建筑物健康狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀分析

潘基先

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621000)

0 引言

建筑物的耐久性——建筑物結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部因素、自然環(huán)境與使用環(huán)境的共同作用下，在設計時要求:在目標使用時間內(nèi)，不必要花費大量的資金來加固處理使其保持安全、使用功能及外觀要求等能力。即指在正常過程(設計、施工、使用及維護)的條件下，并于規(guī)定時間內(nèi)，即使構(gòu)件的性能可以隨時間逐漸的劣化但結(jié)構(gòu)仍滿足達到其預定功能之能力。

而建筑耐久性是建筑物健康狀況評估的重要因素，很大程度上影響著評估的結(jié)果。隨著建筑物使用年限的增加和自然災害的增多，建筑物健康狀況的評估變得尤為重要。從相關(guān)調(diào)查可知，在建筑物的全生命周期的成本角度來看，運營成本占據(jù)相當大比例［1］。對建筑物進行健康診斷、對建筑物的維護及維修是在建筑物運營中最重要的一部分工作［2］。由2004年的調(diào)查可知，建筑物使用在20年～30年間的房屋占我國的總體房屋41%。按照我國的建筑物設計基準中的使用年限來看，我國現(xiàn)今絕大部分的房屋已經(jīng)進入了“中老年”。如何對這些建筑進行正確的評估，并且提出合理的的維修建議，將成為減少維修成本的關(guān)鍵，并擁有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 建筑物健康狀態(tài)評估的現(xiàn)狀和發(fā)展

早在20世紀40年代，建筑物的評估鑒定技術(shù)已經(jīng)在世界各地逐步發(fā)展，由“國際建筑研究和信息委員會”組織設立的“建筑物維修改造委員會”，主要進行建筑物的維修改造相關(guān)的研究與調(diào)查，并通過信息交流以組織編制相關(guān)標準規(guī)范。比如美國的《房屋檢測手冊》，日本的《土木建筑物更換標準》和《建筑區(qū)分等級法》，瑞典的《住宅更新法》和前蘇聯(lián)的《居住和公用建筑物定期檢查標準》等。

而在我國在經(jīng)歷1976年唐山地震和2008年汶川地震后，全國各大研究機構(gòu)和高校對建筑物健康狀態(tài)評估的相關(guān)課題做了大量研究。在結(jié)構(gòu)安全性鑒定和加固技術(shù)，剩余壽命評估和耐久性的鑒定方面已經(jīng)獲得了不少成就，標準化的鑒定和加固技術(shù)是現(xiàn)今的發(fā)展方向。我國現(xiàn)今的相關(guān)鑒定評定標準主要有《民用建筑可靠性鑒定標準》《危險房屋鑒定標準》《工業(yè)廠房建筑可靠性鑒定標準》《房屋完損等級評價標準》《鋼結(jié)構(gòu)檢查評定和加固技術(shù)規(guī)范》等。通過實行這些標準規(guī)范，對建筑物進行科學的評估和后期的加固。建筑物的壽命得到了延長，取得了一定的成就。

2 建筑物健康狀態(tài)評估的步驟

張昌棟，楊武［3］提出了建筑物健康狀態(tài)評估的程序:1)確定需要評估的建筑物，如使用年限達到一定程度或經(jīng)歷自然災害建筑物有所損害等，并填寫申請表。2)確定是否需要現(xiàn)場檢測。3)若必要則進行現(xiàn)場檢測，若無需直接進行健康評估。4)研究和提出維修方案，交相應單位批準。5)進行維修施工，施工完后對施工質(zhì)量進行檢測。他們表明通過建立建筑物信息庫，在各個工程后對信息庫進行完善，以便以后科學的進行評估，形成一個工程和數(shù)據(jù)庫的良性循環(huán)，相互補充。

