钢筋混凝土旧工业厂房结构加固方案优选

武 乾, 黄太兴, 孙 敏, 王 力, 王 航

(1.西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055; 2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

随着产业结构的调整，传统工业企业纷纷停产搬迁，大量旧工业厂房被闲置甚至拆除。为了传承我国工业文化，贯彻可持续发展的理念，全国各地纷纷出台一系列文件，来保护旧工业厂房已达到再生利用的目的[1]。本文基于全国不同行业的198栋旧工业厂房实地调研数据，统计出了旧工业厂房结构体系，主要有钢筋混凝土结构、砖混结构、钢结构、砖木结构和混合结构5种类型，见下图1。因为钢筋混凝土结构具有防火性能好、耐久、坚固的优点，这类结构的旧工业厂房所占比例较高(51%)。但是，钢筋混凝土结构的旧工业厂房所处年代久远，长期处于腐蚀、振动、高温等不利环境，而且使用中缺乏正常维护，结构破坏甚至倒塌时有发生。因此，如何优选出合理的结构加固方案，确保钢筋混凝土旧工业厂房再生利用安全可靠，是当前亟待解决的重要问题。

Apil KC[2]认为建筑类型、结构缺陷、使用年限、维护水平和材料质量等因素共同影响旧工业建筑的结构加固效果；胡素珍[3]认为结构安全和经济合理是影响旧工业厂房结构加固方案的主要因素；武乾[4]汇总分析了频发且有共通性结构安全问题，提出基于改造后的用途和功能来选择旧工业厂房结构加固方案；田飞[5]从结构性能改善程度、施工风险度、施工作业要求等层面确定旧工业厂房结构加固方案的技术指标；周长东[6]提出了基于模糊层次分析法的结构加固方案优选模型；李勤[7]将改进的TOPSIS法用在建筑结构加固方案优劣排序中；姜禹[8]运用关联度法计算各备选方案与理想方案的关联度,进而选出最优加固方案。但以往的研究所考虑的指标较为片面，且研究方法主观性较大，不易操作。

鉴于此，本文综合考虑安全性、经济性、时间性、可行性和适用性等全面因素，构建了钢筋混凝土旧工业厂房结构加固方案优选指标体系，建立了综合考虑18个指标的源范例库，提出了基于蛛网面积相似和形状相似的旧工业厂房结构加固方案优选模型，以便为结构加固工作人员选择合理有效的加固方案提供参考依据。

图1 旧工业厂房结构类型所占比例

1 优选指标体系构建

本文根据《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144-2019)、《旧工业建筑再生利用技术标准》(T/CMCA4001-2018)和《混凝土结构设计规范》(GB53367-2013)等3部标准规范，确定安全性指标。基于上文实地调研所获取的198栋旧工业厂房信息，运用文献综述法[9～12]，并咨询了若干位从事结构加固工作的专家，最终筛选出适用性、可行性、经济性和时间性的指标。这些定量指标与定性指标，见下表1。下文提到的旧工业厂房是指钢筋混凝土结构的旧工业厂房。

表1 结构加固方案优选指标体系

2 建立优选模型

基于范例推理的常用方法有很多，如概念语义、距离相似度、全局相似度、局部相似度、结构相似度、特征属性相似度等，但这些方法的计算结果易受指标极值的影响，导致计算结果不准确[13]。本文所提的基于蛛网面积相似和形状相似的优选模型，指将各指标值所在点连成一个封闭的平面图形来表示结构加固工程范例，该模型综合考虑了蛛网图形的面积和形状差异，找出与目标范例的形状、面积最相似的源范例，且指标越多，所形成的蛛网图形越精确，计算结果的准确度就越高。具体建模过程：首先根据上述标准、结构检测报告和专家意见，筛选出全面可靠的指标、结构加固效果显著的源范例和待预测的目标范例，建立综合考虑18个指标的源范例库；然后将源范例库中的指标参数进行归一化处理，再用熵权法确定权重；最后根据考虑权重后的归一化指标值绘制蛛网图形，结合蛛网形状、面积相似计算综合相似度，确定目标范例的结构加固方案。

2.1 建立范例库

取旧工业厂房结构加固效果显著的工程实例为源范例，收集相应加固方案建立源范例库M，且要求这些加固方案综合考虑以上18个指标，准备接受结构加固的旧工业厂房为目标范例O。其决策矩阵为：

(1)

在决策矩阵Z中，源范例有m种结构加固方案，构成源范例集M=(M1,M2,M3,…,Mm)；有n个影响结构加固方案的优选指标，组成指标集H=(H1,H2,H3,…,Hn)。

