超高層建筑幕墻系統健康監測綜合評估研究

劉陽 劉曉 陽剛 楊蕓 張郭 趙亮

摘 要：超高層建筑結構幕墻系統的健康評價可為后期整體結構健康狀態的決策提供重要的參考依據，而由于長期監測的指標體系復雜，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的健康性能狀態的各影響因素出發，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建超高層建筑幕墻系統的健康狀態評價層次，基于層次分析法提出了適合長期健康監測評估的決策方法，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

建筑幕墻結構是由面板與支承結構體系組成，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，具有規定的承載能力、變形能力和適應主體結構位移能力，不分擔主體結構所受作用的建筑外圍護結構或裝飾性結構[1-2]。幕墻結構在超高層結構中發揮重要的美學效果和裝飾功能，是最具代表性的圍護結構，已成為超高層建筑外圍護結構的首選。我國玻璃幕墻的發展始于20世紀80年代，因為其具有良好的通透性、視覺效果好等優點，被廣泛應用于現代超高層建筑。然而，在幕墻結構使用的同時也暴露了一些問題，例如早期幕墻行業缺乏相應標準，設計施工不夠規范導致后期使用過程中出現了老化和節點松動等現象，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，發現存在安全隱患的數量接近10%。因此，對幕墻結構的健康性能進行評估是非常有必要的。

國內外學者非常關注玻璃幕墻結構的損傷性能狀態研究。2007年，Efstathiades等基于ANN的幕墻結構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測研究[5]。目前為止，國內外對既有超高層建筑玻璃幕墻的長期健康監測的評估還沒有相關研究，工程實施中對幕墻圍護系統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展成熟，主要有德爾菲法、灰色關聯度法、模糊綜合評價法、層次分析法等[6]。不同的評價方法各有優缺點，其適用范圍和評價結果均有所不同，因此尋找合適的評價方法才能使評價結果更加合理。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合的系統分析與決策方法，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一性。

本文提出的基于AHP的幕墻圍護系統健康評價方法，基本步驟為：首先對監測結果劃分評價層次，將目標層分解為若干層次，使之變為具有層次性的各個指標；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重；最后對結果進行綜合評價。

3 健康性能監測指標歸納與應用

3.1 幕墻健康狀態的影響因素分析

據相關研究和測試調查結果顯示，對于幕墻圍護系統，影響玻璃幕墻安全性能主要體現在以下幾個方面：一是面板失效，如破碎、自爆、脫落、承載能力下降等；二是粘結材料失效，包括脫膠、老化、粘結強度降低；三是支承結構失效，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筑物的危害；粘結材料的失效將導致面板結構的脫落，而支承結構的失效雖然會徹底造成整個幕墻結構的損傷，但是由于其藕聯特性，不會連續性的破壞，因此，從重要性來看，各部件的重要性依次為面板>粘結材料>支承構件。

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測內容，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“玻璃幕墻的監測結果的綜合評價”。

（2）分目標層：是目標層的分支。根據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。“核心單元”指標是指影響安全狀態的標準，其偏差值有具體定量規定，一旦超過其標準，會嚴重影響局部甚至整體的安全狀態，因此可直接判定為不合格；“輔助單元”指標是幕墻系統中起連接和固定的非功能性構件單元的指標，盡管屬于輔助單元，但是其發生損傷也會造成面板喪失健康穩定條件，造成不安全的后果，因此應給出狀態評價，在構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，規律性較好且偏差小的評分較高。

（3）準則層（中間層）：是實現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，直接指標對應構件本身的損傷狀態，間接指標在一定程度上反映了結構的狀態和發展趨勢，但是無法反映具體損傷的定位，一般間接指標出現問題應對照直接指標進行綜合分析。

（4）底層（指標層）：是構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 評價層次參數確定

由于健康監測數據屬于長期監測過程，與監測數值、監測數量和監測時間相關，因此實時評價整體健康狀態時其評分應與這三者相關。底層連續性監測數據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測對象和監測工況參考，其中應力應變主要針對面板、橫梁立柱、粘結材料和支承構件的應力應變等；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>粘結材料>支承構件>立柱>橫梁。

4 健康性能狀態綜合評價

4.1 構建遞階層次結構

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標度法構建兩兩判斷矩陣。經過相關領域專家依據其工作及實踐經驗的判斷決策，得到各層指標的判斷矩陣。經過相關領域專家依據其工作及實踐經驗的判斷決策，得到準則層的判斷矩陣。計算剩余矩陣的權重和一致性，得到結果如表2及表3示。

表2 準則層各指標的權重及一致性檢驗結果

4.3 層次總排序

利用同一層次所有指標的單排序的結果，可以計算就上一層次而言，本層次所有因素重要性的權值，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，為結構整體效果圖。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構進行健康監測，測得數值分別為：面板拉應力約為預警值的60%，粘結材料約為預警值的50%，支承構件約為預警值的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，再根據評價對象指標的評分值選擇線性加權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。

利用線性加權的方法對不同模式進行評價，得到最終評價結果如表8所示。

由表8可知，該榀幕墻構件的整體評價結果為93.4304，屬于較好水平。

5 結論與建議

針對現行規范缺乏對超高層幕墻結構系統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進行健康決策，因此本文根據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。從長期監測指標的關聯性和損傷的重要性，考慮實現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、頻率等指標的數值情況，利用層次分析法建立了超高層建筑幕墻結構的健康評價體系。由于各指標對于幕墻圍護結構系統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重。

參考文獻：

[1]GB/T21086-2007.建筑幕墻[S].北京：中國標準出版社，2007.

[2]DG/TJ08-803-2005.玻璃幕墻安全性能檢測評估技術規程[S].北京：中國標準出版社，2005.

[3]Efstathiades C， Baniotopoulos C C， Nazarko P， et al. Application of neural networks for the structural health monitoring in curtain-wall systems[J].Engineering Structures，

2007，29（12）：3475-3484.

[4]郝文峰.基于Hilbert-Huang變換和振動傳遞率的玻璃幕墻開膠損傷識別研究[D].江蘇大學，2010.

[5]羅婷，劉濤，楊彬，等.上海中心幕墻風壓監測測點布點研究[A].全國現代結構工程學術研討會[C].2015.

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