哈爾濱既有建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

●周曉冬 魏娟

哈爾濱既有建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

●周曉冬 魏娟

隨著改革開放的不斷深化，上世紀(jì)80年代后期，哈爾濱市大興土木，建筑物急劇增加。其中有相當(dāng)一部分建筑接近或已經(jīng)達(dá)到其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，如果這些建筑推到重建，將消耗巨大資金，造成社會(huì)資源浪費(fèi)?；谏鲜霈F(xiàn)狀，文章就具體案例確定了關(guān)鍵影響因素指標(biāo)體系，基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)方法，研究、評(píng)價(jià)了哈爾濱市既有建筑結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。

既有建筑 結(jié)構(gòu)加固 指標(biāo)體系 BP

前言

新中國成立后，黑龍江省哈爾濱市迅速恢復(fù)和發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，在“一五”時(shí)期，哈爾濱是國家重點(diǎn)建設(shè)城市之一。改革開放以后，哈爾濱市住房需求急劇膨脹，因此進(jìn)行了大規(guī)模的城市建設(shè)，城市面貌日新月異。由于20世紀(jì)60～70年代的建筑標(biāo)準(zhǔn)低，建筑功能已完全落后。80～90年代初的建筑，有些建筑的材料質(zhì)量和施工質(zhì)量存在安全隱患。惡劣環(huán)境、自然災(zāi)害、人為因素影響等也嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的正常使用。據(jù)初步調(diào)查，30%～50%的既有建筑已經(jīng)出現(xiàn)安全性失效的現(xiàn)象或已進(jìn)入功能退化期。上述原因?qū)е逻@些結(jié)構(gòu)不能滿足安全性、適用性、耐久性等相關(guān)要求，可靠性也在逐漸降低。如不及時(shí)處理，這些既有建筑或早或晚會(huì)危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。如何處置上述既有建筑是建設(shè)和諧社會(huì)不可回避的重大問題。

既有建筑結(jié)構(gòu)加固已成為建筑工程的重要組成部分，需要加固和改造的既有建筑的工程量大，改造范圍廣，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這都給建筑加固行業(yè)帶來了很好的發(fā)展契機(jī)和廣闊的市場前景①。

一、既有建筑結(jié)構(gòu)加固關(guān)鍵性影響因素指標(biāo)體系

既有建筑結(jié)構(gòu)加固方案選擇過程繁瑣復(fù)雜，從設(shè)計(jì)到技術(shù)安全、成本費(fèi)用、施工難度等涉及各個(gè)方面，而這些指標(biāo)都是結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)必須考慮的因素。一個(gè)較好的既有建筑結(jié)構(gòu)加固方案應(yīng)該是這幾個(gè)指標(biāo)的最佳組合，但是這些指標(biāo)的權(quán)重通常是相互矛盾的。加固改造的最優(yōu)方案需要綜合考慮每一個(gè)指標(biāo)，建立科學(xué)的綜合評(píng)估指標(biāo)體系，運(yùn)用合理的評(píng)價(jià)方法，擇選出最優(yōu)建筑結(jié)構(gòu)加固方案。做到安全可靠、成本合理、施工便捷②。

1.加固方案的技術(shù)安全可靠性。加固方案的技術(shù)性直接影響到結(jié)構(gòu)加固的效果，因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)針對(duì)加固的主要目的如改善因結(jié)構(gòu)承載力不足而引起的裂縫過大，或提高因結(jié)構(gòu)改變用途而造成的結(jié)構(gòu)剛度不足等來選擇適合的加固方案；若統(tǒng)一情況幾個(gè)加固方案都適用，可以考慮根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)或使用仿真模擬軟件選擇加固效果較好的方案。

2.加固方案的費(fèi)用成本合理性。在加固方案的選擇中，若片面地強(qiáng)調(diào)費(fèi)用成本最低，忽略技術(shù)上各種合理要求，勢(shì)必會(huì)使結(jié)構(gòu)加固達(dá)不到功能要求；反之重視技術(shù)，忽視成本開銷，加固方案必然會(huì)保守浪費(fèi)。加固方案的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性關(guān)系對(duì)立統(tǒng)一，利用價(jià)值工程的原理分析加固方案，將建筑的功能要求作為分析的核心，以達(dá)到提高價(jià)值的目的。全方位綜合考慮既有建筑加固全生命周期內(nèi)的所有費(fèi)用，從而真正達(dá)到方案優(yōu)選效果。

