老舊房屋安全監測方案優化研究

黃曉偲 施袁鋒 毛凌 楊璐羽 王默涵

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

[基金項目]四川大學大學生創新創業訓練計劃項目（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與管理。

[通信作者]施袁鋒（1980—），男，博士，副教授，主要從事結構健康監測工作。

房屋建筑是人們生活、學習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，直接關系到人民群眾的生命財產安全。結構健康監測是保證結構安全的重要手段[1]，其目的是保證建筑物的安全，所以，結構健康監測又稱為安全監測。結構健康監測是指利用現場的無損傳感技術，分析通過包括結構響應在內的結構系統特性，達到監測結構損傷或退化的一些變化[2]。房屋建筑安全監測的做法通常是通過在房屋建筑上預埋各類傳感器組成監測網絡，對結構進行實時監測、動態管理及趨勢研判，為房屋建筑的安全使用、適時維護和壽命預測提供科學依據。

房屋建筑安全監測按時間段可分為施工期間監測和使用期間監測，使用期間監測為長期實時監測[3]。因此，若對所有房屋建筑均進行全面的安全監測，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。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，恰當選擇監測內容、確定監測方案，以提高安全監測的效率和效益。

1 老舊房屋安全監測現狀

1.1 老舊房屋及其安全狀況

據統計，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年代為了盡快實現大多數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，普遍存在技術標準偏低、設計及施工不規范、各方面原因導致當時所用建筑材料質量相對較差等一系列問題，部分未被拆除延續至今，仍有居民居住，這類房屋建筑被歸為老舊房屋建筑[4]。

根據我國GB 50068-2018《建筑結構可靠度設計統一標準》和GB 50352-2019《民用建筑設計統一標準》的規定，普通房屋建筑的設計使用年限為50年，因此20世紀80、90年代修建的房屋建筑已經進入其壽命的中后期。隨著設計使用年限逐漸接近，老舊房屋的健康問題逐漸凸現出來。

老舊建筑在長期的運維過程中，無論是結構材料的幾何性能退化，還是結構構件的疲勞銹蝕，均不可避免地對結構造成損傷，隨著損傷的逐漸累積，必定影響到結構的安全使用。另外，由于自然災害（如地震、火災等）以及住房商品化后的維護使用不當（如隨意拆改）等原因，房屋結構也將不可避免地產生不同程度的損傷，造成損傷累積及抗力衰減。所以在房屋結構自然老化、自然災害和維護不當3種原因導致的損傷累積下，老舊建筑的安全性令人擔憂。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外大會村發生民房倒塌事故[7];2016年2月26日江西萍鄉市安源區新學前巷一棟房齡十幾年的房屋發生部分坍塌[8]。

1.2 老舊房屋安全監測的內容

老舊房屋在發生安全事故前，都有預兆。只有及時捕捉到預警信號，并及時采取應對措施，方可防范安全事故的發生，以免給人民生命財產帶來損失。因此，在安全事故發生前予以有效的結構健康監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（尤其是基礎剛度）特別大，在房屋地基出現不均勻沉降或在該建筑附近有堆載重物時，容易出現整體傾斜;二是結構構件的變形，如梁板厚不足、混凝土強度低和長期變形等都可能導致梁板等撓度過大;鋼、木、混凝土等材料的受壓構件也可能產生過大的整體或局部撓曲;三是結構構件和連接處的裂縫及破損，如混凝土梁在跨中或連續梁的支座負彎矩區段的受拉區常會產生垂直裂縫，在剪力作用下可能發生剪壓破壞型裂縫、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，如木材在潮濕環境下易腐朽、鋼材在氧化反應和電化學反應作用下會產生銹蝕、磚石材料在長期自然條件下也會產生物理化學風化、預應力混凝土在長期荷載作用下會產生收縮徐變。

為了持續掌握老舊房屋安全動態、為老舊房屋的日常維護及安全隱患處理提供依據，以預防老舊房屋發生安全事故、確保老舊房屋結構及周邊環境安全，需要對可能導致老舊房屋安全事故的結構構件損傷或損傷隱患進行持續監測。

