劉陽(yáng) 劉曉 陽(yáng)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(píng)價(jià)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的指標(biāo)體系復(fù)雜，如何在實(shí)際中操作運(yùn)用合適的評(píng)價(jià)方法是亟待解決的問(wèn)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(biāo)及間接指標(biāo)來(lái)構(gòu)建超高層建筑幕墻系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)層次，基于層次分析法提出了適合長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)評(píng)估的決策方法，為實(shí)際工程提供參考。

關(guān)鍵詞：超高層建筑幕墻；健康評(píng)價(jià)；影響因素；層次分析法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU974 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(yù)應(yīng)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(yīng)主體結(jié)構(gòu)位移能力，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)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(xué)效果和裝飾功能，是最具代表性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已成為超高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的首選。我國(guó)玻璃幕墻的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，因?yàn)槠渚哂辛己玫耐ㄍ感浴⒁曈X(jué)效果好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代超高層建筑。然而，在幕墻結(jié)構(gòu)使用的同時(shí)也暴露了一些問(wèn)題，例如早期幕墻行業(yè)缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)施工不夠規(guī)范導(dǎo)致后期使用過(guò)程中出現(xiàn)了老化和節(jié)點(diǎn)松動(dòng)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(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限，但是多數(shù)幕墻都沒(méi)有采取任何防范措施，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。2004年，上海市建筑幕墻檢測(cè)中心對(duì)931幢玻璃幕墻建筑進(jìn)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(duì)幕墻結(jié)構(gòu)的健康性能進(jìn)行評(píng)估是非常有必要的。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)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(jìn)行了識(shí)別和定位研究[3]。2010年，郝文峰采用Hilbert-Huang變換的信號(hào)分析方法，將振動(dòng)傳遞率作為損傷識(shí)別指標(biāo)應(yīng)用到玻璃幕墻開(kāi)膠損傷識(shí)別，并與頻響函數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究[4]。2015年，同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海中心幕墻風(fēng)壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究[5]。目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)既有超高層建筑玻璃幕墻的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的評(píng)估還沒(méi)有相關(guān)研究，工程實(shí)施中對(duì)幕墻圍護(hù)系統(tǒng)的健康評(píng)估也缺乏指導(dǎo)性的建議。本文從“實(shí)際可操作性”和“損傷的層次性和關(guān)聯(lián)性”綜合給出基于層次分析法的健康性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究方法概述

目前，綜合評(píng)價(jià)方法種類(lèi)繁多且發(fā)展成熟，主要有德?tīng)柗品?、灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法等[6]。不同的評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其適用范圍和評(píng)價(jià)結(jié)果均有所不同，因此尋找合適的評(píng)價(jià)方法才能使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理。層次分析法簡(jiǎn)稱(chēng)AHP法，是美國(guó)Saaty教授于20世紀(jì)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(duì)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(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題采用較少的定量信息進(jìn)行決策，既保證定性科學(xué)性和定量分析的精確性，又保證定性和定量?jī)深?lèi)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的統(tǒng)一性。

本文提出的基于AHP的幕墻圍護(hù)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法，基本步驟為：首先對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果劃分評(píng)價(jià)層次，將目標(biāo)層分解為若干層次，使之變?yōu)榫哂袑哟涡缘母鱾€(gè)指標(biāo)；其次確定底層指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后確定準(zhǔn)則層和底層各指標(biāo)的權(quán)重；最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 健康性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)歸納與應(yīng)用

3.1 幕墻健康狀態(tài)的影響因素分析

據(jù)相關(guān)研究和測(cè)試調(diào)查結(jié)果顯示，對(duì)于幕墻圍護(hù)系統(tǒng)，影響玻璃幕墻安全性能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(qiáng)度降低；三是支承結(jié)構(gòu)失效，包括緊固件的松動(dòng)、破損等，易導(dǎo)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(dǎo)致人員和構(gòu)筑物的危害；粘結(jié)材料的失效將導(dǎo)致面板結(jié)構(gòu)的脫落，而支承結(jié)構(gòu)的失效雖然會(huì)徹底造成整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)的損傷，但是由于其藕聯(lián)特性，不會(huì)連續(xù)性的破壞，因此，從重要性來(lái)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(yīng)的對(duì)于各單元的損傷指標(biāo)一般可以按如下過(guò)程表示：

（1）直接描述，應(yīng)力應(yīng)變、撓度、壓力分布、拉壓受力；

（2）間接描述，單元的動(dòng)力特性，如振型、頻率等。

3.2 評(píng)價(jià)層次的劃分

本文將玻璃幕墻的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，按照評(píng)價(jià)層次劃分為四層：

（1）目標(biāo)層（最高層）：是整個(gè)評(píng)價(jià)體系的預(yù)定目標(biāo)，本文指“玻璃幕墻的監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)”。

（2）分目標(biāo)層：是目標(biāo)層的分支。根據(jù)玻璃幕墻項(xiàng)目的特點(diǎn)，將性能劃分為“核心單元”和“輔助單元”兩類(lèi)，并作為分目標(biāo)層?！昂诵膯卧敝笜?biāo)是指影響安全狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，其偏差值有具體定量規(guī)定，一旦超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)嚴(yán)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(biāo)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(biāo)，盡管屬于輔助單元，但是其發(fā)生損傷也會(huì)造成面板喪失健康穩(wěn)定條件，造成不安全的后果，因此應(yīng)給出狀態(tài)評(píng)價(jià)，在構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中將給出相應(yīng)判斷標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分較低，規(guī)律性較好且偏差小的評(píng)分較高。

