老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化研究

黃曉偲 施袁鋒 毛凌 楊璐羽 王默涵

摘要：老舊房屋的安全現(xiàn)狀不理想，為了保證老舊房屋的安全，實施安全監(jiān)測是必要的，但鑒于全面監(jiān)測費用過高，實施全面的安全監(jiān)測實際上不可能。考慮老舊房屋安全監(jiān)測資金來源不足的客觀現(xiàn)實，運用層次分析法原理建立了一個技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合的老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化模型。根據(jù)模型得出的老舊房屋安全監(jiān)測內(nèi)容優(yōu)先排序，結(jié)合可用資金額，即可得出老舊房屋安全監(jiān)測的具體方案。

[基金項目]四川大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：202110610193）

[作者簡介]黃曉偲（2001—），女，本科，研究方向為土木工程技術(shù)與管理。

[通信作者]施袁鋒（1980—），男，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作。

房屋建筑是人們生活、學(xué)習(xí)和工作等活動的重要場所，房屋建筑的“健康”狀況直接影響到房屋建筑的安全性，直接關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是保證結(jié)構(gòu)安全的重要手段[1]，其目的是保證建筑物的安全，所以，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測又稱為安全監(jiān)測。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，分析通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，達到監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化[2]。房屋建筑安全監(jiān)測的做法通常是通過在房屋建筑上預(yù)埋各類傳感器組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測、動態(tài)管理及趨勢研判，為房屋建筑的安全使用、適時維護和壽命預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

房屋建筑安全監(jiān)測按時間段可分為施工期間監(jiān)測和使用期間監(jiān)測，使用期間監(jiān)測為長期實時監(jiān)測[3]。因此，若對所有房屋建筑均進行全面的安全監(jiān)測，工作量無疑巨大，所需資金也大。尤其是對既有建筑，可以說是一項不可能完成的任務(wù)。因此，有必要研究如何在資源有限（主要是資金限制）的情況下，恰當(dāng)選擇監(jiān)測內(nèi)容、確定監(jiān)測方案，以提高安全監(jiān)測的效率和效益。

1 老舊房屋安全監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 老舊房屋及其安全狀況

據(jù)統(tǒng)計，我國既有房屋建筑面積已達560×108 m2左右，其中有很大一部分房屋建筑是改革開放初期的20世紀80、90年代為了盡快實現(xiàn)大多數(shù)居民的住房夢而修建的，有些建筑的修建時間還更早。這些建筑房齡較長，普遍存在技術(shù)標準偏低、設(shè)計及施工不規(guī)范、各方面原因?qū)е庐?dāng)時所用建筑材料質(zhì)量相對較差等一系列問題，部分未被拆除延續(xù)至今，仍有居民居住，這類房屋建筑被歸為老舊房屋建筑[4]。

根據(jù)我國GB 50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》和GB 50352-2019《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》的規(guī)定，普通房屋建筑的設(shè)計使用年限為50年，因此20世紀80、90年代修建的房屋建筑已經(jīng)進入其壽命的中后期。隨著設(shè)計使用年限逐漸接近，老舊房屋的健康問題逐漸凸現(xiàn)出來。

老舊建筑在長期的運維過程中，無論是結(jié)構(gòu)材料的幾何性能退化，還是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞銹蝕，均不可避免地對結(jié)構(gòu)造成損傷，隨著損傷的逐漸累積，必定影響到結(jié)構(gòu)的安全使用。另外，由于自然災(zāi)害（如地震、火災(zāi)等）以及住房商品化后的維護使用不當(dāng)（如隨意拆改）等原因，房屋結(jié)構(gòu)也將不可避免地產(chǎn)生不同程度的損傷，造成損傷累積及抗力衰減。所以在房屋結(jié)構(gòu)自然老化、自然災(zāi)害和維護不當(dāng)3種原因?qū)е碌膿p傷累積下，老舊建筑的安全性令人擔(dān)憂。近年來，媒體報道的老舊建筑安全事故較多：2020年8月29日，山西襄汾縣1982年建成的一飯店倒塌[5];2019年8月28日，深圳市羅湖區(qū)1985年建成的和平新居一棟6層居民樓樓體倒塌[6];2017年2月2日溫州市文成縣百丈漈鎮(zhèn)外大會村發(fā)生民房倒塌事故[7];2016年2月26日江西萍鄉(xiāng)市安源區(qū)新學(xué)前巷一棟房齡十幾年的房屋發(fā)生部分坍塌[8]。

