基于可靠度的混凝土屋面工程防水關鍵指標體系*

徐洪濤,肖緒文,盧海陸,朱志遠,張 勇,劉 星,朱 彤,周 輝,霍倩男

(1.中國建筑股份有限公司技術中心,北京 101300; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100030;3.中國建筑第七工程局有限公司,河南 鄭州 450004; 4.中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司,江蘇 蘇州 215008; 5.中國建筑防水協會,北京 100055; 6.中國建筑土木建設有限公司,北京 100073)

0 引言

我國地域廣闊,氣候區劃分復雜,防水類型多樣,產業規模巨大。防水行業經過多年發展,對材料性能較重視[1],而工程領域則以經驗為主[2],兩者的銜接并不理想[1],工程防水理論還需完善。

張文華等[3]針對屋面防水設計,指出首先需確定防水等級,提出設防要求,防水構造應根據材料特點、相容性、施工可行性等因素優化。喻學斌[4]對防水工程、防水系統等概念進行辨析,從工程層面指出需依據的環境、建筑形式,正確選擇防水材料,制定合理的構造,達到防水目的,以保證建筑功能和壽命。張英等[5]建議地下工程防水等級考慮地下水情況。易舉[6]用系統工程理論剖析了工程防水質量,將防水系統的組成要素、要素的關聯和層次、工程目的、影響因素進行了區分,從整體性、關聯性、綜合性、目的性分析材料、設計、施工與管理。張勇[1]對比了中外工程防水標準,建議提高標準要求,從等級劃分、使用年限等基本要素入手,以防水功能為目標,將可靠度、耐久性作為性能評價的主要指標。張水添[7]也提出類似的觀點,強調防水有效性與耐久性,根據工程特點設置防水等級。龍新樂[2]通過分析工程防水質量問題原因,指出需根據工程性質、使用年限、重要性等因素,綜合確定防水等級。胡駿[8]通過辨析工程防水機理,分析多道防水與滲漏率的關系,提出多道防水層相互彌補缺陷的建議,指出工程防水目標可分為防水有效性和防水工作年限兩個維度。朱志遠等[9]提出防水系統耐久性和可靠性是關鍵指標,需從防水系統、材料、施工過程、施工效果、環境、使用場合、維護等方面考慮影響因素,建議通過工程數據統計和實驗室模擬得出防水系統耐久性和可靠性評價方式。

我國防水領域早期的研究側重于防水材料、防水系統(waterproofing kits)性能,隨后逐漸關注影響因素、性能等要素的關聯,從工程需求出發,思考實現防水功能的關鍵因素——可靠度、耐久性等指標,并探索科學的評價方式。綜上所述,工程防水關鍵指標體系的建立,需理解各類影響因素的作用,指標、要素的系統性關系亟待厘清。

1 研究方法

如果將工程防水作為系統看待,各類指標可理解成系統的要素,系統是由相互作用、相互聯系的要素組成,且具備特定功能的整體,具有整體性、關聯性、功能性、動態性和目標性[10]。

常規意義上的“防水系統”可理解成材料、構造、技術等在工程中的集成。“工程防水”(waterproofing engineering)范圍更廣,包括防水材料、系統通過組織活動在工程中實施、使用等一系列過程;在工程活動中,需依據“防水關鍵指標”對工程計劃、實施和結果提出要求;工程指標的屬性須清晰,指標間需有明確的邏輯指向性,聯系各指標的要素需具備科學性,這是形成體系的必備條件[11]。

工程防水關鍵指標體系研究技術路線如圖1所示。首先以功能性、目標性對防水關鍵指標進行辨析,包括防水等級、耐久性、滲漏量、防水失效后果等;然后從關聯性分析指標的相互關系,從整體性論述各要素的層次,以可靠度對指標進行關聯和表征,形成關鍵指標體系;最后結合實踐及現有標準進行討論,得出結論和建議。