2.2 定量指标参数值归一化处理

考虑到地基承载力、沉降速率、混凝土碳化深度等定量指标参数的量纲、含义、性质不一样，具有不可公度性，因此，为了获得更准确的相似度计算值，需要进行无量纲处理。一般而言，旧工业厂房结构加固方案优选的指标集分为2种：一种为越大越优型，即正向指标[14]，另一种为越小越优型，即逆向指标[15]。本文定量指标中，地基承载力、混凝土构件承载力属于正向指标；而沉降速率、相邻柱沉降差、构件变形值、混凝土碳化深度、构件裂缝宽度、钢筋锈蚀率、加固成本、后期运维成本、施工工期、养护时间等则属于逆向指标。基于此种分类，分别运用式(2)和(3)对上述定量指标参数进行归一化处理[16]，换算到[0,1]区间。

越大越优型：

(2)

越小越优型：

(3)

式中min(xj)和max(xj)分别为旧工业厂房结构加固方案源范例中第j个指标的最小值和最大值，xij为样本原始值，其中i=1,2,…,m，m为范例数；j=1,2,…,n，为指标数。

2.3 定性指标的定义和取值

定性指标具有模糊性和主观性，不相互独立，不同的决策者对同一指标的评价可能产生不一致的结果[17]。为了减少主观误差，本文对定性指标处于不同数值范围给予了明确的定义，且取值越大表明效果越优，见表2。

表2 定性指标取值定义

2.4 熵权法确定指标参数权重

考虑到熵权法计算简便，计算结果客观，决策结果可信度高的特点，因而被广泛运用于多目标决策问题中[18]，故运用熵权法确定本文18个指标参数的权重。具体计算步骤如下：

(1)第j项指标下第i个范例指标比重yij，第j项指标的信息熵值ej

(4)

(5)

(2)第j项指标的权重

(6)

dj=1-ej

(7)

2.5 基于蛛网模型的相似度计算

本文采用蛛网结构[19]，如下图2所示，从中心点辐射出18条射线，每条射线代表1个指标，18条射线对应本文中的18个指标，两两射线之间的夹角为20°(360°/18)，将平面平均分成18个区域。基于目标范例中的指标数据，利用每条射线上的端点与连结点的距离表示各指标值，连接每条射线的连结点则形成代表目标范例的蛛网图形。同样，基于源范例的指标数据可以得到源范例蛛网图形。

图2 蛛网结构相似度计算模型

2.5.1 面积相似度度量

(8)

(9)

上述式子中，第i个源范例与目标范例O的面积差值为Si，它们的面积相似性误差参数为ai，其中ai的值越小，则它们的相似度越高；第i个源范例第j个规范化指标值为ri,j；目标范例O第j个规范化指标值为ro,j。

2.5.2 形状相似度度量

为了准确客观的绘制出蛛网图形，需先将18个指标值进行归一化处理，再将这些处理后的指标值赋予权重，得到新的指标值分别标注在18个指标轴上。由于指标个数18为偶数，蛛网图形按360°/18角度进行18等份。见下图3，本文采用GCT法[20]的基本思想，描述蛛网图形形状特征。从蛛网图形的中心点(靶点)散发出18条射线，相邻射线之间的夹角为20°，每条射线和反向延长线与蛛网图形交于两点，令这两点到图形中心点O的距离分别为ai、bj。由于本文已将18个指标值归一化处理，并赋予权重，则ai、bj的值分别为第j个已处理的指标值和第j+9个已处理的指标值。以ai、bj参数构建复数ai+bji，构建蛛网图形复数空间特征向量F=(a1+b1i,a2+b2i,a3+b3i,…,an+bni)，其中该特征向量F有且只有生成唯一的图形。

图3 封闭的蛛网图形360°角18等份

(3)复数空间特征向量F的相位序列，相似相位序列

(10)

(11)

上述式(11)中，第i个源范例与目标范例O相位序列相似性误差参数用δi表示。第i个源范例复数空间特征向量F相位序列的第j个元素用Pi,j表示。目标范例复数空间特征向量F相位序列的第j个元素用Po,j表示。

(4)复数空间特征向量的强度序列M

(12)

(5)相似度强度序列

(13)

(14)

上式中，为第j个源范例与目标范例O强度序列相似性误差参数为ηi；第i个源范例复数空间特征向量下强度序列的第j个元素用Mi,j表示；目标范例复数空间特征向量下强度序列的第j个元素，用Mo,j表示。其中第i个源范例相对于目标范例O的尺寸缩放因子用λi表示。

(6)形状相似度度量

(15)

相位序列δi与强度序列ηi在相似度上二者同等重要。上式中，第i个源范例与目标范例O的形状相似度度量为Ci。当Ci的值越小，则目标范例O与源范例i的形状越相似。

2.5.3 综合相似度度量

目标范例O与源范例M的相似程度是根据上述18个指标值围成的蛛网面积大小和形状相似两个方面综合考虑，而且蛛网面积和蛛网形状一样重要，则

(16)

