基于水淋法測(cè)試技術(shù)的墻體抗?jié)B性能綜合評(píng)價(jià)體系研究與構(gòu)建

傅 軍，徐煜佳，馬甜偉

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 金華 321000)

在新型墻材推廣應(yīng)用的背景下，圍護(hù)墻體滲漏問(wèn)題始終存在。圍護(hù)墻體指各類(lèi)用塊材和砂漿砌筑而成的起空間圍合作用的組合體，包括具有抗?jié)B要求的外墻和衛(wèi)生間內(nèi)墻等。其滲漏會(huì)影響建筑物的保溫、耐久性能，同時(shí)降低居住舒適度，極易引發(fā)工程與社會(huì)之間的矛盾，具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性。因缺少事前檢測(cè)機(jī)制，目前墻體滲漏的發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)往往處于事后階段，其主要瓶頸之一在于缺少相關(guān)規(guī)程，其中綜合評(píng)價(jià)體系為標(biāo)準(zhǔn)重要組成部分。通過(guò)文獻(xiàn)查閱可知，綜合評(píng)價(jià)方法種類(lèi)甚多[1-3]，人們較為熟知的主要有定性評(píng)價(jià)法與定量評(píng)價(jià)法。定性評(píng)價(jià)法根據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的觀(guān)察和邏輯分析，對(duì)其特征進(jìn)行信息分析和處理[4]。常通過(guò)直接評(píng)分法、專(zhuān)家會(huì)議法和Delphi等方法實(shí)現(xiàn)決策。該方法利用評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象作出定性的判斷結(jié)論，存在難以對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化的缺點(diǎn)。而定量評(píng)價(jià)法[5-7]是評(píng)價(jià)者根據(jù)被評(píng)對(duì)象的特征，利用數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息對(duì)被評(píng)對(duì)象進(jìn)行綜合分析并獲取評(píng)價(jià)結(jié)果的方法，主要包括層次分析法(AHP)、網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)、模糊數(shù)學(xué)方法。該方法在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛，基本包含了可以解決數(shù)據(jù)化和結(jié)構(gòu)化等確定性信息的方法，也可分析部分不確定性信息。

傅軍等[8-14]在墻材細(xì)觀(guān)滲流研究與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于水淋法研制了初代墻體抗?jié)B性能檢測(cè)儀NDT-WI(Nondestructive testing instrument for wall impermeability)，并在應(yīng)用反饋基礎(chǔ)上改進(jìn)研發(fā)了二代儀器NDT-WI-2[15]。同時(shí)為補(bǔ)全國(guó)內(nèi)相關(guān)類(lèi)似規(guī)程內(nèi)容的缺失，主持編制中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：T/CECS 1092—2022《水淋法砌體墻抗?jié)B性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(已完成標(biāo)準(zhǔn)審查，即將出版發(fā)行)，采用定性評(píng)價(jià)法與定量評(píng)價(jià)法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式，對(duì)墻體抗?jié)B性能指標(biāo)進(jìn)行量化分析，構(gòu)建墻體抗?jié)B性能綜合評(píng)估體系，本文主要闡述墻體抗?jié)B性能綜合評(píng)價(jià)體系的研究與構(gòu)建。

目前檢測(cè)墻體抗?jié)B性能比較直觀(guān)和有效的方法是水淋法，其主要原理是：利用檢測(cè)儀器模擬自然降雨對(duì)墻體的沖刷滲透效果，并在試驗(yàn)過(guò)程中記錄各項(xiàng)滲漏指標(biāo)的同時(shí)觀(guān)察墻體滲漏情況。最后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估墻體抗?jié)B性能。

1 水淋法儀器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

課題組采用NDT-WI-2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，主要檢測(cè)步驟如圖1所示。

圖1 水淋法檢測(cè)流程圖

首先調(diào)試儀器，然后選擇試驗(yàn)對(duì)象。所選取測(cè)點(diǎn)墻面應(yīng)基本平整，表面不應(yīng)有污染物與附著物。固定時(shí)，開(kāi)啟真空泵，使真空吸盤(pán)牢固吸附于墻面。完成固定后，開(kāi)啟水壓、風(fēng)壓加載系統(tǒng)，模擬所需工況進(jìn)行試驗(yàn)，期間觀(guān)察墻體滲漏情況，每隔3分鐘記錄各項(xiàng)滲漏指標(biāo)(滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積)。試驗(yàn)結(jié)束依次關(guān)閉水壓、風(fēng)壓加載系統(tǒng)，清理檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。檢測(cè)期間應(yīng)確保不發(fā)生斷電，防止噴淋罩墜落，同時(shí)應(yīng)設(shè)置安全繩應(yīng)對(duì)意外情況。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

對(duì)墻體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)測(cè)量值應(yīng)該保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)必須對(duì)其進(jìn)行處理。對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理一般采用肖維涅法[16]，對(duì)異常值的定義與檢驗(yàn)還可參考相關(guān)規(guī)范中的異常值檢驗(yàn)公式：

