劉　勇

(煙建集團有限公司 第十建筑安裝分公司, 山東 煙臺　264003)

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高層建筑防雷因素權重分配的探討

劉勇

(煙建集團有限公司 第十建筑安裝分公司, 山東 煙臺264003)

摘要：介紹了高層建筑整體防雷措施,建立防雷系統(tǒng)評判模型進行雷擊風險評估。以建筑物防雷設計和施工驗收規(guī)范為依據(jù),采用數(shù)學層次分析法(AHP)計算出合理的評價因素權重,以期給現(xiàn)代建筑物防雷評價工作進行定性和定量的客觀評價。

關鍵詞：建筑防雷系統(tǒng); 雷擊風險評估; AHP模型; 綜合評判權重

0引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展,現(xiàn)代建筑物的規(guī)模和高度不斷增加,建筑物內(nèi)配套電子設備和網(wǎng)絡系統(tǒng)日趨增多。通常,高集成化的電子信息產(chǎn)品抗電涌電壓沖擊能力差,如果建筑物防雷防護系統(tǒng)有缺陷,一旦發(fā)生雷擊將會對建筑物內(nèi)的電子設備造成不可恢復的影響。 為此,如何建立合理、有效的現(xiàn)代建筑物防雷系統(tǒng)評價,成為一個越來越重要的課題。

現(xiàn)代建筑物的雷電防護問題是一項涉及多學科匯集的系統(tǒng)工程。目前,國內(nèi)外在雷擊理論研究及評價方法上都不盡完善,我國現(xiàn)行的防雷系統(tǒng)施工驗收規(guī)范也存在許多不足之處,難以滿足設計、運行和評價的要求。文獻[5]中詳細描述了模糊評價能夠?qū)ㄖ览紫到y(tǒng)做出全面評價,但沒有論述如何確定防雷因素權重分配。為此,本文探討了如何計算出合理、有效的單因素評價因子,以期給現(xiàn)代建筑物防雷工作全面系統(tǒng)的評判提供數(shù)據(jù)支持。

1建筑整體防雷措施

建筑物防雷系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程,包括外部雷電防護裝置和內(nèi)部雷電防護裝置。其中,外部雷電防護裝置主要用于防直擊雷,由接閃器、引下線和接地裝置等組成;內(nèi)部雷電防護裝置又可分為等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)、合理布線系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)等。建筑綜合防雷措施如圖1所示。

圖1　建筑綜合防雷措施

1.1外部防雷

接閃器是用來接收直接雷擊電流的金屬物,設置在屋面較突出(如房角、房脊、女兒墻與房檐等)且易遭受雷擊的部位。為有效防止雷擊,設計和施工中多采用網(wǎng)狀或針帶接閃器,在建筑物最高點附近設置多處避雷針。避雷網(wǎng)連接避雷針覆蓋在屋頂,并延伸到女兒墻上,使建筑物屋面均在避雷帶保護范圍內(nèi)。避雷網(wǎng)利用柱內(nèi)鋼筋作引下線,連接到基礎鋼筋。另外,圈梁鋼筋、樓層鋼筋、外墻面所有金屬構件也應與引下線連接,組成具有多層屏蔽的籠形防雷體系,可以有效防止雷擊和電磁干擾。

1.2建筑物內(nèi)部防雷

直擊雷在放電過程中,強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物形成電磁感應,會造成電子設備的數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)崩潰等。建筑物內(nèi)部防雷包括防雷電感應、防反擊以及防雷電波入侵。良好的內(nèi)部防雷能減少建筑物內(nèi)的雷電流所產(chǎn)生的電磁效應。

現(xiàn)代建筑物的防雷評價要根據(jù)內(nèi)、外部防雷特點,綜合考慮各種防雷措施,并結(jié)合建筑物所在自然環(huán)境、建筑物環(huán)境等因素作出合理、全面的評價。

2AHP評價原理及模型選取

2.1AHP原理

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)在對復雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關系等進行深入分析的基礎上,利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化,從而為多目標、多準則或無結(jié)構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。

