住宅建筑的维修性与维修性决策研究.pdf

收稿日期 2003212211 作者简介 王晓鸣 19562 男 教授 武汉 华中科技大学土木工程与力学学院 430074 基金项目 国家重点科技攻关计划项目 2002BA 807B 国家建设部科技项目 20002852 住宅建筑的维修性与维修性决策研究 王晓鸣1 1 华中科技大学 土木工程与力学学院 湖北 武汉 430074 摘 要 分析了住宅建筑维修活动的特性 提出了住宅建筑维修性的定义和研究重点 建立了住宅建筑的维修 度 维修密度及维修周期性等维修性决策函数和住宅维修度与老化度的关联决策函数 建立了住宅维修时间 维修标准 维修费用 维修可达性等维修性决策参数以及住宅维修性决策参数之间的协同关系 关键词 住宅建筑 维修性 维修性函数 维修性参数 决策 中图分类号 TU 746 文献标识码 A 文章编号 167227037 2004 0120005205 住宅建筑是建筑工程中建造规模大 占城市 各类建筑总量的60 以上 使用寿命长 50 至 100年甚至更长 且周期性维修类型多 小修 中 修 大修 翻修及综合维修等 的一类主要建筑产 品 具有物质 经济和社会多重维修属性 1 2 1980 年至2000年 全国城镇新建住宅57亿m 2 农村 新建住宅148亿m 2 全国人均住宅建筑面积已达 22m 2 到2020年将达35m 2 经测算 到2010年 我国城镇住宅中服役期超过15年和25年以上分 别需中修和大修的住宅将达到52亿m 2 和21亿 m 2 因此 一个以住宅维修为主体的建筑维修产 业化大市场正在形成 3 但由于种种原因 我国的 住宅维修领域理论研究和工程维修性技术整体水 平明显滞后于住宅新建领域和维修市场的发展 与国际先进水平有较大差距 4 5 维修性是住宅建筑产品的固有质量属性 是 进行住宅维修优化决策和效益评价的重要内容和 尺度标准 开展住宅建筑维修性理论及决策方法 研究具有重大理论意义和工程应用价值 1 住宅建筑的维修与维修性 1 1 住宅建筑的维修 住宅维修是指将住宅建筑的现有功能状态保 持或恢复到规定功能状态所进行的全部活动 是 住宅建成后维持其规定的使用功能 经济价值和 社会效用的必要手段 4 住宅维修工程目的可分为预防性维修Mp 修 复性维修Mc 改造性维修Mm 拆除重建Mcr 其 中 预防性维修是对住宅功能状态和缺陷征兆的 及时检查修理 使住宅维持其功能状态 如小修保 养和设备检修等 修复性维修是在住宅发生故障 性缺陷后使其恢复到规定功能状态 如住宅结构 加固或灾后修复等 改造性维修是使住宅维修后 的功能状态比住宅初始功能状态有所提高或达到 同类新建住宅标准 如加层扩建或成套化改造等 拆除重建是对功能状态已达到或低于规定允许下 限值 且无保留价值的旧住宅进行的清拆或重建 如危险房屋 6 住宅维修具有三种基本特性 通过Mp方式 防止住宅出现功能故障及延缓老化程度 保持规 定功能状态 通过Mc方式排除已发生的住宅功 能故障缺陷 恢复规定功能状态 通过Mm方式对 质量标准过低的住宅进行改造 或通过Mcr方式 进行提升 超越规定功能状态 住宅建筑的各类维 修生产活动均与维修性密切相关 1 2 住宅建筑的维修性 维修性是指产品在规定的条件下和时间内 按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复其 规定状态的能力 7 8 是衡量产品质量和使用性能 优劣的重要标志 住宅建筑的维修性可定义为 住 宅建筑在规定的条件下和时间内 采用规定的程 序和方法进行维修时 保持或恢复住宅规定功能 状态的能力 是在住宅设计阶段就赋予的固有质 量属性 用于衡量住宅建筑维修的难易程度 住宅的维修性是住宅维修及时性 有效性及 第21卷第1期 2004年3月 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 J of HU ST U rban Science Edition Vol 21 No 1 M ar 2004 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 经济性等多决策目标的综合反映 在住宅维修中 规定条件主要指维修工程场地 维修单位人员及 设备 维修资金及技术资料和资源等条件 