贛南生土歷史建筑安全評價研究★

周騰飛，溫小軍

(1.江西理工大學土木與測繪工程學院,江西 贛州 341000; 2.江西理工大學建筑與設計學院,江西 贛州 341000)

生土建筑歷史悠久,分布廣泛,曾是我國農村地區主要的建筑形式[1],我國勞動人民使用生土作為建筑材料營建了許多經典的建筑形式,如陜北窯洞、福建土樓、贛南圍屋等。如今生土建筑在我國贛南客家聚集區仍廣泛存在,客家先民為適應當地氣候條件,改進原有土磚形制,革新建筑技術與結構形式,可以說贛南生土建筑是客家頑強的開拓精神和文化的集中體現[2]。但生土材料強度低、不耐水、體積穩定性差[3],由于環境侵蝕、自然災害和人為損害等原因,眾多優秀的贛南生土歷史建筑結構安全狀況堪憂,使得對其使用和開發受到限制。因此,對贛南生土歷史建筑進行結構安全性評估有著重要意義。

目前,學者們對于生土建筑進行了很多研究,但對于生土建筑的結構安全評價研究則較少,現有研究主要針對普通民房。李少榮[4]使用簡化的傳力樹分析方法對既有生土民居結構安全進行綜合評價,李東波等[5]提出了使用熵權法修正權重值的生土建筑安全性評價方法。現有對既有建筑結構的安全性評價方法主要有基于結構分析的評價方法、基于結構狀態評估的評價方法和基于結構試驗的評價方法,其中基于結構狀態的評價方法使用簡單,便于操作,被廣泛運用于各種結構的安全評價。江杰等[6]提出基于區間層次分析法和熵權法的建筑安全模糊綜合評價方法,郭小東等[7]基于灰色系統理論和模糊數學理論提出木結構古建筑灰色模糊安全性評估方法,張德軍等[8]結合隸屬度函數對上海某傳統磚木結構建筑進行綜合安全評估,并運用MIDAS/GEN軟件建立建筑的有限元模型進行印證。為指導現有建筑的安全性評估工作,我國也頒布了一些相關標準規程,包括《農村住房安全性鑒定技術導則》《民用建筑可靠性鑒定標準》《危險房屋鑒定標準》《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》等。但現有規范對生土建筑的結構安全性評價以定性判斷為主,主要是用于指導農村普通民居的安全性鑒定,對于歷史建筑的相關評估導則缺少對于生土結構的判別。生土建筑地域性強,不同地區生土建筑結構情況差異大,國內對于贛南生土歷史建筑結構安全性評價研究尚且缺乏。為此,本文結合現有規范以及相關研究成果,建立贛南生土歷史建筑的多維度評價模型,使用區間層次分析法確定相關指標權重,采用多層次模糊綜合評價對所建模型進行評價,并結合實際案例驗證評價模型的準確性。

1 贛南生土建筑結構與現狀

贛南生土建筑可分為土胚建筑與夯土建筑,夯土建筑以客家圍屋為主要代表,而土胚建筑廣泛存在于贛南各鄉鎮,是贛南民居的主要建筑形式,其中贛南圍屋基本已列為文物保護單位或不可移動文物,因此土胚建筑也是贛南生土歷史建筑的主體。贛南生土民居主要是土胚建筑,部分為夯土建筑,建筑多為兩層,單層生土建筑較少,多為附屬建筑,用做儲物間、廚房等[9]。贛南生土建筑主要是墻體承重,屋架采用硬山擱檁形式,檁條與梁多直接擱置在生土墻體上。其中土胚墻民居所用土磚多為大土磚,典型的土磚尺寸達到300 mm×200 mm×150 mm,摻有稻草以改善土磚變形能力。贛南生土民居除墻體使用生土砌筑,其余構件通常采用木材制作,且常使用只去表皮的原木作為梁與檁條,除支撐木樓板的木梁外,還在檁條下設有撐梁以增強結構穩定性。部分建筑物有木制的陽臺和走廊,使用木梁懸挑支撐,懸挑的端部作為上部柱子的支點。

調查中發現贛南生土建筑由于年久失修,很多都已整體或部分倒塌,殘存的建筑也多存在結構損傷[10]。現存建筑的主要損傷包括:承重墻體在荷載的長期作用下,于檁下和梁下位置,以及門窗洞口角部產生開裂,部分墻體外凸或傾斜;建筑外墻表面受到環境侵蝕導致“麻面”和抹面脫落;木構件腐朽變形,連接節點處出現脫榫,使結構失穩;屋面瓦片缺失,導致漏水使雨水侵蝕墻體。