現(xiàn)代建筑物防雷設計考慮的因素多,每個因素中還可能包含多個層次。防雷評價過程中會出現(xiàn)權數(shù)難以分配的問題,采用AHP可得出科學的分配權數(shù)。

2.2AHP模型

運用AHP構造系統(tǒng)模型時,大體可以分為以下步驟:① 建立具有遞階層次的結(jié)構模型;② 構造判斷矩陣;③ 層次單排序和一致性檢驗;④ 層次總排序以及一致性檢驗。

2.2.1建立遞階層次的結(jié)構模型

對決策問題運用 AHP 進行分析時,首先根據(jù)決策問題的目標和特點把問題分成不同層次,就是將復雜的問題按照屬性和關系形成由不同層次元素組成的層次結(jié)構,構造出一個有序的結(jié)構模型。上層元素作為準則，對下層有關因素起支配作用。遞階層次一般分為三類:

(1) 最高層,也就是目標層,只能有一個元素,也就是目標指數(shù),是分析問題的設定預期目標。

(2) 中間層,也稱為準則層,是為了達到所設定的目標涉及到的中間環(huán)節(jié),可以由多個層次組成。

(3) 最底層,也稱為措施層或方案層,包含為達到目標可供選擇解決問題的各種措施、決策方案等。

2.2.2構造判斷矩陣

建立了層次結(jié)構,也就確定了上下層次之間元素的隸屬關系。問題在于比較同一層次各因素對于上一層次的同一元素之間的權重時,如果只是定性的結(jié)果難以保證取值的科學性和客觀性,構造出的判斷矩陣沒有實際價值。為此,學者Santy等提出一致矩陣概念，即建立的n階正互反矩陣A中,元素aikakj=aij(i,j,k=1,2,…,n)。通過矩陣理論,可知當且僅當n階矩陣A的最大特征值λmax(A)=n時,該矩陣為一致陣,λmax(A)>n且特征值越大，不一致程度越嚴重,建立的評價系統(tǒng)越不準確。

2.2.3層次單排序及其一致性檢驗

建立矩陣A后,需要進行一致性檢驗,即驗證該矩陣能否滿足不一致的程度在允許范圍之內(nèi)。有滿意的一致性,則通過一致性檢驗,可用其歸一化特征向量作為權向量,否則要重新構造比較矩陣A。實際中采用一致性指標、一致性比率及隨機一致性指標的數(shù)值表對A進行檢驗。

定義一致性指標:

(1)

當CI=0時,有完全的一致性;CI接近0,有滿意的一致性;CI越大,不一致越嚴重。

定義一致性比率:

(2)

當CR<0.1時,矩陣A具有滿意的一致性,通過一致性檢驗。

RI是多次重復進行隨機判斷矩陣特征值取算術平均數(shù)得到的,1~10維矩陣重復1 000次的平均隨機一致性指標如表1所示。

表1平均隨機一致性指標

維數(shù)RI維數(shù)RI1061.262071.3630.5281.4140.8991.4651.12101.49

對應于判斷矩陣最大特征根λmax(A)的特征向量,經(jīng)歸一化后記為W。 向量W中的元素為同一層次因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權值,該過程稱為層次單排序。

2.2.4層次總排序及其一致性檢驗

計算某一層次所有因素對于最高層相對重要行的權值稱為層次總排序。層次分析結(jié)構示意圖如圖2所示。

圖2　層次分析結(jié)構示意圖

(3)

當CR<0.1時,認為層次總排序通過一致性檢驗,層次總排序具有滿意的一致性。

3防雷因素權重分配模型建立

對建筑物進行防雷綜合評價時,根據(jù)防雷標準和規(guī)范的要求將接閃器、引下線、接地裝置、雷電電磁脈沖屏蔽、等電位聯(lián)結(jié)及SPD作為單項因素。

