高层建筑防雷因素权重分配的探讨

刘　勇

(烟建集团有限公司 第十建筑安装分公司, 山东 烟台　264003)



高层建筑防雷因素权重分配的探讨

刘勇

(烟建集团有限公司 第十建筑安装分公司, 山东 烟台264003)

摘要：介绍了高层建筑整体防雷措施,建立防雷系统评判模型进行雷击风险评估。以建筑物防雷设计和施工验收规范为依据,采用数学层次分析法(AHP)计算出合理的评价因素权重,以期给现代建筑物防雷评价工作进行定性和定量的客观评价。

关键词：建筑防雷系统; 雷击风险评估; AHP模型; 综合评判权重

0引言

随着社会和经济的发展,现代建筑物的规模和高度不断增加,建筑物内配套电子设备和网络系统日趋增多。通常,高集成化的电子信息产品抗电涌电压冲击能力差,如果建筑物防雷防护系统有缺陷,一旦发生雷击将会对建筑物内的电子设备造成不可恢复的影响。 为此,如何建立合理、有效的现代建筑物防雷系统评价,成为一个越来越重要的课题。

现代建筑物的雷电防护问题是一项涉及多学科汇集的系统工程。目前,国内外在雷击理论研究及评价方法上都不尽完善,我国现行的防雷系统施工验收规范也存在许多不足之处,难以满足设计、运行和评价的要求。文献[5]中详细描述了模糊评价能够对建筑防雷系统做出全面评价,但没有论述如何确定防雷因素权重分配。为此,本文探讨了如何计算出合理、有效的单因素评价因子,以期给现代建筑物防雷工作全面系统的评判提供数据支持。

1建筑整体防雷措施

建筑物防雷系统是一项系统工程,包括外部雷电防护装置和内部雷电防护装置。其中,外部雷电防护装置主要用于防直击雷,由接闪器、引下线和接地装置等组成;内部雷电防护装置又可分为等电位联结系统、合理布线系统、屏蔽系统、电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)等。建筑综合防雷措施如图1所示。

图1　建筑综合防雷措施

1.1外部防雷

接闪器是用来接收直接雷击电流的金属物,设置在屋面较突出(如房角、房脊、女儿墙与房檐等)且易遭受雷击的部位。为有效防止雷击,设计和施工中多采用网状或针带接闪器,在建筑物最高点附近设置多处避雷针。避雷网连接避雷针覆盖在屋顶,并延伸到女儿墙上,使建筑物屋面均在避雷带保护范围内。避雷网利用柱内钢筋作引下线,连接到基础钢筋。另外,圈梁钢筋、楼层钢筋、外墙面所有金属构件也应与引下线连接,组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系,可以有效防止雷击和电磁干扰。

1.2建筑物内部防雷

直击雷在放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物形成电磁感应,会造成电子设备的数据丢失、系统崩溃等。建筑物内部防雷包括防雷电感应、防反击以及防雷电波入侵。良好的内部防雷能减少建筑物内的雷电流所产生的电磁效应。

现代建筑物的防雷评价要根据内、外部防雷特点,综合考虑各种防雷措施,并结合建筑物所在自然环境、建筑物环境等因素作出合理、全面的评价。

2AHP评价原理及模型选取

2.1AHP原理

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上,利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化,从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。

现代建筑物防雷设计考虑的因素多,每个因素中还可能包含多个层次。防雷评价过程中会出现权数难以分配的问题,采用AHP可得出科学的分配权数。

2.2AHP模型

运用AHP构造系统模型时,大体可以分为以下步骤:① 建立具有递阶层次的结构模型;② 构造判断矩阵;③ 层次单排序和一致性检验;④ 层次总排序以及一致性检验。

2.2.1建立递阶层次的结构模型

对决策问题运用 AHP 进行分析时,首先根据决策问题的目标和特点把问题分成不同层次,就是将复杂的问题按照属性和关系形成由不同层次元素组成的层次结构,构造出一个有序的结构模型。上层元素作为准则，对下层有关因素起支配作用。递阶层次一般分为三类:

(1) 最高层,也就是目标层,只能有一个元素,也就是目标指数,是分析问题的设定预期目标。

(2) 中间层,也称为准则层,是为了达到所设定的目标涉及到的中间环节,可以由多个层次组成。

(3) 最底层,也称为措施层或方案层,包含为达到目标可供选择解决问题的各种措施、决策方案等。

2.2.2构造判断矩阵

建立了层次结构,也就确定了上下层次之间元素的隶属关系。问题在于比较同一层次各因素对于上一层次的同一元素之间的权重时,如果只是定性的结果难以保证取值的科学性和客观性,构造出的判断矩阵没有实际价值。为此,学者Santy等提出一致矩阵概念，即建立的n阶正互反矩阵A中,元素aikakj=aij(i,j,k=1,2,…,n)。通过矩阵理论,可知当且仅当n阶矩阵A的最大特征值λmax(A)=n时,该矩阵为一致阵,λmax(A)>n且特征值越大，不一致程度越严重,建立的评价系统越不准确。