规定时 间是指维修工程的工期限制 规定程序和方法是 指按标准和规范采用的维修方式和施工技术方法 等 显然 当维修条件 程序和方法不同时 在规定 的时间内完成同一住宅维修的可能性不一样 反 之亦然 住宅建筑维修性的研究重点是建立住宅建筑 维修性决策函数和维修性决策参数 分析住宅维 修工程中各类约束因子的规律及相互联系和影 响 建立住宅建筑维修性辅助决策系统进行约束 因子优化 实现住宅建筑维修性决策目标和提高 住宅建筑维修综合效益 2 住宅建筑的维修性决策函数 住宅建筑的维修性主要反映在完成维修工程 的时间上 而维修时间又是随机变量 所以对住宅 建筑维修性函数的定量刻划应以维修时间概率分 布为基础 并与住宅建筑结构可靠性 老化程度以 及维修约束条件相关 9 维修性函数决策是确定 维修性参数的基础 2 1 住宅维修度M t 住宅维修性的概率量度称为住宅维修度 记 为M t 指住宅建筑在规定条件下和规定时间内 完成规定维修目标的概率 可表示为 M t P T t 1 式中 T为在规定约束条件下完成维修目标的时 间 t为规定的维修时间 住宅维修度是维修时间的递增函数 10 当住 宅部件规定的维修时间越少 该住宅部件维修度 将越低 即M 0 0 当规定的维修时间很长 表 明住宅部件有充足维修能力和施工便利 即M 1 因此 在住宅设计阶段就应尽量提高维 修度小的住宅部件可靠度 降低部件的失效率 住 宅维修度还可通过维修统计数据获取 由住宅维 修度定义有 M t lim N n t N 2 式中 N为住宅 或部件 维修的总次数 n t 为规 定维修时间t内住宅维修的次数 由于住宅维修现场的统计数据N为有限值 可用估计量M t 近似表示M t 则 M t n t N 3 2 2 住宅维修密度函数m t M t 的概率密度函数可表示为 m t dM t dt lim t 0 M t t M t t M t t 0m t d t 4 同式 3 理 住宅维修密度函数的估计量为 m t n t t n t N t n t N t 5 式中 n t 为 t时间内完成维修的住宅待修部 件数 如高层住宅楼维修中的单元修复数 m t 的维修决策涵义是单位时间内住宅预期完成维修 工作的概率 2 3 住宅维修周期性函数Mi T 住宅维修周期是指根据住宅建筑在使用过程 中缺陷损耗及其防治的周期性规律 确定的住宅 整体及部件需要维修的时间间隔阶段 作为制定 住宅建筑维修计划的依据 1 影响住宅维修周期的主要因素有 住宅及部 件耐用程度L1 t 如钢筋混凝土结构住宅的设计 耐久年限为80 100年 砖木结构住宅为55 65 年 住宅使用环境与方式L2 t 如受到环境污染 影响的房屋立面和构件维修周期短 住宅及部件 不同地理位置L3 t 如南方地区潮湿多雨 住宅 构件易腐烂虫蛀 北方严寒地区易产生地基基础 冻害和结构变形等 其它相关因素L4 t 如建筑 师对住宅维修周期的预测和部件可维修性的设 计 住宅使用中的维修及时性等 设住宅的维修方式为Mi 影响维修性周期的 因素为Lj t 维修周期为T 则住宅维修周期性 函数可表示为 Mi T Lj t 6 式中 Mi T 为第i种维修方式的维修周期 i 1 2 3 4 5 分别表示住宅小修 中修 大修 翻修 及综合维修 Lj t 为住宅维修周期不同影响因 素 j 1 2 3 4 在实际维修中 常采用设计计划 法 部件轮修法或实践统计法确定维修周期 2 4 住宅老化度与维修度的关系函数 住宅老化是指住宅建筑在服役寿命期内 其 初始功能状态在物质性损耗Dp 经济性损耗De 及社会性损耗Ds等住宅老化因子综合作用下逐 渐降低的过程 11 住宅老化的概率测度定义为住 宅老化度 用D t 表示 有 D t F Dp De Ds 7 作者已在文献 11 和 2 中对住宅老化机理 和评价方法进行了研究 为建立住宅老化度与维 修度的关系函数 引入价值工程 有 V F C 8 6 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 2004年 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 式中 V为住宅维修工程的经济效益 F为住宅维 修后提升的功能 C为住宅维修工程的成本 式 8 表达的住宅维修工程决策目标是 