(1)

式中，t—統(tǒng)計(jì)量；xk—樣本中最大或最小值；mx—余下樣本平均值；sx—余下樣本標(biāo)準(zhǔn)差；n—樣本數(shù)量。

將統(tǒng)計(jì)量t與臨界統(tǒng)計(jì)量tα進(jìn)行對(duì)比，若計(jì)算統(tǒng)計(jì)量大，則可判定相應(yīng)的數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)(tα查表可得)。對(duì)檢驗(yàn)出的異常值，應(yīng)尋找產(chǎn)生異常值的原因，作為剔除異常值的依據(jù)。

3 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

當(dāng)前在對(duì)墻體抗?jié)B性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，多層次評(píng)定、模糊綜合評(píng)定等方法都有了一定的應(yīng)用，這些方法綜合考慮了各項(xiàng)因素，對(duì)墻體抗?jié)B性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)論較為科學(xué)客觀(guān)。但由于各種數(shù)學(xué)概念及方法的引入，理論復(fù)雜、計(jì)算量大，導(dǎo)致難以被工程技術(shù)人員普遍應(yīng)用。需構(gòu)建一個(gè)既全面客觀(guān)，又能在各大、中、小型結(jié)構(gòu)中都能得到普遍應(yīng)用，更為簡(jiǎn)潔方便的指標(biāo)。

綜合以上考慮，建立一個(gè)墻體抗?jié)B性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，形式如下：

y=m1x1+m2x2+…+m3x3+…+mnxn=mTx

(2)

式中：y—抗?jié)B性能系數(shù)；m—第i個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重；x—無(wú)量綱化處理后評(píng)估指標(biāo)值。

在確定指標(biāo)權(quán)重m時(shí)要充分考慮其他因素的影響，例如墻體厚度、環(huán)境類(lèi)別、砌體型號(hào)、砂漿類(lèi)型等。顯然，不同空間、時(shí)間環(huán)境下各單一指標(biāo)權(quán)重取值有很大的差異。

3.1 數(shù)據(jù)差異修正

通過(guò)收集大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄不同的墻體厚度、環(huán)境類(lèi)別、砌體型號(hào)及砂漿類(lèi)型下的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積數(shù)據(jù)，并記錄標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B性能測(cè)試環(huán)境下的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積數(shù)據(jù)，將其作為訓(xùn)練集并通過(guò)T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)隱式轉(zhuǎn)換公式[17]。利用對(duì)樣本的訓(xùn)練調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與偏差，快速收斂，提高算法效率[18-19]。

將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分成4層，具體如圖2所示。首層是輸入單元，該層把輸入的模糊參數(shù)傳至下層單元；第2層是隸屬函數(shù)單元，該層對(duì)輸入的參數(shù)隸屬度情況進(jìn)行描述，一般應(yīng)用三角函數(shù)進(jìn)行表述等;第3層是控制規(guī)則單元，具體涵蓋了模糊控制的相關(guān)規(guī)則；第4層是輸出由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息的輸出單元。

圖2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下:

(1)誤差計(jì)算

(3)

式中，yd—網(wǎng)絡(luò)期望輸出；yc—網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出；e—期望輸出和實(shí)際輸出的誤差。

(2)系數(shù)修正

(4)

(5)

(3)參數(shù)修正

(6)

(7)

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，將輸入與輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)均設(shè)置為4個(gè)。訓(xùn)練不同墻體厚度、環(huán)境類(lèi)別、砌體型號(hào)及砂漿類(lèi)型下的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積數(shù)據(jù)，記錄標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B性能測(cè)試環(huán)境下的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積數(shù)據(jù)，分別作為輸入和輸出數(shù)據(jù)，并用測(cè)試集計(jì)算均方根誤差。通過(guò)訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得誤差最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與權(quán)重值，作為差異修正隱式公式，用來(lái)將非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下測(cè)得的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)情況下的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)于規(guī)范制定要求排除人為主觀(guān)性影響，采用客觀(guān)性的差異驅(qū)動(dòng)評(píng)價(jià)方法。選用拉開(kāi)檔次法對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，即計(jì)算公式(2)中m值。該方法是通過(guò)指標(biāo)因子值在最大限度地體現(xiàn)出各評(píng)價(jià)對(duì)象之間整體差異的原則下來(lái)計(jì)算權(quán)重系數(shù)[20-25]。將選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)用標(biāo)準(zhǔn)化處理法，對(duì)極大型指標(biāo)(滲透時(shí)間)用公式(8)進(jìn)行無(wú)量綱化處理：

(8)

對(duì)極小型指標(biāo)(滲透面積、滲透量)用公式(9)進(jìn)行無(wú)量綱化處理:

(9)

式中，Mj=max{xij}；mj=min{xij}。

3.3 抗?jié)B性能評(píng)價(jià)

