レジリエンス（エンジニアリングと建設）

工学および建設の分野では、レジリエンスとは、完全な破壊を被ることなく損害を吸収または回避する能力であり、建物やインフラ、さらにはコミュニティの設計、保守、復旧の目標です。^{[1] [2] [3]}より包括的な定義は、破壊的な出来事に対応し、吸収し、適応し、回復する能力です。^[4]レジリエントな構造/システム/コミュニティは、出来事の間に最小限の損害と機能の中断で極端な出来事に耐えることができ、出来事の後には、出来事前のレベルと同等かそれ以上の機能を迅速に回復できる必要があります。

レジリエンスの概念は工学から始まり、その後徐々に他の分野にも応用されてきました。これは脆弱性の概念と関連しています。どちらの用語もイベントの変動に特有のもので、システム/インフラストラクチャ/コミュニティが、あるイベントに対して他のイベントよりも脆弱であったり、回復力が低い可能性があることを意味します。しかし、これらは同じではありません。明らかな違いの 1 つは、脆弱性はイベント前の段階でのシステムの脆弱性の評価に焦点を当てているのに対し、レジリエンスはイベント前、イベント中、イベント後の段階における動的な特徴を強調していることです。^[5]

レジリエンスは、技術的、組織的、社会的、経済的という4つの側面をカバーする多面的な特性です。^[6]したがって、1つの指標を使用してレジリエンスを説明し、定量化するのはあまり適切ではない可能性があります。エンジニアリングでは、レジリエンスは4つのR、つまり堅牢性、冗長性、機知、迅速性によって特徴付けられます。現在の研究では、機能性や社会経済関連の側面など、複数の側面からレジリエンスを定量化するさまざまな方法が開発されています。^[5]

建築環境は、強風や地震などの既存および新たな脅威に対する回復力と、建物の設計における堅牢性と冗長性の創出を必要としています。設計と計画に対するさまざまなアプローチの効率性に対する変化する状況の新たな影響については、次の項で取り上げます。^[7]

エンジニアリングのレジリエンスは他の分野に刺激を与え、サプライチェーンのレジリエンスなど、レジリエンスの解釈方法に影響を与えています。

辞書によると、レジリエンスとは「困難や混乱から回復する能力」を意味します。レジリエンスという語の語源は、ラテン語の「resilio」で、ある状態に戻る、または跳ね返るという意味です。^[8] 1640年代、この語源は材料力学の分野で「弾性変形時に材料がエネルギーを吸収し、荷重が解除されるとそのエネルギーを放出する能力」としてレジリエンスを定義しました。1824年までに、この語は「弾性」の意味を包含するようになりました。^[9]

トーマス・トレッドゴールドは、1818年にイギリスで初めてレジリエンスの概念を導入しました。^[10]この用語は、梁が重い荷重を支えるために曲げられたり変形したりすることから、木材の強度の特性を表すために使用されました。トレッドゴールドは、土壌条件が悪く気候にさらされているにもかかわらず、木材が耐久性があり、燃えにくいことを発見しました。^[11]その後、レジリエンスは、特定の材料が特定の外乱に耐える能力に関連して、1856年にマレットによって洗練されました。これらの定義は、大規模なシステムの複雑な適応安定性ではなく、安定した平衡状態を持つ単一の材料の適用により、エンジニアリングレジリエンスに使用できます。^{[12] [13]}

1970年代、研究者たちは、児童心理学と特定のリスクへの暴露に関連して、回復力を研究しました。回復力は、「逆境から回復する能力」を持つ人々を説明するために使用されました。多くの研究者の一人であるマイケル・ラター教授は、リスク体験とその相対的な結果の組み合わせに関心を持っていました。^[14]