当维修成本 一定时 寻求维修提升功能的最大 或当维修预定 提升功能一定时 寻求维修成本最低 住宅维修后 的功能提升将直接降低住宅老化度 二者具有倒 数正相关性 设t时刻住宅老化度值为Dt 有 Dt 1 V 9 设K FDt 则F k Dt 住宅维修度是时间的函数 有M t t 且Dt D t t 则维修功能函数也可表示为住宅维修 度的函数 F f M t 有 f M t k Dt D t f M t k 则 M t f 1 k D t 即住宅维修度可表达为住宅老化度倒数的反函 数 其维修性决策意义为 当住宅老化度增加时 住宅维修度将相应降低 反之若设法提高住宅维 修度如及时主动维修 则住宅老化度将相应降低 本函数关系的建立 为制订基于住宅老化度评价 的维修周期计划提供了可行途径 3 住宅建筑的维修性决策参数 维修性参数在机电 装配等工程领域已较广 泛采用 12 14 但在住宅建筑维修领域尚未见研 究 维修性参数是度量住宅维修性的尺度 且与可 靠性 可用性 经济性及可达性等密切相关 参数 选择应符合先进性 可行性 协调性和完整性原 则 有利于住宅维修的经济效益 技术保障和修后 效能等决策目标实现 9 作者提出了维修时间 维 修标准 维修费用和维修可达性四类维修性决策 参数 并讨论了决策参数之间的协同关系 3 1 住宅维修时间参数 维修时间参数直接影响住宅可用性 维修周 期和维修费用 包括平均修复时间 最大修复时 间 预防性维修时间 改造性维修时间和平均综合 维修时间等主要决策参数 a 平均修复时间M ct 是住宅部件发生故障 性损坏时排除住宅故障所需实际时间的平均值 以住宅卷材屋面渗漏修缮为例 对不同住宅的油 毡防水层和面层砂浆的开裂修补时间和方法是不 同的 且防水层的老化程度具有随机性 其修复时 间为随机变量 则M ct是修复时间的均值或数学 期望 有 M ct 0 tm t d t 实际维修工程中可使用观测值法 即修复时 间的总和与修复次数N之比 有 M ct N i 1 tiN 住宅是由结构 装修 设备等多个可修复部件 组成的系统 所以住宅平均修复时间又可表示为 M ct n i 1 iM cti n i 1 i 式中 i为第i个可修复项目故障率 M cti为第i个 可修复项目发生故障时平均修复时间 确定平均 修复时间有助于住宅建筑维修周期的优化决策 b 最大修复时间Mmax ct 是住宅进行维修时 达到规定维修度所需的最长维修时间 如进行住 宅外墙面整修施工时 施工单位应根据外墙损坏 程度 以规定维修度为基准测算出外墙面维修工 程所需最大修复时间 尽量缩短因搭设外脚手架 和防护网罩给住户造成的通风采光及有碍市容等 不利影响 设住宅维修时间服从指数分布 有 Mmax ct M ctln 1 M t Mmax ct实际是给定百分位或维修度的最大修 复时间 通常给定百分位或维修度M t 为95 或90 当住宅维修度M t 0 95时 Mmax ct 3M ct 即最大修复时间通常为平均修复时间的2 3倍 确定住宅最大修复时间既能为发包方选 择维修定额和工程时限提供依据 又能为承包方 确定维修工期和控制造价提供决策参考 c 预防性维修时间M pt 是住宅整体或某部 件一次预防性维修所需时间的平均值 可表示为 M pt m j 1 fpjM ptj m j 1 fpj 式中 fpj为第j项预防性维修作业的频率 如住 宅的季度保养 年度检修及3年小修等 M ptj为第 j项预防性维修作业所需的平均时间 m为预防 性维修作业的项目数 住宅预防性维修属定期计 划性维修 确定预防性维修时间可优化住宅计划 维修周期时序 节省维修费用 d 改造性维修时间M m t 是住宅每次改造性 维修所需时间的平均值 当住宅服役到一定时刻 t 如进入大 中修高峰期时 老化程度将加剧 需 对住宅进行加层 成套化改造 改扩建等提升住宅 功能标准的改造性维修 当住宅老化度达到规定 功能下限值时 则需进行拆除重建 住宅改造性维 修时间可表示为 7 第1期王晓鸣等 住宅建筑的维修性与维修性决策研究 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved M m t l k 1 kM m tk l k 1 k 式中 k为第k项改造性维修作业的频率 M m tk为 第k项改造性维修作业所需的平均时间 