康九斯,张 凯,陈兆荣,李 波,蔡志立,廖 飞,杨 春,罗兆津

(1.中建五局第三建设有限公司,湖南 长沙 410004; 2.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东 广州 510500; 3.深圳市建筑工程质量安全监督总站,广东 深圳 518034; 4.华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510641)

0 引言

烂尾楼是指项目开工后已完成一定进度,但因资金问题或工程质量不合格等原因导致停工1年以上的房地产、商业楼等项目。烂尾楼浪费了城市的土地资源,影响了城市形象,减缓了城市化发展进程。因此,若对烂尾楼进行改造续建,不仅能高效利用现有土地资源,发展绿色经济,还能盘活不良资产,产生广泛的社会效益[1-2]。

烂尾楼工程由于长期暴露在自然环境中,质量会出现不同程度的下降,具体表现为材料性能下降和结构构件损伤,如钢筋锈蚀、构件开裂、保护层剥落等。在对烂尾楼建筑续建前,须通过结构检测分析烂尾楼的现状、施工质量和停工期间结构的性能变化[3],并依据使用要求和现行规范重新进行可靠性鉴定,确定当前结构的安全状态,发现结构存在的质量问题,从而为后续续建工作提供客观科学的依据[4-8]。

目前关于烂尾楼工程的结构鉴定方法多采用实用鉴定法,但该方法难以直接快捷地对结构整体的可靠性进行评估。层次分析法可根据烂尾楼项目的具体完成度对各鉴定项目赋予灵活的权重系数,从而对结构进行灵活而全面的可靠性评估[9-11]。传统的层次分析法主观性过强且缺乏对模糊性的考虑,而三角模糊数以区间而非具体数值表征模糊信息,能给专家留有更大的决策余度,进而有效降低层次分析法主观性过强的缺陷,使鉴定结果更具有客观性,故考虑将层次分析法与三角模糊数相结合,使建立的评判模型更适用于多因素、多层次的复杂问题。

本文先介绍了某烂尾住宅楼的基本情况和检测结果,引入三角模糊层次分析法建立递阶层次结构,计算不同评价因素对结构的权重系数,从而对已建24层的高层建筑进行可靠性评估,为现有烂尾楼的可靠性评定提供借鉴。

1 模糊层次分析法的应用

三角模糊层次分析法的计算步骤如下:①建立递阶层次结构;②构造判断矩阵;③根据判断矩阵计算各影响因素的相对权重以及各层次影响因素的组合权重。

1.1 层次结构的建立

烂尾楼建筑构件数量繁多、整体体系复杂,若一次性对所有构件进行比较,判断矩阵将过于庞大,难以确保矩阵的一致性。因此,本文根据烂尾楼结构特征建立递阶层次结构模型(包括目标层、若干准则层和方案层),分别对各层次构造相应的矩阵,求出各影响因素所占权重,最后合成计算得到各影响因素在整体结构中所占的权重。根据GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》,目标层设为结构可靠性A,准则层为地基基础B1、上部承重结构B2和围护系统B3。

地基基础B1层主要考虑地基变形C1和地基基础承载力C2。地基变形和地基基础承载力可由检测报告数据得到,属于可量化元素。

上部承重结构B2层主要考虑承重构件C3、结构侧向位移C4和结构整体性C5;其中承重构件的可靠性评级由检测报告数据得出,结构侧向位移通过输入检测数据进行建模得出,二者均属于可量化元素。结构整体性可根据《民用建筑可靠性鉴定标准》进行估算量化。

由于烂尾楼工程的围护系统完成度并不高,一般不存在门、窗等构件以及屋面,故围护系统B3层主要考虑墙体C6以及结构整体性C7。综上所述,建立递阶层次结构模型如图1所示。

图1 递阶层次结构Fig.1 Hierarchical structure

对于承重构件的可靠性评级,可建立递阶层次模型,将承重构件按楼层D1～Dn进行划分,然后各楼层的承重构件再按构件类型划分为柱Ei1、梁Ei2、板Ei3三种,建立递阶层次结构模型,如图2所示。

图2 承重构件可靠性评级的递阶层次结构Fig.2 Hierarchical structure of reliability rating for load-bearing components

