某高校建筑外墙饰面层损伤特征分析

2023-10-17卢文胜商登峰朱玉华姜常玖

结构工程师 2023年4期

唐超卢文胜商登峰朱玉华姜常玖，2，*

（1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.同济大学基建处，上海 200092）

0 引言

近年来，全国各地发生了多起高坠事件，其中建筑外墙饰面、装饰物脱落事件屡见不鲜。高校作为人员密集、人员流动量大的公共场所，确保建筑外墙饰面的安全性成为校园安全的重中之重；及时检测外墙的完损状况并进行损伤分析是防患于未然、消除外墙安全隐患的重要技术措施。

经过多年快速发展，建筑外墙饰面层损伤检测技术越发成熟，而检测技术又在信息时代背景下不断创新和发展，越来越多的无损检测技术被应用于外墙饰面层损伤检测［1］，如利用超声波技术检测外墙系统不同部位波速、频率特征信号等，从而分析外墙的损伤情况等［2］；基于声学信号的外墙系统无损缺陷检测技术［3］；基于机器学习算法对红外成像结果进行深度学习以及迁移学习等［4］，可有效克服人工评价工作量大、误差大和漏检率高的问题，为传统检测技术提供新思路和新视野。然而目前国内外对外墙饰面层损伤数据进行量化及特征分析的研究依然匮乏，本文基于对某高校建筑外墙饰面层构造探查及完损状况检测结果，分析相关检测数据分布并探讨损伤特征，研究成果可为建筑安全运维提供参考借鉴。

1 外墙饰面层完损状况及基本构造探查

1.1 饰面层完损检测方法

某高校历史悠久，校园内既有房屋历史跨度大，建筑外墙构造做法和运维状况各异。选取其中有外墙饰面层破损的学生宿舍、食堂及办公楼等共32 栋房屋作为检测对象，探查外墙饰面层构造做法，采用红外成像法、目测法、敲击法以及拉拔测试法等多种方法对外墙饰面层完损状况进行检测；其中通常以红外成像法检测为主，目测法和敲击法为辅，对特征部位饰面砖粘结强度实施拉拔测试；多种检测方法相互补充校验，综合评估可保障检测结果的有效性。

1.2 饰面层基本构造探查

饰面层构造是检测过程中较隐性且重要的因素。现场选取外墙饰面层未发生明显损伤且不会带来安全隐患的部位，采用局部凿开、实体取芯探查等方法探查外墙饰面层基本构造做法，主要总体上可分为饰面砖构造、涂料构造、外保温构造和钢骨构造四类。

1.2.1 饰面砖构造

基层墙体外涂水泥砂浆找平，然后在找平层外贴饰面砖或者马赛克［图1（a）］。饰面砖构造以其经济美观的优点，广泛应用于房屋外墙饰面中，但其耐久性和可靠性易受材料选择、施工工艺、环境等因素影响［5］。

图1 外墙饰面层构造做法Fig.1 Structure of EWD

1.2.2 涂料构造

基层墙体外涂水泥砂浆找平，然后在找平层外刷涂料饰面［图1（b）］。涂料构造具有良好的装饰性、耐候性和耐水性，但对施工工艺要求较高［6］。

1.2.3 外保温构造

基层墙体外涂界面砂浆找平，其次在界面层外设置保温层，然后外挂热镀锌钢丝网水泥砂浆同时布置塑料锚栓，最后外贴饰面砖［图1（c）］。外保温构造具有良好的热工性能，但其耐久性能与防火性能较差，塑料锚栓失效将导致整片饰面区域空鼓，且火灾将蔓延至整栋建筑的外墙饰面，故部分外保温构造已被明令禁止使用［7-8］。

1.2.4 钢骨构造

基层墙体外搭建钢龙骨，然后外挂钢丝网水泥砂浆，最后在砂浆外湿贴饰面砖［图1（d）］。钢骨墙体具有轻质高强、施工方便、节能环保的优点，但其保温性能参差不齐，且钢龙骨及其连接件易锈蚀导致性能退化，不易维修［9-10］。

1.3 外墙饰面层基本特征分析

将所检测的32 栋建筑外墙饰面层按服役时间（如有修复，则从修复的时间算起）分为10～20年、20～30年以及30～40年3个分布区间，如表1所示。

表1 建筑服役时间分布Table 1 Distribution of building service time

按单片外墙饰面层面积按小于1 000 m2、1 000～2 000 m2、2 000～3 000 m2以及大于3 000 m2等4 个面积区间进行统计，共计128 片，如表2所示。