圖1 研究技術路線

2 研究內容

2.1 防水功能

工程防水在其預期壽命內,需具備一定的可靠度和經濟性,抵御影響因素的作用,實現一定的性能或功能[12]。聯系壽命、功能與外界作用時,一般引入可靠度指標[13]。所以,工程防水的功能性可理解為在一定時間范圍內,防水系統受影響因素作用后抵抗水分進入或抵御水分造成損壞的能力,其包含時間范疇與性能狀態[10]。防水有效性的時間指標可用耐久性D(waterproof durability)表達,性能狀態指標可用滲漏量L(waterproof leakage)表達。

由于系統具有目標和結果二重屬性[10],那么工程防水的功能可分成期望目標值與實際性能,目標值可用預期耐久性DP(waterproof durability of planning)、允許滲漏量LP(waterproof leakage of planning)表達。在一定時間范圍內所能維持的實際性能可分別用實際耐久性DR(waterproof durability of result)、實際滲漏量LR(waterproof leakage of result)表達。防水功能的實現,要求實際值符合目標值,且兩個條件同時滿足,可表達為:

DR≥DP

(1)

LR≤LP

(2)

預期耐久性DP、允許滲漏量LP與工程防水的經濟性、失效后果相關,取決于建筑類型、滲漏敏感程度和影響因素。按照常規的影響分類方法,失效后果F(waterproof failure influence)可分成經濟FEc(waterproof failure influence of economy)、社會FSo(waterproof failure influence of society)、環境影響FEn(waterproof failure influence of environment)[14],3類因素一般可采用定性、定量結合的方法分析,如層次分析法[15]。預期耐久性DP、允許滲漏量LP與防水失效后的經濟、社會、環境影響的相關性可表達為:

(LP,DP)∝(FEc,FSc,FEn)

(3)

2.2 影響因素

防水系統的目標、實際性能均與影響因素I(waterproof influence factor)相關,按照作用方式劃分如下[16-17]。

1)內在質量影響 防水材料、系統及工程活動均存在不確定性,導致缺陷,如材料、設計與施工質量不穩定。防水材料質量缺陷屬于內在特征,用II(waterproof influence factor of inherent)表達;構造、設計缺陷一般體現為防水系統、工程設計的不合理,用ID(waterproof influence factor of design)表達;施工質量缺陷一般為施工過程中不可避免的誤差、破損等,用IW(waterproof influence factor of work)表達。

2)環境影響[18]一般分為物理、化學和生物作用[19],如溫度、濕度、化學物質等的作用,用IE(waterproof influence factor of environment)表達。

3)服役過程影響 包含使用狀況與維護條件,使用狀況影響用IS(waterproof influence factor of service)表達,維護條件為人為措施對性能進行恢復或改善,用IM(waterproof influence factor of maintenance)表達。

影響因素一般為多類元素的組合,可表達為:

I∈{II,ID,IW,IE,IS,IM}

(4)

實際耐久性DR、實際滲漏量LR與影響因素直接相關,可表達為:

(LR,DR)∝I

(5)

為便于評價防水系統性能,影響因素一般可采用典型指標設置等級,如歐洲屋面涂料防水EAD技術認證文件,其按照實際可能條件對影響因素進行分級[20],如表1所示。

表1 EAD 030350—00—0402屋面防水影響因素分級

2.3 防水等級

2.3.1概念辨析

工程以目標存在為前提,包含活動全過程和結果。確定目標后,以目標為核心的所有相關要素都存在于工程活動中,即主觀地按照一定的程序對物質進行改造,構建新的存在物[21]。結果需采用性能指標評判,所以,工程防水必然具備目標性與功能性[11]。

在目標層面,需設置可定量評價的準則[11],以表征防水有效性。防水等級劃分的實質是對特征進行量化分級,當量化指標、特征不充分時,習慣上以經驗、定性的方式劃分[22]。同理,在結果層面,由防水材料、技術等集成的防水系統,為確保其結果可衡量,需采用指標對防水有效性進行評判,當缺乏量化指標時,亦習慣以經驗分級[22]。所以,防水等級(waterproof grade)是為了便于工程制定目標、指導并評判工程的實施效果,用R表示。

