基于多源数据的教室活荷载实测与统计分析.pdf
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1、要并行使用传统称重方法和大数据方式对某大学教学楼进行活荷载实际调查,从建筑图纸、设备照片、视频、图像识别、网络匹配以及课表等多源渠道收集教室活荷载的相关数据。采用单因素方差分析,讨论了上课学期、楼宇差异、教室朝向以及楼层等因素对教室活荷载的影响。利用数理统计方法,研究了教室任意时点持久性活荷载和临时性活荷载的概率分布和统计参数。K-S检验表明,二者均服从极值I型分布,据此建立了设计基准期T=50年时教室持久性和临时性活荷载最大值的概率分布模型,并通过Turkstra组合规则得到教室活荷载标准值。以此为例证明了在大数据时代,基于多源数据开展建筑活荷载调查的可行性。关键词教室,活荷载,调查,统计分
2、析,多源数据Survey and Statistical Analysis of Live Loads of ClassroomBased on Multi-source DataCHEN ZheyaoCHEN Jun*LI Yang(Department of Building Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)AbstractThe load survey of a university teaching building is conducted by using the traditional method aswe
3、ll as the big data method,to collect the live load data of classroom from multiple sources like architecturaldrawings,device images,videos,image recognition,network matching and classroom schedules.One-wayanalysis of variance is performed respectively,to discuss the influence of semester,building di
4、fference,classroom orientation and floor level on the live loads.The probability distribution and statistical parameters ofpoint-in-time sustained live load and extraordinary live load in classroom are studied by mathematical statisticsmethod.The hypothetical distributions are tested with K-S test a
5、nd both are found to follow the extreme I-typedistribution.Thereby the distributed models of the maximum sustained live load and extraordinary live load ofclassroom are established at design reference period T=50 years,to obtain the characteristic value of live loadof classroom by Turkstra combinati
6、on rule.This example demonstrates the feasibility of the idea of buildinglive load survey based on multi-source data in big data era.Keywords classroom,live load,survey,statistical analysis,multi-source data0引言荷载指施加在建筑物上使其产生效应(内力、变形、应力、应变和裂缝等)的各种直接作用,包括恒荷载、楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载等。荷载取值的可靠性既是拟建结构安
7、全设计的关键,也是既有结构性能评估收稿日期:2 0 2 2-0 3-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 17 8 151)作者简介:陈哲瑶,女,硕士研究生,研究方向为活荷载调查与建模、人体动力学模型。E-mail:c h z h y a o t o n g j i.e d u.c n*联系作者:陈隽,男,教授,博土生导师,研究方向为工程结构健康监测、人致结构振动舒适度分析、大数据在土木工程中的应用。E-mail:47结构工程师第3 9 卷第3 期结构分析的依据2 楼面活荷载作为建筑设计荷载的重要组成部分,其影响不可忽视,若取值过大,势必会使结构构件尺寸过大,造成材料浪费以及基础设计的
