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(shí)施安全監(jiān)測(cè)是必要的，但鑒于全面監(jiān)測(cè)費(fèi)用過(guò)高，實(shí)施全面的安全監(jiān)測(cè)實(shí)際上不可能。考慮老舊房屋安全監(jiān)測(cè)資金來(lái)源不足的客觀現(xiàn)實(shí)，運(yùn)用層次分析法原理建立了一個(gè)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的老舊房屋安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化模型。根據(jù)模型得出的老舊房屋安全監(jiān)測(cè)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(cè)的具體方案。

[基金項(xiàng)目]四川大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110610193）

[作者簡(jiǎn)介]黃曉偲（2001—），女，本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ碳夹g(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(cè)工作。

房屋建筑是人們生活、學(xué)習(xí)和工作等活動(dòng)的重要場(chǎng)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(cái)產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)又稱為安全監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，分析通過(guò)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化[2]。房屋建筑安全監(jiān)測(cè)的做法通常是通過(guò)在房屋建筑上預(yù)埋各類(lèi)傳感器組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)管理及趨勢(shì)研判，為房屋建筑的安全使用、適時(shí)維護(hù)和壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

房屋建筑安全監(jiān)測(cè)按時(shí)間段可分為施工期間監(jiān)測(cè)和使用期間監(jiān)測(cè)，使用期間監(jiān)測(cè)為長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。因此，若對(duì)所有房屋建筑均進(jìn)行全面的安全監(jiān)測(cè)，工作量無(wú)疑巨大，所需資金也大。尤其是對(duì)既有建筑，可以說(shuō)是一項(xiàng)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(cè)內(nèi)容、確定監(jiān)測(cè)方案，以提高安全監(jiān)測(cè)的效率和效益。

1 老舊房屋安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

1.1 老舊房屋及其安全狀況

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

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

老舊建筑在長(zhǎng)期的運(yùn)維過(guò)程中，無(wú)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(duì)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(hù)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(hù)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(lái)，媒體報(bào)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(huì)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(cè)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(shí)捕捉到預(yù)警信號(hào)，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，方可防范安全事故的發(fā)生，以免給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)?yè)p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(cè)是保障老舊房屋安全的重要措施。

給老舊房屋帶來(lái)安全隱患的損傷可分為4種類(lèi)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(shí)，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(qiáng)度低和長(zhǎng)期變形等都可能導(dǎo)致梁板等撓度過(guò)大;鋼、木、混凝土等材料的受壓構(gòu)件也可能產(chǎn)生過(guò)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(fù)彎矩區(qū)段的受拉區(qū)常會(huì)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(huì)產(chǎn)生銹蝕、磚石材料在長(zhǎng)期自然條件下也會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)風(fēng)化、預(yù)應(yīng)力混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下會(huì)產(chǎn)生收縮徐變。

為了持續(xù)掌握老舊房屋安全動(dòng)態(tài)、為老舊房屋的日常維護(hù)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(duì)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(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

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

1.3 老舊房屋安全監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，安全監(jiān)測(cè)首先用于航空航天領(lǐng)域[11]。20世紀(jì)80年代，安全監(jiān)測(cè)開(kāi)始在土木工程領(lǐng)域運(yùn)用[12]，首先是橋梁工程領(lǐng)域，如英國(guó)Flintshire大橋、美國(guó)Michigan Street大橋、日本Akashi-Kaikyo大橋、韓國(guó)Youngjiong大橋、中國(guó)香港青馬大橋、廣東虎門(mén)大橋、江蘇潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋等。20世紀(jì)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(cè)在多個(gè)國(guó)家開(kāi)始運(yùn)用，如意大利米亞查體育館、中國(guó)國(guó)家游泳中心、德國(guó)Lehrter火車(chē)站、中國(guó)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(cè)系統(tǒng)技術(shù)較為復(fù)雜且費(fèi)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(chǎng)館、鐵路公路站房等公共建筑上。國(guó)內(nèi)外關(guān)于安全監(jiān)測(cè)的研究更多的是從技術(shù)角度圍繞損傷識(shí)別方法、損傷指標(biāo)選擇、模態(tài)參數(shù)識(shí)別以及針對(duì)實(shí)際工程的傳感器優(yōu)化布置、測(cè)點(diǎn)布置等進(jìn)行。

國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于老舊房屋安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用研究還比較少，還處于探索階段。老舊建筑相對(duì)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(shí)施安全監(jiān)測(cè)，費(fèi)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(cè)方案優(yōu)化模型

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

2.1 層次分析法簡(jiǎn)介

層次分析法（AHP）是20世紀(jì)70年代由美國(guó)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(zhuān)家判斷就各層元素的相對(duì)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(duì)重要性次序的數(shù)值，通過(guò)對(duì)各層次的分析導(dǎo)出對(duì)整個(gè)決策問(wèn)題的分析[15]。

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

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

2.2 遞階層次結(jié)構(gòu)