CS ホリングは、論文「生態系の回復力と安定性」（1973 年）で、生態学の分野への応用を通じて初めて回復力というテーマを研究しました。生態学的回復力は、「システムの持続性と、変化や混乱を吸収し、状態変数間の同じ関係を維持する能力の尺度」と定義されました。^[15]ホリングは、このようなフレームワークが他の形態の回復力にも適用できることを発見しました。生態系への適用は、後に他の種類の人間、文化、社会への適用に利用されました。ホリングが説明したランダム イベントは気候的なものだけではありません。中立システムへの不安定性は、火災の影響、森林コミュニティの変化、または漁業のプロセスを通じて発生する可能性があります。一方、安定性は、一時的な混乱の後にシステムが平衡状態に戻る能力です。世界はさまざまな生物学的、物理的、化学的特性を持つ異質な空間であるため、オブジェクトではなく複数の状態システムを研究する必要があります。^[16]物質的および工学的レジリエンスとは異なり、生態学的および社会的レジリエンスは、機能の存在を維持するための多重平衡状態の冗長性と持続性に重点を置いています。

エンジニアリングレジリエンスとは、災害軽減に関連したシステムの機能性を指します。この枠組みでは、レジリエンスはシステムが単一状態の平衡に戻るのにかかる時間に基づいて計算されます。^[17] MCEER（マルチハザード地震工学研究センター）の研究者は、レジリエンスの4つの特性を特定しました。堅牢性、機知、冗長性、迅速性です。^[18]

• 堅牢性: システムが機能の損失を被ることなく、一定レベルのストレスに耐える能力。
• 機知に富む能力:脅威によってシステムが混乱する可能性がある場合に、問題とリソースを特定する能力。
• 冗長性:システム内にさまざまな経路を設け、力を伝達して継続的な機能を可能にする能力
• 迅速性:損失や将来の混乱を防ぐために、時間内に優先事項と目標を満たす能力。

社会生態学的レジリエンスは、適応レジリエンスとも呼ばれ、^{[19] は、}レジリエンスの社会的、生態学的、技術的な領域を組み合わせることに焦点を移した新しい概念です。適応モデルは、システムの安定した状態の変換可能な品質に焦点を当てています。適応型の建物では、短期的および長期的なレジリエンスの両方に対処し、システムが社会的および物理的な能力で障害に耐えられるようにします。建物はさまざまな規模と条件で動作するため、アーキテクチャの絶え間ない変化が予想されることを認識することが重要です。ラボイとファノンは、レジリエンスモデルが変化していることを認識しており、MCEER のレジリエンスの 4 つの特性をアーキテクチャの計画、設計、運用段階に適用しています。^[17] ラボイとファノンは、レジリエンスを説明するために 4 つの特性を使用するのではなく、建物の運用段階に回復、建物の計画段階にリスク回避を追加した 6R モデルを提案しています。建物の計画段階では、敷地の選択、建物の配置、敷地条件がリスク回避に重要です。早期の計画は、私たちが理解し認識している力に基づいて建築環境の準備と設計に役立ちます。建物の運用段階では、障害は回復力の終わりを意味するものではなく、将来の適応のための回復計画を提案するものです。障害は、間違いや結果を評価し、将来のニーズに合わせて再構成するための学習の機会として利用する必要があります。

国際建築基準法は、パフォーマンスベースの基準を使用する建物に最低限必要な要件を定めています。最新の国際建築基準法 (IBC) は、国際基準協議会 (ICC) によって 2018 年に発表され、特定の建築方法の使用を制限することなく、公衆衛生、安全、福祉を保護する基準に重点を置いています。この基準はいくつかのカテゴリに対応しており、新しい技術や変更を組み込むために 3 年ごとに更新されます。建築基準法は、コミュニティとその建物の回復力にとって不可欠です。「建築環境の回復力は、強力で定期的に採用され、適切に管理されている建築基準法から始まります」^[20]国立建築科学研究所 (NIBS) によると、国際建築基準法の採用により 1 ドルの投資につき 11 ドルの利益が得られることが判明しており、基準の採用によって利益が発生します。^[21]