1.2 老舊房屋安全監(jiān)測的內(nèi)容

老舊房屋在發(fā)生安全事故前，都有預(yù)兆。只有及時捕捉到預(yù)警信號，并及時采取應(yīng)對措施，方可防范安全事故的發(fā)生，以免給人民生命財產(chǎn)帶來損失。因此，在安全事故發(fā)生前予以有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是保障老舊房屋安全的重要措施。

給老舊房屋帶來安全隱患的損傷可分為4種類別[9]：一是房屋的整體形變，若房屋的整體剛度（尤其是基礎(chǔ)剛度）特別大，在房屋地基出現(xiàn)不均勻沉降或在該建筑附近有堆載重物時，容易出現(xiàn)整體傾斜;二是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，如梁板厚不足、混凝土強度低和長期變形等都可能導(dǎo)致梁板等撓度過大;鋼、木、混凝土等材料的受壓構(gòu)件也可能產(chǎn)生過大的整體或局部撓曲;三是結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接處的裂縫及破損，如混凝土梁在跨中或連續(xù)梁的支座負彎矩區(qū)段的受拉區(qū)常會產(chǎn)生垂直裂縫，在剪力作用下可能發(fā)生剪壓破壞型裂縫、斜壓破壞型裂縫或斜拉破壞型裂縫;四是建筑材料的老化、銹蝕或腐朽，如木材在潮濕環(huán)境下易腐朽、鋼材在氧化反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)作用下會產(chǎn)生銹蝕、磚石材料在長期自然條件下也會產(chǎn)生物理化學(xué)風(fēng)化、預(yù)應(yīng)力混凝土在長期荷載作用下會產(chǎn)生收縮徐變。

為了持續(xù)掌握老舊房屋安全動態(tài)、為老舊房屋的日常維護及安全隱患處理提供依據(jù)，以預(yù)防老舊房屋發(fā)生安全事故、確保老舊房屋結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全，需要對可能導(dǎo)致老舊房屋安全事故的結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷或損傷隱患進行持續(xù)監(jiān)測。

參考我國相關(guān)規(guī)范[3，10]，房屋使用期安全監(jiān)測的內(nèi)容可包括：變形與裂縫監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境及效應(yīng)監(jiān)測。變形監(jiān)測可包括基礎(chǔ)沉降監(jiān)測、結(jié)構(gòu)豎向及結(jié)構(gòu)水平變形監(jiān)測;環(huán)境及效應(yīng)監(jiān)測可包括風(fēng)及風(fēng)致響應(yīng)監(jiān)測、溫度濕度監(jiān)測、地震動及地震響應(yīng)監(jiān)測、交通監(jiān)測、沖刷監(jiān)測。

1.3 老舊房屋安全監(jiān)測研究現(xiàn)狀

20世紀50年代，安全監(jiān)測首先用于航空航天領(lǐng)域[11]。20世紀80年代，安全監(jiān)測開始在土木工程領(lǐng)域運用[12]，首先是橋梁工程領(lǐng)域，如英國Flintshire大橋、美國Michigan Street大橋、日本Akashi-Kaikyo大橋、韓國Youngjiong大橋、中國香港青馬大橋、廣東虎門大橋、江蘇潤揚長江大橋等。20世紀90年代中后期[13]，房屋建筑工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在多個國家開始運用，如意大利米亞查體育館、中國國家游泳中心、德國Lehrter火車站、中國杭州東站、北京西站、昆明南站等。但由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)較為復(fù)雜且費用不菲，所以在房屋建筑工程領(lǐng)域多用于高層、超高層建筑或大型體育場館、鐵路公路站房等公共建筑上。國內(nèi)外關(guān)于安全監(jiān)測的研究更多的是從技術(shù)角度圍繞損傷識別方法、損傷指標選擇、模態(tài)參數(shù)識別以及針對實際工程的傳感器優(yōu)化布置、測點布置等進行。

國內(nèi)外目前對于老舊房屋安全監(jiān)測的實際應(yīng)用研究還比較少，還處于探索階段。老舊建筑相對高層、超高層建筑以及大型公共建筑而言，數(shù)量眾多、建筑單體規(guī)模不大，且產(chǎn)權(quán)普遍屬于居民私人所有，若要實施安全監(jiān)測，費用需要由居民籌資，顯然可用資金極為有限。

