防灾韧性城市：本质内涵、分形结构与特征向量

随着城市化进程加速和全球气候变化加剧，城市面临的灾害风险日益严峻。如何通过城市防灾规划有效应对各类灾害的耦合、叠加、次生与衍生效应，成为亟待解决的紧迫课题。2003年，美国著名防灾学者戴维·戈德沙尔克首次提出“Disaster Resilient City”（本文译为防灾韧性城市）的概念。相较于宽泛的一般的韧性城市研究，防灾韧性城市更聚焦于防灾减灾与应急响应，特指城市系统在应对特定类型扰动，即自然、人为灾害等急性冲击以及气候变化等带来的累积性冲击时所展现出的韧性机制，为城市防灾规划提供了更具针对性的新理念与方法论。国内虽然已掀起韧性城市的讨论热潮，但对防灾韧性城市概念的引用尚处起步阶段。基于此，本文旨在明晰防灾韧性城市的内涵、结构与特征，形成城市安全与防灾减灾领域韧性城市的研究边界，推动综合防灾规划理论的演进。

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防灾韧性城市的本质内涵

防灾韧性城市的本质内涵聚焦于3个核心方面： 以人为本的服务供给、动态演进的自适应过程以及跨尺度多系统的关联协同 。  

以人为本的服务供给是防灾韧性城市的关键目标。传统防灾规划往往侧重于物质环境的风险管理和设施恢复，而防灾韧性城市则强调最大程度地降低对人的影响，确保在灾害发生后能够迅速恢复基本生活服务供给，保障人们的基本福祉不受严重影响。  

防灾韧性城市发展是一种不断动态演进的发展适应过程。鉴于灾害的高度不确定性和城市环境的复杂性，防灾韧性城市的构建是一个长期的、渐进的过程，需要通过高频扰动和不断试错来增强城市系统的自适应能力。人作为其中的能动因子，对于促进城市系统的学习与适应至关重要。  

防灾韧性城市的构建需要关注跨尺度多系统的关联协同。城市系统由多个相互关联的子系统组成，传统单一系统的规划方法难以应对不确定性扰动下现代城市复杂系统间的相互作用。因此，需要厘清不同尺度上城市各子系统的相互作用规律与动态响应机理，实现多系统协同规划，提升整体韧性。

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防灾韧性城市的分形结构

2.1 自相似性结构

防灾韧性城市的系统框架是由相互依赖的物质环境系统与社会网络系统动态交织形成的多尺度、强耦合的网络系统 ，由微观低维到宏观高维逐层嵌套。各层次的网络结构均显示出相似的组织模式与形态特征，如同分形结构。这种自相似性确保了城市系统在面临灾害时，无论是整体还是局部，都能表现出相似的应对能力和恢复力，从而能够在遭受冲击后快速适应、调整和复原。  

2.2 系统网络构成

物质环境系统。 防灾韧性城市的物质网络主要包括建成环境和自然环境两大类要素，其中，建成环境作为 核心物质基础可归纳为三大类别：建筑设施（包括单体建筑、建筑群落）、道路交通系统以及基础设施系统 ，可抽象为“节点—边”构成的复杂多层网络系统（图1），城市功能的有效运作与快速恢复取决于三类系统的协调配合。

• 建筑 ：分为提供服务的“源”建筑（如交通枢纽、市政服务设施、公共服务机构）和接受服务的“端”建筑（如居民生活与工作场所）。
• 道路交通 ：连接“端”与“源”建筑之间的网络通路，也是基础设施服务的重要载体。
• 基础设施 ：依托道路系统实现资源和能源的有效输送及废弃物的妥善处理。

▲   图1  |  防灾韧性城市的物质环境系统网络示意

资料来源：本文图表除另有注明外，均为笔者自绘。

社会网络系统。 社会网络系统作为社会群体关系与物质环境系统互动的载体，维系着信息与资源的流动分配（图2）。 城市层级的社会网络系统由依附于用地单元的城市居民、企事业单位、政府部门等多元主体构成节点，节点间的边代表了相互间的信息交流、协作配合与资源共享关系。社会网络的构建已逐渐超越物理空间限制，线上社交媒体成为现代社会关系网络不可或缺的一部分，极大地扩展了社会网络的覆盖范围与响应效率，在灾害管理和应急领域展现出巨大潜力与价值。

  ▲     图2  |  防灾韧性城市的社会网络系统示意

防灾韧性城市的网络架构通过物质环境系统与社会网络系统的紧密结合，形成了一个   既支撑实体资源流动又促进信息与社会资本交流的立体网络   。这种双维度的网络结构确保了城市在常态与非常态下的生存与发展能力，赋予了城市在面对灾害挑战时的韧性与恢复力，保障了居民基本服务需求的不间断供给。  

