基于水淋法测试技术的墙体抗渗性能综合评价体系研究与构建

傅 军，徐煜佳，马甜伟

(1.浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310000；2.浙江广厦建设职业技术大学，浙江 金华 321000)

在新型墙材推广应用的背景下，围护墙体渗漏问题始终存在。围护墙体指各类用块材和砂浆砌筑而成的起空间围合作用的组合体，包括具有抗渗要求的外墙和卫生间内墙等。其渗漏会影响建筑物的保温、耐久性能，同时降低居住舒适度，极易引发工程与社会之间的矛盾，具有较强的社会属性。因缺少事前检测机制，目前墙体渗漏的发现和修补往往处于事后阶段，其主要瓶颈之一在于缺少相关规程，其中综合评价体系为标准重要组成部分。通过文献查阅可知，综合评价方法种类甚多[1-3]，人们较为熟知的主要有定性评价法与定量评价法。定性评价法根据对评价对象的观察和逻辑分析，对其特征进行信息分析和处理[4]。常通过直接评分法、专家会议法和Delphi等方法实现决策。该方法利用评价者的经验直接对评价对象作出定性的判断结论，存在难以对评价指标进行量化的缺点。而定量评价法[5-7]是评价者根据被评对象的特征，利用数据等基础信息对被评对象进行综合分析并获取评价结果的方法，主要包括层次分析法(AHP)、网络层次分析法(ANP)、模糊数学方法。该方法在综合评价过程中应用较为广泛，基本包含了可以解决数据化和结构化等确定性信息的方法，也可分析部分不确定性信息。

傅军等[8-14]在墙材细观渗流研究与实验室试验基础上，基于水淋法研制了初代墙体抗渗性能检测仪NDT-WI(Nondestructive testing instrument for wall impermeability)，并在应用反馈基础上改进研发了二代仪器NDT-WI-2[15]。同时为补全国内相关类似规程内容的缺失，主持编制中国工程建设标准化协会标准：T/CECS 1092—2022《水淋法砌体墙抗渗性能现场检测与评定标准》(已完成标准审查，即将出版发行)，采用定性评价法与定量评价法相结合的评价方式，对墙体抗渗性能指标进行量化分析，构建墙体抗渗性能综合评估体系，本文主要阐述墙体抗渗性能综合评价体系的研究与构建。

目前检测墙体抗渗性能比较直观和有效的方法是水淋法，其主要原理是：利用检测仪器模拟自然降雨对墙体的冲刷渗透效果，并在试验过程中记录各项渗漏指标的同时观察墙体渗漏情况。最后对实测数据进行分析，评估墙体抗渗性能。

1 水淋法仪器现场检测

课题组采用NDT-WI-2进行现场检测，主要检测步骤如图1所示。

图1 水淋法检测流程图

首先调试仪器，然后选择试验对象。所选取测点墙面应基本平整，表面不应有污染物与附着物。固定时，开启真空泵，使真空吸盘牢固吸附于墙面。完成固定后，开启水压、风压加载系统，模拟所需工况进行试验，期间观察墙体渗漏情况，每隔3分钟记录各项渗漏指标(渗透时间、渗透量、渗透面积)。试验结束依次关闭水压、风压加载系统，清理检测现场。检测期间应确保不发生断电，防止喷淋罩坠落，同时应设置安全绳应对意外情况。

2 检测数据处理

对墙体进行检测时，数据测量值应该保持在一个相对稳定的范围内。出现异常数据必须对其进行处理。对异常数据的处理一般采用肖维涅法[16]，对异常值的定义与检验还可参考相关规范中的异常值检验公式：

(1)

式中，t—统计量；xk—样本中最大或最小值；mx—余下样本平均值；sx—余下样本标准差；n—样本数量。

将统计量t与临界统计量tα进行对比，若计算统计量大，则可判定相应的数据为异常数据(tα查表可得)。对检验出的异常值，应寻找产生异常值的原因，作为剔除异常值的依据。

3 评价体系构建

当前在对墙体抗渗性进行综合评价时，多层次评定、模糊综合评定等方法都有了一定的应用，这些方法综合考虑了各项因素，对墙体抗渗性进行分级评价，结论较为科学客观。但由于各种数学概念及方法的引入，理论复杂、计算量大，导致难以被工程技术人员普遍应用。需构建一个既全面客观，又能在各大、中、小型结构中都能得到普遍应用，更为简洁方便的指标。

综合以上考虑，建立一个墙体抗渗性的评价指标体系，形式如下：

y=m1x1+m2x2+…+m3x3+…+mnxn=mTx

(2)

式中：y—抗渗性能系数；m—第i个评估指标的权重；x—无量纲化处理后评估指标值。

在确定指标权重m时要充分考虑其他因素的影响，例如墙体厚度、环境类别、砌体型号、砂浆类型等。显然，不同空间、时间环境下各单一指标权重取值有很大的差异。

3.1 数据差异修正

通过收集大量试验数据，记录不同的墙体厚度、环境类别、砌体型号及砂浆类型下的渗透时间、渗透量、渗透面积数据，并记录标准抗渗性能测试环境下的渗透时间、渗透量、渗透面积数据，将其作为训练集并通过T-S模糊神经网络自学习隐式转换公式[17]。利用对样本的训练调节网络权值与偏差，快速收敛，提高算法效率[18-19]。

