某高校建筑外墻飾面層損傷特征分析

唐 超 盧文勝 商登峰 朱玉華 姜常玖，2，*

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學基建處，上海 200092）

0 引言

近年來，全國各地發(fā)生了多起高墜事件，其中建筑外墻飾面、裝飾物脫落事件屢見不鮮。高校作為人員密集、人員流動量大的公共場所，確保建筑外墻飾面的安全性成為校園安全的重中之重；及時檢測外墻的完損狀況并進行損傷分析是防患于未然、消除外墻安全隱患的重要技術(shù)措施。

經(jīng)過多年快速發(fā)展，建筑外墻飾面層損傷檢測技術(shù)越發(fā)成熟，而檢測技術(shù)又在信息時代背景下不斷創(chuàng)新和發(fā)展，越來越多的無損檢測技術(shù)被應(yīng)用于外墻飾面層損傷檢測［1］，如利用超聲波技術(shù)檢測外墻系統(tǒng)不同部位波速、頻率特征信號等，從而分析外墻的損傷情況等［2］；基于聲學信號的外墻系統(tǒng)無損缺陷檢測技術(shù)［3］；基于機器學習算法對紅外成像結(jié)果進行深度學習以及遷移學習等［4］，可有效克服人工評價工作量大、誤差大和漏檢率高的問題，為傳統(tǒng)檢測技術(shù)提供新思路和新視野。然而目前國內(nèi)外對外墻飾面層損傷數(shù)據(jù)進行量化及特征分析的研究依然匱乏，本文基于對某高校建筑外墻飾面層構(gòu)造探查及完損狀況檢測結(jié)果，分析相關(guān)檢測數(shù)據(jù)分布并探討損傷特征，研究成果可為建筑安全運維提供參考借鑒。

1 外墻飾面層完損狀況及基本構(gòu)造探查

1.1 飾面層完損檢測方法

某高校歷史悠久，校園內(nèi)既有房屋歷史跨度大，建筑外墻構(gòu)造做法和運維狀況各異。選取其中有外墻飾面層破損的學生宿舍、食堂及辦公樓等共32 棟房屋作為檢測對象，探查外墻飾面層構(gòu)造做法，采用紅外成像法、目測法、敲擊法以及拉拔測試法等多種方法對外墻飾面層完損狀況進行檢測；其中通常以紅外成像法檢測為主，目測法和敲擊法為輔，對特征部位飾面磚粘結(jié)強度實施拉拔測試；多種檢測方法相互補充校驗，綜合評估可保障檢測結(jié)果的有效性。

1.2 飾面層基本構(gòu)造探查

飾面層構(gòu)造是檢測過程中較隱性且重要的因素?，F(xiàn)場選取外墻飾面層未發(fā)生明顯損傷且不會帶來安全隱患的部位，采用局部鑿開、實體取芯探查等方法探查外墻飾面層基本構(gòu)造做法，主要總體上可分為飾面磚構(gòu)造、涂料構(gòu)造、外保溫構(gòu)造和鋼骨構(gòu)造四類。

1.2.1 飾面磚構(gòu)造

基層墻體外涂水泥砂漿找平，然后在找平層外貼飾面磚或者馬賽克［圖1（a）］。飾面磚構(gòu)造以其經(jīng)濟美觀的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于房屋外墻飾面中，但其耐久性和可靠性易受材料選擇、施工工藝、環(huán)境等因素影響［5］。

圖1 外墻飾面層構(gòu)造做法Fig.1 Structure of EWD

1.2.2 涂料構(gòu)造

基層墻體外涂水泥砂漿找平，然后在找平層外刷涂料飾面［圖1（b）］。涂料構(gòu)造具有良好的裝飾性、耐候性和耐水性，但對施工工藝要求較高［6］。

1.2.3 外保溫構(gòu)造

基層墻體外涂界面砂漿找平，其次在界面層外設(shè)置保溫層，然后外掛熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)水泥砂漿同時布置塑料錨栓，最后外貼飾面磚［圖1（c）］。外保溫構(gòu)造具有良好的熱工性能，但其耐久性能與防火性能較差，塑料錨栓失效將導致整片飾面區(qū)域空鼓，且火災(zāi)將蔓延至整棟建筑的外墻飾面，故部分外保溫構(gòu)造已被明令禁止使用［7-8］。