表2 外墙饰面层面积分布Table 2 Area distribution of EWD

按东、南、西和北4 个朝向进行统计，如表3所示。

表3 外墙饰面层朝向分布Table 3 Facing distribution of EWD

按饰面砖、涂料、外保温及钢骨4 种构造做法进行统计，如表4所示。

表4 外墙饰面层构造做法分布Table 4 Structural distribution of EWD

2 外墙饰面层损伤现象与等级

2.1 损伤现象分类

基于Ximenes 和Amaro 等［11-12］建立的在役外墙外保温系统病害识别、诊断和修复的专家知识系统，结合某高校建筑外墙饰面层损伤状况，按材料断裂异常、平整度异常和其他异常等现象将损伤进行分类，将所有的损伤划分为完整性、粘结性、美观性和连接性等4 种损伤类型，详见表5。

表5 外墙饰面层损伤现象与分类Table 5 Damage phenomenon and classification of EWD

2.1.1 材料断裂异常

材料断裂异常是指外墙饰面层系统组成材料的损伤，包括饰面层表面出现的裂缝、边缘处出现的破碎或碎裂、面层脱落等。而材料断裂异常主要在材料力学性能退化和外界环境的综合作用下造成的，导致材料或者构件丧失大部分承载能力，最终造成外墙饰面的完整性损伤或粘结性损伤。

2.1.2 平整度异常

外墙饰面层出现可被肉眼识别得到的表面不平整、表面不规则、空鼓导致的凸起等异常可以称之为平整度异常。平整度异常主要受到施工质量和环境因素的综合作用，常造成外墙系统的美观性损伤和粘结性损伤。

2.1.3 其他异常

其他异常是指外墙饰面层装饰物出现锈蚀、外墙饰面出现渗漏等异常现象，影响建筑的整体使用功能，对外墙饰面层的安全性以及耐久性产生不利的影响，从而造成美观性损伤和连接性损伤。

2.2 损伤等级划分

Ximenes 等［11］结合前述外墙饰面层4 种损伤类型，进一步分析其损伤状况及其损伤等级。定义损伤影响面积Sd为单个损伤影响外墙饰面层功能与安全性能的面积，按检测结果选取0.5 m2、2.0 m2作为损伤影响面积特征指标。根据Sd分布情况及损伤状况，将饰面层损伤从高到低依次分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，详见表6。每种损伤类型的损伤样例见表7—表10。

表6 外墙饰面损伤等级划分Table 6 Classification of damage grades for EWD

表7 完整性损伤样例分析Table 7 Sample analysis of integrity damage

表8 粘结性损伤样例分析Table 8 Sample analysis of adhesive damage

表9 美观性损伤样例分析Table 9 Sample analysis of aesthetic damage

表10 连接性损伤样例分析Table 10 Sample analysis of connectivity damage

3 外墙饰面层损伤特征分析

根据前述外墙饰面层完损状况检测及损伤现象与等级划分，开展损伤影响面积、服役时间、饰面层面积、朝向以及构造等因素影响的损伤特征分析。

3.1 损伤影响面积Sd统计与损伤分析

对本次检测各种损伤类型进行损伤影响面积Sd统计分析，如表11所示。

表11 损伤影响面积Sd统计分布Table 11 Statistical distribution of damage affected area Sd

由表11 可见，首先建筑外墙饰面层出现的空鼓、脱落情况最为严重，粘结性损伤Sd=983.0 m2，占比达77.8%；其次为裂缝、涂料破碎等完整性损伤，占比为13.1%；再次为女儿墙根部出现的渗漏现象，极少数为饰面层不平整或者不规则，其美观性损伤占比为7.2%；最后为少量空调外机以及装饰钢架锈蚀和破损造成的饰面层局部破损，其连接性损伤占比为1.9%。

3.1.1 完整性损伤Sd分析

完整性损伤Sd=165.5 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等级占比分别为38.1%、49.8%、12.1%。其中，外墙饰面层组成材料的裂缝、破碎情况较严重，等级Ⅰ和等级Ⅱ占比较大，对外墙饰面层的功能与安全性能产生较为不利影响。

3.1.2 粘结性损伤Sd分析

粘结性损伤Sd=983.0 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等级占比分别为48.5%、26.8%、24.7%。等级Ⅰ占比达到近一半，其中最大的空鼓、脱落影响面积达到18 m2，可见粘结性损伤是外墙饰面层功能与安全的最主要影响因素，对外墙性能产生较大的不利影响。

3.1.3 美观性损伤Sd分析

美观性损伤Sd=91.5 m2，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等级占比分别为36.1%、42.6%、21.3%。虽然大多数都为饰面层局部渗漏，但存在大范围渗漏的情况，对饰面层功能性产生不利影响，并可能持续造成安全隐患。

3.1.4 连接性损伤Sd分析

连接性损伤Sd=24.0 m2，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各等级占比分别为37.5%、41.7%、20.8%。总体而言，饰面层出现的连接性损伤范围小，对其功能与安全性能影响不大。