将模糊神经网络对应的拓扑结构划分成4层，具体如图2所示。首层是输入单元，该层把输入的模糊参数传至下层单元；第2层是隶属函数单元，该层对输入的参数隶属度情况进行描述，一般应用三角函数进行表述等;第3层是控制规则单元，具体涵盖了模糊控制的相关规则；第4层是输出由神经网络处理信息的输出单元。

图2 模糊神经网络结构

T-S模糊神经网络的学习算法如下:

(1)误差计算

(3)

式中，yd—网络期望输出；yc—网络实际输出；e—期望输出和实际输出的误差。

(2)系数修正

(4)

(5)

(3)参数修正

(6)

(7)

在评价过程中，将输入与输出层神经元个数均设置为4个。训练不同墙体厚度、环境类别、砌体型号及砂浆类型下的渗透时间、渗透量、渗透面积数据，记录标准抗渗性能测试环境下的渗透时间、渗透量、渗透面积数据，分别作为输入和输出数据，并用测试集计算均方根误差。通过训练模糊神经网络获得误差最小的网络结构与权重值，作为差异修正隐式公式，用来将非标准环境下测得的渗透时间、渗透量、渗透面积数据转换为标准情况下的数据。

3.2 数据标准化

对于规范制定要求排除人为主观性影响，采用客观性的差异驱动评价方法。选用拉开档次法对不同评价指标进行权重计算，即计算公式(2)中m值。该方法是通过指标因子值在最大限度地体现出各评价对象之间整体差异的原则下来计算权重系数[20-25]。将选取的评价指标用标准化处理法，对极大型指标(渗透时间)用公式(8)进行无量纲化处理：

(8)

对极小型指标(渗透面积、渗透量)用公式(9)进行无量纲化处理:

(9)

式中，Mj=max{xij}；mj=min{xij}。

3.3 抗渗性能评价

通过拉开档次法，假设将式(2)第i个被评价对象的n个标准原始观测值xi1，xi2，…，xin代入式(2)中，得到式(10)：

yi=m1xi1+m2xi2+…+m3xi3+…+mnxin，

i=1，2…w

(10)

假设有式(11)：

(11)

那么式(10)可改写为式(12)：

y=Am

(12)

确定权系数向量m的基准是能最大程度地表现出因“质量”不同而导致的评价对象间的不同。若用数学语言描述，则是求出指标向量x的线性函数mT并要求该函数对w个评价对象取值的方差尽可能最大，分散程度尽可能最大[26-28]。

变量y=mTx依照w个评价对象取值，以此构成的样本方差表示为式(13)：

(13)

ns2=mTATAm=mTHm

(14)

在mTm=1的前提下，求满足式(14)的最大值m值，之后将其归一化就可求得墙体渗透时间、墙体渗透量、墙体渗透面积的权重值。

将墙体抗渗性能分为合格与不合格2个等级，根据式(2)计算已测得的墙体抗渗性能数据的y值，统计所有y值，并根据y值划分出合格与不合格的阈值作为抗渗性能的划分标准。

对于抗渗性能规范即可直接按照上述计算得到的m值代入式(2)作为评价抗渗性的标准公式。在检验墙体是否符合抗渗规范时，只需将墙体渗透时间、渗透量、渗透面积代入公式并与抗渗性能界限值进行比对。

4 算例

现拟定500组数据作为算例介绍上述算法。其中A组(250个数据)为正交试验下不同墙体厚度、环境类别、砌体型号、砂浆类型的渗透时间、渗透量、渗透面积；另B组(250个数据)为标准试验下的渗透时间、渗透量、渗透面积。数据见表1—2。

表1 A组试验数据

表2 B组试验数据

将A组作为输入集，B组作为输出集。建立模糊神经网络，输入层与输出层均包括3个节点，即渗透时间、渗透量及渗透面积。隐含层1为7个节点，隐含层2为14个节点。

将数据输入网络后经过训练得到网络结构记为fa，经计算均方根误差为1.0，拟合优度为0.86，认为训练结果较好，可以使用该网络作为数据差异修正的隐式公式。

按公式(2)计算其抗渗性能，需要确定划分墙体抗渗性能界限值ya。首先将B组数据按照式(8)、式(9)进行标准化处理，得到的结果见表3。

表3 试验数据标准化处理

接下来通过拉开档次法计算其抗渗时间、渗透量、渗透面积的权重，经计算H矩阵值为：

求其最大特征值对应的特征向量为：

m=[0.642 0.341 0.221]T

经过归一化处理后得到：

m′=[0.53 0.28 0.19]T

得到抗渗时间、渗透量、渗透面积的权重分别为m1=0.53，m2=0.28，m3=0.19。将其代入式(2)计算250组抗渗试验对应的y值。召集专家在250个y值中综合确定其能划分抗渗性能合格与否的阈值，作为墙体抗渗性能界限值。

5 结语

本文基于墙体渗漏问题的“强社会属性”，以“技术—社会+舒适”为价值取向，提出了墙体抗渗性能综合评价体系的基本架构。该评价体系能为T/CECS 1092—2022编制提供较为客观的评价方法，从而改变工程纠纷时无据可依的局面，减少因墙体渗漏带来的经济损失，对于促进社会和谐具有一定意义。考虑实际操作的便利性，工程实践中，可以根据该地区的墙材和砂浆类型、砌筑工艺等，通过一定数量的墙体抗渗试验，计算确定权重，得出合理的阈值作为标定值或者基准值，综合进行评价决策。在后期应用中，还应考虑纳入更多的渗漏指标，提升评价体系的全面性。