2 生土歷史建筑安全評價體系構建

本文采用多層次指標體系,針對贛南生土歷史建筑情況建立合適的結構安全性評價體系,為使建立的評價體系能準確反映結構的安全狀況,使用不同指標體現結構安全性能的不同部分。因此,將生土建筑評價體系分為地基與基礎、墻體結構、上部木結構、屋蓋結構四個部分,參考相關標準規程與建筑實際情況,選取適當的指標,最終建立贛南生土歷史建筑結構安全評價體系,見圖1。

3 建立多層次模糊綜合評價模型

3.1 建立模糊集合

3.1.1 建立評價集

根據生土建筑安全情況將其分為四個等級,評價集為V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。其中,Ⅰ表示結構安全性能良好,能滿足安全使用要求,可能有極少數一般構件應采取措施;Ⅱ表示結構安全性能較好,基本滿足安全使用要求,可能有極少數構件應采取措施;Ⅲ表示結構安全性能較差,部分承重結構不能滿足安全使用要求,應采取措施且可能有少數構件應立即采取措施;Ⅳ表示結構安全性能極差,承重結構已不能滿足安全使用要求,應立即采取措施。

3.1.2 建立因素集

生土歷史建筑結構安全性模糊綜合評價采用二級模糊綜合評價,其一級因素為評價體系中的準則層部分,二級因素為各準則層部分對應的指標。對評價模型建立因素集,U={地基基礎u1,墻體結構u2、上部木結構u3、屋蓋結構u4},u1={場地穩定性u11,基礎不均勻沉降u12,地基承載力u13},u2={墻體傾斜u21,墻體裂縫u22,墻體風化u23},u3={梁柱損傷u31,梁柱變形u32,樓板損傷u33},u4={屋架損傷u41,屋架變形u42,屋面損傷u43}。

3.2 確定各因素權重

改進的模糊層次分析法使用區間層次分析法(Interval Analytic Hierarchy Process,IAHP)[11]代替傳統層次分析法計算因素權重。區間層次分析法將層次分析法與區間算法相結合,它使用區間標度代替層次分析法中的點值來表示不同因素的相互重要程度,形成的判斷矩陣由區間判斷矩陣表示,由區間判斷矩陣得出各因素的權重區間,進而確定各因素的權重。相對于層次分析法,區間層次分析法能夠解決不同因素對比時的不確定性,生土建筑受力機理復雜,結構安全影響因素作用機制不明確,使用區間層次分析法相對于傳統層次分析法有更好的表現。使用區間層次分析法確定指標權重步驟如下:

表1 標度含義表

2)計算權重。將區間判斷矩陣分解為上界判斷矩陣A+=[aij-]和下界判斷矩陣A-=[aij+],分別計算其最大特征值λ+和λ-以及最大特征值對應的特征向量,對特征向量進行對應的特征向量得到歸一化后的特征向量[w-、w+],使用式(1),式(2)得到權重向量[w1,w2][13]。

w1=αw-

(1)

w2=βw+

(2)

(3)

(4)

(5)

3)進行一致性檢驗。為防止判斷矩陣出現邏輯錯誤,對矩陣最大特征值進行一致性檢驗。由式(6)得到一致性指標C.I,由表2查得矩陣對應階數的平均隨機一致性指標R.I,由式(7)得到一致性比例C.R。當C.R<0.1時,判斷矩陣通過一致性檢驗,否則應對矩陣進行調整。

CI=(λ-n)/(n-1)

(6)

CR=CI/RI

(7)

其中,λ為判斷矩陣上下界最大特征值的均值;n為判斷矩陣對階數。

表2 平均一致性指標RI

以準則層部分為例說明權重計算過程。

由專家對各準則層因素重要性進行判斷,得到判斷矩陣:

其中,計算得A+,A-最大特征值λ+=3.416 1,λ-=5.041 6,對應特征向量歸一化后w+=[0.350 5,0.471 6,0.776,0.100 2]T,w-=[0.473 6,0.359 2,0.070 9,0.096 34]T,一致性檢驗CI=0.085 7<0.1。由式(3),式(4)得α=1.109 6,β=0.875 7,由式(5)得最終權重為w=[0.419 3,0.408 8,0.073 9,0.098 0]。同理得出其他指標權重如表3所示。