3.加固方案的施工難易程度。加固方案的難易程度直接影響到加固項(xiàng)目施工的工期，工期、成本、質(zhì)量是工程項(xiàng)目最主要的三大控制，選擇三方面都合理的方案是既有建筑結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)選的目標(biāo)。施工方案過于復(fù)雜也會(huì)而造成勞動(dòng)用量大、安全系數(shù)低等弊端。

4.加固后對(duì)原建筑的影響程度。既有建筑結(jié)構(gòu)加固是在使用一段時(shí)間的建筑上進(jìn)行二次施工，結(jié)構(gòu)加固一定會(huì)對(duì)原建筑內(nèi)人們的生產(chǎn)生活帶來一定程度的影響；有的加固方案在加固后會(huì)使原建筑結(jié)構(gòu)或使用面積發(fā)生變化，如加大截面加固法、鋼絞線加固法、錨栓錨固法等，這些因素也是在選擇加固方案時(shí)必須要考慮的。

5.加固方案的技術(shù)先進(jìn)性。先進(jìn)的技術(shù)代表這最先進(jìn)的生產(chǎn)力，根據(jù)國家和行業(yè)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、政策等的要求，選用適合的新材料、新技術(shù)，也有利于結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的不斷更新發(fā)展。既有建筑結(jié)構(gòu)加固評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，見表1。

表1 既有建筑結(jié)構(gòu)加固關(guān)鍵性影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

二、既有建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型

1.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)通常簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是基于模仿人類大腦的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的信息處理系統(tǒng)。常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有前饋網(wǎng)、感知器、回歸神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(Hopfield)、徑向基(RBF)等，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是算法和模型較為成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前應(yīng)用得最廣泛。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測的結(jié)果和數(shù)據(jù)具有可靠性和可信度。大量研究試驗(yàn)結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅在大樣本的預(yù)測中具有很高的預(yù)測精度，而且對(duì)于小樣本的預(yù)測仍然具有較高的預(yù)測效果。因此，本文選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基于BP算法的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系輸入、輸出層。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)是由大量處理單元廣泛互聯(lián)而成的大規(guī)模自適應(yīng)非線性動(dòng)力系統(tǒng)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back-propagation neural networks)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層（input）、隱層(hidden layer)和輸出層(output layer)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比其它神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較為成熟，基本原理是利用梯度搜索技術(shù)，采用最小二乘法，使網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值與期望輸出值的誤差均方達(dá)到最小值。根據(jù)哈爾濱市既有建筑結(jié)構(gòu)加固評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出層指標(biāo)，將二級(jí)指標(biāo)作為輸入層，建立一個(gè)三層的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出層指標(biāo)體系，詳見圖2。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出層指標(biāo)體系

上述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括，一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層。輸入層中神經(jīng)元為表1中二級(jí)指標(biāo)，個(gè)數(shù)與二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)相同，因此輸入層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為8個(gè)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的隱含層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)難以確定，可采用的統(tǒng)計(jì)方法繁多，例如實(shí)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)法等。目前，缺少統(tǒng)一的確定方法，部分學(xué)者是通過多次實(shí)驗(yàn)法確定較為合適神經(jīng)元個(gè)數(shù)，大部分學(xué)者則是采用經(jīng)驗(yàn)法通過公式計(jì)算來確定神經(jīng)元的個(gè)數(shù)。當(dāng)然，就統(tǒng)計(jì)結(jié)果而言，實(shí)驗(yàn)法的結(jié)果較為精確；就統(tǒng)計(jì)效率而言，經(jīng)驗(yàn)法則大量節(jié)省工作時(shí)間。因此，本文中采用經(jīng)驗(yàn)法統(tǒng)計(jì)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，利用公式log2x計(jì)算，X的值為輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)8。計(jì)算結(jié)果隱含層神經(jīng)元為3個(gè)。輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2，即該網(wǎng)絡(luò)模型為8×3×2③。

三、評(píng)價(jià)模型結(jié)果分析

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算函數(shù)和訓(xùn)練函數(shù)，對(duì)影響既有建筑結(jié)構(gòu)加固評(píng)價(jià)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行專家打分，利用MATLAB分析軟件，進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，優(yōu)化訓(xùn)練函數(shù)。對(duì)于本文中輸入層大部分的定性指標(biāo)，其輸入數(shù)據(jù)的值域?yàn)閇0，1]，采用尺度集[0.85，0.65，0.45，0.25，0.05]將所有定性指標(biāo)隸屬度向量綜合為一個(gè)向量，確定每個(gè)指標(biāo)對(duì)于評(píng)語集的隸屬度向量。同時(shí)輸出層數(shù)據(jù)的值域也為[0，1]，輸入數(shù)據(jù)在0～1之間表示評(píng)價(jià)結(jié)果。表2為輸出層指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，輸出數(shù)據(jù)所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的等級(jí)就為既有建筑結(jié)構(gòu)加固的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性高低水平④。

