基于支持向量機(jī)的建筑工程混凝土質(zhì)量可靠性分析

侍莘莘 （合肥熱電集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

混凝土質(zhì)量檢測(cè)是建筑工程檢測(cè)過(guò)程中的重要一環(huán)，應(yīng)當(dāng)予以充分的技術(shù)支持。但是，在實(shí)際的混凝土質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響，例如環(huán)境因素、人為因素等，這些因素都有可能會(huì)對(duì)混凝土質(zhì)量檢測(cè)造成一定程度的影響[1-3]。因此，混凝土質(zhì)量檢測(cè)十分重要，所以針對(duì)如何提升質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性有以下三點(diǎn)重要意義。一是混凝土質(zhì)量檢測(cè)可以對(duì)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)的、全面的檢查，同時(shí)又可以通過(guò)全面地分析得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而為工作人員更精準(zhǔn)地進(jìn)行混凝土配比提供依據(jù)；二是通過(guò)混凝土質(zhì)量檢測(cè)可以進(jìn)一步控制工程成本，由于將配比進(jìn)行優(yōu)化之后，減少了材料的浪費(fèi)，進(jìn)而降低了成本投入；三是混凝土質(zhì)量檢測(cè)可以提高建筑工程的安全性能，減少事故的發(fā)生，對(duì)于保障工程的安全也具有重大意義。

現(xiàn)階段已經(jīng)形成了有關(guān)混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范，首先是因?yàn)榛炷潦欠襁_(dá)標(biāo)直接關(guān)系到整個(gè)工程的持久性和安全性[4-6]；其次是因?yàn)榻ㄖこ淌禽^為普遍的，形成一套完整、系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也有利于未來(lái)混凝土的配比；最后是一套標(biāo)準(zhǔn)可以有效地降低成本，減少不必要的浪費(fèi)。在具體應(yīng)用中，混凝土的質(zhì)量也是衡量工程質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的重要指標(biāo)。越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到了混凝土的重要性，因此展開了更加深入的研究。同時(shí)，為提升國(guó)內(nèi)的建造水平并和國(guó)際接軌，更要加強(qiáng)研究。隨著時(shí)代的發(fā)展以及技術(shù)的不斷更新，人工智能的使用范圍逐漸變大，在混凝土配比的領(lǐng)域中也有所涉及。因此，人工智能技術(shù)在混凝土配比作業(yè)中建立的混凝土性能模型要比優(yōu)化算法建立的模型更加精準(zhǔn)、成本低且性價(jià)比更高，可以更精細(xì)化地完成配比工作。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目總建筑面積約為200516.10 m2，其中地上部分為157891.18m2，地下部分為46544.86m2。工程地面上主要由5棟高層住宅，2棟商業(yè)組成。8#樓西單元、9#樓東單元為34 層高層住宅樓，建筑高度為109.45m；8#樓東單元、9#樓西單元為27層高層住宅樓，建筑高度為96.70m；10#樓、11#樓為17 層住宅樓，建筑高度為56.70m；12#樓東單元為23 層住宅樓，建筑高度為79.30m，西單元為24 層住宅樓，建筑高度為82.20m；13#樓、14#樓為4層商業(yè)樓，建筑高度為23.00～25.20m。地下為兩層，層高為3.60m，防水等級(jí)一級(jí)，耐火等級(jí)一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6 度，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)。此項(xiàng)目工程所需要的混凝土都是商品混凝土，并利用泵送設(shè)備進(jìn)行施工。

2 混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 混凝土制備

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 2558-2020）進(jìn)行操作，依據(jù)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)定混凝土的力學(xué)性能，再生混凝土性能的影響因素較多，根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，混凝土力學(xué)性能影響因素主要包括水泥、粉煤灰、碎石、細(xì)骨料、減水劑、水量，這幾種常用的組成材料的樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 組成材料的樣本數(shù)據(jù)(單位：kg/m3)

將150mm×150mm×150mm 的立方體作為標(biāo)準(zhǔn)試塊，把已經(jīng)配比好的混凝土裝到里面，并計(jì)算25L 的混凝土需要的材料量。在完成所有的材料稱重之后，按照標(biāo)準(zhǔn)依次投放進(jìn)攪拌機(jī)，在完成攪拌作業(yè)之后將其倒出，最后形成模具。試驗(yàn)主要設(shè)備見(jiàn)圖1，試驗(yàn)主要過(guò)程見(jiàn)圖2。先進(jìn)行坍塌度的測(cè)試，然后再次將其倒進(jìn)試模當(dāng)中進(jìn)行下一步工作，并在適宜的環(huán)境中進(jìn)行保存。傳統(tǒng)的混凝土配比需要進(jìn)行多次，才能試驗(yàn)出適合施工的配比，這也就意味著需要耗費(fèi)大量的人力、物力，造成浪費(fèi)[7-8]。

圖1 試驗(yàn)主要設(shè)備

圖2 試驗(yàn)主要過(guò)程

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，最大值為46.7MPa、最小值為38.9MPa；坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，最大值為19.6mm、最小值為18.1mm。根據(jù)水泥、粉煤灰、碎石、細(xì)骨料、減水劑、水量幾個(gè)參數(shù)的配比，發(fā)現(xiàn)水泥與碎石的數(shù)值對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯，其次是粉煤灰與細(xì)骨料。