国際建築基準協議会は、コミュニティの建物が災害に先立ってコミュニティの回復力をサポートすることを想定することに重点を置いています。ICC が提示するプロセスには、リスクの理解、リスクに対する戦略の特定、およびそれらの戦略の実施が含まれます。リスクは、コミュニティ、地理、およびその他の要因によって異なります。米国建築家協会は、特定のコミュニティ特性に関連するショックとストレスのリストを作成しました。ショックとは自然災害 (洪水、地震) であり、ストレスとは長期間にわたって発生する可能性のある慢性的なイベント (手頃な価格、干ばつ) です。建物はショックとストレスの解決に貢献する役割を果たす可能性があるため、ショックとストレスの両方に対するレジリエントな設計の適用を理解することが重要です。IBC はモデル コードですが、特定の建物領域を規制するためにさまざまな州や政府によって採用されています。リスクを最小限に抑えるアプローチのほとんどは、建物の使用と占有を中心に構成されています。さらに、構造の安全性は材料の使用、フレームによって決まり、構造要件は居住者に高いレベルの保護を提供できます。津波、火災、地震などのそれぞれの衝撃やストレスに対して、具体的な要件と戦略が定められています。^[22]

非営利団体である米国レジリエンス協議会 (USRC) は、新築および既存の建物に対する自然災害の予想される影響を説明する USRC 評価システムを作成しました。評価では、建物の構造、機械・電気システム、材料の使用を通して、使用前の建物を考慮します。現在、このプログラムは試験段階にあり、主に地震への備えとレジリエンスに重点を置いています。地震の危険性については、評価は建築設計基準で定められた要件に大きく依存しています。建物は、2 種類の USRC 評価システムのいずれかを取得できます。

検証済みの評価システムは、バッジを使用してマーケティングや宣伝の目的で使用されます。評価は専門家によって授与されるため、理解しやすく、信頼性が高く、透明性があります。USRCの建物評価システムは、システムで使用される次元に基づいて、1つ星から5つ星までの星で建物を評価します。USRCが使用する3つの次元は、安全性、損傷、回復です。安全性は、イベント後の人々の潜在的な危害の防止を表します。損傷は、交換や損失のために必要となる推定修理を表します。回復は、建物が衝撃後に機能を回復するのにかかる時間に基づいて計算されます。^[23] 次の種類の評価認証を取得できます。

• USRCプラチナ：予想ダメージの5%未満
• USRCゴールド：予想ダメージの10%未満
• USRCシルバー：予想ダメージの20％未満
• USRC認定: 予想損害の40%未満

地震建物評価システムは、危険評価と耐震試験を通じて取得できます。USRCが提供する技術レビューに加えて、CRP地震解析は、必要な文書とともにUSRC評価に適用されます。^[23] USRCは、洪水、嵐、強風などの他の自然災害についても同様の基準を作成することを計画しています。

取引評価システムは、建物のリスク露出、場合によっては投資と利益に関するレポートを提供します。この評価は USRC の機密情報として保持され、建物の宣伝やマーケティングには使用されません。

現在、地震対策に重点が置かれているため、USRC は建物のいくつかの部分を考慮に入れていません。USRC の建物評価システムでは、評価が付与された後に発生する可能性のある建物の設計変更は考慮されていません。したがって、建物の耐久性を妨げる可能性のある変更は、建物に付与された評価には影響しません。さらに、認証後の建物の用途の変更には危険物の使用が含まれる可能性がありますが、建物の評価認証には影響しません。損傷評価には、配管の破損、建物の改修、家具の損傷による損傷は含まれません。復旧評価には、すべての建物機能とすべての損傷の完全な復旧は含まれず、一定量のみが対象となります。

2013年、ロックフェラー財団は、都市が物理的、社会的、経済的なショックやストレスに対してより強靭になることを支援することを目的とした「100レジリエントシティプログラム」を開始しました。このプログラムは、ツール、資金、ARUPやAIAなどのグローバルネットワークパートナーへのアクセスを通じて、世界中の都市のレジリエンス計画の促進を支援します。プログラムへの参加を申請した1,000都市のうち、高齢化、サイバー攻撃、激しい嵐、薬物乱用などさまざまな課題を抱える100都市のみが選ばれました。

