi — это критерии проектирования, используемые для разработки устойчивости в различных масштабах застроенной среды, таких как здания, кварталы и инфраструктура. Он был разработан Институтом рыночной трансформации в устойчивое развитие (MTS), чтобы помочь проектировщикам планировать опасности. [26] RELi очень похож на LEED, но с упором на устойчивость. RELi теперь принадлежит Совету по экологическому строительству США (USGBC) и доступен для проектов, желающих получить сертификацию LEED. Первая версия RELi была выпущена в 2014 году, в настоящее время она все еще находится на пилотной стадии, без баллов, выделенных для конкретных кредитов. Аккредитация RELi не требуется, а использование кредитной информации является добровольным. Таким образом, текущая система баллов еще не определена и не имеет ощутимой ценности. RELi предоставляет кредитный каталог, который используется в качестве справочного руководства для проектирования зданий и расширяет определение устойчивости RELi следующим образом:
Устойчивый дизайн стремится к зданиям + сообществам, которые устойчивы к потрясениям, здоровы, адаптивны и способны к регенерации за счет сочетания разнообразия, дальновидности и способности к самоорганизации и обучению. Устойчивое общество может выдерживать потрясения и восстанавливаться при необходимости. Оно требует от людей принятия своей способности предвидеть, планировать и адаптироваться к будущему. [27]
Каталог RELi рассматривает различные масштабы вмешательства с требованиями панорамного подхода, адаптации и смягчения рисков для острых событий и комплексной адаптации и смягчения последствий для настоящего и будущего. Структура RELi уделяет большое внимание социальным вопросам устойчивости сообщества, таким как предоставление общественных пространств и организаций. RELi также сочетает в себе конкретные проекты опасностей, такие как готовность к наводнениям, с общими стратегиями по энергоэффективности и водосбережению. Для организации списка кредитов RELi используются следующие категории:
Программа RELI дополняет и расширяет другие популярные рейтинговые системы, такие как LEED, Envision и Living Building Challenge. Формат меню каталога позволяет пользователям легко ориентироваться в кредитах и узнавать цели, достигнутые RELI. Ссылки на другие рейтинговые системы, которые использовались, могут помочь повысить осведомленность о RELi и ее надежности в использовании. Ссылка на каждый кредит указана в каталоге для удобства доступа. [27]
В 2018 году были выпущены три новых пилотных кредита LEED для повышения осведомленности о конкретных природных и техногенных катастрофах. Пилотные кредиты находятся в категории «Интегративный процесс» и применимы ко всем системам оценки проектирования и строительства зданий. [28]
Баллы LEED пересекаются с баллами рейтинговой системы RELi, USGBC совершенствует RELi для лучшего взаимодействия с пилотными баллами по устойчивому проектированию LEED.
Важно оценить текущие климатические данные и проектирование при подготовке к изменениям или угрозам окружающей среде. Планы устойчивости и пассивные стратегии проектирования могут различаться в зависимости от слишком жаркого климата. Ниже приведены общие стратегии проектирования с учетом климата, основанные на трех различных климатических условиях: [30]
Определение и оценка уязвимостей в застроенной среде на основе конкретных местоположений имеет решающее значение для создания плана устойчивости. Катастрофы приводят к широкому спектру последствий, таких как поврежденные здания, экосистемы и человеческие потери. Например, землетрясения, произошедшие в уезде Вэньчуань в 2008 году, привели к крупным оползням, которые переместили целый городской район, такой как Старый Бэйчуань. [32] Вот некоторые природные опасности и потенциальные стратегии оценки устойчивости.
Существует множество стратегий защиты сооружений от ураганов, основанных на ветровой и дождевой нагрузке.
Землетрясения также могут привести к повреждению конструкций и обрушению зданий из-за высоких нагрузок на каркасы зданий.
Трудно обсуждать концепции устойчивости и стойкости в сравнении из-за различных научных определений, которые использовались в этой области на протяжении многих лет. Многие политики и академические публикации по обеим темам либо предоставляют свои собственные определения обеих концепций, либо не имеют четкого определения типа устойчивости, к которому они стремятся. Несмотря на то, что устойчивость является устоявшимся термином, существуют общие толкования концепции и ее фокуса. Санчес и др. предложили новую характеристику термина «устойчивая устойчивость», которая расширяет социально-экологическую устойчивость, включая более устойчивые и долгосрочные подходы. Устойчивая устойчивость фокусируется не только на результатах, но также на процессах и политических структурах в реализации. [33]
Обе концепции разделяют основные предположения и цели, такие как пассивная выживаемость и устойчивость работы системы с течением времени и в ответ на нарушения. Существует также общий фокус на смягчении последствий изменения климата , поскольку они оба появляются в более крупных структурах, таких как Строительный кодекс и программы сертификации зданий. Холлинг и Уокер утверждают, что «устойчивая социально-экологическая система является синонимом региона, который является экологически, экономически и социально устойчивым». [34] Другие ученые, такие как Перрингс, утверждают, что «стратегия развития не является устойчивой, если она не является устойчивой». [35] [36] Таким образом, эти две концепции переплетены и не могут быть успешными по отдельности, поскольку они зависят друг от друга. Например, в RELi и в LEED и других строительных сертификациях предоставление доступа к безопасной воде и источнику энергии имеет решающее значение до, во время и после нарушения. [34]
Некоторые ученые утверждают, что тактики устойчивости и устойчивости преследуют разные цели. Паула Мелтон утверждает, что устойчивость фокусируется на дизайне для непредсказуемых ситуаций, в то время как устойчивость фокусируется на дизайне, учитывающем климат. Некоторые формы устойчивости, такие как адаптивная устойчивость, фокусируются на дизайне, который может адаптироваться и меняться в зависимости от шокового события, с другой стороны, устойчивый дизайн фокусируется на эффективных и оптимизированных системах. [37]
Первая влиятельная количественная метрика устойчивости, основанная на кривой восстановления функциональности, была предложена Бруно и др. [6] , где устойчивость количественно определяется как потеря устойчивости следующим образом.
где - функциональность в момент времени ; - время, когда происходит событие; - время, когда функциональность полностью восстанавливается.
Потеря устойчивости — это метрика, имеющая только положительное значение. Ее преимущество в том, что ее легко обобщить для различных структур, инфраструктур и сообществ. Это определение предполагает, что функциональность составляет 100% до события и в конечном итоге будет восстановлена до полной функциональности 100%. На практике это может быть не так. Система может быть частично функциональной, когда ударит ураган, и может не быть полностью восстановлена из-за неэкономичного соотношения затрат и выгод.
Индекс устойчивости — это нормализованный показатель от 0 до 1, вычисляемый на основе кривой восстановления функциональности. [38]
где — функциональность в момент времени ; — время, когда происходит событие; — интересующий нас временной горизонт.
![{\displaystyle R_{L}=\int _{t_{0}}^{t_{f}}[100\%-Q(t)]dt}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d05e144b449152f0234a7156b4d5c21aa815a9a5)
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: |last=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )