一种基于退化预测和多目标优化的住宅建筑外墙预防性维护规划综合框架

《COMPOSITE STRUCTURES》：An integrated framework for preventive maintenance planning of residential building cladding using degradation prediction and multi-objective optimization

通过建立综合评价指标体系，结合模糊综合评价与最佳最差法，构建基于马尔可夫链和韦布尔分布的退化预测模型，并建立涵盖经济、环境和社会效益的三重底线多目标优化框架，研究提出联合预防性维护计划，使外墙与屋顶覆层的平均维护成本降低0.93%，碳排放减少5.15%，功能性能提升13.63%。

　　

李天欣|李忠富|滕月|罗伯特·L·K·董

中国大连理工大学

摘要

现有的被动维护措施往往使居民长期处于次优状态，这与现代对可持续和宜居住房的期望相悖。为此，本研究引入了预防性维护，并开发了一个维护规划优化框架，以提高住宅的功能性和可持续性表现。首先，建立了一个用于评估外墙和屋顶覆层功能性能的指标体系，该体系结合了模糊综合评估法和最优-最差法。评估结果被输入到马尔可夫链模型中进行退化预测，所得的离散概率输出通过韦伯分布拟合，以获得连续的退化过程。最后，从三重底线角度建立了一个多目标优化模型，用于外墙和屋顶覆层的联合维护规划。通过合并多次运行的解决方案并进行非支配筛选，获得了613个帕累托解。与传统方案相比，这些帕累托解的平均维护成本和碳排放分别降低了0.93%和5.15%，而平均功能性能提高了约13.63%。本研究的新颖之处在于开发了一个综合性的预防性维护框架，将功能评估、退化预测和多目标优化结合成一个统一的系统，用于生成面向可持续性的联合维护计划。本研究的理论贡献在于为解决组件性能随时间变化和维护资源分配的多目标权衡这一复杂问题奠定了基础。在实际应用中，所提出的框架为设施管理者提供了一个易于使用的工具，用于退化评估和维护规划，最终改善了居住条件，提升了资产价值，并延长了建筑组件的使用寿命。

引言

随着全球社区面临住宅存量老化与可持续性需求增加的双重压力，住宅建筑在其整个使用寿命期间面临着保持安全、宜居和可持续性的日益严峻挑战[1]。这些挑战源于物理基础设施的固有特性，即持续使用和长期暴露于环境压力下会导致建筑组件逐渐退化并最终失效[2]。维护是防止建筑组件退化的有效措施，包括所有确保组件能够执行其预期功能的技术和管理操作[3]。然而，维护规划往往具有被动性和应急性，而非战略性[4]。多年来，普遍采用“建造后任其自然衰败”的方式，即只有在出现可见损坏或功能故障时才进行维护干预，这种策略被称为被动维护[5]。这种被动维护通常成本高昂，无法控制建筑的功能性贬值[6]，并迫使居民长期生活在恶劣条件下[4]。因此，从被动维护转向战略性维护至关重要。

预防性维护是一种战略性维护形式，它允许在故障发生前进行干预，以减轻组件退化并降低故障的可能性[7]。现有研究已经证明了预防性维护的好处。例如，研究表明，预防性维护可以将屋顶的使用寿命延长至八年，可靠性超过63.21%[8]。预防性维护在降低故障风险[9]、提高耐久性[2]和保持组件高性能[7]方面的价值已得到认可。一些研究探讨了预防性维护在建筑围护结构中的应用。例如，Ferreira等人[5]基于视觉缺陷评估了203种天然石材覆层的退化情况，使用韦伯分布对退化过程进行了建模，并通过多标准分析比较了预防性维护与不进行维护的情景在成本和耐久性方面的差异。同样，Gonzalez-Dominguez等人[10]基于对20个主要医疗中心瓦屋顶表面污垢和裂缝等缺陷的视觉检查，使用马尔可夫链模型描述了屋顶退化情况，并确定了考虑成本和可靠性的预防性维护的最佳频率。这些研究讨论了将预防性维护应用于建筑围护结构组件的优势，并探讨了维护时机。尽管有这些贡献，现有研究仍存在一些局限性，首先是对退化的定义过于狭隘，仅关注物理指标（如表面污垢和裂缝），未能反映室内温度和过时性等全面的功能性能[3]。另一个局限性是它们依赖于历史数据来拟合平均退化过程，而没有根据具体组件的实际状况进行调整，这影响了维护计划的准确性[11]。最后一个实际问题是缺乏联合维护。由于外墙和屋顶覆层可以由同一承包商进行维护，分别进行维护可能会给居民带来不必要的不便并增加维护成本[12]。

为应对这些局限性，本研究旨在基于全面的退化定义和特定案例预测，开发一个外墙和屋顶覆层的联合预防性维护规划优化框架。为实现这一目标，具体研究目标是：1）确定全面且易于监控的指标，并将其与马尔可夫链结合，建立特定案例的退化模型；2）开发一个多目标优化模型，考虑维护成本、与维护相关的碳排放以及外墙和屋顶覆层的功能性能，以确定何时以及应实施何种类型的维护活动。外墙和屋顶覆层是住宅建筑联合维护规划的重点，因为这些组件极易受到环境影响，通常由设施管理者统一负责，并且可以相对容易地由承包商同时进行维护。本研究通过三项关键创新推动了技术进步：（1）通过将全面且易于观察的指标与马尔可夫链模型相结合，建立了特定案例的退化预测方法；（2）通过基于三重底线的多目标优化模型，加强了住宅维护与长期可持续性目标之间的协调；（3）结合多个组件的联合维护规划，显著提高了维护效率并减少了居民的不便。

部分摘录

组件使用寿命和退化的预测

一般来说，维护规划依赖于使用寿命和退化趋势的预测，其复杂性的主要来源在于预测的难度和不确定性[13]。大致上，有两种方法可以预测建筑组件的使用寿命和退化趋势：确定性方法和概率方法。确定性方法包括因子法、图形法和加速老化测试。

方法论

在正常运行条件下，建筑组件的功能退化是一个渐进过程，不同退化程度的组件表现出不同的资产价值和风险特征。因此，为了为维护规划提供依据，有必要评估建筑组件的功能性能。此外，单次时间点的评估对长期和系统的维护规划支持有限，因此预测功能性能至关重要

功能性能和退化趋势

本研究在2023年10月和2025年10月进行了调查。在这两年期间，外墙和屋顶覆层的退化加速，表现为腐蚀、屋顶覆层的渗水和漏水，以及外墙覆层的剥落和表面污垢的积累，如图5所示。这导致了第13年和第15年建筑组件评估结果的差异。

退化评估和预测方法的进步

本研究在所需数据量和用于测量退化的方法方面与现有的退化预测研究有所不同。以往的研究通常依赖大量案例样本来进行退化预测，产生许多建筑的平均结果。这种方法难以适应特定案例，也无法完全解释个别建筑之间的差异[10]，[53]。为了解决这些局限性，本研究提出了一个特定案例的马尔可夫模型

结论

现有建筑中常见的被动维护措施无法控制建筑的功能退化。为了解决这个问题，从预防性维护的角度出发，本研究整合了FCE（功能成本效益分析）、马尔可夫链和多目标优化，开发了一个维护计划优化框架。应用该框架制定的维护计划在功能性能、维护碳排放和成本方面实现了平衡，同时保持了稳定性

CRediT作者贡献声明

李天欣：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、数据分析。李忠富：监督、资金获取、概念构思。滕月：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。罗伯特·L·K·董：监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：72371050）和海南大学的科研启动基金（项目编号：XJ2500007724）的支持。