3 建筑物主要的健康問題

3.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化，是指由于空氣中二氧化碳氣體滲透進混凝土內(nèi)部，當其與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應而后生成碳酸鹽與水，并使混凝土的堿度降低的整個過程，是混凝土受到的某種化學腐蝕，也可稱為中性化。碳化是評價建筑物耐久性的重要指標，混凝土的碳化使混凝土表面形成沿鋼筋走向的裂縫，裂縫加速鋼筋的銹蝕。

朱思［4］在研究中表明:混凝土碳化的速度和二氧化碳擴散速度、可碳化物質(zhì)含量和碳化的反應速率緊密相關(guān)。因此可知碳化的影響因素主要是材料因素、環(huán)境因素與施工因素。另外環(huán)境因素的主要影響因素又為相對濕度、溫度、應力與二氧化碳濃度。而材料受水灰比、水泥的用量標號、外加劑的使用的影響。施工主要受施工質(zhì)量養(yǎng)護等影響。

3.2 鋼筋的腐蝕

岸谷孝一［5］在研究中表明鋼筋混凝土中的鋼筋腐蝕與建筑物的耐久性密切相關(guān)，引起鋼筋腐蝕主要原因有化學腐蝕，物理腐蝕和電化學腐蝕。

很快，她在一家網(wǎng)站上尋到了一個信息：本人出售12000個航空里程，800元。可當面交易，也可支付寶。聯(lián)系人，程頤。下面是一串手機號和地址。粒粒瞄了一眼，荷花小區(qū)，距離自己的住處不過十站路。

造成混凝土中鋼筋腐蝕的原因主要有三個方面:化學方面、物理方面和電化學方面。具體來說，化學方面就是空氣中的二氧化碳易使混凝土發(fā)生碳化以及存在某些侵蝕性化學物質(zhì)，如Cl-，等;物理方面則是能使混凝土產(chǎn)生裂縫等的外力或凍融作用;以及混凝土中的鋼筋由于通直流電等產(chǎn)生的電化學方面的原因。從另一方面來看，鋼筋腐蝕的主要影響因素有:

1)氧氣、二氧化碳和鹽類等侵入水的成分以及混凝土的透氣性、透水性。

2)SO2與Cl-濃度、溫度及濕度變化等混凝土的周圍環(huán)境。

3)混凝土自身各種性質(zhì)。

a.水泥種類及水灰比、骨料種類及其粒徑、材料種類及配合比、外加劑等;

b.搗實的程度:主要指混凝土空隙等;

d.混凝土的養(yǎng)護方法:以蒸汽養(yǎng)護為主，同時注重混凝土齡期的變化;

e.裂縫的位置及大小。

4)鋼筋的各種性質(zhì)。

主要指材料性質(zhì)、靜應力大小、表面的狀態(tài)及加工。

混凝土和鋼筋的破壞是密切相關(guān)的，它們對建筑物的耐久性起決定性的作用，建筑物評估主要解決的問題是對混凝土和鋼筋進行評估，并作出防治和加固措施。

4 建筑物健康狀態(tài)評估的方法

吳波［6］作出歸納，建筑物健康狀態(tài)評估的方法主要是利用各種評估的方法來評估要研究的特定對象的特點。建筑物健康狀態(tài)評估的方法主要有模型法、模糊評判法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色理論、基于貝葉斯網(wǎng)絡的方法以及可拓理論等。

1)模型法。模型法主要是利用針對研究對象建立的數(shù)學與物理模型來進行評估的方法。其優(yōu)點是可靠度高，但也存在劣勢，如建模過程相對復雜、模型驗證困難和需隨時針對評估對象的變化情況進行模型修正。比如運用有限元分析軟件，建立模型，對建筑物進行受力分析，做不同健康等級加固后的受力對比，選擇較優(yōu)的方案。

2)層次分析法。層次分析法由美國運籌學家Thomas L Satty在20世紀70年代提出，是一種將半定性和半定量的問題轉(zhuǎn)換成定量計算的有效的決策方法。思維方式的改變是其的本質(zhì)，即把某個復雜的問題表達成有序階梯層次的結(jié)構(gòu)，且利用確定同一層次的各評估指標初始權(quán)重這一方法使定性因素能定量化。該方法降低了主觀造成的影響，讓評估更具科學效力。

