鋼筋混凝土工業文物建筑結構安全等級評定

武 乾， 黃太興， 胡 鑫， 耿 婧， 向 銳

(西安建筑科技大學 a. 管理學院； b. 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

根據我國公布的前八批全國重點文物保護單位，其中擁有舊工業建筑群的單位有130家，涉及機械、建材、冶金、汽車等多種行業。這些工業文物建筑物按照結構類型可分為7種，相應占比如圖1所示，本文研究對象為具有排架結構的單層鋼筋混凝土工業文物建筑。在第七批全國重點文物保護單位中，擁有近現代工業建(構)筑物群的單位有53家，超過了前六批全國重點文物保護單位的近現代工業遺產單位數量之和，由此可見，隨著政府的介入，我國對舊工業建筑保護力度逐漸加大[1]，越來越多的舊工業建筑被評為國家文物，而受到重點保護。經實地調研我國多座工業文物建筑群發現，這些建筑物的結構構件老化，結構受力傳遞路徑不清晰，大量單層鋼筋混凝土工業文物建筑面臨著混凝土構件殘壞、鋼屋架銹蝕等結構不穩定的安全隱患。因此，在對原有結構構件減少破壞的前提下，如何快速準確地評價出工業文物建筑結構安全狀態，以消除再生利用中的危機，這成為當前亟待解決的重要問題。

近年來，有關舊工業建筑結構安全的研究主要集中在結構安全分析、結構安全鑒定方法、結構檢測評定、結構維護管理[2]等方面。徐玉野等[3]認為外包CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)加固可以提高銹蝕鋼筋短柱的受剪承載能力，并顯著改善銹蝕鋼筋短柱的延性和耗能能力；裴興旺等[4]將耐火等級、火災裂縫和變形作為評級指標，建立基于Vague集相似度量理論的、考慮抗火性的火災后工業建筑結構可靠性綜合評級模型；何華南等[5]提出采用承載功能、結構整體性、使用狀況、結構水平位移作為灰色聚類分析的聚類指標，運用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)與灰色聚類分析法來評定單層工業建筑上部承重結構可靠性；王軍強[6]通過地震災后的現場調查和檢測，分析了單層工業建筑結構在地震中的破壞特征和原因，對舊工業建筑結構的安全鑒定、改造加固具有借鑒意義；Mosoarca等[7]認為鋼筋混凝土材料的文物建筑應當同木材、石頭材質的文物建筑應予以同等重視，并且認為鋼筋配筋率低、混凝土強度不高等因素危及工業文物建筑的結構安全性；KC等[8]根據2015年尼泊爾地震期間文物建筑破壞和倒塌情況，認為結構和建筑類型、結構形態、結構缺陷、局部場地效應、使用年限、維護水平和材料質量等因素共同影響文物建筑結構的性能；位三棟等[9]研究超高性能混凝土用于對既有歷史保護建筑磚砌體承重墻的加固效果，認為原墻體的損傷開裂情況對結構安全性有一定程度的影響。

上述研究大多針對一般的舊工業建筑結構安全評定、檢測加固技術以及結構加固新材料等領域，但目前很少有學者將評定為全國重點文物保護單位的工業建筑作為一個系統進行專門研究，專門針對工業文物建筑結構安全評價模型的研究仍然比較欠缺。根據《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》(試行)、DG/TJ 08-108-2014《中華人民共和國文物保護實施細則》(2003年)、優秀歷史建筑保護修繕技術規程等文物保護相關標準規范的要求，工業文物建筑維修改造需遵循真實性、完整性和不改變文物原狀的保護原則，盡量按原材料、原做法進行施工。因此，影響工業文物建筑結構安全等級評定的指標體系具有一定的特殊性，而一般的舊工業建筑結構安全等級評定指標不能準確評價工業文物建筑的安全等級狀態。同樣，其結構安全等級評定方法針對工業文物建筑不具有適用性。本文根據CBR(Case-based Reasoning)方法原理[10]，通過實地調研、查閱文獻、大數據和咨詢專家等途徑收集到了單層鋼筋混凝土工業文物建筑結構安全等級評定合理準確的案例，運用熵權法確定8個指標的權重[11]，并對指標值進行歸一化處理[12]。根據蛛網面積與形狀相似[13]，從源案例庫中找出貼近程度最高的源案例M，為目標案例O提供準確可靠的安全等級。該方法最終有效解決了工業文物建筑結構安全等級快速評定的難題。