2.3 分形拓扑形制

防灾韧性城市的分形特性决定了物质与社会双网络结构在跨空间尺度的一致性，从宏观区域城市体系直至微观社区和建筑，这种自相似性的网络拓扑形制统一于“节点—边”的网络模式，“节点”是具有某种属性特征的物理单元或虚拟单元，“边”是节点之间的物理联系或社会联系。该模式以城市为中心，整合多层物理实体网络和多元社会关系网络构成了高阶复杂网络结构 （图3）。防灾韧性城市这一结构视角揭示了城市内在的非线性、自相似与层次性特征，有助于理解防灾韧性城市在灾害应对中的复杂交互与动态演化。  

▲   图3  |  防灾韧性城市的分形结构示意

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防灾韧性城市的特征向量

3.1 韧性响应

分形结构揭示了城市韧性在网络布局上的统一模式，也暗含了结构与功能间的内在关联。在抵御外界干扰时，物理网络与社会网络性能并不相同，物质环境只能被适应，但社会群体可以从经验中学习进而采取主动适应行为，并促进物质环境的再适应。结合韧性曲线（图4），当城市系统遭受扰动时，系统功能会渐变或迅速下降，下降幅度取决于物理网络结构的鲁棒性。系统功能的恢复速度反映了城市的可恢复性，通过社会网络的准备和适应，可以提高整体系统的鲁棒性和可恢复性。  

▲   图4  |  扰动作用于城市的防灾韧性能力曲线

资料来源：笔者结合BRUNEAU M，CHANG S E，EGUCHI R T，et al. A Framework to Quantitatively Assess and Enhance the Seismic Resilience of Communities[J]. Earthquake Spectra，2003，19(4)：733-752、MCDANIELS T，CHANG S，COLE D，et al. Fostering Resilience to Extreme Events Within Infrastructure Systems：Characterizing Decision Contexts for Mitigation and Adaptation[J]. Global Environmental Change，2008，18(2)：310-318绘制。

3.2 结构状态

防灾韧性能力的核心体现在于城市系统受到外界扰动后，其基本功能的维系状态。扰动发生的瞬时，城市系统能否保持功能正常运行与系统结构状态变化密切相关。在剧烈或突发的扰动作用下，系统结构状态更倾向于发生非连续演化或突变。在此过程中，系统结构状态的转变隐含两个关键阈值（图5）：   阈值1   标志着系统结构状态失稳转变的极限；   阈值2   标志着系统结构塌陷、功能崩溃的临界。   

  ▲     图5  |  防灾韧性城市的系统结构状态示意

3.3 动态特征

基于城市系统受到扰动后结构状态的“稳定保持”和“非稳定保持”（阈值1的突破与否），防灾韧性城市的特征向量体系可被划分为   鲁棒性   和   可恢复性   两大维度，后者又进一步细分为   冗余性、多样性和治理能力   3个子维度，形成了防灾韧性城市特征的四维向量框架（图6）。  

  ▲     图6  |  防灾韧性城市的特征向量

稳定保持状态 ：原有结构和功能可正常发挥，其核心特征是 鲁棒性 ，体现了抵抗外界扰动时保持特定功能和结构不变的能力，与其工程和设施的防灾能力水平紧密关联。  

非稳定保持状态 ，城市系统在韧性阈值内虽经历平衡状态的变动，但仍能确保功能和结构的基本运作，其特征集中体现在 可恢复性 ，具体可细分为：  

• 冗余性 ：系统拥有替代的节点或者链路，确保结构稳定和系统运作；
• 多样性 ：原有结构和功能遭受重创且无可替代的备用资源时，系统通过内在复杂性涌现出新功能或结构，形成新的平衡状态；

• 治理能力 ：系统在严重扰动下丧失了涌现能力，但通过社会网络的动员和资源再分配，弥补了部分物理网络服务能力下降的问题，保证了资源的可获得性。

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结语

本文主要结论：防灾韧性城市发展的本质内涵是以人为本的服务供给、动态演进的自适应过程、跨尺度多系统的关联协同；其分形结构统一于由“节点—边”联结的物质环境系统与社会网络系统交织的高阶复杂城市网络结构；基于“结构—功能”模型推导出具有独立自由度的四维特征向量，即鲁棒性、冗余性、多样性和治理能力。  

本文撰稿： 赫磊  解子昂  李捷