3)模糊評判法。與傳統(tǒng)的評估方法相比，在解決對象為“亦此亦彼”的特性時，模糊評判法往往起著更好的作用。通過建立評估指標因素集U(U1～Un)和合理評判集V(V1～Vm)，然后通過評判和其他方法獲得模糊評語矩陣R(m×n)，并且利用合適的模糊算子進行模糊變換運算。

4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是在物理機制上模擬人腦信息處理機制的信息系統(tǒng)，可以基于層次分析方法評估模型為目標，研究結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊理論，建立基于信息輸入的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，推理評估建筑物。利用網(wǎng)絡中的專家知識和經(jīng)驗，從而有效的進行狀態(tài)評估。

5)基于貝葉斯網(wǎng)絡的方法。貝葉斯網(wǎng)絡由Pearl在1986年為解決不定性與不完整性的問題而提出的，是一種新的不確定知識的表達模型［6］與概率網(wǎng)絡，也稱作信度網(wǎng)絡。其基礎為貝葉斯公式與概率推理，并在此基礎上建立的數(shù)學模型和圖形化網(wǎng)絡。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為能方便地處理關(guān)于不完整數(shù)據(jù)的問題、能便于實現(xiàn)理論知識與數(shù)據(jù)信息的融合，且在解決復雜設備的不確定性與關(guān)聯(lián)性而產(chǎn)生的故障上十分明顯。故在很多領(lǐng)域應用廣泛，也是現(xiàn)今最有效理論模型之一。

6)灰色理論?；疑碚撌怯晌覈A中科技大學的鄧聚龍教授于1982年所提出。該理論是對于系統(tǒng)思想的進一步深化、發(fā)展，也引起了國際的極大重視并將此寫進世界名人錄。在當今的科學發(fā)展下，灰色理論及其方法正廣泛應用于各種學科和領(lǐng)域的研究中，并獲得了可喜成果。此理論的提出也為工程界的諸多問題帶來了新的解決方法。

7)可拓理論?？赏乩碚撌腔诳赏貙W，可拓學是我國學者蔡文在1983年創(chuàng)立的。即通過形式化的模型來探索事物拓展的可能性與研究創(chuàng)新的方法規(guī)律等，也是從定性和定量兩個方面來分析問題，由可拓學形成了物元理論，可拓集合理論和可拓邏輯為支柱的可拓理論框架。

5 結(jié)語

通過對以上的論述，可以總結(jié)出以下結(jié)論及建議:

1)通過以上學者和相關(guān)科研單位的研究，建筑物健康狀態(tài)評估擁有較為完善的標準和規(guī)范。也有比較完善的方法和正規(guī)的流程，相關(guān)理論比較成熟。

2)在整體可靠性和耐久性分析方面還在發(fā)展階段，還不夠成熟。

3)建筑物信息庫還不夠完善，在建筑物信息庫的運行和管理方面還可以做出更大的突破。因此建立完善的建筑物信息庫，完備建筑物評估系統(tǒng)將成為將來建筑物評估重要的發(fā)展之一。

［1］李 泉，徐文紅，周順美.建設項目經(jīng)濟壽命的分析與應用［J］.建筑管理現(xiàn)代化，2004(5):5-8.

［2］成 虎.工程項目管理［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］張 松.上海機場維修管理系統(tǒng)及程序開發(fā)［D］.上海:同濟大學，2004.

［4］朱 思.隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性評估與壽命預測［D］.蘭州:蘭州理工大學，2013.

［5］岸谷孝一.鋼筋混凝土建筑物中鋼筋的腐蝕問題［J］.水利水運工程學報，1975(21):79-80.

［6］吳 波.健康狀態(tài)評估方法及應用研究［J］.計算機測量與控制，2009，17(12):126-127.