U={u1,u2,u3}

外部防雷措施(u1)、內(nèi)部防雷措施(u2)、環(huán)境因素(u3)又分別包含如下因素：

u1={u11,u12,u13,u14}={接閃器,引下線,接地裝置,屏蔽}

u2={u21,u22}={雷暴日,保護對象的建筑環(huán)境}

u3={u31,u32,u33,u34}={屏蔽措施,SPD,合理布線,等電位聯(lián)結(jié)}

在用AHP進行具體數(shù)據(jù)計算時,可以利用數(shù)學軟件 yaahp對各判斷矩陣進行運算,以便得到最終結(jié)果。將判斷矩陣輸入軟件中,軟件會自動計算出該矩陣的一致性指標,并進行一致性檢驗。如果一致性檢驗不滿足要求,需進行進一步的改進,直至得到一致性滿足要求。根據(jù)圖1建立防雷評價指標體系,一級、二級指標判斷矩陣及計算結(jié)果如表2~表5所示。

表2一級指標判斷矩陣及計算結(jié)果(一)

u1u11u12u13u14W1CRu1111130.3u1211130.3u1311130.3u141/31/31/310.10<0.1(λmax=4.000)

表3一級指標判斷矩陣及計算結(jié)果(二)

u2u21u21W2CRu2113/20.6u222/310.40<0.1(λmax=2.000)

表4一級指標判斷矩陣及計算結(jié)果(三)

u3u31u32u33u34W3CRu3111130.3u3211130.3u3311130.3u341/31/31/310.10.008<0.1(λmax=4.025)

表5二級指標判斷矩陣及計算結(jié)果

uu1u2u3WCRu11520.5816u21/511/30.1095u31/2310.30900.0036<0.1(λmax=3.0037)

因此,各指標權重u1、u2、u3、u的權重分配分別為

通過分析可知,利用AHP可得到防雷系統(tǒng)中各個指標權重和各因素隸屬度。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過一致性指標并進行一致性檢驗得到防雷評價因子,很好地解決了實際防雷系統(tǒng)評價無法得到有效數(shù)據(jù)的場合。

該方法滿足一定的精度要求,具有一定的操作性和實用性。因此,AHP和模糊綜合評判方法綜合運用于防雷系統(tǒng)的評價是合理、可行的,可為我國防雷系統(tǒng)評價體系的進一步完善提供參考。

4結(jié)語

本文采用AHP得出合理的單因素評價因子,用模糊評判模型對建筑物防雷系統(tǒng)進行綜合評價,可以得到較全面的評價結(jié)果。

在實際防雷系統(tǒng)評價過程中,應結(jié)合現(xiàn)代建筑物的技術性能要求,對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的新問題及時研究對策，并完善數(shù)據(jù)庫。

[1]建筑物防雷設計規(guī)范:GB 5057—2010[S].

[2]建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范:GB 50601—2010[S].

[3]國家標準化管理委員會.建筑防雷裝置檢測技術規(guī)范[M].北京:北京工業(yè)大學出版社,2008.

[4]THOMAS L Saaty.Theory and applications of the analytic network process:decision making with benefits,opportunities,costs,and risks[M].3 edition.Rws Pubns,2015.

[5]劉勇,張民,劉西秀.智能建筑防雷系統(tǒng)多級模糊綜合評價[J].現(xiàn)代建筑電氣,2011,2(7):48-51.

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Discussion About Weight Allocation of Lightning Protection Factors in High-rise Building

LIUYong

(The 10th Company of Yanjian Group, Yantai 264003, China)

Abstract：This paper introduced the overall lightning protection measures of high-rise building.A lightning protection system evaluation model was built to assess the lightning strike risk.According to the lightning protection design and construction inspection rules of building,the reasonable weights of evaluation factors were calculated by using of mathematical analytic hierarchy process (AHP) method.It can provide a qualitative and quantitative evaluation system of lightning protection in modern buildings.

Key words:building lightning protection system; lightning risk assessment; AHP model; comprehensive evaluation weights

收稿日期：2015-04-22

中圖分類號：TU 856

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)02-0024-04