（3）準(zhǔn)則層（中間層）：是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的直接指標(biāo)與間接指標(biāo)，是評(píng)價(jià)局部或整體的兩條線(xiàn)路，無(wú)論是直接還是間接，均指評(píng)斷方法的過(guò)程，直接指標(biāo)對(duì)應(yīng)構(gòu)件本身的損傷狀態(tài)，間接指標(biāo)在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，但是無(wú)法反映具體損傷的定位，一般間接指標(biāo)出現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)對(duì)照直接指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。

（4）底層（指標(biāo)層）：是構(gòu)建玻璃幕墻評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)，主要指應(yīng)力應(yīng)變、壓力分布、位移、撓度、振型、頻率等。

3.3 評(píng)價(jià)層次參數(shù)確定

由于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程，與監(jiān)測(cè)數(shù)值、監(jiān)測(cè)數(shù)量和監(jiān)測(cè)時(shí)間相關(guān)，因此實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)整體健康狀態(tài)時(shí)其評(píng)分應(yīng)與這三者相關(guān)。底層連續(xù)性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)一共包括應(yīng)力應(yīng)變、壓力、變形、撓度、頻率等5個(gè)指標(biāo)，每一個(gè)指標(biāo)都有其特定的監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)工況參考，其中應(yīng)力應(yīng)變主要針對(duì)面板、橫梁立柱、粘結(jié)材料和支承構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變等；壓力主要針對(duì)風(fēng)荷載作用下面板的響應(yīng)；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(jí)指標(biāo)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(píng)價(jià)

4.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)指標(biāo)體系分析，建立一個(gè)由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層組成的遞階層次模型（如表1所示）。

4.2 計(jì)算指標(biāo)的層次單排序

本文采用薩蒂提出的1-9標(biāo)度法構(gòu)建兩兩判斷矩陣。經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙罁?jù)其工作及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷決策，得到各層指標(biāo)的判斷矩陣。經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙罁?jù)其工作及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷決策，得到準(zhǔn)則層的判斷矩陣。計(jì)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(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重及一致性檢驗(yàn)結(jié)果

4.3 層次總排序

利用同一層次所有指標(biāo)的單排序的結(jié)果，可以計(jì)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(píng)價(jià)

本文以珠海十字門(mén)標(biāo)志性塔樓幕墻工程為對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。該工程地上建筑面積146836平方米，幕墻面積約5.7萬(wàn)平方米，主體建筑高度最高點(diǎn)328.8米。幕墻類(lèi)型包括單元式玻璃幕墻、設(shè)備層開(kāi)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(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g；設(shè)計(jì)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(fēng)荷載影響較大。選取其中局部作為研究對(duì)象，采用三層玻璃幕墻進(jìn)行數(shù)值模擬，層高3m，單元板塊的尺寸為1×3m。

假定對(duì)單元板塊的幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，測(cè)得數(shù)值分別為：面板拉應(yīng)力約為預(yù)警值的60%，粘結(jié)材料約為預(yù)警值的50%，支承構(gòu)件約為預(yù)警值的50%，橫梁立柱約為預(yù)警值的65%，壓力值為3kPa，平面內(nèi)變形約為預(yù)警值的50%，橫梁立柱撓度約為預(yù)警值的70%，約為初始值的92%。本文將每個(gè)指標(biāo)以預(yù)警值為基準(zhǔn)劃分，應(yīng)力應(yīng)變、變形、撓度評(píng)分如表4所示，壓力指標(biāo)分級(jí)如表5所示，頻率指標(biāo)分級(jí)如表6所示，整體分級(jí)如表7所示。

通過(guò)專(zhuān)家打分的方法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象針對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。按照單排序計(jì)算值，再根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)的評(píng)分值選擇線(xiàn)性加權(quán)的方法對(duì)指標(biāo)做綜合評(píng)價(jià)，具體公式如下所示：

Y=（IjRj）Wi （1）

式中，Y為綜合評(píng)價(jià)得分，Ij表示評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)指標(biāo)j的評(píng)分值，Rj表示指標(biāo)j的單排序。

利用線(xiàn)性加權(quán)的方法對(duì)不同模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

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

5 結(jié)論與建議

針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范缺乏對(duì)超高層幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康管理評(píng)價(jià)體系的要求，很難對(duì)幕墻等重要的圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行健康決策，因此本文根據(jù)玻璃幕墻項(xiàng)目的特點(diǎn)，將性能劃分為“核心單元”和“輔助單元”兩類(lèi)，并作為分目標(biāo)層。從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性和損傷的重要性，考慮實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的直接指標(biāo)與間接指標(biāo)，綜合考察應(yīng)力應(yīng)變、壓力分布、位移、撓度、振型、頻率等指標(biāo)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(píng)價(jià)體系。由于各指標(biāo)對(duì)于幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康影響情況的局限性，未來(lái)可以針對(duì)大量的實(shí)際工程模型給出各指標(biāo)的權(quán)重。

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