基于水淋法測試技術的墻體抗滲性能綜合評價體系研究與構建

傅 軍，徐煜佳，馬甜偉

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310000；2.浙江廣廈建設職業技術大學，浙江 金華 321000)

在新型墻材推廣應用的背景下，圍護墻體滲漏問題始終存在。圍護墻體指各類用塊材和砂漿砌筑而成的起空間圍合作用的組合體，包括具有抗滲要求的外墻和衛生間內墻等。其滲漏會影響建筑物的保溫、耐久性能，同時降低居住舒適度，極易引發工程與社會之間的矛盾，具有較強的社會屬性。因缺少事前檢測機制，目前墻體滲漏的發現和修補往往處于事后階段，其主要瓶頸之一在于缺少相關規程，其中綜合評價體系為標準重要組成部分。通過文獻查閱可知，綜合評價方法種類甚多[1-3]，人們較為熟知的主要有定性評價法與定量評價法。定性評價法根據對評價對象的觀察和邏輯分析，對其特征進行信息分析和處理[4]。常通過直接評分法、專家會議法和Delphi等方法實現決策。該方法利用評價者的經驗直接對評價對象作出定性的判斷結論，存在難以對評價指標進行量化的缺點。而定量評價法[5-7]是評價者根據被評對象的特征，利用數據等基礎信息對被評對象進行綜合分析并獲取評價結果的方法，主要包括層次分析法(AHP)、網絡層次分析法(ANP)、模糊數學方法。該方法在綜合評價過程中應用較為廣泛，基本包含了可以解決數據化和結構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]在墻材細觀滲流研究與實驗室試驗基礎上，基于水淋法研制了初代墻體抗滲性能檢測儀NDT-WI(Nondestructive testing instrument for wall impermeability)，并在應用反饋基礎上改進研發了二代儀器NDT-WI-2[15]。同時為補全國內相關類似規程內容的缺失，主持編制中國工程建設標準化協會標準：T/CECS 1092—2022《水淋法砌體墻抗滲性能現場檢測與評定標準》(已完成標準審查，即將出版發行)，采用定性評價法與定量評價法相結合的評價方式，對墻體抗滲性能指標進行量化分析，構建墻體抗滲性能綜合評估體系，本文主要闡述墻體抗滲性能綜合評價體系的研究與構建。

目前檢測墻體抗滲性能比較直觀和有效的方法是水淋法，其主要原理是：利用檢測儀器模擬自然降雨對墻體的沖刷滲透效果，并在試驗過程中記錄各項滲漏指標的同時觀察墻體滲漏情況。最后對實測數據進行分析，評估墻體抗滲性能。

1 水淋法儀器現場檢測

課題組采用NDT-WI-2進行現場檢測，主要檢測步驟如圖1所示。

圖1 水淋法檢測流程圖

首先調試儀器，然后選擇試驗對象。所選取測點墻面應基本平整，表面不應有污染物與附著物。固定時，開啟真空泵，使真空吸盤牢固吸附于墻面。完成固定后，開啟水壓、風壓加載系統，模擬所需工況進行試驗，期間觀察墻體滲漏情況，每隔3分鐘記錄各項滲漏指標(滲透時間、滲透量、滲透面積)。試驗結束依次關閉水壓、風壓加載系統，清理檢測現場。檢測期間應確保不發生斷電，防止噴淋罩墜落，同時應設置安全繩應對意外情況。

2 檢測數據處理

對墻體進行檢測時，數據測量值應該保持在一個相對穩定的范圍內。出現異常數據必須對其進行處理。對異常數據的處理一般采用肖維涅法[16]，對異常值的定義與檢驗還可參考相關規范中的異常值檢驗公式：

(1)

式中，t—統計量；xk—樣本中最大或最小值；mx—余下樣本平均值；sx—余下樣本標準差；n—樣本數量。

將統計量t與臨界統計量tα進行對比，若計算統計量大，則可判定相應的數據為異常數據(tα查表可得)。對檢驗出的異常值，應尋找產生異常值的原因，作為剔除異常值的依據。

3 評價體系構建

當前在對墻體抗滲性進行綜合評價時，多層次評定、模糊綜合評定等方法都有了一定的應用，這些方法綜合考慮了各項因素，對墻體抗滲性進行分級評價，結論較為科學客觀。但由于各種數學概念及方法的引入，理論復雜、計算量大，導致難以被工程技術人員普遍應用。需構建一個既全面客觀，又能在各大、中、小型結構中都能得到普遍應用，更為簡潔方便的指標。

綜合以上考慮，建立一個墻體抗滲性的評價指標體系，形式如下：

y=m1x1+m2x2+…+m3x3+…+mnxn=mTx

(2)

式中：y—抗滲性能系數；m—第i個評估指標的權重；x—無量綱化處理后評估指標值。

在確定指標權重m時要充分考慮其他因素的影響，例如墻體厚度、環境類別、砌體型號、砂漿類型等。顯然，不同空間、時間環境下各單一指標權重取值有很大的差異。

3.1 數據差異修正

通過收集大量試驗數據，記錄不同的墻體厚度、環境類別、砌體型號及砂漿類型下的滲透時間、滲透量、滲透面積數據，并記錄標準抗滲性能測試環境下的滲透時間、滲透量、滲透面積數據，將其作為訓練集并通過T-S模糊神經網絡自學習隱式轉換公式[17]。利用對樣本的訓練調節網絡權值與偏差，快速收斂，提高算法效率[18-19]。