1.2 模糊判断矩阵的建立及验证

建立递阶层次结构模型后,根据各影响因素在相应层次内的相对重要性,引入1～9的标度,两两比较构造三角模糊判断矩阵C=(cij)n×n,其中cij(lij,mij,uij)是以mij为中值的闭区间。例如,已知影响因素X和Y,用标度1表示X和Y同样重要;用标度3表示X比Y稍微重要。矩阵元素的具体取值尺度如表1所示。

表1 比较标度的取值Table 1 The values of the comparison scale

引入一致性指标CI和一致性比率CR以检验判断矩阵的可靠性和一致性。由中值矩阵M的特征根λmax计算出一致性指标CI。

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式中:n为判断矩阵的阶数。

一致性比率CR定义为:

CR=CI/RI

(3)

式中:RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。CR越小,结果越满意,当CR<0.1时,则认为一致性结果满意。

1.3 各层次中各元素权重的计算

根据三角模糊数学理论,模糊评判因子矩阵E为:

(5)

2 工程实例验证

2.1 工程概况

该项目原名薯田埔花园,于2012年12月开始施工,2014年9月停工,当前该项目1栋4单元的主体结构已施工到23层。已建建筑高度最高为68.65m。该项目塔楼采用剪力墙结构,地下室采用钢筋混凝土框架结构;基础为筏板基础和局部人工挖孔桩基础,无腐蚀性环境、振动荷载和高温环境。周边无山体、深坑、边坡、挡墙、河道等。

2.2 构造模糊判断矩阵

构建一级指标对于总目标的模糊判断矩阵并对其中值矩阵进行一致性检验(见表2)。

表2 B对A的判断矩阵Table 2 The judgment matrix of B to A

分别根据公式(4),(5)计算模糊判断因子矩阵E、归一化的调整判断矩阵Q′以及一级指标对应总目标的权重。

其余指标的矩阵构造原理和权重计算方法与上述步骤完全相同,限于篇幅省略部分计算过程,构造的模糊判断矩阵及权重计算结果如表3～8所示。

表3 C对B1的判断矩阵Table 3 The judgment matrix of C to B1

表4 C对B2的判断矩阵Table 4 The judgment matrix of C to B2

表5 C对B3的判断矩阵Table 5 The judgment matrix of C to B3

综上可知,各楼层的权重系数存在一定差异,且随着楼层的降低,权重逐渐增加。这是由于层数增加导致构件数量增多,而不同楼层构件对结构体系的控制作用不同,底层构件的权重系数应相应增大,以突出底层构件对于整体结构的控制作用强于其他构件。

2.3 构件层次可靠性判别

确定各构件分别所占的权重系数后,对各级构件所占的权重系数总和进行计算,用Γj表示:

(9)

(10)

(11)

式中:j表示构件的可靠性等级,n1j,n2j,n3j分别表示j级柱、梁、板构件的数量;i1j,i2j,i3j分别表示对应柱、梁、板构件的编号。

根据检测报告分别对构件的钢筋锈蚀、裂缝、构造、承载能力及位移变形进行评级。该构件的安全性等级和使用性等级采用上述评级中的最低级评级,然后根据其安全性和正常使用性的评定结果,得出构件的可靠性等级。根据表8的判断矩阵,加权得出每层中处于可靠性等级的构件所对应的权重系数总和Γk。根据《民用建筑可靠性鉴定标准》,各类构件的可靠性等级评定标准如表9所示。当安全性等级低于Bu级或Bsu级,构件的可靠性等级应按安全性等级确定。除以上情形外,可根据安全性等级和正常使用等级中较低的一个等级确定。同理,根据表6可加权得出整个结构体系承重构件的可靠性等级。根据表7可加权得出每层承重构件的可靠性等级。

表7 E对Di的判断矩阵Table 7 The judgment matrix of E to Di

表8 F对Ei1的判断矩阵Table 8 The judgment matrix of F to Ei1

表9 主要构件集安全性及使用性等级评定Table 9 The appraisal of safety and serviceability of the main component set

第4层承重构件安全性、使用性等级评定如表10所示。

表10 第4层承重构件安全性、使用性等级评定Table 10 The appraisal of safety and serviceability of the fourth floor load-bearing components

