哈爾濱既有建筑結構加固技術經濟性評價

周曉冬 魏娟

摘 要：隨著改革開放的不斷深化，上世紀80年代后期，哈爾濱市大興土木，建筑物急劇增加。其中有相當一部分建筑接近或已經達到其設計基準期，如果這些建筑推到重建，將消耗巨大資金，造成社會資源浪費。基于上述現狀，文章就具體案例確定了關鍵影響因素指標體系，基于BP人工神經網絡的評價方法，研究、評價了哈爾濱市既有建筑結構加固的技術性和經濟性。

關鍵詞：既有建筑 結構加固 指標體系 BP

中圖分類號：F293.3 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2014）09-091-02

前言

新中國成立后，黑龍江省哈爾濱市迅速恢復和發展國民經濟，在“一五”時期，哈爾濱是國家重點建設城市之一。改革開放以后，哈爾濱市住房需求急劇膨脹，因此進行了大規模的城市建設，城市面貌日新月異。由于20世紀60～70年代的建筑標準低，建筑功能已完全落后。80～90年代初的建筑，有些建筑的材料質量和施工質量存在安全隱患。惡劣環境、自然災害、人為因素影響等也嚴重影響到結構的正常使用。據初步調查，30%～50%的既有建筑已經出現安全性失效的現象或已進入功能退化期。上述原因導致這些結構不能滿足安全性、適用性、耐久性等相關要求，可靠性也在逐漸降低。如不及時處理，這些既有建筑或早或晚會危害人民的生命財產安全。如何處置上述既有建筑是建設和諧社會不可回避的重大問題。

既有建筑結構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，具有很大的經濟效益和社會效益，這都給建筑加固行業帶來了很好的發展契機和廣闊的市場前景{1}。

一、既有建筑結構加固關鍵性影響因素指標體系

既有建筑結構加固方案選擇過程繁瑣復雜，從設計到技術安全、成本費用、施工難度等涉及各個方面，而這些指標都是結構加固設計必須考慮的因素。一個較好的既有建筑結構加固方案應該是這幾個指標的最佳組合，但是這些指標的權重通常是相互矛盾的。加固改造的最優方案需要綜合考慮每一個指標，建立科學的綜合評估指標體系，運用合理的評價方法，擇選出最優建筑結構加固方案。做到安全可靠、成本合理、施工便捷{2}。

1.加固方案的技術安全可靠性。加固方案的技術性直接影響到結構加固的效果，因此，根據結構所處的狀態針對加固的主要目的如改善因結構承載力不足而引起的裂縫過大，或提高因結構改變用途而造成的結構剛度不足等來選擇適合的加固方案；若統一情況幾個加固方案都適用，可以考慮根據類似工程經驗或使用仿真模擬軟件選擇加固效果較好的方案。

2.加固方案的費用成本合理性。在加固方案的選擇中，若片面地強調費用成本最低，忽略技術上各種合理要求，勢必會使結構加固達不到功能要求；反之重視技術，忽視成本開銷，加固方案必然會保守浪費。加固方案的經濟性和技術性關系對立統一，利用價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，以達到提高價值的目的。全方位綜合考慮既有建筑加固全生命周期內的所有費用，從而真正達到方案優選效果。

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目施工的工期，工期、成本、質量是工程項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構加固方案優選的目標。施工方案過于復雜也會而造成勞動用量大、安全系數低等弊端。

4.加固后對原建筑的影響程度。既有建筑結構加固是在使用一段時間的建筑上進行二次施工，結構加固一定會對原建筑內人們的生產生活帶來一定程度的影響；有的加固方案在加固后會使原建筑結構或使用面積發生變化，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必須要考慮的。

5.加固方案的技術先進性。先進的技術代表這最先進的生產力，根據國家和行業的法規、標準、政策等的要求，選用適合的新材料、新技術，也有利于結構加固技術的不斷更新發展。既有建筑結構加固評價的指標體系，見表1。

二、既有建筑結構加固技術經濟性評價模型

1.人工神經網絡。人工神經網絡（ANN）通常簡稱為神經網絡，是基于模仿人類大腦的結構和功能而構成的信息處理系統。常見的神經網絡模型有前饋網、感知器、回歸神經元網絡（Hopfield）、徑向基（RBF）等，BP神經網絡屬于前饋神經網絡。BP 神經網絡是算法和模型較為成熟的神經網絡，目前應用得最廣泛。利用BP神經網絡進行評價預測的結果和數據具有可靠性和可信度。大量研究試驗結果表明，BP神經網絡不僅在大樣本的預測中具有很高的預測精度，而且對于小樣本的預測仍然具有較高的預測效果。因此，本文選擇BP神經網絡建立建筑結構加固技術經濟性評價模型。神經元網絡結構見圖1。