圖1 工業文物建筑物結構類型所占比例

1 構建蛛網模型

本文工業文物建筑結構安全等級評定模型構建思路如圖2所示。

圖2 技術路線

1.1 屬性指標的選擇

在工業文物建筑結構加固過程中，整體結構的強度和剛度應滿足GB 50144-2019《工業建筑可靠性鑒定標準》，保證結構的整體穩定性。周樂等[14]提出混凝土強度是影響構件極限承載能力的最主要因素，構件的極限承載能力隨著混凝土強度的提高而明顯增大。劉芳等[15]研究增設構造柱、墻體加固、屋架增設吊桿和基礎整體托換等修繕技術，驗證該技術在近現代文物建筑結構修繕中的有效性；饒力[16]通過局部損傷指數獲取遺址建筑整體結構損傷指數，以此為依據判斷建筑結構的安全性。根據以上學者的研究成果，結合《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》等上述標準和225份舊工業建筑結構檢測報告，確定基礎承載能力、混凝土抗壓強度、柱碳化深度、受力構件裂縫寬度、柱鋼筋保護層厚度、柱位移、梁截面損失率(梁受腐蝕面積與梁截面積的比值)、柱鋼筋銹蝕率8個指標作為工業文物建筑結構安全等級評定的屬性參數，且根據這些參數建立源范例庫，評定出目標案例準確可靠的安全等級，其結構安全評定指標和安全等級如表1，2所示。

表1 安全評價指標

表2 安全等級

1.2 建立源范例庫

具備CMA(China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval)資質的工業建筑物檢測鑒定機構依據《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》(試行)、GB 50144-2019《工業建筑可靠性鑒定標準》、《中華人民共和國文物保護實施細則》(2003年)、DG/TJ 08-108-2014《優秀歷史建筑保護修繕技術規程》、JGJ/T 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》、JGJ 8-2016《建筑變形測量規范》、GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》、GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》等標準規范，測試工業文物建筑的屋架撓度，逐個檢查屋架、排架柱、支撐、屋面板、吊車梁等構件的使用缺陷，用混凝土回彈儀對屋架、排架柱的混凝土強度進行檢測，并檢查屋面防水、散水等維護設施的使用情況，根據使用狀態對結構系統的安全等級進行評定。因此，選取上述工業文物建筑結構安全等級評定結果準確可靠的工程實例為源范例，收集上述8個屬性參數及相應安全等級建立源范例庫M，準備接受結構安全等級評定的工業文物建筑為目標范例O。其決策矩陣Z為：

(1)

式中：源范例M有m種結構安全等級，構成源范例集M=(M1，M2，…，Mm)；有n個影響結構安全等級的評定指標，組成了指標集H=(H1，H2，…，Hn)。

1.3 屬性參數值歸一化處理

為了方便后面的相似度計算，考慮到柱碳化深度、混凝土抗壓強度等屬性參數的量綱、含義、性質不一樣，具有不可公度性，因此常采用線性歸一化處理方法，歸一化處理后的轉化值能較好地度量該參數對目標效果的影響[17]。一般而言，工業文物建筑結構安全等級評定的指標集分為2種：一種為越大越優型，即正向指標，如地基承載能力、混凝土抗壓強度、柱鋼筋保護層厚度等屬于越大越優型參數；另一種為越小越優型，即逆向指標，如柱碳化深度、受力構件裂縫寬度、梁截面損失率、柱位移、柱鋼筋銹蝕率等屬于越小越優型參數。通過式(2)(3)對各種屬性參數進行規范化處理，將各屬性值換算到[0，1]區間。