2.3.2屬性辨析

系統可理解為要素及相關要素的關聯[11],工程防水系統的應用場景取決于建筑類型,相對具有客觀屬性,影響因素絕對客觀存在,防水系統功能需依據影響因素、應用場景確定,并設定目標值,即預期值耐久性DP和允許滲漏量LP。目標值帶有主觀性,是為了便于執行的相對合理值,可用預期防水等級RP(waterproof rating of planning)表征,其取決于預期耐久性DP和允許滲漏量LP:

RP∝(DP,LP)

(6)

防水系統需依據目標和影響因素進行設計,假定其預期特征,通過試驗驗證,最后形成存在物。表征防水系統性能的關鍵指標包括實際耐久性DR和滲漏量LR,兩者在實際工程中很難預知精確值,采用實際防水等級RR(waterproof rating of result)進行表征,其取決于實際滲漏量LR和實際耐久性DR:

RR∝(DR,LR)

(7)

預期防水等級RP對應于防水有效性目標值,防水系統作為存在物,實際防水等級RR表征了需要具備的防水有效性。防水有效性實現的前提是實際值符合目標值要求[23],可表達為:

RR≥RP

(8)

2.3.3表征方式

PR≤PP

(9)

防水等級直觀,適合工程使用,可采用可靠度分級,以防水失效概率為依據。防水等級與防水失效概率的目標值、實際值關系可表達為:

RP∝PP

(10)

RR∝PR

(11)

2.4 防水可靠度

若采用防水失效概率P對防水等級R與防水功能指標耐久性D、滲漏量L進行關聯,則可設置防水可靠度指標,用β表示。防水可靠度β沿用結構設計中的可靠度指標[12-13],依據環境、材料與工程的隨機性、服役狀態等要素確定,采用分級的方式表達,防水可靠度β可對應于分級的預期防水失效概率PP。

為確保工程活動、采取的措施可實現目標,可采用防水失效概率作為量化指標,評價實際防水有效性能否滿足既定的可靠度指標。由于工程的不確定性,需設置一定的容忍度,即安全系數K,目標值與實際之間的關系可表達為:

(12)

該關系式代表了預期值與實際值之間的相對關系,安全系數K代表可靠度指標[12]。

2.5 關鍵指標體系

結合防水功能、影響因素、防水等級、可靠度的分析,用系統觀看待工程防水,其要素可分成防水系統、應用場景、影響因素[23]。基于系統觀的整體性和關聯性[10],可采用防水可靠度將影響因素、應用場景、防水功能指標進行關聯。

1)系統要素可概括為3方面:防水系統由材料、構造、技術集成;應用場景從屬于建筑;影響因素包含材料、工程的不確定性,環境及服役過程。

2)基于應用場景、防水失效后果和影響因素,可確定防水功能目標:預期耐久性DP和允許滲漏量LP可采用預期防水等級RP表征;通過防水系統和影響因素的關聯,可據此制定措施實現一定的防水功能,即實際耐久性DR和實際滲漏量LR,兩者可用實際防水等級RR表征。