2 老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化模型

老舊房屋居民大都經(jīng)濟上不算寬裕，無力支付大量資金用于全面的房屋安全監(jiān)測。因此，需要研究確定不同房屋安全監(jiān)測內(nèi)容的優(yōu)先順序，以確定更為經(jīng)濟高效的監(jiān)測方案極為重要。由于層次分析法在處理復(fù)雜決策問題上極具實用性和有效性，選擇采用層次分析法來建立老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化模型。

2.1 層次分析法簡介

層次分析法（AHP）是20世紀70年代由美國匹茲堡大學(xué)T.L.Saaty教授首創(chuàng)的定性與定量相結(jié)合的一種系統(tǒng)分析方法[14]。層次分析法將與決策有關(guān)的元素分解為不同層次，根據(jù)專家判斷就各層元素的相對重要性予以定量表示，并用數(shù)學(xué)方法確定出各層全部元素相對重要性次序的數(shù)值，通過對各層次的分析導(dǎo)出對整個決策問題的分析[15]。

層次分析法運用步驟[16]：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)，確定各層次各項指標內(nèi)容;②對同層元素關(guān)于上一層某準則的重要性進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣;③層次單排序并進行一致性檢驗，若一致性比例C.R.≥0.10則返回第②步;④層次總排序并進行一致性檢驗，若一致性比例C.R.≥0.10則返回第②步;⑤計算對系統(tǒng)目標的合成權(quán)重，并進行排序。

層次分析法思路清晰、操作方便，通過完善老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化的遞階層次結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)少花錢科學(xué)合理地選擇老舊房屋最優(yōu)安全監(jiān)測方案。

2.2 遞階層次結(jié)構(gòu)

為進行老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化，考慮監(jiān)測費用、房屋現(xiàn)狀等作為方案選擇的依據(jù)，建立如圖1所示遞階層次結(jié)構(gòu)。

（1）目標層：T老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)選。為老舊房屋選擇兼顧適用性與經(jīng)濟性的安全監(jiān)測方案是本研究的目標。

（2）準則層：R1監(jiān)測費用，由于老舊房屋安全監(jiān)測需要居民出資，而在老舊房屋居住的居民經(jīng)濟支付能力有限，必須特別考慮監(jiān)測費用的高低。R2結(jié)構(gòu)類型，我國老舊房屋多為磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)，少數(shù)為框架結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)類型的房屋，其破壞特點不同，因而其安全監(jiān)測內(nèi)容的重點不同。R3房齡長短，在其他因素相同的條件下，房屋建成時間越長，猶如人的年齡越大，人的身體健康狀況會越差一樣，房屋結(jié)構(gòu)性能也會自然退化，其安全風(fēng)險會越大，實施監(jiān)測的緊迫性越高，監(jiān)測內(nèi)容也會相應(yīng)有所不同。R4使用維護情況，我國國家標準GB50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》和GB50352-2019《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》規(guī)定的房屋建筑設(shè)計使用年限，是基于“正常設(shè)計、正常施工、正常使用、正常維護”條件的。雖然改革開放初期不如現(xiàn)在法律法規(guī)及技術(shù)標準健全，但總是處于國家監(jiān)管下，“正常設(shè)計、正常施工”相對來說比較有保證，但“正常使用、正常維護”就很難得到保證了。居民普遍認為房子是自己的，可以按自己的喜好使用房屋，任意拆改墻體、開鑿線槽、大面積鑿除粉刷反復(fù)多次裝修、擅自增加荷載等粗暴使用行為累見不鮮，“正常使用”大多沒有保證。房屋“正常維護”是指在使用期對房屋進行必要的檢測、防護及維修。對大多數(shù)老舊建筑來說，“正常維護”可能壓根兒就沒有。所以，房屋使用維護情況對房屋安全性影響很大，必然影響房屋安全監(jiān)測的內(nèi)容選擇。R5環(huán)境條件，不良環(huán)境對房屋損傷的形成有顯著影響。如所有建筑材料均有熱脹冷縮特性，熱脹冷縮受到約束時就會在構(gòu)件上產(chǎn)生附加的拉壓應(yīng)力;空氣中的CO2使混凝土碳化，進而使鈍化膜破壞導(dǎo)致鋼筋失去保護，在水分和氧氣侵入后產(chǎn)生銹蝕;凍融循環(huán)會對建筑基礎(chǔ)及墻體等產(chǎn)生破壞性影響;交通繁忙道路附近的建筑長期受到振動影響，相對背街小巷建筑而言，其“衰老”會更快。所以，老舊建筑所處環(huán)境，包括溫度、濕度、鄰近交通、地面雨水沖刷等條件對其安全監(jiān)測內(nèi)容選擇有明顯影響。R6監(jiān)測設(shè)備，房屋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需含有設(shè)備：傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲分析設(shè)備、人工巡檢設(shè)備和數(shù)據(jù)預(yù)警設(shè)備等，由于我國房屋安全監(jiān)測尚不成熟，市面上監(jiān)測設(shè)備并不豐富，而且監(jiān)測設(shè)備與監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)類型、監(jiān)測項目、監(jiān)測方法、監(jiān)測期長短及監(jiān)測系統(tǒng)兼容性等相關(guān)，所以老舊房屋安全監(jiān)測內(nèi)容選擇與可供選擇的監(jiān)測設(shè)備密切相關(guān)。R7技術(shù)成熟度，我國開展房屋安全監(jiān)測的時間并不長，經(jīng)驗說不上豐富，對老舊房屋進行安全監(jiān)測更應(yīng)該考慮監(jiān)測技術(shù)的成熟度，提高監(jiān)測的準確性和穩(wěn)定性。