參考我國相關規范[3，10]，房屋使用期安全監測的內容可包括：變形與裂縫監測、應變監測、環境及效應監測。變形監測可包括基礎沉降監測、結構豎向及結構水平變形監測;環境及效應監測可包括風及風致響應監測、溫度濕度監測、地震動及地震響應監測、交通監測、沖刷監測。

1.3 老舊房屋安全監測研究現狀

20世紀50年代，安全監測首先用于航空航天領域[11]。20世紀80年代，安全監測開始在土木工程領域運用[12]，首先是橋梁工程領域，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]，房屋建筑工程領域的結構健康監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。但由于結構健康監測系統技術較為復雜且費用不菲，所以在房屋建筑工程領域多用于高層、超高層建筑或大型體育場館、鐵路公路站房等公共建筑上。國內外關于安全監測的研究更多的是從技術角度圍繞損傷識別方法、損傷指標選擇、模態參數識別以及針對實際工程的傳感器優化布置、測點布置等進行。

國內外目前對于老舊房屋安全監測的實際應用研究還比較少，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，數量眾多、建筑單體規模不大，且產權普遍屬于居民私人所有，若要實施安全監測，費用需要由居民籌資，顯然可用資金極為有限。

2 老舊房屋安全監測方案優化模型

老舊房屋居民大都經濟上不算寬裕，無力支付大量資金用于全面的房屋安全監測。因此，需要研究確定不同房屋安全監測內容的優先順序，以確定更為經濟高效的監測方案極為重要。由于層次分析法在處理復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測方案優化模型。

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T.L.Saaty教授首創的定性與定量相結合的一種系統分析方法[14]。層次分析法將與決策有關的元素分解為不同層次，根據專家判斷就各層元素的相對重要性予以定量表示，并用數學方法確定出各層全部元素相對重要性次序的數值，通過對各層次的分析導出對整個決策問題的分析[15]。

層次分析法運用步驟[16]：①建立遞階層次結構，確定各層次各項指標內容;②對同層元素關于上一層某準則的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣;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計算對系統目標的合成權重，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測方案優化的遞階層次結構，可以實現少花錢科學合理地選擇老舊房屋最優安全監測方案。

2.2 遞階層次結構

為進行老舊房屋安全監測方案優化，考慮監測費用、房屋現狀等作為方案選擇的依據，建立如圖1所示遞階層次結構。

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

（2）準則層：R1監測費用，由于老舊房屋安全監測需要居民出資，而在老舊房屋居住的居民經濟支付能力有限，必須特別考慮監測費用的高低。R2結構類型，我國老舊房屋多為磚混結構、底框結構，少數為框架結構。不同結構類型的房屋，其破壞特點不同，因而其安全監測內容的重點不同。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，房屋結構性能也會自然退化，其安全風險會越大，實施監測的緊迫性越高，監測內容也會相應有所不同。R4使用維護情況，我國國家標準GB50068-2018《建筑結構可靠度設計統一標準》和GB50352-2019《民用建筑設計統一標準》規定的房屋建筑設計使用年限，是基于“正常設計、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在法律法規及技術標準健全，但總是處于國家監管下，“正常設計、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測的內容選擇。R5環境條件，不良環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件上產生附加的拉壓應力;空氣中的CO2使混凝土碳化，進而使鈍化膜破壞導致鋼筋失去保護，在水分和氧氣侵入后產生銹蝕;凍融循環會對建筑基礎及墻體等產生破壞性影響;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測內容選擇有明顯影響。R6監測設備，房屋結構安全監測需含有設備：傳感器、數據采集設備、數據傳輸設備、數據存儲分析設備、人工巡檢設備和數據預警設備等，由于我國房屋安全監測尚不成熟，市面上監測設備并不豐富，而且監測設備與監測對象的結構類型、監測項目、監測方法、監測期長短及監測系統兼容性等相關，所以老舊房屋安全監測內容選擇與可供選擇的監測設備密切相關。R7技術成熟度，我國開展房屋安全監測的時間并不長，經驗說不上豐富，對老舊房屋進行安全監測更應該考慮監測技術的成熟度，提高監測的準確性和穩定性。

