超高層建筑幕墻系統(tǒng)健康監(jiān)測綜合評估研究

劉陽 劉曉 陽剛 楊蕓 張郭 趙亮

摘 要：超高層建筑結(jié)構(gòu)幕墻系統(tǒng)的健康評價可為后期整體結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的決策提供重要的參考依據(jù)，而由于長期監(jiān)測的指標體系復雜，如何在實際中操作運用合適的評價方法是亟待解決的問題。文中從影響建筑幕墻系統(tǒng)的健康性能狀態(tài)的各影響因素出發(fā)，提出基于“核心單元”和“輔助單元”的直接指標及間接指標來構(gòu)建超高層建筑幕墻系統(tǒng)的健康狀態(tài)評價層次，基于層次分析法提出了適合長期健康監(jiān)測評估的決策方法，為實際工程提供參考。

關鍵詞：超高層建筑幕墻；健康評價；影響因素；層次分析法

中圖分類號：TU974 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0013-03

Abstract： The health evaluation of the curtain wall system of super high-rise building structure can provide important reference for the decision-making of the whole structure health state in the later stage， but because the index system of long-term monitoring is complex， how to use the appropriate evaluation method in practice is an urgent problem to be solved. Starting with the factors that affect the health performance of the curtain wall system， this paper puts forward the direct and indirect indexes based on the "core unit" and "auxiliary unit" to construct the health state evaluation level of the the curtain wall system of the super high-rise building. Based on analytic hierarchy process （AHP）， a decision method suitable for long-term health monitoring and evaluation is proposed， which provides a reference for practical projects.

Keywords： super high-rise building curtain wall； health evaluation； influencing factors； analytic hierarchy process （AHP）

1 概述

建筑幕墻結(jié)構(gòu)是由面板與支承結(jié)構(gòu)體系組成，通常是由幕墻面板、幕墻錨固緊固件、膠黏劑、幕墻支撐體系（桁架、鋼架、預應力索）等四部分組成，具有規(guī)定的承載能力、變形能力和適應主體結(jié)構(gòu)位移能力，不分擔主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)[1-2]。幕墻結(jié)構(gòu)在超高層結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要的美學效果和裝飾功能，是最具代表性的圍護結(jié)構(gòu)，已成為超高層建筑外圍護結(jié)構(gòu)的首選。我國玻璃幕墻的發(fā)展始于20世紀80年代，因為其具有良好的通透性、視覺效果好等優(yōu)點，被廣泛應用于現(xiàn)代超高層建筑。然而，在幕墻結(jié)構(gòu)使用的同時也暴露了一些問題，例如早期幕墻行業(yè)缺乏相應標準，設計施工不夠規(guī)范導致后期使用過程中出現(xiàn)了老化和節(jié)點松動等現(xiàn)象，給玻璃幕墻的安全性造成隱患；其次早期興建的幕墻工程大部分已基本達到其設計使用年限，但是多數(shù)幕墻都沒有采取任何防范措施，存在安全風險。2004年，上海市建筑幕墻檢測中心對931幢玻璃幕墻建筑進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的數(shù)量接近10%。因此，對幕墻結(jié)構(gòu)的健康性能進行評估是非常有必要的。

國內(nèi)外學者非常關注玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的損傷性能狀態(tài)研究。2007年，Efstathiades等基于ANN的幕墻結(jié)構(gòu)的缺陷進行了識別和定位研究[3]。2010年，郝文峰采用Hilbert-Huang變換的信號分析方法，將振動傳遞率作為損傷識別指標應用到玻璃幕墻開膠損傷識別，并與頻響函數(shù)進行了對比研究[4]。2015年，同濟大學對上海中心幕墻風壓進行了監(jiān)測研究[5]。目前為止，國內(nèi)外對既有超高層建筑玻璃幕墻的長期健康監(jiān)測的評估還沒有相關研究，工程實施中對幕墻圍護系統(tǒng)的健康評估也缺乏指導性的建議。本文從“實際可操作性”和“損傷的層次性和關聯(lián)性”綜合給出基于層次分析法的健康性能評價標準。