このプログラムに参加している都市は数多くあるが、Spaans と Waterhot は「世界中の都市でレジリエンスを構築する」という記事で、ロッテルダム市に焦点を当て、プログラム参加前と参加後の都市のレジリエンスを比較している。著者らは、このプログラムにより、水、データ、きれいな空気、サイバーの堅牢性、安全な水へのアクセスが含まれ、ロッテルダムのレジリエンス計画の範囲が広がり、改善されたことを発見した。このプログラムは、暴力や失業など、都市のレジリエンスを弱める可能性のある他の社会的ストレスにも対処している。そのため、都市は現在の状況を振り返り、新しいショックやストレスに適応する計画を立てることができる。^[24]この記事の調査結果は、複数の政府規模、時間規模、分野にわたる調整を伴う統合アプローチを必要とする、より大規模な都市規模でのレジリエンスの理解をサポートできる。100 レジリエンス都市プログラムは、建築基準法や建築認証プログラムにレジリエンスを統合することに加えて、非営利団体を通じて意識を高めるのに役立つその他のサポート機会も提供している。^[24]

6年以上の成長と変化を経て、既存の100レジリエントシティ組織は2019年7月31日に終了しました。^[25]

RELi は、建物、近隣地域、インフラなど、建築環境のさまざまなスケールでレジリエンスを開発するために使用される設計基準です。これは、設計者が危険に備えるために役立つように、市場変革から持続可能性への研究所 (MTS) によって開発されました。^[26] RELi は LEED と非常によく似ていますが、レジリエンスに重点を置いています。RELi は現在、米国グリーンビルディング協会(USGBC) が所有しており、LEED 認証を取得しようとしているプロジェクトで利用できます。RELi の最初のバージョンは 2014 年にリリースされましたが、現在はまだパイロット フェーズにあり、特定のクレジットにポイントは割り当てられていません。RELi 認定は必須ではなく、クレジット情報の使用は任意です。したがって、現在のポイント システムはまだ決定されておらず、具体的な価値はありません。RELi は、建物設計のリファレンス ガイドとして使用されるクレジット カタログを提供し、次のように RELi のレジリエンスの定義を拡張しています。

レジリエントデザインは、多様性、先見性、自己組織化と学習能力の組み合わせを通じて、衝撃に強く、健康的で、適応性があり、再生可能な建物とコミュニティを追求します。レジリエントな社会は、必要に応じてショックに耐え、自ら再建することができます。そのためには、人間が将来を予測し、計画し、適応する能力を受け入れる必要があります。^[27]

RELi カタログは、包括的なアプローチ、急性事象に対するリスク適応と緩和、現在および将来に対する包括的な適応と緩和の要件を伴う複数の規模の介入を考慮しています。RELi のフレームワークは、コミュニティ スペースや組織の提供など、コミュニティの回復力に関する社会的問題に重点を置いています。また、RELi は、洪水対策などの特定のハザード設計と、エネルギーおよび水の効率化に関する一般的な戦略を組み合わせています。RELi クレジット リストを整理するために、次のカテゴリが使用されます。

• 計画、設計、保守、運用への包括的なアプローチ
• 危険への備え
• 危険への適応と軽減
• コミュニティの結束、社会的・経済的活力
• 生産性、健康、多様性
• エネルギー、水、食料
• 材料と工芸品
• 応用された創造性、革新性、探究心

RELIプログラムは、LEED、Envision、Living Building Challengeなどの他の一般的な評価システムを補完し、拡張するものです。カタログのメニュー形式により、ユーザーはクレジットを簡単にナビゲートし、RELIによって達成された目標を認識することができます。使用されている他の評価システムへの参照は、RELiの認知度とその使用の信頼性を高めるのに役立ちます。各クレジットの参照は、アクセスしやすいようにカタログに記載されています。^[27]

2018年には、特定の自然災害や人為的災害に関する意識を高めるために、3つの新しいLEEDパイロットクレジットがリリースされました。パイロットクレジットは統合プロセスカテゴリにあり、すべての建物設計および建設評価システムに適用されます。^[28]