（3）方案層：即備選監測內容，S1基礎沉降監測;S2結構豎向變形監測;S3結構水平變形監測;S4溫度監測;S5濕度監測;S6交通監測;S7風及風致響應監測;S8地震動及地震響應監測;S9沖刷監測;S10人工巡視檢查。房屋安全監測中采用儀器智能監測可以取得實時的定量數據，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。監測過程最好采用儀器智能監測與人工巡視檢查兩者互為補充、相互驗證。老舊房屋安全監測內容應該包括S1到S9共9項內容，但考慮到老舊房屋安全監測資金的有限性，有可能無力實施儀器智能監測，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 優化模型的運用

在對具體老舊建筑運用此模型進行安全監測方案優化前，對建筑物建造年代、結構類型、使用條件改變情況、歷史修繕改造情況、所處環境等資料進行調查，形成書面文件。然后將這些基礎資料提供給有關專家，由專家按照層次分析法原理構造判斷矩陣，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測方案優化結果，即各監測內容的優先順序。

根據可用于該老舊建筑安全監測的資金情況，按照得出的優先順序選擇實施監測內容。

3 結束語

AHP模型計算簡便、實用性強，在各大研究與應用領域都有廣泛使用。將AHP 模型運用于對老舊房屋安全監測方案優化上，應用計算機處理，會大大提高工作效率。同時，此AHP模型建立之后，業者可優化相應房屋安全監測的內容與機制，確保更少的意外發生，保證人民生命與財產安全，并確保老舊房屋安全監測的經濟性與高效性。

通過本模型并不是得出一個最佳監測內容的結果，而是得出各監測內容的優先實施順序。方案優先性排序并不是鼓勵相關機構僅進行部分監測內容，而是在資金有限的現實條件下，將計算的排序考慮進相關項目房屋安全監測的方案里。

參考文獻

[1] ACHENBACH J D.Structural health monitoring—What is the prescription？ [J].Mechanics Research Communications，2009，36（2）：137-142.

[2] 李宏男，高東偉，伊廷華.土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展[J].力學進展，2008（2）：151-166.

[3] 建筑與橋梁結構監測技術規范： GB50982-2014[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2014.

[4] 戴靠山，羅明艷，陳婭迪，等.老舊房屋檢測評定及健康監測技術應用[J].結構工程師，2017，33（4）：90-97.

[5] 山西臨汾飯店坍塌重大事故警示[EB/OL].搜狐網， https：//www.sohu.com/a/416116115_215003. 2020-09-02.

[6] 今天，深圳一居民樓突然倒塌！以后不要再買這種房子了！[EB/OL].搜狐網， https：//www.sohu.com/a/337129090_777433. 2019-08-28.

[7] 溫州文成縣4間民房倒塌 初步統計9人被埋[EB/OL].新華網， http：//www.xinhuanet.com/legal/2017-02/02/c_1120400330. htm. 2017-02-02.

[8] 江西萍鄉居民樓坍塌事故死亡人數增至3人 省住建廳通知立即排查整治老舊居民樓[EB/OL].新華網， http：//news.xinhuanet.com/local/2016-02/27/c_1118177617.htm. 2016-02-27.

[9] 陳志勇，黃波，潘景龍.常見的房屋損傷現象及其原因分析[J].工業建筑，2011，41（S1）：779-784.

[10] T/CECS 685-2020，房屋結構安全動態監測技術規程[S].

[11] PINES D，AKTAN A E.Status of structrual health monitoring of long-span bridges in the United States[J].Progress in Structural Engineering and Materials，2002，4（4）：372-380.

[12] CHAN T H T，YU L，TAM H Y，et al.Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge：Background and experimental observation[J].Engineering Structures，2006，28（5）：648-659.

[13] 葉琳遠. 超高層建筑結構健康監測系統技術應用[D].廣州： 華南理工大學，2018.

[14] SAATY T L. The Analytical Hierarchy Process[M].New York： McGraw Hill Inc，1980.

[15] 王蓮芬，許樹柏.層次分析法引論[M].北京：中國人民大學出版社，1990.

[16] 鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42（7）：93-100.