2 研究方法概述

目前，綜合評價方法種類繁多且發(fā)展成熟，主要有德爾菲法、灰色關聯(lián)度法、模糊綜合評價法、層次分析法等[6]。不同的評價方法各有優(yōu)缺點，其適用范圍和評價結(jié)果均有所不同，因此尋找合適的評價方法才能使評價結(jié)果更加合理。層次分析法簡稱AHP法，是美國Saaty教授于20世紀70年代首先提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析與決策方法，是對非定量事件作定量分析的一種有效方法[7]。AHP法在分析影響因素及其內(nèi)在關系的基礎上，對復雜的問題采用較少的定量信息進行決策，既保證定性科學性和定量分析的精確性，又保證定性和定量兩類指標綜合評價的統(tǒng)一性。

本文提出的基于AHP的幕墻圍護系統(tǒng)健康評價方法，基本步驟為：首先對監(jiān)測結(jié)果劃分評價層次，將目標層分解為若干層次，使之變?yōu)榫哂袑哟涡缘母鱾€指標；其次確定底層指標的評價標準，然后確定準則層和底層各指標的權(quán)重；最后對結(jié)果進行綜合評價。

3 健康性能監(jiān)測指標歸納與應用

3.1 幕墻健康狀態(tài)的影響因素分析

據(jù)相關研究和測試調(diào)查結(jié)果顯示，對于幕墻圍護系統(tǒng)，影響玻璃幕墻安全性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是面板失效，如破碎、自爆、脫落、承載能力下降等；二是粘結(jié)材料失效，包括脫膠、老化、粘結(jié)強度降低；三是支承結(jié)構(gòu)失效，包括緊固件的松動、破損等，易導致幕墻玻璃整體脫落[8]。從健康危害分析，面板損傷將直接導致人員和構(gòu)筑物的危害；粘結(jié)材料的失效將導致面板結(jié)構(gòu)的脫落，而支承結(jié)構(gòu)的失效雖然會徹底造成整個幕墻結(jié)構(gòu)的損傷，但是由于其藕聯(lián)特性，不會連續(xù)性的破壞，因此，從重要性來看，各部件的重要性依次為面板>粘結(jié)材料>支承構(gòu)件。

相應的對于各單元的損傷指標一般可以按如下過程表示：

（1）直接描述，應力應變、撓度、壓力分布、拉壓受力；

（2）間接描述，單元的動力特性，如振型、頻率等。

3.2 評價層次的劃分

本文將玻璃幕墻的監(jiān)測內(nèi)容，按照評價層次劃分為四層：

（1）目標層（最高層）：是整個評價體系的預定目標，本文指“玻璃幕墻的監(jiān)測結(jié)果的綜合評價”。

（2）分目標層：是目標層的分支。根據(jù)玻璃幕墻項目的特點，將性能劃分為“核心單元”和“輔助單元”兩類，并作為分目標層?！昂诵膯卧敝笜耸侵赣绊懓踩珷顟B(tài)的標準，其偏差值有具體定量規(guī)定，一旦超過其標準，會嚴重影響局部甚至整體的安全狀態(tài)，因此可直接判定為不合格；“輔助單元”指標是幕墻系統(tǒng)中起連接和固定的非功能性構(gòu)件單元的指標，盡管屬于輔助單元，但是其發(fā)生損傷也會造成面板喪失健康穩(wěn)定條件，造成不安全的后果，因此應給出狀態(tài)評價，在構(gòu)建的評價指標體系中將給出相應判斷標準，超過標準評分較低，規(guī)律性較好且偏差小的評分較高。

（3）準則層（中間層）：是實現(xiàn)目標的直接指標與間接指標，是評價局部或整體的兩條線路，無論是直接還是間接，均指評斷方法的過程，直接指標對應構(gòu)件本身的損傷狀態(tài)，間接指標在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，但是無法反映具體損傷的定位，一般間接指標出現(xiàn)問題應對照直接指標進行綜合分析。