Ψi为第i个源范例M与目标范例O的综合相似度度量，Ψi越小，则目标范例O与源范例i的形状越相似。

3 实例分析

3.1 旧工业厂房概况

2003年西安建筑科技大学华清学院将原有某钢厂轧钢厂房改造为图书馆。原有厂房结构建设于上世纪50年代末期，距今已60余年。图书馆总长度66m、宽度36m，跨度均为18m，柱距为6m，由钢筋混凝土排架柱、钢筋混凝土折线形屋架、吊车梁、天窗架组成，平面整体呈矩形，由两跨单层工业厂房改造而成，见图4。原建筑结构存在不同程度的使用损伤，改造使用十几年来，原厂房的使用状态出现不同程度的进一步劣化，影响了建筑物后续的安全使用，见图5。

图4 结构剖面图

图5 结构损伤状况

3.2 加固方案设计

通过对原轧钢厂房结构损伤状况、施工时间、工程造价、施工基本条件等各因素的综合分析，并结合198份旧工业厂房结构检测报告，总结出了综合考虑18个指标的8种结构加固方案，见表3。各个方案中对于损伤构件，都采用混凝土置换法进行加固。

表3 旧工业厂房结构加固方案

3.3 指标参数的选择

本文以198份旧工业厂房结构检测报告、文献[21]中的结构加固效果显著的工程实例和原轧钢厂房结构加固工程作为研究对象，受篇幅所限，仅挑选出20个工程实例和原轧钢厂房加固工程(序号21)组成范例库，且前20个范例的结构加固方案综合考虑了上文的18个指标，并将前15个实例作为源范例，后6个作为目标范例。根据上文计算方法，获取序号为16～20的目标范例的结构加固方案，并根据实际成功的结构加固方案进行验证。通过咨询10位有丰富结构加固经验的专家，给出了定性指标的评分并进行了平均处理。最后对这21个范例中的18个指标参数按照公式(2)和(3)进行了归一化，其结果及对应的处理方案见表4。

3.3 指标参数权重计算

根据上述式(5)、(6)和式(7)，对表4的归一化结果进行计算，得到各指标权重如表5。

表4 18个指标参数归一化结果

表5 加固方案优选指标权重

3.4 基于蛛网模型的相似度计算

根据上述式(9)、式(15)和式(16)，综合考虑蛛网图形的面积相似度和形状相似度两个方面，将序号为16、17、18、19、20的目标范例O分别同序号为1～15的源范例M进行综合相似度计算，由于篇幅所限，本文根据18个指标参数，仅构建出序号为17的目标范例O与序号为1～15的源范例M间的蛛网图形，运用Python计算出综合相似度，其比较结果见图6。

图6 目标范例16～20与源范例1～15间的综合相似度

比较各目标范例16～20与源范例1～15的蛛网图形结构差异和上图6的综合相似度，找出目标范例16～20最为相似的源范例分别为4、8、7、15、15，对应的结构加固方案分别为方案2、方案4、方案3、方案8、方案8，与原实际结构加固方案完全一致，说明采用本文提出的旧工业厂房结构加固方案优选方法匹配度高，验证了该模型准确可靠，可用于类似旧工业厂房结构加固方案的决策中。根据附表1的原理，同理可得到原轧钢厂房结构加固工程(序号为21的目标范例)与源范例1～15间的相似度和蛛网图形。

根据综合相似度和蛛网图形，可得到目标范例21与源范例7最为相似，因此原轧钢厂房结构加固方案为方案3，即先对混凝土损伤构件加压水清理风化、剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，钢刷刷掉表面粘结不实的灰渣层，对钢筋进行除锈，除锈后进行防腐、防火处理，表面刷防锈漆两遍，并对梁、柱涂刷渗透型防碳化涂料。然后采用粘贴钢板法加固梁，托梁拔柱技术加固柱，局部增设构造柱，用环氧树脂、甲基丙烯酸脂和微膨胀水泥浆等注浆法修补构件表面裂缝，并采用置换混凝土法对构件损伤部位进行处理。

4 结论

针对旧工业厂房活化利用，本文以18个参数作为评价指标，提出了一种基于蛛网模型的结构加固方案优选方法，并以原轧钢厂房结构加固工程实例为研究对象，主要得到如下结论：

(1)选择旧工业厂房结构加固方案时，不应仅单纯地考虑经济性或安全性等单一方面，更应综合考虑安全性、经济性、适用性、时间性和可行性等全面可靠的因素。

(2)本文提出一种综合蛛网面积和蛛网形状相似的计算方法，通过比较18个指标值连线所形成的蛛网图形结构差异，能有效弱化指标突变值对计算结果的影响，显著提高计算的精确度。

(3)基于蛛网模型的旧工业厂房结构加固方案优选方法使用方便，计算简单快速，结果可靠，且计算指标越多，结果越精确，能有效解决旧工业厂房缺乏结构加固方案优选工具的问题，也能为加固作业人员在选择结构加固方案时提供参考。