2006年9月，吳湞離開長時間工作的江西，赴京出任國家食品藥品監督管理局副局長、黨組成員，分管藥品注冊、監管、審核、疫苗行業等工作。

3)系統具備目標和結果屬性[21]。耐久性D與滲漏量L是關鍵指標,統一于防水有效性,防水有效性可將目標和結果形成關聯,采用可靠度表征,其依據為防水失效概率P。

綜上所述,工程防水等級及關鍵指標形成體系如圖2所示。

圖2 工程防水等級及關鍵指標形成體系

3 討論

依據工程防水關鍵指標體系,對行業常規規定進行分析。

3.1 我國工程防水標準

我國工程防水領域多采用防水等級這一概念[22,24],但其目標與結果屬性界定模糊,部分原因在于沒有可量化的定級指標[1]。

GB 50345—2012《屋面工程技術規范》依據建筑物類別、重要程度、使用功能確定防水等級,并按照相應等級進行防水設防,分成Ⅰ級和Ⅱ級。標準劃分的依據為建筑類別,Ⅰ級為重要建筑,設置2道防水層;Ⅱ級為一般建筑,設置1道防水層[22],早期版本設置成4個級別[25]。依據防水關鍵指標體系可看出:標準按建筑重要程度設定防水等級,即目標值,再依據防水等級給出防水層數,防水等級同時具備目標和結果屬性,目標值與實際性能值的聯系基于經驗,其邏輯與判斷準則還需厘清。

GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》將預期防水等級對應允許滲漏量[24],據此提出防水等級適用范圍,包括工程用途、防水失效后果。在措施層面,以防水等級對防水層數、構造措施進行規定。依據防水關鍵指標體系可看出:標準默認預期耐久性與建筑相同,從而防水等級設置的依據為允許滲漏量,以允許滲漏量賦予不同工程類型,對應于工程用途、防水失效后果;在確定防水等級目標后,直接對應于措施,其劃分也是基于經驗,防水等級的屬性、指標的邏輯關系尚待完善。

GB 50693—2011《坡屋面工程技術規范》與《屋面工程技術規范》一致。GB 50157—2013《地鐵設計規范》與《地下工程防水技術規范》保持一致。

依據防水關鍵指標體系的目標和結果屬性,梳理我國典型防水標準的指標,如表2,3所示。

表2 《屋面工程技術規范》關鍵指標

表3 《地下工程防水技術規范》關鍵指標

1)我國工程防水標準主要基于經驗對措施進行規定,沒有區分防水等級的目標和結果屬性,其原因可能在于工程防水是材料與工程結合的學科,影響因素多,理論依據不足。

2)在目標層面,標準基本以應用場景直接確定防水等級,影響因素考慮不足;防水失效后果直接按照建筑類別劃分,需進一步考慮經濟、社會、環境的影響;耐久性需有具體目標要求,滲漏量可結合經驗和實際需求進行規定。

3)在結果層面,防水等級對應的措施需有可量化分級的依據,僅以防水層數為依據可能會導致不合理的情況,由供應商等提供或擔保可能更合適。

3.2 國外可參照標準

國外工程防水較少采用防水等級的概念,一般采用分類的方法規定[26]。

奧地利《屋面工程技術規范》根據使用年限與失效后果,將防水系統分成3個級別,對每一級別防水卷材的最低厚度進行規定[1,7]。按照工程防水關鍵指標體系分析:屋面使用年限和失效后果屬于應用場景范疇,考慮到奧地利地域范圍不大,氣候特征單一,在確定預期防水等級后,基于經驗確定防水等級,規定防水材料厚度。

歐盟EAD屋面技術認證文件針對防水系統,屬于結果而非目標,與應用場景相關的規定為設計使用年限,分成5年,10年和25年,影響因素的分級也源于應用場景[20],如表1所示。

相對而言,國外防水標準關鍵指標對影響因素的分級規定更細,認證文件規定方法與要求,結果層面一般由系統供應商負責。

4 結語

1)工程防水指標體系涵蓋防水系統、應用場景和影響因素,功能指標具有目標和結果屬性,防水等級是體現可靠度的工程指標,聯系目標與結果的評判方式是防水有效性,其實質為防水可靠度,可采用防水失效概率進行劃分。

2)防水有效性的表征指標包含耐久性與滲漏量,需依據應用場景與影響因素制定目標,結合影響因素驗證防水系統的實際性能。

3)依據工程防水指標體系,可完善工程防水等級、耐久性、滲漏量等指標的設置和規定。

采用可靠度對防水關鍵指標體系進行關聯雖科學,但目前量化分析研究很少,我國工程類型、防水類別、氣候區劃多樣,需開展更細致的研究,以完善理論體系。