8、困难;若取值过小,则会降低建筑结构的可靠度,甚至导致安全问题,造成人员伤亡和财产损失。因此,活荷载的调查、统计与建模是保证建筑结构可靠度的关键的基础性工作。然而,受制于传统调查方式入户困难、现场称重困难的问题,自建国以来,我国仅开展过2 次全国性的大规模荷载调查统计工作1:2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初,我国首次对北京、兰州、成都和广州的6 0 6 间住宅和2 58 间办公室进行了实际荷载的调查统计,国家建委在这个调查基础上颁布了工业与民用建筑结构荷载规范(TJ9-74);1977年至19 8 0 年间,配合全国性建筑结构可靠度和荷载组合课题的研究,对楼面活荷载开展了第二次大规模的
9、调查,重点调查住宅、办公楼以及商店,分别实测了556 间住宅、2 2 0 1间办公室和2 1家百货商店的楼面活荷载,其主要成果集中反映于建筑结构荷载规范(GBJ9-87)。两次活荷载调查成果形成了我国荷载研究的关键数据基础,具有重要的历史意义。然而,这也意味着当前荷载规范所推荐的荷载取值,其数据基础仍停留于40 年之前。随着社会经济的发展、人民生活水平的提高以及生活方式的变化,民用建筑活荷载势必发生了不可忽视的变化。因此,进行活荷载调查、实测、统计和分析,更新规范活荷载取值的数据基础,获得能适应当前以及未来建筑结构的合理代表值,是必要且重要的工作。值得注意的是,以往研究中,不同学者对活荷载的调
10、查3-5 主要以住宅、办公楼和商店为调查对象,对于教室这一类建筑结构的活荷载调查研究非常缺乏。表1展示了我国各时期各版荷载规范中教室活荷载标准值的变化。这其中,GB50009一2 0 12 修订时直接将教室活荷载标准值从2.0kN/m提升至2.5kN/m,并延续至今。这一增加,粗略地考虑到多媒体教学设备的普及和班级学生人数可能出现超员情况,但并未在全国范围内的教学楼进行大规模的教室活荷载调查。表2 对比了世界上4个主流荷载规范中教室楼面活荷载的取值,可见不同规范间取值有一定的差异。因此,研究新型高效的荷载调查方法,并进行实测检验是十分必要的。为此,本研究以某大学的各教学楼为调查对象,通过传统称
11、重法,结合清单法以及大数据方式,从建筑图纸、设备照片、视频、图像识别、网络匹配和全校课表等多源渠道收集教室楼面活荷载的相关数据,并进行统计分析,建立教室活荷载的概率分布模型,并对教室活荷载取值进行了讨论。表1各版荷载规范教室活荷载标准值Table1Characteristic values of classroom live load ofloadcodeineachversion荷载标准值/规范名称(kNm2)2.0(有课桌)荷载暂行规定(结规1-54)3.0(无课桌)荷载暂行规定结规1-58)2.0工业与民用建筑结构荷载规范(TJ974)2.0建筑结构荷载规范(GBJ987)2.0建筑结构
12、荷载规范(GB500092001)2.0建筑结构荷载规范(CB500092012)2.5工程结构通用规范(GB550012021)2.5表24版主流规范教室活荷载标准值Table 2Characteristic values of classroom live load of4 main load codes(kNm2)中国美国欧洲日本GB 550012021ASCE7-10BSEN1991:2002AIJ(2004)2.51.922.03.02.881教室楼面活荷载理论模型1.1楼面活荷载概率模型建筑结构可靠性设计统一标准(GB50068一2 0 18)将楼面活荷载统一模型化为平稳二项随机过
13、程。若设定设计基准期为50 年,则可偏安全地将基准期内各时段的局部最大值包络构成平稳二项随机过程(图1)。采用随机过程对荷载建立概率模型时,理论上应以某一房间活荷载作为统计样本,观测其在50年内的变化情况,但在实际中难以实现。考虑到平稳二项随机过程各时段上任意时点的分布相同且独立,可以认为活荷载在时间变化上是平稳的,故可用“时空互换”6 的方法获得样本信息。本研究采用“以空间换时间”的方法,即一次调查48Structural AnalysisStructural EngineersVol.39,No.3许多同类型房间的数据,从而推出一个房间在时轴上的表现,使得实际荷载调查得以开展此外,楼面活荷
14、载存在空间变异性(如在同一空间内的家具布置形式不同),在荷载调查时,可采用单位面积荷载或者按一定原则等效的均布荷载作为统计量。为了实际运用的方便,从建筑结构荷载规范(GBJ9一8 7)起就采用单位面积荷载作为统计量,虽然理论上并不严格,但可使调查和统计得到很大的简化,对统计结果的影响也不大。1.2教室持久性和临时性活荷载区分楼面活荷载按其随时间变异的特点,可分为持久性和临时性两部分1。前者指某个时段内基本保持不变的荷载,如办公室内家具、办公用具和日常办公人员重量等,住宅中的家具、电器设备和常住居民重量等;后者指短暂作用在楼面上的活载,如办公室内开会引起的临时集中人员、临时堆放的物品重量,住宅中
15、逢年过节时的临时聚会人员、房屋维修时临时堆放的材料工具等。对持久性活荷载L的概率模型,可根据调查到的荷载变动平均时间间隔t及荷载统计值的分布,采用等时段的平稳二项随机过程,如图1所示。对临时性活荷载L,由于持续时间很短,故一般是调查若干单位时间(例如若干月、若干年)内出现过的最大临时性荷载值L,同样也采用等时段的平稳二项随机过程,如图2 所示,图中竖线表示临时性时点活荷载,取每个时段内的最大值作为荷载统计的基础。L:(0)40TTTTTT图1持久性活荷载样本函数Fig.1Sample function of sustained live load然而,对于教室的持久性活荷载和临时性活荷载类型区