• 最初の単位であるIPpc98: レジリエンスの評価と計画には、サイトの危険評価の前提条件が含まれています。サイトの状況と、それが気候の変化によってどのように変化するかを考慮することが重要です。プロジェクトでは、気候関連のリスク計画を実行するか、赤十字が提示する計画フォームに記入するかを選択できます。
• 2 番目のクレジットIPpc99: レジリエンスの評価と計画では、最初のクレジットで行った評価に基づいて、プロジェクトで上位 3 つの危険を優先順位付けする必要があります。各危険に対する特定の緩和戦略を特定し、実装する必要があります。危険の選択をサポートするために、USRC などの他のレジリエンス プログラムを参照する必要があります。
• 3つ目の単位であるIPpc100: 緊急時の受動的な生存性と機能性は、障害発生時に居住可能で機能的な状態を維持することに焦点を当てています。プロジェクトでは、優先度の高い機能に緊急電力を供給する能力、一定期間居住可能な温度を維持する能力、および水へのアクセスを提供する能力を実証できます。熱抵抗については、快適ツールの湿度チャートの熱モデルを参照して、一定期間の建物の熱特性をサポートする必要があります。緊急電力については、建物の使用タイプの重要な負荷とニーズに基づいてバックアップ電力が持続する必要があります。^[29]

LEED クレジットは RELi 評価システム クレジットと重複しており、USGBC は RELi を改良して LEED レジリエント デザイン パイロット クレジットとよりよく統合できるようにしています。

環境の変化や脅威に備えて、現在の気候データと設計を評価することが重要です。回復力計画とパッシブデザイン戦略は、暑すぎる気候に基づいて異なる場合があります。以下は、3つの異なる気候条件に基づいた一般的な気候対応設計戦略です。^[30]

• 自然の解決策の利用: マングローブやその他の海岸沿いの植物は洪水に対する障壁として機能します。
• 堤防システムの構築: 洪水がひどい地域では、建物を保護するために堤防を都市景観に組み込むことができます。
• 透水性舗装の使用: 多孔質の舗装表面が駐車場、道路、歩道の流出水を吸収します。
• 雨水収集方法: 家庭や庭園の目的で雨水を収集して貯蔵します。

• 干ばつに強い植物の使用：造園方法における水の使用を節約する
• 廃水のろ過：廃水を造園やトイレの使用のためにリサイクルします。
• 中庭レイアウトの使用：太陽放射の影響を受けるエリアを最小限に抑え、蒸発冷却のために水と植物を使用します。^[31]

• 植生の利用: 樹木は蒸発散を通じて都市のヒートアイランド現象を軽減し、環境を冷却するのに役立ちます。
• パッシブソーラー設計戦略の使用: 開閉可能な窓と熱質量により、建物を自然に冷却できます。
• 窓の遮光戦略: 建物に入る日光の量を制御して、日中の熱の増加を最小限に抑えます。
• 建物内に再放射する外部の隣接熱質量を減らすか、遮蔽する（例：舗装材）

特定の場所に基づいて建築環境の脆弱性を決定し評価することは、レジリエンス計画を作成するために不可欠です。災害は、建物の損傷、生態系、人的損失など、さまざまな結果をもたらします。たとえば、 2008年に汶川県で発生した地震は、大規模な地滑りを引き起こし、旧北川などの市街地全体を移転させました。^[32]ここでは、自然災害とレジリエンス評価の潜在的な戦略をいくつか紹介します。

• 耐火材料の使用
• 避難用の耐火階段を設ける
• 障害のある人にも役立つ普遍的な脱出方法。

風や雨の負荷に基づいて、ハリケーンから構造物を保護する戦略は複数あります。

• 開口部は飛散物から保護する必要がある
• 浸水や洪水の恐れから建物を高くする必要がある
• 建物の囲いは特定の釘打ちパターンで密閉する必要がある
• 風荷重に耐えるために金属、タイル、石材などの材料を使用する。^[22]