1.2.4 鋼骨構(gòu)造

基層墻體外搭建鋼龍骨，然后外掛鋼絲網(wǎng)水泥砂漿，最后在砂漿外濕貼飾面磚［圖1（d）］。鋼骨墻體具有輕質(zhì)高強、施工方便、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，但其保溫性能參差不齊，且鋼龍骨及其連接件易銹蝕導致性能退化，不易維修［9-10］。

1.3 外墻飾面層基本特征分析

將所檢測的32 棟建筑外墻飾面層按服役時間（如有修復，則從修復的時間算起）分為10～20年、20～30年以及30～40年3個分布區(qū)間，如表1所示。

表1 建筑服役時間分布Table 1 Distribution of building service time

按單片外墻飾面層面積按小于1 000 m2、1 000～2 000 m2、2 000～3 000 m2以及大于3 000 m2等4 個面積區(qū)間進行統(tǒng)計，共計128 片，如表2所示。

表2 外墻飾面層面積分布Table 2 Area distribution of EWD

按東、南、西和北4 個朝向進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 外墻飾面層朝向分布Table 3 Facing distribution of EWD

按飾面磚、涂料、外保溫及鋼骨4 種構(gòu)造做法進行統(tǒng)計，如表4所示。

表4 外墻飾面層構(gòu)造做法分布Table 4 Structural distribution of EWD

2 外墻飾面層損傷現(xiàn)象與等級

2.1 損傷現(xiàn)象分類

基于Ximenes 和Amaro 等［11-12］建立的在役外墻外保溫系統(tǒng)病害識別、診斷和修復的專家知識系統(tǒng)，結(jié)合某高校建筑外墻飾面層損傷狀況，按材料斷裂異常、平整度異常和其他異常等現(xiàn)象將損傷進行分類，將所有的損傷劃分為完整性、粘結(jié)性、美觀性和連接性等4 種損傷類型，詳見表5。

表5 外墻飾面層損傷現(xiàn)象與分類Table 5 Damage phenomenon and classification of EWD

2.1.1 材料斷裂異常

材料斷裂異常是指外墻飾面層系統(tǒng)組成材料的損傷，包括飾面層表面出現(xiàn)的裂縫、邊緣處出現(xiàn)的破碎或碎裂、面層脫落等。而材料斷裂異常主要在材料力學性能退化和外界環(huán)境的綜合作用下造成的，導致材料或者構(gòu)件喪失大部分承載能力，最終造成外墻飾面的完整性損傷或粘結(jié)性損傷。

2.1.2 平整度異常

外墻飾面層出現(xiàn)可被肉眼識別得到的表面不平整、表面不規(guī)則、空鼓導致的凸起等異?？梢苑Q之為平整度異常。平整度異常主要受到施工質(zhì)量和環(huán)境因素的綜合作用，常造成外墻系統(tǒng)的美觀性損傷和粘結(jié)性損傷。

2.1.3 其他異常

其他異常是指外墻飾面層裝飾物出現(xiàn)銹蝕、外墻飾面出現(xiàn)滲漏等異?，F(xiàn)象，影響建筑的整體使用功能，對外墻飾面層的安全性以及耐久性產(chǎn)生不利的影響，從而造成美觀性損傷和連接性損傷。

2.2 損傷等級劃分

Ximenes 等［11］結(jié)合前述外墻飾面層4 種損傷類型，進一步分析其損傷狀況及其損傷等級。定義損傷影響面積Sd為單個損傷影響外墻飾面層功能與安全性能的面積，按檢測結(jié)果選取0.5 m2、2.0 m2作為損傷影響面積特征指標。根據(jù)Sd分布情況及損傷狀況，將飾面層損傷從高到低依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級，詳見表6。每種損傷類型的損傷樣例見表7—表10。

表6 外墻飾面損傷等級劃分Table 6 Classification of damage grades for EWD

表7 完整性損傷樣例分析Table 7 Sample analysis of integrity damage

表8 粘結(jié)性損傷樣例分析Table 8 Sample analysis of adhesive damage

表9 美觀性損傷樣例分析Table 9 Sample analysis of aesthetic damage

表10 連接性損傷樣例分析Table 10 Sample analysis of connectivity damage

3 外墻飾面層損傷特征分析

根據(jù)前述外墻飾面層完損狀況檢測及損傷現(xiàn)象與等級劃分，開展損傷影響面積、服役時間、飾面層面積、朝向以及構(gòu)造等因素影響的損傷特征分析。

3.1 損傷影響面積Sd統(tǒng)計與損傷分析

對本次檢測各種損傷類型進行損傷影響面積Sd統(tǒng)計分析，如表11所示。

表11 損傷影響面積Sd統(tǒng)計分布Table 11 Statistical distribution of damage affected area Sd