l为改 造性维修作业的次数 改造性维修能大幅度提升 住宅功能 但维修工期长 费用高 确定其时间有 助于合理确定改造性维修工期和费用 e 平均综合维修时间M 是住宅每次综合维 修所需时间的平均值 即在规定的条件下和规定 的时间内住宅的预防性维修 修复性维修和改造 性维修总时间与该住宅维修事件总次数之比 可 表示为 M M ct fpM pt M m t fp 式中 n i 1 i 为住宅修复性维修的故障率 fp m j 1 fpi为住宅预防性维修的频率 l k 1 i为 住宅改造性维修的频率 确定住宅的平均综合维 修时间 能为合理制定住宅建筑全寿命期维修计 划和综合维修工程动态决策提供重要依据 3 2 住宅维修标准参数 a 维修可用度Am 是指住宅经过维修后完成 规定使用功能的能力 可表示为 Am M TBM M TBM M 式中 M TBM为住宅平均工作时间 M 为住宅平 均综合维修时间 维修可用度指标是衡量住宅使 用功能和选择维修方式的重要决策指标 b 维修改善度Fm 是指住宅功能可改善或可 提升的程度 反映住宅在一个维修周期内功能增 加的量度 可表示为 Fm t2 t1 f 2 t f1 t d t 式中 f1 t 为维修前功能密度函数 f2 t 为维修 后功能密度函数 维修改善度可用于住宅维修中 功能改善程度评价 是旧住宅维修改造项目的重 要决策指标 3 3 住宅维修费用参数 住宅维修费用是指住宅在其规定使用年限 内 为保证正常使用功能而进行的各种必要维护 和修理所需支出的费用 包括住宅改造性大修或 综合维修改造费用 但不包括对住宅意外损失修 复费用和超过耐久年限继续使用的追加维修费 用 15 住宅维修费用参数可采用年平均维修费或 年经常使用费作为基准 a 年平均维修费C 住宅建筑维修费用的发 生次序及数量与住宅寿命期内的使用年限密切相 关 可采用费用分摊法估算住宅年平均维修费 有 C Ci Nn 式中 Ci为住宅耐久年限内的维修费总额 N n 为住宅耐久年限 b 年经常使用费Cf 住宅年经常使用费应包 括管理费 维修费 税金 资金利息 保险费及能耗 费六项 16 有 Cf 1 Nn B f m1 1 i N n 1 i 1 i N n 式中 Bf为住宅造价 m1为住宅使用年限内六项 运行费用系数 Nn为住宅耐久年限 B Nn为按 直线折旧法计算的折旧费 i为利率 为远期系 数 1 i N 1 i 1 i N 为定额序列现值系数 3 4 住宅维修可达性参数 是指进行住宅维修时 接近维修部位的难易 程度 由于住宅在初始设计时通常较少考虑未来 进行各类维修时的作业环境条件是否便利 因此 用可达性Mk表示住宅维修环境条件参数 有 Mk Vb Vc 式中 Vb为需要维修的住宅部位空间体积 Vc为 维修此部位需要的操作空间体积 取施工器械 人 工操作空间和必要的改造调整空间体积的最大 值 为调整环境条件可达性的系数 如获得维修 建筑材料的难易程度等 可由专家根据实际维修 工程确定 维修便利性预留设计是提高住宅维修可达性 的理想途径 为便于维修 住宅各需维修部位必须 做到视觉可达 实体可达 施工器械可达 预留足 够维修作业空间和改造调整空间 3 5 住宅维修性参数间的关系协同 住宅维修性各参数之间存在密切的协同关 系 现以住宅的故障性维修决策为例 设住宅可用 度为Ai 平均故障间隔时间 即故障性维修周期 为TBF 可理解为住宅可靠性指标 则 Ai TBF TBF Mct 1 1 Mct TBF 1 1 MTU T 式中 Mct为故障平均修复时间 MTU T为单位使用 时间 年 平均修复时间 即在规定条件下和规定 时间内修复性维修时间与住宅使用总时间比 由 此式知 只需MTU T相同 住宅可用度就相同 因 此 在满足Ai的前提下 可适当调整TBF和Mct 例如 在住宅设计阶段应重视维修性设计 首先考 虑提高住宅可靠性和增大维修周期 以减少住宅 建成后的维修次数和维修工作量 当受到造价 材 8 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 2004年 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 料 技术等约束限制时 则通过改善住宅维修性方 法 减少Mct 如在实际工程决策中 既