地震により建物の骨組みにかかる大きな応力により、建物の構造的損傷や倒壊が発生することもあります。

• 怪我や火災を防ぐためにヒーターや家具などの器具を固定する
• 地震の揺れに対応するために、建物の構造には伸縮継ぎ目を使用する必要があります。
• 衝撃を最小限に抑えるために基礎免震を備えた柔軟なシステムを構築する
• 地震発生時に必要な物資を備蓄した地震対策キットを提供する

レジリエンスと持続可能性の概念を比較して議論することは、この分野で長年使用されてきたさまざまな学術的定義のため困難です。両方のトピックに関する多くの政策や学術出版物は、両方の概念について独自の定義を提供しているか、または彼らが求めるレジリエンスの種類を明確に定義していません。持続可能性はよく確立された用語ですが、その概念とその焦点については一般的な解釈があります。サンチェスらは、「持続可能なレジリエンス」という用語の新しい特徴付けを提案しました。これは、社会生態学的レジリエンスを拡張して、より持続的で長期的なアプローチを含めるものです。持続可能なレジリエンスは、結果だけでなく、実装におけるプロセスと政策構造にも焦点を当てています。^[33]

どちらのコンセプトも、受動的な生存性や、時間の経過や外乱に対するシステム運用の持続性など、重要な前提と目標を共有しています。また、建築基準法や建築認証プログラムなどのより大きな枠組みに両方登場するため、気候変動の緩和にも焦点が当てられています。ホリングとウォーカーは、「回復力のある社会生態系は、生態学的、経済的、社会的に持続可能な地域と同義である」と主張しています。^[34]ペリングスなどの他の学者は、「開発戦略は回復力がなければ持続可能ではない」と述べています。^{[35] [36]}したがって、2つの概念は絡み合っており、お互いに依存しているため、個別に成功することはできません。たとえば、RELiやLEEDなどの建築認証では、外乱の前、最中、後に安全な水とエネルギー源へのアクセスを提供することが重要です。^[34]

一部の学者は、レジリエンスと持続可能性の戦術は異なる目標を狙っていると主張している。ポーラ・メルトンは、レジリエンスは予測不可能な事態に備えた設計に焦点を当てているのに対し、持続可能性は気候に対応した設計に焦点を当てていると主張している。適応型レジリエンスなどの一部のレジリエンスは、衝撃的な出来事に基づいて適応および変更できる設計に焦点を当てているが、一方で持続可能な設計は、効率的で最適化されたシステムに焦点を当てている。^[37]

機能性回復曲線に基づく最初の影響力のある定量的な回復力指標は、Bruneauら^[6]によって提案されました。この指標では、回復力は次のように回復力損失として定量化されます。

${\displaystyle R_{L}=\int _{t_{0}}^{t_{f}}[100\%-Q(t)]dt}$

ここで、 は時刻 における機能、はイベントが発生した時刻、は機能が完全に回復した時刻です。 ${\displaystyle Q(t)}$${\displaystyle t}$${\displaystyle t_{0}}$${\displaystyle t_{f}}$

回復力損失は、正の値のみを示す指標です。さまざまな構造、インフラストラクチャ、コミュニティに簡単に一般化できるという利点があります。この定義では、機能がイベント前に 100% であり、最終的には 100% の完全な機能に回復すると想定されています。これは実際には当てはまらない可能性があります。システムはハリケーンが襲来したときに部分的に機能していて、非経済的な費用便益比のために完全に回復しない可能性があります。

レジリエンス指数は、機能性回復曲線から計算される0から1の間の正規化された指標である。^[38]

${\displaystyle R={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{h}}Q(t)dt}{t_{h}-t_{0}}}}$

ここで 、 は時刻 における機能性、はイベントが発生した時刻、は関心のある時間範囲です。 ${\displaystyle Q(t)}$${\displaystyle t}$${\displaystyle t_{0}}$${\displaystyle t_{h}}$

• 建築適応とレジリエンスプロジェクトの推進