越大越優型：

(2)

越小越優型：

(3)

式中：i=1，2，…，m，m為范例數；j=1，2,…,n，n為指標數；min(xj)和max(xj)分別為工業文物建筑結構安全等級評定的源范例中第j個屬性的最小值和最大值；xij為樣本原始值。

1.4 熵權法計算屬性參數權重

目前，屬性權重計算方法主要包括：(1)主觀賦權法，如AHP法、最小平方和法和Delphi法等；(2)客觀賦權法，如主成分分析法、熵權法和多目標最優化方法等；(3)綜合賦權法，熵權 - 層次分析法，主客觀綜合考慮[18,19]。本文根據提煉有代表性的8個屬性，并獲取到了這些屬性的客觀真實數據。

因為熵權法計算過程簡單，計算結果客觀，決策結果可信度高的特點被廣泛運用于多目標決策問題中[20]，故運用熵權法確定本文8個屬性參數的權重。

(1)計算第j項指標下第i個范例指標比重yij

(4)

式中：x′ij為第i個范例的第j個指標的標準化值，i=1，2，…，m，j=1,2，…，n。

(2)計算第j項指標的信息熵值

(5)

(3)計算第j項指標的權重

(6)

dj=1-ej

(7)

1.5 基于蛛網模型相似度計算

基于范例推理的常用方法有很多，如概念語義距離相似度、全局相似度、局部相似度、結構相似度、特征屬性相似度等，但他們的計算結果容易受到指標極值的影響，最終會使計算結果不準確。本文提出一種綜合蛛網結構和蛛網面積相似的模型計算方法，已在高速公路軟基工程處理方案中得以成功運用，傳統范例推理法的計算匹配度為74.96%，而本文方法計算匹配度為89.43%[21]，根據指標的個數8，從某一點輻射出8條射線，將平面平均分成8個區域，8條射線兩兩之間的夾角為45°(360°/8)，如下圖3所示。將各射線上的指標值標出后，連接各點形成封閉的蛛網圖形。通過分析各個蛛網圖形面積和形狀差異，來比較目標范例與源范例之間的相似程度，找出與目標范例的形狀面積最相似的源范例，差異越小相似度越高。該模型指標越多，連線形成蛛網圖形的形狀和面積越精確，計算結果的準確度越高。

圖3 蛛網形狀與面積相似度計算模型

1.5.1 面積相似度度量

(8)

(9)

式中：Si為第i個源范例與目標范例O的面積差值；ai為它們的面積相似性誤差參數，其中ai的值越小，則它們的相似度越高；ri,j為第i個源范例第j個規范化指標值；rO,j為目標范例O第j個規范化指標值。

1.5.2 形狀相似度度量

為了準確客觀地繪制出蛛網圖形，需先將8個屬性指標值進行歸一化處理，再將這些處理后的指標值賦予權重，得到新的指標值分別標注在8個指標軸上。各個范例的蛛網圖形繪制完成后，根據屬性指標值個數將蛛網圖形切割。由于屬性指標個數8為偶數時，蛛網圖形按360°角度進行8等份(360°/8)。如圖4所示，本文采用GCT法(Geometry Complex Transform)[22]的基本思想，描述蛛網圖形形狀特征。從蛛網圖形的中心點(靶點)散發出8條射線，相鄰射線之間的夾角為45°，每條射線和反向延長線與蛛網圖形交于兩點，令這兩點到圖形中心點o的距離分別為aj，bj。由于本文已將8個指標值歸一化處理，并賦予權重，則aj，bj的值分別為第j個已處理的指標值和第j+3個已處理的指標值。以aj，bj參數構建復數aj+ibj，構建蛛網圖形復數空間特征向量F=(a1+ib1，a2+ib2，…，an+ibn)，其中該特征向量F有且只有唯一圖形生成。

圖4 封閉的蛛網圖形360°角8等份

(1)計算復數空間特征向量F的相位序列P

(10)

(2)計算相似相位序列

(11)