综上该高校外墙饰面层出现较严重损伤主要为材料老化以及环境综合作用导致的粘结性损伤，且损伤等级较高，对建筑外墙的功能与安全性能影响最大。

3.2 考虑服役时间的损伤特征分析

Gaspar［13］提出了一种称为退化严重程度的损伤指数，根据现场获得的数据，对外墙外保温复合系统的性能退化进行了评估。该方法最初应用于胶结抹面的损伤评估，后拓展应用于饰面砖饰面［14］和石材饰面［15］的损伤评估。

为了进一步科学合理分析服役时间等因素下外墙饰面层损伤特征，本文基于退化严重程度引入损伤率ρs作为特征评价指标进行损伤特征分析。其定义如式（1）所示。

式中：ρs为损伤率，即损伤等效影响面积占总饰面层面积的比值；α为等级影响系数；Sd为损伤影响面积；Α为最高等级影响系数，取值为α的最大值；S为饰面层总面积。

考虑到不同等级损伤对饰面层功能与安全的影响具有较为明显的差异，设定等级影响系数α来量化这一差异。研究发现，取值如表12 所示时，可以清晰分辨损伤特征。

基于Shohet等［16］提出的方法，通过简单的线性回归或多项式回归的回归分析方法进行损伤分析。

图2 表示每栋建筑外墙饰面层的整体损伤率ρs与服役时间（10～31 年）相关关系。由于损伤率随服役年限变化的离散程度较高，曲线回归并不准确。随服役时间的增加，按照损伤高低将损伤率数据分为“高损伤率”（图2 红色数据系列）和“低损伤率”（图2 蓝色数据系列）两组，分别对两组数据进行线性回归得到“上包络线”（图2 红色回归曲线）和“下包络线”（图2蓝色回归曲线）。

图2 损伤率与服役时间相关关系Fig.2 Correlation between damage rate and service time

图2 中可见，外墙饰面层受多种因素影响其损伤分布具有一定的离散性，损伤率ρs分布于一个梯形区间，即当受到多种因素耦合作用较重时，其ρs趋于上包络线；耦合作用较轻时则趋于下包络线；大多数损伤则位于上、下包络线之间分布。

按表1统计不同服役时间的ρs如表13所示。

表13 不同服役时间的ρs统计值Table 13 Statistics of ρs for different years of service

由图2及表13可见，随着服役时间的增加，外墙饰面层损伤率呈上升趋势，且具有梯形分布特征。梯形分布的上下两条包络线ρs-Y围合的面积较大，反映出外墙饰面层在全寿命过程中受各种因素耦合影响较大。该梯形包络面积可为后续数据分析以及饰面层检测、运维提供参考。

3.3 考虑饰面层面积的损伤特征分析

进一步分析考虑饰面层面积的损伤特征，图3 为单片外墙饰面层损伤率ρs与其面积大小的相关关系，采用多项式回归的回归分析方法表达两者相关变化趋势。

图3 损伤率与饰面层面积相关关系Fig.3 Correlation between damage rate and surface area

按表2统计不同饰面层面积统计的ρs如表14所示。

表14 不同饰面层面积的ρs统计值Table 14 ρs statistic value of the area of EWD

可知随着单片外墙饰面层面积的增大，ρs逐渐减小且离散程度降低，其破坏特征逐渐趋于稳定。

3.4 考虑饰面层朝向的损伤特征分析

分析考虑饰面层朝向相关的损伤特征，按不同朝向统计的ρs如表11所示。

综合表3 与表15 可知：东、南、西朝向受到的日照时间及强度更强，且沿海地区易受台风、暴雨等恶劣气象天气影响，加剧饰面层损伤的发展，其饰面层损伤状况较为严重；东、南、西各朝向饰面层ρs分别约为北朝向的2倍。

表15 不同饰面层朝向的ρs统计值Table 15 ρs statistics of different facing EWD

3.5 考虑饰面层构造的损伤特征分析

分析考虑饰面层构造相关的损伤特征，按不同构造做法统计的ρs如表16所示。

表16 不同饰面层构造做法的ρs统计值Table 16 ρs statistics for different structures of EWD

综合表4与表16可知：相比数量较少的钢骨、外保温构造做法中，钢骨做法因其构造做法欠佳，存在较为严重的损伤情况；而外保温做法虽然损伤率较小，但因其独特的保温层构造，较小的损伤也可能带来较大的安全隐患。在数量分别占据饰面层构造做法总数的36.1%以及50.4%的饰面砖和涂料做法中，饰面砖做法的ρs约为涂料做法的2倍。因此，涂料做法具有较低的损伤特征。