由表11 可見，首先建筑外墻飾面層出現(xiàn)的空鼓、脫落情況最為嚴重，粘結(jié)性損傷Sd=983.0 m2，占比達77.8%；其次為裂縫、涂料破碎等完整性損傷，占比為13.1%；再次為女兒墻根部出現(xiàn)的滲漏現(xiàn)象，極少數(shù)為飾面層不平整或者不規(guī)則，其美觀性損傷占比為7.2%；最后為少量空調(diào)外機以及裝飾鋼架銹蝕和破損造成的飾面層局部破損，其連接性損傷占比為1.9%。

3.1.1 完整性損傷Sd分析

完整性損傷Sd=165.5 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等級占比分別為38.1%、49.8%、12.1%。其中，外墻飾面層組成材料的裂縫、破碎情況較嚴重，等級Ⅰ和等級Ⅱ占比較大，對外墻飾面層的功能與安全性能產(chǎn)生較為不利影響。

3.1.2 粘結(jié)性損傷Sd分析

粘結(jié)性損傷Sd=983.0 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等級占比分別為48.5%、26.8%、24.7%。等級Ⅰ占比達到近一半，其中最大的空鼓、脫落影響面積達到18 m2，可見粘結(jié)性損傷是外墻飾面層功能與安全的最主要影響因素，對外墻性能產(chǎn)生較大的不利影響。

3.1.3 美觀性損傷Sd分析

美觀性損傷Sd=91.5 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等級占比分別為36.1%、42.6%、21.3%。雖然大多數(shù)都為飾面層局部滲漏，但存在大范圍滲漏的情況，對飾面層功能性產(chǎn)生不利影響，并可能持續(xù)造成安全隱患。

3.1.4 連接性損傷Sd分析

連接性損傷Sd=24.0 m2，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等級占比分別為37.5%、41.7%、20.8%。總體而言，飾面層出現(xiàn)的連接性損傷范圍小，對其功能與安全性能影響不大。

綜上該高校外墻飾面層出現(xiàn)較嚴重損傷主要為材料老化以及環(huán)境綜合作用導致的粘結(jié)性損傷，且損傷等級較高，對建筑外墻的功能與安全性能影響最大。

3.2 考慮服役時間的損傷特征分析

Gaspar［13］提出了一種稱為退化嚴重程度的損傷指數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場獲得的數(shù)據(jù)，對外墻外保溫復合系統(tǒng)的性能退化進行了評估。該方法最初應(yīng)用于膠結(jié)抹面的損傷評估，后拓展應(yīng)用于飾面磚飾面［14］和石材飾面［15］的損傷評估。

為了進一步科學合理分析服役時間等因素下外墻飾面層損傷特征，本文基于退化嚴重程度引入損傷率ρs作為特征評價指標進行損傷特征分析。其定義如式（1）所示。

式中：ρs為損傷率，即損傷等效影響面積占總飾面層面積的比值；α為等級影響系數(shù)；Sd為損傷影響面積；Α為最高等級影響系數(shù)，取值為α的最大值；S為飾面層總面積。

考慮到不同等級損傷對飾面層功能與安全的影響具有較為明顯的差異，設(shè)定等級影響系數(shù)α來量化這一差異。研究發(fā)現(xiàn)，取值如表12 所示時，可以清晰分辨損傷特征。

基于Shohet等［16］提出的方法，通過簡單的線性回歸或多項式回歸的回歸分析方法進行損傷分析。

圖2 表示每棟建筑外墻飾面層的整體損傷率ρs與服役時間（10～31 年）相關(guān)關(guān)系。由于損傷率隨服役年限變化的離散程度較高，曲線回歸并不準確。隨服役時間的增加，按照損傷高低將損傷率數(shù)據(jù)分為“高損傷率”（圖2 紅色數(shù)據(jù)系列）和“低損傷率”（圖2 藍色數(shù)據(jù)系列）兩組，分別對兩組數(shù)據(jù)進行線性回歸得到“上包絡(luò)線”（圖2 紅色回歸曲線）和“下包絡(luò)線”（圖2藍色回歸曲線）。

圖2 損傷率與服役時間相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between damage rate and service time