圖3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

3 支持向量機(jī)的理論基礎(chǔ)

3.1 支持向量機(jī)的原理

支持向量機(jī)（SVM）是基于應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的學(xué)習(xí)算法，處理小樣本數(shù)據(jù)分類和相關(guān)的回歸問(wèn)題[9-10]。它主要是通過(guò)建立一個(gè)最優(yōu)分類超平面，將輸入空間中的不可分樣本（無(wú)論是線性或者是非線性的樣本）分開，如圖5所示。

圖5 最優(yōu)分類超平面

最優(yōu)分類超平面公式：

式中：w為權(quán)重；b為偏差。

原樣本空間就可以分為兩類樣本，其公式表示為：

式中：yi∈[-1,1]，為輸入?yún)?shù)。

但樣本可能存在誤差，為了校正存在的偏差，可以引入松弛變量εi和懲罰因子C，進(jìn)而超平面的約束表示為：

Lagrangian 乘子為參數(shù)αi，轉(zhuǎn)換為對(duì)偶問(wèn)題，即：

根據(jù)Kuhn-Tucker 條件，αi必須滿足αi[yi(wφ(xi)+b) - 1 +εi= 0]，當(dāng)αi≠0 時(shí)，樣本為支持向量。最后得到最優(yōu)分類函數(shù)：

式中：m為支持向量的個(gè)數(shù)；K(x,xi)=φT(x)為核函數(shù)。

3.2 支持向量機(jī)核函數(shù)的選擇

在支持向量機(jī)分類中，核函數(shù)的選擇非常重要。核函數(shù)的主要功能是對(duì)樣本數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)的處理進(jìn)行分類。本文選擇的核函數(shù)為徑向基函數(shù)（RBF），此核函數(shù)計(jì)算速度快、訓(xùn)練簡(jiǎn)單。

式中：u、v分別為數(shù)據(jù)集的兩個(gè)樣本；γ是核函數(shù)的系數(shù)。

3.3 支持向量機(jī)的基本流程

支持向量機(jī)的基本流程如圖6 所示。

圖6 基本流程

支持向量機(jī)的步驟如下：確定混凝土分析模型的輸入和輸出向量，并針對(duì)樣本數(shù)據(jù)的特性及實(shí)際需求，將樣本分為訓(xùn)練集和測(cè)試集；創(chuàng)建支持向量混凝土質(zhì)量分析模型，得到相應(yīng)的分類模型，在同一工況條件下確定模型參數(shù)；利用訓(xùn)練好的分類模型，對(duì)待測(cè)試的樣本進(jìn)行測(cè)試；結(jié)果分析。

4 基于支持向量機(jī)的建筑工程混凝土質(zhì)量可靠性預(yù)測(cè)

混凝土的制作過(guò)程中，影響其運(yùn)行安全性的因素眾多，經(jīng)過(guò)綜合考慮選取對(duì)混凝土質(zhì)量比較重要的性能參數(shù)（即水泥、粉煤灰、碎石、細(xì)骨料、減水劑、水量）作為輸入量，輸出量選擇抗壓強(qiáng)度與坍落度。在MATLAB 工具箱，利用改進(jìn)的網(wǎng)格搜索法對(duì)SVM 懲罰參數(shù)C、核函數(shù)參數(shù)γ 尋優(yōu)，這樣可以減小尋優(yōu)所花費(fèi)的時(shí)間。參數(shù)的尋優(yōu)范圍為（2-15，215），經(jīng)過(guò)優(yōu)化選擇后最終得到SVM 最優(yōu)懲罰參數(shù)C=24.5634、γ=0.22067，尋優(yōu)準(zhǔn)確率為96.0387%。利用支持向量機(jī)的建筑工程混凝土預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)10組樣本進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)另外的15組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，為了保證訓(xùn)練樣本的收斂，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。本次對(duì)樣本數(shù)據(jù)中16～25 號(hào)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)1～15 號(hào)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。預(yù)測(cè)模型結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如圖7、圖8所示。通過(guò)對(duì)比支持向量機(jī)與試驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)誤差數(shù)據(jù)，最大誤差沒(méi)有超過(guò)5%，誤差相對(duì)較小，準(zhǔn)確率較高，模型相對(duì)穩(wěn)定，算法更簡(jiǎn)潔、方便、實(shí)用。

圖7 抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比

圖8 坍落度預(yù)測(cè)模型結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比

5 結(jié)論

具有良好的力學(xué)性能以及耐久性是優(yōu)質(zhì)混凝土的重要性能，也是未來(lái)混凝土改良的方向。在實(shí)際的工程施工中，混凝土質(zhì)量能否符合施工標(biāo)準(zhǔn)是極其重要的?，F(xiàn)階段測(cè)量已經(jīng)投入生產(chǎn)的高性能混凝土的強(qiáng)度成本較高，所以成本低且精準(zhǔn)地測(cè)量出其強(qiáng)度是非常有必要的。本文通過(guò)支持向量機(jī)對(duì)試驗(yàn)測(cè)得樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行混凝土的質(zhì)量可靠性訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，預(yù)測(cè)正確率能達(dá)到95%。