2.基于BP神經網絡的評價指標體系輸入、輸出層。人工神經網絡（artificial neural network，ANN）是由大量處理單元廣泛互聯而成的大規模自適應非線性動力系統。BP神經網絡（back-propagation neural networks）模型拓撲結構包括輸入層（input）、隱層（hidden layer）和輸出層（output layer）。BP神經網絡相比其它神經網絡較為成熟，基本原理是利用梯度搜索技術，采用最小二乘法，使網絡的實際輸出值與期望輸出值的誤差均方達到最小值。根據哈爾濱市既有建筑結構加固評價指標體系，確定BP神經網絡的輸入、輸出層指標，將二級指標作為輸入層，建立一個三層的技術經濟性評價BP神經網絡輸入、輸出層指標體系，詳見圖2。

上述BP神經網絡模型包括，一個輸入層、一個隱含層和一個輸出層。輸入層中神經元為表1中二級指標，個數與二級指標個數相同，因此輸入層神經元的個數為8個。BP神經網絡中的隱含層神經元的個數難以確定，可采用的統計方法繁多，例如實驗法、統計法等。目前，缺少統一的確定方法，部分學者是通過多次實驗法確定較為合適神經元個數，大部分學者則是采用經驗法通過公式計算來確定神經元的個數。當然，就統計結果而言，實驗法的結果較為精確；就統計效率而言，經驗法則大量節省工作時間。因此，本文中采用經驗法統計隱含層神經元個數，利用公式log2x計算，X的值為輸入層神經元個數8。計算結果隱含層神經元為3個。輸出層的神經元個數為2，即該網絡模型為8×3×2{3}。

三、評價模型結果分析

根據BP神經網絡的運算函數和訓練函數，對影響既有建筑結構加固評價的技術性和經濟性指標進行專家打分，利用MATLAB分析軟件，進行學習訓練，優化訓練函數。對于本文中輸入層大部分的定性指標，其輸入數據的值域為[0，1]，采用尺度集[0.85，0.65，0.45，0.25，0.05]將所有定性指標隸屬度向量綜合為一個向量，確定每個指標對于評語集的隸屬度向量。同時輸出層數據的值域也為[0，1]，輸入數據在0～1之間表示評價結果。表2為輸出層指標的分級標準，輸出數據所在區間對應的等級就為既有建筑結構加固的經濟性和技術性高低水平{4}。

由于缺少大量的資料數據，本文樣本的選取較為理想化，如果結果中全部指標隸屬于較大，則加固方案技術經濟性較高，如果結果中全部指標隸屬于較小，則加固方案技術經濟性很低。另一方面本文評價指標體系中存在大量的定性指標，因此指標樣本的選取至關重要。為了增加樣本的可靠性，本文需要增加特殊樣本進行訓練。考慮指標的特性，只需增加兩個特殊的樣本，當輸入層評價指標的評價值全為1時，輸出層評價的結果也應該為1，當輸入層評價指標的評價值全為0時，則評價的結果也應為0。利用MATLAB軟件，每個尺度值隨機產生8個樣本，即最終本文的樣本數量為40個隨機樣本和2個特殊樣本，共計42個樣本。在BP神經網絡學習訓練中，參數的設置為：初始學習速率為0.05，目標誤差為0.0001，隱含層的激活函數為tansig，輸出層的激活函數為logsig，訓練函數為trainlm。將上述隨機產生的42個樣本和另外兩個樣本輸入網絡，進行訓練。圖3表明，該網絡經過80次訓練后，就能夠很好地表明實際情況。

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，現將一層梁進行結構加固，設計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，綜合分析選擇最優的方案進行結構加固。

本文首先通過表1所示的指標體系，利用BP神經網絡進行綜合評價，得出結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，得出粘鋼加固法經濟性和技術性水平最高，即方案最優；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本購物商廈四層梁進行加固。

五、結論

國內外對單個加固方案在建筑加固中的應用有一定的研究，但是對既有建筑結構加固經濟性和技術性方面的研究缺少一些理論與實踐的分析。既有建筑結構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濟性和技術性，加固費用、施工復雜程度、加固后對建筑的影響等都是不同的，要綜合地考慮各個方面因素對結構加固的影響，優選符合要求的加固方案{5}。

既有建筑結構加固是延續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，各式各樣的建筑風格在這里齊聚薈萃，因此，必須采取技術經濟性較高的加固方案對各類歷史建筑進行加固，盡可能地使建筑歷史文脈在融合中延續傳承。

注釋：

{1}趙廣宇.哈爾濱既有建筑表皮有機更新設計研究.東北林業大學碩士畢業論文.

{2}朱純宜.既有建筑結構加固技術經濟性分析.華東交通大學碩士畢業論文.

{3}王憲云，徐福緣，何建佳等.基于BP神經完了的項目社會后評價方法研究[J].公共管理，2011.05：128-130.

{4}余曉紅.BP神經網絡的MATLAB編程實現及討論[J].浙江交通職業技術學院學報，2007，8（4）：45-48.

{5}吳剛.既有建筑加固改造的綜合評價.北京交通大學碩士學位論文

（作者單位：東北林業大學土木工程學院 黑龍江哈爾濱 150040）

（責編：若佳）