根据式(9),(10),(11)可分别求得第4层柱、梁、板的可靠性等级以及第4层承重构件的可靠性等级:

Γ1Au=1

由第4层承重构件及子单元可靠性评定结果如表11所示。

表11 第4层可靠性评定Table 11 The appraisal of reliability of the fourth floor

同理可以得出其余6个楼层的可靠性评定结果,如表12所示。

表12 楼层可靠性评定Table 12 The appraisal of reliability of the floors

根据表12可计算出结构承重构件的可靠性等级。

ΓBu=0.465+0.155=0.62>0.25

ΓCu=0

ΓDu=0

故结构承重构件的可靠性等级为Bu级。

2.4 结构整体可靠性判别

上部主体结构倾斜测量结果表明,该结构上部主体结构各测点的倾斜率在0.01%～0.04%,各测点倾斜率均未超出GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定限值的0.25%。该结构地下室外墙未发现因地基基础沉降而引起的裂缝或变形,1层地面周围散水无裂缝且与主体结构无脱开或错位现象,上部结构构件未发现由地基基础沉降导致的裂缝或变形。由上述结果可知该结构地基基础工作现状正常,故地基变形的可靠性评级为Au级。

地基基础钻芯复核检测结果表明,该结构基底标高以下实际持力层为中风化岩,满足设计要求;筏板厚度分布为2.49～3.23m,换填层厚度0.25～1.73m,满足设计厚度2.50m的要求;受检的筏板混凝土强度等级满足C30的设计要求;受检的换填层强度等级满足C15的设计要求。根据灌注桩钻芯复核检测结果表明:该结构桩身混凝土强度均满足设计强度等级C30的要求,桩身完整性、桩端持力层均满足设计要求。根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》对桩身承载力进行验算,满足基桩承载力特征值5 700kN对桩身强度的要求,故地基基础承载力的可靠性评级为Au级。

原设计及检测结果表明,该建筑物剪力墙、梁不存在倾斜变形或由于变形出现局部损伤的迹象,因此结构侧向位移的可靠性评级为Au级。

根据检测结果,该建筑物建成结构为地下1层、地上23层的剪力墙结构,塔楼区域外的地下室及裙楼为钢筋混凝土框架结构。该建筑物已建成结构的实际结构布置、层高及轴线尺寸等与设计图纸相符,结构整体性良好,结构传力途径合理,结构构件的连接方式可靠。该建筑物已建成部分的外墙、分户墙及梯间墙为200mm厚加气混凝土砌块墙体,其他填充墙为100mm厚加气混凝土砌块墙体,实测混凝土强度等级推定值均大于C20,满足GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》中实际达到的混凝土强度不应低于C20的要求,但部分墙肢轴压比大于0.6。故结构整体性的可靠性评级为Au级,墙体可靠性评级为Bu级。

由2.2小节的层次关系和判断矩阵的权重计算得到层次总排序为:

ωCA={0.390.130.170.080.060.110.06}T

根据《民用建筑可靠性鉴定标准》可得出递阶层次结构中第3层次C1～C6各影响因素的可靠性等级及相应权重系数,如表13所示。

表13 结构可靠性等级Table 13 The level of structural reliability

根据表13,可得:

ΓBu=0.17+0.11=0.28>0.25

故该建筑物结构可靠性为Bu级。

3 结语

本文提出采用三角模糊层次分析法对高层烂尾楼工程进行安全评估,评价结构的可靠性等级,并通过实际工程案例验证所提方法的合理性。本文的主要结论如下。

1)采用三角模糊层次分析法(FAHP)对烂尾高层建筑结构开展可靠性分析时,可全面考虑地基基础、上部承重结构(如梁、板、柱)以及围护系统等因素对结构可靠性的影响,三角模糊数的引入使专家决策具有更大的余度和容错性,从而有效减少判断的主观性。

2)FAHP方法能够量化不同楼层对结构整体可靠性的贡献;建议随楼层数的增大,楼层权重系数的取值线性减小,以突出底层构件对整体结构的控制作用。

3)基于实际工程项目,采用FAHP方法对其可靠性进行评定,考虑各子单元的可靠性等级及其权重对结构整体可靠性的影响,最终评定该烂尾楼结构的可靠性等级为Bu级。