通過(guò)拉開(kāi)檔次法，假設(shè)將式(2)第i個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象的n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原始觀(guān)測(cè)值xi1，xi2，…，xin代入式(2)中，得到式(10)：

yi=m1xi1+m2xi2+…+m3xi3+…+mnxin，

i=1，2…w

(10)

假設(shè)有式(11)：

(11)

那么式(10)可改寫(xiě)為式(12)：

y=Am

(12)

確定權(quán)系數(shù)向量m的基準(zhǔn)是能最大程度地表現(xiàn)出因“質(zhì)量”不同而導(dǎo)致的評(píng)價(jià)對(duì)象間的不同。若用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，則是求出指標(biāo)向量x的線(xiàn)性函數(shù)mT并要求該函數(shù)對(duì)w個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象取值的方差盡可能最大，分散程度盡可能最大[26-28]。

變量y=mTx依照w個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象取值，以此構(gòu)成的樣本方差表示為式(13)：

(13)

ns2=mTATAm=mTHm

(14)

在mTm=1的前提下，求滿(mǎn)足式(14)的最大值m值，之后將其歸一化就可求得墻體滲透時(shí)間、墻體滲透量、墻體滲透面積的權(quán)重值。

將墻體抗?jié)B性能分為合格與不合格2個(gè)等級(jí)，根據(jù)式(2)計(jì)算已測(cè)得的墻體抗?jié)B性能數(shù)據(jù)的y值，統(tǒng)計(jì)所有y值，并根據(jù)y值劃分出合格與不合格的閾值作為抗?jié)B性能的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于抗?jié)B性能規(guī)范即可直接按照上述計(jì)算得到的m值代入式(2)作為評(píng)價(jià)抗?jié)B性的標(biāo)準(zhǔn)公式。在檢驗(yàn)墻體是否符合抗?jié)B規(guī)范時(shí)，只需將墻體滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積代入公式并與抗?jié)B性能界限值進(jìn)行比對(duì)。

4 算例

現(xiàn)擬定500組數(shù)據(jù)作為算例介紹上述算法。其中A組(250個(gè)數(shù)據(jù))為正交試驗(yàn)下不同墻體厚度、環(huán)境類(lèi)別、砌體型號(hào)、砂漿類(lèi)型的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積；另B組(250個(gè)數(shù)據(jù))為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)下的滲透時(shí)間、滲透量、滲透面積。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1—2。

表1 A組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 B組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將A組作為輸入集，B組作為輸出集。建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層與輸出層均包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)，即滲透時(shí)間、滲透量及滲透面積。隱含層1為7個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層2為14個(gè)節(jié)點(diǎn)。

將數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)過(guò)訓(xùn)練得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)記為fa，經(jīng)計(jì)算均方根誤差為1.0，擬合優(yōu)度為0.86，認(rèn)為訓(xùn)練結(jié)果較好，可以使用該網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)差異修正的隱式公式。

按公式(2)計(jì)算其抗?jié)B性能，需要確定劃分墻體抗?jié)B性能界限值ya。首先將B組數(shù)據(jù)按照式(8)、式(9)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

接下來(lái)通過(guò)拉開(kāi)檔次法計(jì)算其抗?jié)B時(shí)間、滲透量、滲透面積的權(quán)重，經(jīng)計(jì)算H矩陣值為：

求其最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為：

m=[0.642 0.341 0.221]T

經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到：

m′=[0.53 0.28 0.19]T

得到抗?jié)B時(shí)間、滲透量、滲透面積的權(quán)重分別為m1=0.53，m2=0.28，m3=0.19。將其代入式(2)計(jì)算250組抗?jié)B試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的y值。召集專(zhuān)家在250個(gè)y值中綜合確定其能劃分抗?jié)B性能合格與否的閾值，作為墻體抗?jié)B性能界限值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于墻體滲漏問(wèn)題的“強(qiáng)社會(huì)屬性”，以“技術(shù)—社會(huì)+舒適”為價(jià)值取向，提出了墻體抗?jié)B性能綜合評(píng)價(jià)體系的基本架構(gòu)。該評(píng)價(jià)體系能為T(mén)/CECS 1092—2022編制提供較為客觀(guān)的評(píng)價(jià)方法，從而改變工程糾紛時(shí)無(wú)據(jù)可依的局面，減少因墻體滲漏帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)和諧具有一定意義?？紤]實(shí)際操作的便利性，工程實(shí)踐中，可以根據(jù)該地區(qū)的墻材和砂漿類(lèi)型、砌筑工藝等，通過(guò)一定數(shù)量的墻體抗?jié)B試驗(yàn)，計(jì)算確定權(quán)重，得出合理的閾值作為標(biāo)定值或者基準(zhǔn)值，綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)決策。在后期應(yīng)用中，還應(yīng)考慮納入更多的滲漏指標(biāo)，提升評(píng)價(jià)體系的全面性。