式中：δi為第i個源范例與目標范例O相位序列相似性誤差參數。Pi, j為第i個源范例復數空間特征向量F相位序列的第j個元素；PO, j為目標范例復數空間特征向量F相位序列的第j個元素。

(3)計算復數空間特征向量F的強度序列M

(12)

(4)計算相似度強度序列

(13)

(14)

式中：ηi為第i個源范例與目標范例O強度序列相似性誤差參數；Mi, j為第i個源范例復數空間特征向量下強度序列的第j個元素；MO, j為目標范例復數空間特征向量下強度序列的第j個元素；λi為第i個源范例相對于目標范例O的尺寸縮放因子。

(5)形狀相似度度量C

(15)

式中：Ci為第i個源范例與目標范例O的形狀相似度度量，Ci的值越小，則目標范例O與源范例i的形狀越相似。相位序列δi與強度序列ηi在相似度上二者同等重要。

1.5.3 綜合相似度度量

目標范例O與源范例M的相似程度是根據上述8個屬性指標值圍成的蛛網面積大小和形狀相似兩個方面綜合考慮，而且蛛網面積和蛛網形狀一樣重要，則

(16)

式中：Ψi為第i個源范例M與目標范例O的綜合相似度度量，Ψi越小，則目標范例O與源范例i的形狀越相似。

2 實例分析

圖5 勘察現場實際情況

2.1 工業文物建筑概況

湖北省黃石市某水泥廠舊址創建于1907年，是我國最早開辦的三家水泥廠之一[23]。2013年，該水泥廠舊址被國務院公布為第七批全國重點文物保護單位。礦渣庫始建于20世紀50～60年代，位于某水泥廠舊址南部，除屋架為鋼結構外，其余均為鋼筋混凝土雙肢柱排架結構，是具有大跨度、內設吊車梁和隔墻形式的工業建筑，具有重要的歷史價值。自水泥廠停產后，因長久未被使用且年久失修，缺乏日常保養，經實地現狀勘察，目前礦渣庫殘壞嚴重，如圖5所示：受風吹日曬及雨水沖刷，屋面石棉瓦殘損約為2500 m2，鋼屋架銹蝕嚴重，部分斷裂(圖5a)；礦渣庫使用期間造成局部缺失，后期因長期廢棄致使墻面風化、露筋，殘壞面積約5000 m2(圖5b)；混凝土柱均有不同程度風化，局部鋼筋外露、銹蝕，約4110 m2(圖5c)；北側柱間鋼筋混凝土梁缺失、風化嚴重，部分僅殘存鋼筋，缺失約28.50 m3，風化約510 m2(南側大部分因多被粉塵、灰土掩埋無法勘測)，其余混凝土梁風化面積約181 m2(圖5d)。現存礦渣庫整體結構為現澆鋼筋混凝土框架結構，屋面系統為鋼結構，內設吊車梁，殘存多道隔墻。

2.2 屬性參數選擇

上文第1.1節已確定混凝土柱碳化深度、混凝土柱抗壓強度、柱鋼筋保護層厚度、受力構件裂縫寬度、梁截面損失率、基礎承載能力、柱位移、柱鋼筋銹蝕率等8個指標為工業文物建筑結構安全等級評定的關鍵影響因素。為了驗證蛛網模型的可行性，本文以文獻[24]和結構檢測報告中的15個舊工業建筑結構安全等級評定準確可靠實例和第2.1節中的某水泥廠礦渣庫結構安全等級評定工程作為研究對象，并將文獻和結構檢測報告中前14個準確可靠工程實例作為源范例樣本庫，第15個工程實例和本文礦渣庫結構安全等級評定工程為目標范例，根據上文計算方法，通過計算獲取結構檢測報告中第15個工業文物建筑結構安全等級，并根據實際安全等級進行驗證。8個指標參數及對應的結構安全等級如表3所示。