16、分,在调查时通常由经验判断,缺乏定量的界定标准。Sonia7在19 9 7 年对美国墨西哥城的几所公立学校进行了教室活荷载的调查,将上课人员视为持久性活荷载,而将娱乐聚会、会议引起的人员荷载视为临时性活荷载。这样的处理Lrs(0)4TTTTTT图2最大临时性活荷载样本函数Fig.2Sample function of maximum extraordinary live load方式并不合适,原因如下:如果一间教室正在上课,就不可能同时用作其他用途,即上课情况与其他临时性人群聚集情况是互斥的。如果将上课人员作为持久性活荷载,将聚会、开会的人员作为临时性活荷载,这样组合后得到的教室楼面活荷载显然
17、不符合现实情况。对此,本研究中将教室上课人员荷载视为临时性活荷载。由于教室空间的物理限制,上课人数的变化可基本涵盖诸如自习、社团活动、考试等人员临时聚集的情况。因此,本研究中临时性活荷载仅考虑上课情况,而不考虑其他情况。教室的持久性活荷载则包括讲台、课桌、座椅、多媒体设备以及其他电器等家具重量。根据以往活荷载调查的统计经验,任意时点活荷载幅值的概率分布通常服从极值I型分布,极值I型分布的函数可以表示为F(x)=exp(1)一eXp其概率密度函数为1X一Yf(x)=:exp?expexp(2)式(1)与式(2)中的分布参数,可用随机变量X的平均值(X)和标准差(X)表示,即V6(X)=(3)元1
18、.282 6=(X)-0.5772(4)极值I型分布的极大值也服从极值I型分布,且两者间存在一定关系,根据文献1,设计基准期内活荷载最大值的分布函数为mFx,(x)=F(x)=X一Rexpexpx-(+lnm)exp-exp(5)式中,m为设计基准期内荷载的平均出现次数。基于上述理论基础,开展了对某大学教室活49结构分析结构工程师第3 9 卷第3 期荷载的现场调查和实测,通过多种方式获得教室中物品的重量信息,获得教室持久性活荷载的统计值。同时,调查每间教室各时段的上课人数,获得教室临时性活荷载的统计值。2现场实测与调查在以往的活荷载调查中,收集物品重量信息的方法主要包括直接称重法和清单法8(即
19、不直接称重,而是通过记录该物品的尺寸、类型、材质等物理特征进行重量估计)。随着现代信息技术的发展,可利用互联网大数据2 ,通过拍照、视频、图像识别等方式,结合互联网数据库进行网络匹配,确定物品重量。本文调查综合了上述两种方法,并且通过收集建筑图纸、电器照片识别、视频识别、型号抓取、全校课表统计以及随机抽样调查出勤率等多种方式,获得与教室活荷载相关的多源数据,最终得到教室持久性活荷载和临时性活荷载。2.1教室持久性活荷载调查情况首先收集了校内教学楼的建筑施工图,根据图纸上标注的尺寸信息得到每间教室的建筑面积,进而采用单位面积平均荷载法获得每间教室的等效均布荷载。教室的持久性活荷载包括讲台、桌椅、
20、多媒体设备以及其他电器等家具重量。对于可直接称重的物品,统一采用电子秤获取其重量;对于不可移动、无法直接称重的桌椅,则通过测量其各组成部分的体积,网络检索查询对应的材料密度,从而间接得到该桌椅的单位质量,最后通过清点每间教室内桌椅的数量,计算得出每间教室内的桌椅荷载;对于多媒体教学设备以及其他不可称重的电器,则通过拍照进行图像识别,锁定设备的品类,抓取设备的品牌型号,结合互联网数据库里的条目信息进行网络匹配,获取每种设备相应的质量信息,从而获得每间教室内的设备荷载。教室持久性活荷载L即为上述荷载总和。以某教室为例,其内部配置布局如图3 所示,表3 给出了该教室中物品的细则及其获得重量的多源方法
21、。通过上述步骤,本次调查共获得12 8 条持久性教室活荷载有效数据图3 某教室的配置布局情况Fig.3The configuration and layout of a classroom2.2教室临时性活荷载调查情况对于教室临时性活荷载调查,收集该大学各教室某一完整学年内的排课以及学生选课汇总表,从中提取出每间教室在一星期内各时段的人数变化。再依据以往活荷载调查采用的0.6 kN/人进行荷载量化,获得每间教室多个时点临时性活荷载L。进一步在此基础上筛选出每间教室每学期的最大上课人员荷载,作为时段内的最大临时表3某教室物品清单Table 3Item listofa classroom物品名称特
22、征/品牌型号单位质量获取质量方法衣柜木质,可移动46.15kg/个直接称重课桌钢框架+木面板,与椅相连,不可移动15.61 kg/座测量体积+查询密度座椅木板,与桌相连,不可移动讲台不可移动85.55kg/m以可称重的讲台代替投影仪EPSON:CB-5520W6.90kg/台制造商提供条目信息屏幕幕布DIAS17.00 kg/台制造商提供条目信息音响YAMAHA:NS-AW1941.30kg/台制造商提供条目信息增强型屏蔽器5000型5.00 kg/台互联网数据库黑板科达:推拉式复合书写板9.60 kg/面互联网数据库空调Haier嵌人式中央空调36.50kg/台互联网数据库Structura
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