表2 指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于缺少大量的資料數(shù)據(jù)，本文樣本的選取較為理想化，如果結(jié)果中全部指標(biāo)隸屬于較大，則加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高，如果結(jié)果中全部指標(biāo)隸屬于較小，則加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性很低。另一方面本文評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中存在大量的定性指標(biāo)，因此指標(biāo)樣本的選取至關(guān)重要。為了增加樣本的可靠性，本文需要增加特殊樣本進(jìn)行訓(xùn)練?？紤]指標(biāo)的特性，只需增加兩個(gè)特殊的樣本，當(dāng)輸入層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值全為1時(shí)，輸出層評(píng)價(jià)的結(jié)果也應(yīng)該為1，當(dāng)輸入層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值全為0時(shí)，則評(píng)價(jià)的結(jié)果也應(yīng)為0。利用MATLAB軟件，每個(gè)尺度值隨機(jī)產(chǎn)生8個(gè)樣本，即最終本文的樣本數(shù)量為40個(gè)隨機(jī)樣本和2個(gè)特殊樣本，共計(jì)42個(gè)樣本。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練中，參數(shù)的設(shè)置為:初始學(xué)習(xí)速率為0.05，目標(biāo)誤差為0.0001，隱含層的激活函數(shù)為tansig，輸出層的激活函數(shù)為logsig，訓(xùn)練函數(shù)為trainlm。將上述隨機(jī)產(chǎn)生的42個(gè)樣本和另外兩個(gè)樣本輸入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行訓(xùn)練。圖3表明，該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過80次訓(xùn)練后，就能夠很好地表明實(shí)際情況。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

四、案例

哈爾濱市某購物商場建筑面積2516.96m2，五層，使用了20年，因一層梁底部裂縫過大，超過了正常使用極限狀態(tài)，現(xiàn)將一層梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，設(shè)計(jì)院提供了四種加固方案有加大截面加固法、碳纖維加固法和粘鋼加固法，綜合分析選擇最優(yōu)的方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

本文首先通過表1所示的指標(biāo)體系，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出結(jié)果加大截面加固法為(0.26，0.45)，碳纖維加固法(0.8，0.75)，粘鋼加固法(0.75，0.91)。按照很高、較高、中等、較低、很低的最大隸屬度原則確定等級(jí)，得出粘鋼加固法經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性水平最高，即方案最優(yōu)；其次是碳纖維加固法，加大截面加固法即方案最劣。建議本案例選擇使用粘鋼加固法對(duì)本購物商廈四層梁進(jìn)行加固。

五、結(jié)論

國內(nèi)外對(duì)單個(gè)加固方案在建筑加固中的應(yīng)用有一定的研究，但是對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)加固經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性方面的研究缺少一些理論與實(shí)踐的分析。既有建筑結(jié)構(gòu)加固方案的選擇并不是簡單地選擇適合的方案，不同的加固方案具有不同經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，加固費(fèi)用、施工復(fù)雜程度、加固后對(duì)建筑的影響等都是不同的，要綜合地考慮各個(gè)方面因素對(duì)結(jié)構(gòu)加固的影響，優(yōu)選符合要求的加固方案⑤。

既有建筑結(jié)構(gòu)加固是延續(xù)哈爾濱建筑歷史文脈的必要手段。哈爾濱地處中西文化交界，各式各樣的建筑風(fēng)格在這里齊聚薈萃，因此，必須采取技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高的加固方案對(duì)各類歷史建筑進(jìn)行加固，盡可能地使建筑歷史文脈在融合中延續(xù)傳承。

注釋：

①趙廣宇.哈爾濱既有建筑表皮有機(jī)更新設(shè)計(jì)研究.東北林業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文.

②朱純宜.既有建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析.華東交通大學(xué)碩士畢業(yè)論文.

③王憲云，徐福緣，何建佳等.基于BP神經(jīng)完了的項(xiàng)目社會(huì)后評(píng)價(jià)方法研究[J].公共管理，2011.05:128-130.

④余曉紅.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MATLAB編程實(shí)現(xiàn)及討論[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，8（4）:45-48.

⑤吳剛.既有建筑加固改造的綜合評(píng)價(jià).北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文

（作者單位：東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150040）

（責(zé)編：若佳）

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1004-4914（2014）09-091-02