為進(jìn)行老舊房屋安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化，考慮監(jiān)測(cè)費(fèi)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(biāo)層：T老舊房屋安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)選。為老舊房屋選擇兼顧適用性與經(jīng)濟(jì)性的安全監(jiān)測(cè)方案是本研究的目標(biāo)。

（2）準(zhǔn)則層：R1監(jiān)測(cè)費(fèi)用，由于老舊房屋安全監(jiān)測(cè)需要居民出資，而在老舊房屋居住的居民經(jīng)濟(jì)支付能力有限，必須特別考慮監(jiān)測(cè)費(fèi)用的高低。R2結(jié)構(gòu)類(lèi)型，我國(guó)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(lèi)型的房屋，其破壞特點(diǎn)不同，因而其安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容的重點(diǎn)不同。R3房齡長(zhǎng)短，在其他因素相同的條件下，房屋建成時(shí)間越長(zhǎng)，猶如人的年齡越大，人的身體健康狀況會(huì)越差一樣，房屋結(jié)構(gòu)性能也會(huì)自然退化，其安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)越大，實(shí)施監(jiān)測(cè)的緊迫性越高，監(jiān)測(cè)內(nèi)容也會(huì)相應(yīng)有所不同。R4使用維護(hù)情況，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和GB50352-2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的房屋建筑設(shè)計(jì)使用年限，是基于“正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用、正常維護(hù)”條件的。雖然改革開(kāi)放初期不如現(xiàn)在法律法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)健全，但總是處于國(guó)家監(jiān)管下，“正常設(shè)計(jì)、正常施工”相對(duì)來(lái)說(shuō)比較有保證，但“正常使用、正常維護(hù)”就很難得到保證了。居民普遍認(rèn)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(kāi)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(jiàn)不鮮，“正常使用”大多沒(méi)有保證。房屋“正常維護(hù)”是指在使用期對(duì)房屋進(jìn)行必要的檢測(cè)、防護(hù)及維修。對(duì)大多數(shù)老舊建筑來(lái)說(shuō)，“正常維護(hù)”可能壓根兒就沒(méi)有。所以，房屋使用維護(hù)情況對(duì)房屋安全性影響很大，必然影響房屋安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容選擇。R5環(huán)境條件，不良環(huán)境對(duì)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(shí)就會(huì)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(jìn)而使鈍化膜破壞導(dǎo)致鋼筋失去保護(hù)，在水分和氧氣侵入后產(chǎn)生銹蝕;凍融循環(huán)會(huì)對(duì)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(zhǎng)期受到振動(dòng)影響，相對(duì)背街小巷建筑而言，其“衰老”會(huì)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(duì)其安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇有明顯影響。R6監(jiān)測(cè)設(shè)備，房屋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(guó)房屋安全監(jiān)測(cè)尚不成熟，市面上監(jiān)測(cè)設(shè)備并不豐富，而且監(jiān)測(cè)設(shè)備與監(jiān)測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)期長(zhǎng)短及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兼容性等相關(guān)，所以老舊房屋安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇與可供選擇的監(jiān)測(cè)設(shè)備密切相關(guān)。R7技術(shù)成熟度，我國(guó)開(kāi)展房屋安全監(jiān)測(cè)的時(shí)間并不長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)說(shuō)不上豐富，對(duì)老舊房屋進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)更應(yīng)該考慮監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟度，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

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

2.3 優(yōu)化模型的運(yùn)用

在對(duì)具體老舊建筑運(yùn)用此模型進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化前，對(duì)建筑物建造年代、結(jié)構(gòu)類(lèi)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(jìn)行調(diào)查，形成書(shū)面文件。然后將這些基礎(chǔ)資料提供給有關(guān)專(zhuān)家，由專(zhuān)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(jìn)行其余計(jì)算過(guò)程，最后得出針對(duì)該老舊建筑安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化結(jié)果，即各監(jiān)測(cè)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(cè)的資金情況，按照得出的優(yōu)先順序選擇實(shí)施監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

3 結(jié)束語(yǔ)

AHP模型計(jì)算簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)，在各大研究與應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛使用。將AHP 模型運(yùn)用于對(duì)老舊房屋安全監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理，會(huì)大大提高工作效率。同時(shí)，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(cè)的內(nèi)容與機(jī)制，確保更少的意外發(fā)生，保證人民生命與財(cái)產(chǎn)安全，并確保老舊房屋安全監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性與高效性。

通過(guò)本模型并不是得出一個(gè)最佳監(jiān)測(cè)內(nèi)容的結(jié)果，而是得出各監(jiān)測(cè)內(nèi)容的優(yōu)先實(shí)施順序。方案優(yōu)先性排序并不是鼓勵(lì)相關(guān)機(jī)構(gòu)僅進(jìn)行部分監(jiān)測(cè)內(nèi)容，而是在資金有限的現(xiàn)實(shí)條件下，將計(jì)算的排序考慮進(jìn)相關(guān)項(xiàng)目房屋安全監(jiān)測(cè)的方案里。

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