（3）方案層：即備選監(jiān)測內(nèi)容，S1基礎(chǔ)沉降監(jiān)測;S2結(jié)構(gòu)豎向變形監(jiān)測;S3結(jié)構(gòu)水平變形監(jiān)測;S4溫度監(jiān)測;S5濕度監(jiān)測;S6交通監(jiān)測;S7風(fēng)及風(fēng)致響應(yīng)監(jiān)測;S8地震動及地震響應(yīng)監(jiān)測;S9沖刷監(jiān)測;S10人工巡視檢查。房屋安全監(jiān)測中采用儀器智能監(jiān)測可以取得實時的定量數(shù)據(jù)，可進行定量分析;以目測為主的人工巡視檢查更及時，可以起到定性和補充的作用。監(jiān)測過程最好采用儀器智能監(jiān)測與人工巡視檢查兩者互為補充、相互驗證。老舊房屋安全監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)該包括S1到S9共9項內(nèi)容，但考慮到老舊房屋安全監(jiān)測資金的有限性，有可能無力實施儀器智能監(jiān)測，只能實施人工巡視檢查一項措施，所以在方案層中單獨把人工巡視檢查作為一個方案。

2.3 優(yōu)化模型的運用

在對具體老舊建筑運用此模型進行安全監(jiān)測方案優(yōu)化前，對建筑物建造年代、結(jié)構(gòu)類型、使用條件改變情況、歷史修繕改造情況、所處環(huán)境等資料進行調(diào)查，形成書面文件。然后將這些基礎(chǔ)資料提供給有關(guān)專家，由專家按照層次分析法原理構(gòu)造判斷矩陣，然后由工作人員進行其余計算過程，最后得出針對該老舊建筑安全監(jiān)測方案優(yōu)化結(jié)果，即各監(jiān)測內(nèi)容的優(yōu)先順序。

根據(jù)可用于該老舊建筑安全監(jiān)測的資金情況，按照得出的優(yōu)先順序選擇實施監(jiān)測內(nèi)容。

3 結(jié)束語

AHP模型計算簡便、實用性強，在各大研究與應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛使用。將AHP 模型運用于對老舊房屋安全監(jiān)測方案優(yōu)化上，應(yīng)用計算機處理，會大大提高工作效率。同時，此AHP模型建立之后，業(yè)者可優(yōu)化相應(yīng)房屋安全監(jiān)測的內(nèi)容與機制，確保更少的意外發(fā)生，保證人民生命與財產(chǎn)安全，并確保老舊房屋安全監(jiān)測的經(jīng)濟性與高效性。

通過本模型并不是得出一個最佳監(jiān)測內(nèi)容的結(jié)果，而是得出各監(jiān)測內(nèi)容的優(yōu)先實施順序。方案優(yōu)先性排序并不是鼓勵相關(guān)機構(gòu)僅進行部分監(jiān)測內(nèi)容，而是在資金有限的現(xiàn)實條件下，將計算的排序考慮進相關(guān)項目房屋安全監(jiān)測的方案里。

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