表3 工業文物建筑結構安全等級評價工程實例

因為所選屬性參數的量綱、性質和意義不同所以各屬性參數之間具有不可公度性，需采用式(2)(3)對表3中參數進行歸一化處理。其中混凝土柱抗壓強度、柱鋼筋保護層厚度、基礎承載能力為越大越優型參數，而混凝土柱碳化深度、受力構件裂縫寬度、梁截面損失率、柱位移、柱鋼筋銹蝕率為越小越優型參數，歸一化結果如表4所示。

2.3 屬性參數權重計算

根據式(5)～(7)，對表4的歸一化結果進行計算，得到屬性參數的信息熵值e、信息效用值d，據此得到各屬性參數的權重，如表5所示。

2.4 基于蛛網結構相似度計算

根據式(9)(15)(16)，綜合考慮蛛網圖形的面積相似度和形狀相似度兩個方面，分別計算序號為15的目標范例與序號為1～14的源范例之間的綜合相似程度，并根據8個指標參數分別構建出目標案例O與源范例M間的蛛網圖形，計算結果和構建的蛛網圖形如表6所示。

比較目標范例與各個源范例之間的蛛網圖形差異，并計算各個圖形之間的綜合相似度，根據上表可以看出，目標范例15與源范例14最相似，對應的結構安全等級為D級，已嚴重影響整體安全，必須立即采取措施，應對構件進行除銹、整修，表面刷防銹漆，局部外粘鋼板或碳纖維布補強加固，平常應加強對結構進行監測與巡查工作。與結構檢測報告中工業文物建筑結構安全等級評定一致，說明采用本文提出的工業文物建筑結構安全等級評定模型有效，可以用于類似的工業文物建筑結構安全等級評定。根據表6的原理，同理可得到某水泥廠舊址中的礦渣庫結構安全等級(序號為16的目標范例)與序號為1～14的源范例之間的相似度和蛛網圖形，如表7所示。

從表7可以看出，目標范例16即本文提到的礦渣庫結構安全等級評定與源范例6最相似，因此該礦渣庫結構安全等級為B級，尚不明顯影響整體安全，有極少數構件應采取措施，可以對構件加壓水清理風化表面，鋼刷刷掉表面粘結不實的灰渣層，對外露鋼筋或斷筋做除銹處理，按照原柱尺寸，用聚合物砂漿或環氧砂漿修復，局部外粘鋼板或碳纖維布補強加固，定期對少數構件進行檢測并做好保護工作。

表4 8個屬性參數實測數據歸一化結果

表5 信息熵值、信息效用值及權重

表6 基于蛛網結構的目標范例15與各個源范例間的相似度

表7 基于蛛網結構的目標范例16與各個源范例間的相似度

3 結 論

本文以某水泥廠舊址中的礦渣庫結構安全等級評定為研究對象，主要獲得如下結論：

(1)結合《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》、《中華人民共和國文物保護實施細則》、GB 50144-2019《工業建筑可靠性鑒定標準》，并考慮工業文物建筑結構安全等級評定的特點，構建了包含混凝土柱碳化深度、混凝土柱抗壓強度、柱鋼筋保護層厚度、裂縫寬度、梁截面損失率、基礎承載能力、柱位移、柱鋼筋銹蝕率8個參數作為評定指標。評定指標越多，計算結果越精確。

(2)運用熵權法確定8個評定指標的權重時，能夠克服主觀性大、客觀解釋性差的問題。同時，本文提出一種綜合蛛網形狀和蛛網面積相似的模型計算方法，能有效減少指標突變值對計算結果準確度的影響，并通過工程實例驗證了該模型計算方法的可行性。

(3)我國大量遺存的舊工業建筑未來發展趨勢將是先評定為工業遺產，然后申請為工業文物建筑。根據中國文物古跡保護準則，工業文物建筑比一般的舊工業建筑保護要求更高，結構安全等級評定難度更大，有關的影響因素眾多，計算工作量大，相關方面的研究鮮有涉及。本文提出的工業文物建筑結構安全等級評定的方法使用方便，結果客觀，能為地方政府在文物保護方案決策中提供參考。