圖2 中可見，外墻飾面層受多種因素影響其損傷分布具有一定的離散性，損傷率ρs分布于一個梯形區(qū)間，即當受到多種因素耦合作用較重時，其ρs趨于上包絡(luò)線；耦合作用較輕時則趨于下包絡(luò)線；大多數(shù)損傷則位于上、下包絡(luò)線之間分布。

按表1統(tǒng)計不同服役時間的ρs如表13所示。

表13 不同服役時間的ρs統(tǒng)計值Table 13 Statistics of ρs for different years of service

由圖2及表13可見，隨著服役時間的增加，外墻飾面層損傷率呈上升趨勢，且具有梯形分布特征。梯形分布的上下兩條包絡(luò)線ρs-Y圍合的面積較大，反映出外墻飾面層在全壽命過程中受各種因素耦合影響較大。該梯形包絡(luò)面積可為后續(xù)數(shù)據(jù)分析以及飾面層檢測、運維提供參考。

3.3 考慮飾面層面積的損傷特征分析

進一步分析考慮飾面層面積的損傷特征，圖3 為單片外墻飾面層損傷率ρs與其面積大小的相關(guān)關(guān)系，采用多項式回歸的回歸分析方法表達兩者相關(guān)變化趨勢。

圖3 損傷率與飾面層面積相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between damage rate and surface area

按表2統(tǒng)計不同飾面層面積統(tǒng)計的ρs如表14所示。

表14 不同飾面層面積的ρs統(tǒng)計值Table 14 ρs statistic value of the area of EWD

可知隨著單片外墻飾面層面積的增大，ρs逐漸減小且離散程度降低，其破壞特征逐漸趨于穩(wěn)定。

3.4 考慮飾面層朝向的損傷特征分析

分析考慮飾面層朝向相關(guān)的損傷特征，按不同朝向統(tǒng)計的ρs如表11所示。

綜合表3 與表15 可知：東、南、西朝向受到的日照時間及強度更強，且沿海地區(qū)易受臺風、暴雨等惡劣氣象天氣影響，加劇飾面層損傷的發(fā)展，其飾面層損傷狀況較為嚴重；東、南、西各朝向飾面層ρs分別約為北朝向的2倍。

表15 不同飾面層朝向的ρs統(tǒng)計值Table 15 ρs statistics of different facing EWD

3.5 考慮飾面層構(gòu)造的損傷特征分析

分析考慮飾面層構(gòu)造相關(guān)的損傷特征，按不同構(gòu)造做法統(tǒng)計的ρs如表16所示。

表16 不同飾面層構(gòu)造做法的ρs統(tǒng)計值Table 16 ρs statistics for different structures of EWD

綜合表4與表16可知：相比數(shù)量較少的鋼骨、外保溫構(gòu)造做法中，鋼骨做法因其構(gòu)造做法欠佳，存在較為嚴重的損傷情況；而外保溫做法雖然損傷率較小，但因其獨特的保溫層構(gòu)造，較小的損傷也可能帶來較大的安全隱患。在數(shù)量分別占據(jù)飾面層構(gòu)造做法總數(shù)的36.1%以及50.4%的飾面磚和涂料做法中，飾面磚做法的ρs約為涂料做法的2倍。因此，涂料做法具有較低的損傷特征。

4 結(jié)論

基于對某高校建筑外墻飾面層的構(gòu)造探查以及完損狀況檢測結(jié)果，本文對飾面層損傷狀況進行分類分級，引入損傷影響面積Sd及損傷率ρs等概念，考慮服役時間、飾面層面積、朝向以及構(gòu)造等因素，對該高校外墻飾面層損傷特征進行分析并得出如下結(jié)論：

（1）外墻飾面層損傷影響面積Sd多為粘結(jié)性損傷，其中空鼓、脫落出現(xiàn)較多，其次為裂縫、滲漏及裝飾物的破損；

（2）隨著服役時間的增加，外墻飾面層損傷率ρs呈上升趨勢，且呈梯形分布特征；

（3）隨著單片外墻飾面層面積的增大，ρs逐漸減小且離散程度降低，其破壞特征逐漸趨于穩(wěn)定；

（4）東、南、西朝向的外墻飾面層易受環(huán)境影響而損傷較多；

（5）涂料構(gòu)造外墻飾面層損傷較輕，而飾面磚、鋼骨及外保溫構(gòu)造飾面層損傷較重。