（4）底層（指標層）：是構(gòu)建玻璃幕墻評價體系的基礎，主要指應力應變、壓力分布、位移、撓度、振型、頻率等。

3.3 評價層次參數(shù)確定

由于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)屬于長期監(jiān)測過程，與監(jiān)測數(shù)值、監(jiān)測數(shù)量和監(jiān)測時間相關，因此實時評價整體健康狀態(tài)時其評分應與這三者相關。底層連續(xù)性監(jiān)測數(shù)據(jù)指標一共包括應力應變、壓力、變形、撓度、頻率等5個指標，每一個指標都有其特定的監(jiān)測對象和監(jiān)測工況參考，其中應力應變主要針對面板、橫梁立柱、粘結(jié)材料和支承構(gòu)件的應力應變等；壓力主要針對風荷載作用下面板的響應；變形指地震荷載下平面的變形；撓度指橫梁立柱的變形；頻率指幕墻單元的固有頻率。

二級指標的重要性依次為面板>粘結(jié)材料>支承構(gòu)件>立柱>橫梁。

4 健康性能狀態(tài)綜合評價

4.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)

通過對指標體系分析，建立一個由目標層、準則層和指標層組成的遞階層次模型（如表1所示）。

4.2 計算指標的層次單排序

本文采用薩蒂提出的1-9標度法構(gòu)建兩兩判斷矩陣。經(jīng)過相關領域?qū)＜乙罁?jù)其工作及實踐經(jīng)驗的判斷決策，得到各層指標的判斷矩陣。經(jīng)過相關領域?qū)＜乙罁?jù)其工作及實踐經(jīng)驗的判斷決策，得到準則層的判斷矩陣。計算剩余矩陣的權(quán)重和一致性，得到結(jié)果如表2及表3示。

表2 準則層各指標的權(quán)重及一致性檢驗結(jié)果

4.3 層次總排序

利用同一層次所有指標的單排序的結(jié)果，可以計算就上一層次而言，本層次所有因素重要性的權(quán)值，這就是層次總排序。

4.4 工程算例綜合評價

本文以珠海十字門標志性塔樓幕墻工程為對象進行綜合評價分析。該工程地上建筑面積146836平方米，幕墻面積約5.7萬平方米，主體建筑高度最高點328.8米。幕墻類型包括單元式玻璃幕墻、設備層開放單元式玻璃幕墻、拉桿幕墻、石材陶板幕墻以及入口雨篷等。本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g；設計地震分組：第一組。如圖1所示，為結(jié)構(gòu)整體效果圖。本工程地處沿海，受風荷載影響較大。選取其中局部作為研究對象，采用三層玻璃幕墻進行數(shù)值模擬，層高3m，單元板塊的尺寸為1×3m。

假定對單元板塊的幕墻結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測，測得數(shù)值分別為：面板拉應力約為預警值的60%，粘結(jié)材料約為預警值的50%，支承構(gòu)件約為預警值的50%，橫梁立柱約為預警值的65%，壓力值為3kPa，平面內(nèi)變形約為預警值的50%，橫梁立柱撓度約為預警值的70%，約為初始值的92%。本文將每個指標以預警值為基準劃分，應力應變、變形、撓度評分如表4所示，壓力指標分級如表5所示，頻率指標分級如表6所示，整體分級如表7所示。

通過專家打分的方法對評價對象針對各個指標進行評價打分。按照單排序計算值，再根據(jù)評價對象指標的評分值選擇線性加權(quán)的方法對指標做綜合評價，具體公式如下所示：

Y=（IjRj）Wi （1）

式中，Y為綜合評價得分，Ij表示評價對象對應指標j的評分值，Rj表示指標j的單排序。

利用線性加權(quán)的方法對不同模式進行評價，得到最終評價結(jié)果如表8所示。

由表8可知，該榀幕墻構(gòu)件的整體評價結(jié)果為93.4304，屬于較好水平。

5 結(jié)論與建議

針對現(xiàn)行規(guī)范缺乏對超高層幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康管理評價體系的要求，很難對幕墻等重要的圍護系統(tǒng)進行健康決策，因此本文根據(jù)玻璃幕墻項目的特點，將性能劃分為“核心單元”和“輔助單元”兩類，并作為分目標層。從長期監(jiān)測指標的關聯(lián)性和損傷的重要性，考慮實現(xiàn)目標的直接指標與間接指標，綜合考察應力應變、壓力分布、位移、撓度、振型、頻率等指標的數(shù)值情況，利用層次分析法建立了超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的健康評價體系。由于各指標對于幕墻圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康影響情況的局限性，未來可以針對大量的實際工程模型給出各指標的權(quán)重。

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