表3 指標權重表

3.3 確定指標評判標準及隸屬度函數

將生土歷史建筑安全評價指標評判標準分為兩類,分別為定性標準和定量標準。定性標準包括場地穩定性、墻體裂縫、墻體風化、屋架損傷、樓板損傷,針對不同的指標制定相應的定性評判標準,再根據現場情況對建筑對應指標情況進行評判。定量標準包括地基承載力、基礎不均勻沉降、墻體傾斜、梁柱變形、屋架變形、屋面損傷,采集現場數據,對于定量標準建立合適的隸屬度函數,將所得數據代入隸屬度函數進行單因素模糊評價。建立隸屬度函數時應考慮指標數值的傾向性,將指標分為“越大越好”型和“越小越好”型,即指標數值越大對結構安全越有利和指標數據越小對結構安全越有利。考慮指標特點和計算便捷性,使用梯形分布函數作為隸屬度函數[14],指標對應評判標準參考相關標準章程規定進行建立。

3.4 進行模糊綜合評價

根據建立的評判標準和隸屬度函數,對每一個準則層因素進行單因素模糊評價,建立準則層因素對應的單因素評價矩陣[15](見式(8)):

(8)

其中,rimp為第i個準則層因素中第m個指標層因素uim在評價集V上對應的等級p的隸屬度。

首先對各準則層所包含指標層要素進行一級模糊綜合評價(見式(9)):

Bi=wi°Ri

(9)

其中,Ai為第i類的因素類權重集。

之后對各準則層要素進行二級模糊綜合評價(見式(10),式(11):

R=[B1B2…Bm]T

(10)

B=w°R=(b1b2…bp)

(11)

其中模糊算子“°”采用加權平均型求解模型。

按模糊識別原理選取B中最大的bi對應的安全等級作為建筑結構安全評價結果。

4 工程算例

4.1 工程概況

周濤俗民居位于江西省贛州市會昌縣羊角村,建筑為生土墻體承重,檁條直接擱置在墻體上,屋頂為懸山頂。建筑為民國建造,主要布局是廳堂天井式民居,兩側配有廂房,都為兩層結構,占地面積達到了658 m2,是一座典型的贛南生土民居,結構如圖2所示。

4.2 評價矩陣的確定

1)地基基礎。經現場勘察,建筑場地穩定,在歷史上有過滑動,近期無滑動跡象;墻體下部有輕微沉降裂縫,但無發展跡象;地基承載力大于1。得地基基礎部分評價矩陣R1為:

2)墻體結構。建筑墻體有風化,且風化連續長度超過1 m,但平均風化深度小于墻體厚度1/15;多數墻體整體完好,有細微裂縫,個別墻體有明顯裂縫,但無貫穿裂縫且墻體連接處無裂縫;墻體最大層間位移為9.6 mm,最大頂點位移為13.7 mm。得墻體結構部分評價矩陣R2為:

3)上部木結構。建筑木結構梁柱整體完好,無腐蝕跡象,部分木構件損傷嚴重,但不影響整體承重;梁柱有一定變形,最大撓度不超過L/150;木樓板有部分損傷。得上部木結構評價矩陣R3為:

4)屋蓋結構。建筑檁條使用圓木,整體無腐朽跡象,存在干縮裂縫,裂縫深度與圓木半徑比在1/4～1/3之間,個別椽條存在腐朽和蟲蛀跡象;檁條與椽條變形較大;瓦面整體完好,個別地方存在缺失,屋內部分透光。得屋蓋結構評價矩陣R4為:

4.3 模糊綜合評價

由已經得到的各評價矩陣和各因素權重,使用式(9)—式(11)進行模糊綜合評價,得:

B=[0.276 3 0.557 3 0.161 2 0.005 2]。

由模糊綜合評價結果得周濤俗民居最大隸屬度為0.557 3,對應安全等級為Ⅱ級,結構安全性能較好,基本滿足安全使用要求,有極少數構件應采取措施。該結論符合建筑現場實際情況,與專家勘察判斷結果一致,評價模型適用性較好。

5 結論

1)本文根據贛南生土建筑的結構特點,建立了針對贛南生土歷史建筑的結構安全評價體系,使用區間層次分析法得出了準則層和指標層各因素的權重,通過多層次綜合模糊評價模型,得到各因素對于評價等級的隸屬度,最終得到建筑對于評價集的隸屬度,確定生土歷史建筑的結構安全性等級。2)使用工程實例對建立的贛南生土歷史建筑結構安全評價模型進行驗證,結果表明該模型能夠方便、準確的得到建筑的結構安全情況,可以被用于對贛南生土建筑的安全評估,對其他生土歷史建筑安全評價有一定參考作用。3)本文建立的評價模型仍有不足,主要在于評價指標選取不夠完善,對工程檢測設備使用較少,指標評判準確度有待提高,在之后的研究中可以針對性改善。