2.2.3层次单排序及其一致性检验

建立矩阵A后,需要进行一致性检验,即验证该矩阵能否满足不一致的程度在允许范围之内。有满意的一致性,则通过一致性检验,可用其归一化特征向量作为权向量,否则要重新构造比较矩阵A。实际中采用一致性指标、一致性比率及随机一致性指标的数值表对A进行检验。

定义一致性指标:

(1)

当CI=0时,有完全的一致性;CI接近0,有满意的一致性;CI越大,不一致越严重。

定义一致性比率:

(2)

当CR<0.1时,矩阵A具有满意的一致性,通过一致性检验。

RI是多次重复进行随机判断矩阵特征值取算术平均数得到的,1~10维矩阵重复1 000次的平均随机一致性指标如表1所示。

表1平均随机一致性指标

维数RI维数RI1061.262071.3630.5281.4140.8991.4651.12101.49

对应于判断矩阵最大特征根λmax(A)的特征向量,经归一化后记为W。 向量W中的元素为同一层次因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值,该过程称为层次单排序。

2.2.4层次总排序及其一致性检验

计算某一层次所有因素对于最高层相对重要行的权值称为层次总排序。层次分析结构示意图如图2所示。

图2　层次分析结构示意图

(3)

当CR<0.1时,认为层次总排序通过一致性检验,层次总排序具有满意的一致性。

3防雷因素权重分配模型建立

对建筑物进行防雷综合评价时,根据防雷标准和规范的要求将接闪器、引下线、接地装置、雷电电磁脉冲屏蔽、等电位联结及SPD作为单项因素。

U={u1,u2,u3}

外部防雷措施(u1)、内部防雷措施(u2)、环境因素(u3)又分别包含如下因素：

u1={u11,u12,u13,u14}={接闪器,引下线,接地装置,屏蔽}

u2={u21,u22}={雷暴日,保护对象的建筑环境}

u3={u31,u32,u33,u34}={屏蔽措施,SPD,合理布线,等电位联结}

在用AHP进行具体数据计算时,可以利用数学软件 yaahp对各判断矩阵进行运算,以便得到最终结果。将判断矩阵输入软件中,软件会自动计算出该矩阵的一致性指标,并进行一致性检验。如果一致性检验不满足要求,需进行进一步的改进,直至得到一致性满足要求。根据图1建立防雷评价指标体系,一级、二级指标判断矩阵及计算结果如表2~表5所示。

表2一级指标判断矩阵及计算结果(一)

u1u11u12u13u14W1CRu1111130.3u1211130.3u1311130.3u141/31/31/310.10<0.1(λmax=4.000)

表3一级指标判断矩阵及计算结果(二)

u2u21u21W2CRu2113/20.6u222/310.40<0.1(λmax=2.000)

表4一级指标判断矩阵及计算结果(三)

u3u31u32u33u34W3CRu3111130.3u3211130.3u3311130.3u341/31/31/310.10.008<0.1(λmax=4.025)

表5二级指标判断矩阵及计算结果

uu1u2u3WCRu11520.5816u21/511/30.1095u31/2310.30900.0036<0.1(λmax=3.0037)

因此,各指标权重u1、u2、u3、u的权重分配分别为

通过分析可知,利用AHP可得到防雷系统中各个指标权重和各因素隶属度。这些数据经过一致性指标并进行一致性检验得到防雷评价因子,很好地解决了实际防雷系统评价无法得到有效数据的场合。

该方法满足一定的精度要求,具有一定的操作性和实用性。因此,AHP和模糊综合评判方法综合运用于防雷系统的评价是合理、可行的,可为我国防雷系统评价体系的进一步完善提供参考。

4结语

本文采用AHP得出合理的单因素评价因子,用模糊评判模型对建筑物防雷系统进行综合评价,可以得到较全面的评价结果。

在实际防雷系统评价过程中,应结合现代建筑物的技术性能要求,对检测过程中发现的新问题及时研究对策，并完善数据库。

[1]建筑物防雷设计规范:GB 5057—2010[S].

[2]建筑物防雷工程施工与质量验收规范:GB 50601—2010[S].

[3]国家标准化管理委员会.建筑防雷装置检测技术规范[M].北京:北京工业大学出版社,2008.

[4]THOMAS L Saaty.Theory and applications of the analytic network process:decision making with benefits,opportunities,costs,and risks[M].3 edition.Rws Pubns,2015.

[5]刘勇,张民,刘西秀.智能建筑防雷系统多级模糊综合评价[J].现代建筑电气,2011,2(7):48-51.

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Discussion About Weight Allocation of Lightning Protection Factors in High-rise Building

LIUYong

(The 10th Company of Yanjian Group, Yantai 264003, China)

Abstract：This paper introduced the overall lightning protection measures of high-rise building.A lightning protection system evaluation model was built to assess the lightning strike risk.According to the lightning protection design and construction inspection rules of building,the reasonable weights of evaluation factors were calculated by using of mathematical analytic hierarchy process (AHP) method.It can provide a qualitative and quantitative evaluation system of lightning protection in modern buildings.

Key words:building lightning protection system; lightning risk assessment; AHP model; comprehensive evaluation weights

收稿日期：2015-04-22

中图分类号：TU 856

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)02-0024-04