將模糊神經網絡對應的拓撲結構劃分成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傳至下層單元；第2層是隸屬函數單元，該層對輸入的參數隸屬度情況進行描述，一般應用三角函數進行表述等;第3層是控制規則單元，具體涵蓋了模糊控制的相關規則；第4層是輸出由神經網絡處理信息的輸出單元。

圖2 模糊神經網絡結構

T-S模糊神經網絡的學習算法如下:

(1)誤差計算

(3)

式中，yd—網絡期望輸出；yc—網絡實際輸出；e—期望輸出和實際輸出的誤差。

(2)系數修正

(4)

(5)

(3)參數修正

(6)

(7)

在評價過程中，將輸入與輸出層神經元個數均設置為4個。訓練不同墻體厚度、環境類別、砌體型號及砂漿類型下的滲透時間、滲透量、滲透面積數據，記錄標準抗滲性能測試環境下的滲透時間、滲透量、滲透面積數據，分別作為輸入和輸出數據，并用測試集計算均方根誤差。通過訓練模糊神經網絡獲得誤差最小的網絡結構與權重值，作為差異修正隱式公式，用來將非標準環境下測得的滲透時間、滲透量、滲透面積數據轉換為標準情況下的數據。

3.2 數據標準化

對于規范制定要求排除人為主觀性影響，采用客觀性的差異驅動評價方法。選用拉開檔次法對不同評價指標進行權重計算，即計算公式(2)中m值。該方法是通過指標因子值在最大限度地體現出各評價對象之間整體差異的原則下來計算權重系數[20-25]。將選取的評價指標用標準化處理法，對極大型指標(滲透時間)用公式(8)進行無量綱化處理：

(8)

對極小型指標(滲透面積、滲透量)用公式(9)進行無量綱化處理:

(9)

式中，Mj=max{xij}；mj=min{xij}。

3.3 抗滲性能評價

通過拉開檔次法，假設將式(2)第i個被評價對象的n個標準原始觀測值xi1，xi2，…，xin代入式(2)中，得到式(10)：

yi=m1xi1+m2xi2+…+m3xi3+…+mnxin，

i=1，2…w

(10)

假設有式(11)：

(11)

那么式(10)可改寫為式(12)：

y=Am

(12)

確定權系數向量m的基準是能最大程度地表現出因“質量”不同而導致的評價對象間的不同。若用數學語言描述，則是求出指標向量x的線性函數mT并要求該函數對w個評價對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個評價對象取值，以此構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間、墻體滲透量、墻體滲透面積的權重值。

將墻體抗滲性能分為合格與不合格2個等級，根據式(2)計算已測得的墻體抗滲性能數據的y值，統計所有y值，并根據y值劃分出合格與不合格的閾值作為抗滲性能的劃分標準。

對于抗滲性能規范即可直接按照上述計算得到的m值代入式(2)作為評價抗滲性的標準公式。在檢驗墻體是否符合抗滲規范時，只需將墻體滲透時間、滲透量、滲透面積代入公式并與抗滲性能界限值進行比對。

4 算例

現擬定500組數據作為算例介紹上述算法。其中A組(250個數據)為正交試驗下不同墻體厚度、環境類別、砌體型號、砂漿類型的滲透時間、滲透量、滲透面積；另B組(250個數據)為標準試驗下的滲透時間、滲透量、滲透面積。數據見表1—2。

表1 A組試驗數據

表2 B組試驗數據

將A組作為輸入集，B組作為輸出集。建立模糊神經網絡，輸入層與輸出層均包括3個節點，即滲透時間、滲透量及滲透面積。隱含層1為7個節點，隱含層2為14個節點。

將數據輸入網絡后經過訓練得到網絡結構記為fa，經計算均方根誤差為1.0，擬合優度為0.86，認為訓練結果較好，可以使用該網絡作為數據差異修正的隱式公式。

按公式(2)計算其抗滲性能，需要確定劃分墻體抗滲性能界限值ya。首先將B組數據按照式(8)、式(9)進行標準化處理，得到的結果見表3。

表3 試驗數據標準化處理

接下來通過拉開檔次法計算其抗滲時間、滲透量、滲透面積的權重，經計算H矩陣值為：

求其最大特征值對應的特征向量為：

m=[0.642 0.341 0.221]T

經過歸一化處理后得到：

m′=[0.53 0.28 0.19]T

得到抗滲時間、滲透量、滲透面積的權重分別為m1=0.53，m2=0.28，m3=0.19。將其代入式(2)計算250組抗滲試驗對應的y值。召集專家在250個y值中綜合確定其能劃分抗滲性能合格與否的閾值，作為墻體抗滲性能界限值。

5 結語

本文基于墻體滲漏問題的“強社會屬性”，以“技術—社會+舒適”為價值取向，提出了墻體抗滲性能綜合評價體系的基本架構。該評價體系能為T/CECS 1092—2022編制提供較為客觀的評價方法，從而改變工程糾紛時無據可依的局面，減少因墻體滲漏帶來的經濟損失，對于促進社會和諧具有一定意義。考慮實際操作的便利性，工程實踐中，可以根據該地區的墻材和砂漿類型、砌筑工藝等，通過一定數量的墻體抗滲試驗，計算確定權重，得出合理的閾值作為標定值或者基準值，綜合進行評價決策。在后期應用中，還應考慮納入更多的滲漏指標，提升評價體系的全面性。