刘阳 刘晓 阳刚 杨芸 张郭 赵亮

摘 要：超高层建筑结构幕墙系统的健康评价可为后期整体结构健康状态的决策提供重要的参考依据，而由于长期监测的指标体系复杂，如何在实际中操作运用合适的评价方法是亟待解决的问题。文中从影响建筑幕墙系统的健康性能状态的各影响因素出发，提出基于“核心单元”和“辅助单元”的直接指标及间接指标来构建超高层建筑幕墙系统的健康状态评价层次，基于层次分析法提出了适合长期健康监测评估的决策方法，为实际工程提供参考。

关键词：超高层建筑幕墙；健康评价；影响因素；层次分析法

中图分类号：TU974 文献标志码：A 文章编号：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

建筑幕墙结构是由面板与支承结构体系组成，通常是由幕墙面板、幕墙锚固紧固件、胶黏剂、幕墙支撑体系（桁架、钢架、预应力索）等四部分组成，具有规定的承载能力、变形能力和适应主体结构位移能力，不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构[1-2]。幕墙结构在超高层结构中发挥重要的美学效果和装饰功能，是最具代表性的围护结构，已成为超高层建筑外围护结构的首选。我国玻璃幕墙的发展始于20世纪80年代，因为其具有良好的通透性、视觉效果好等优点，被广泛应用于现代超高层建筑。然而，在幕墙结构使用的同时也暴露了一些问题，例如早期幕墙行业缺乏相应标准，设计施工不够规范导致后期使用过程中出现了老化和节点松动等现象，给玻璃幕墙的安全性造成隐患；其次早期兴建的幕墙工程大部分已基本达到其设计使用年限，但是多数幕墙都没有采取任何防范措施，存在安全风险。2004年，上海市建筑幕墙检测中心对931幢玻璃幕墙建筑进行安全检查，发现存在安全隐患的数量接近10%。因此，对幕墙结构的健康性能进行评估是非常有必要的。

国内外学者非常关注玻璃幕墙结构的损伤性能状态研究。2007年，Efstathiades等基于ANN的幕墙结构的缺陷进行了识别和定位研究[3]。2010年，郝文峰采用Hilbert-Huang变换的信号分析方法，将振动传递率作为损伤识别指标应用到玻璃幕墙开胶损伤识别，并与频响函数进行了对比研究[4]。2015年，同济大学对上海中心幕墙风压进行了监测研究[5]。目前为止，国内外对既有超高层建筑玻璃幕墙的长期健康监测的评估还没有相关研究，工程实施中对幕墙围护系统的健康评估也缺乏指导性的建议。本文从“实际可操作性”和“损伤的层次性和关联性”综合给出基于层次分析法的健康性能评价标准。

2 研究方法概述

目前，综合评价方法种类繁多且发展成熟，主要有德尔菲法、灰色关联度法、模糊综合评价法、层次分析法等[6]。不同的评价方法各有优缺点，其适用范围和评价结果均有所不同，因此寻找合适的评价方法才能使评价结果更加合理。层次分析法简称AHP法，是美国Saaty教授于20世纪70年代首先提出的一种定性与定量相结合的系统分析与决策方法，是对非定量事件作定量分析的一种有效方法[7]。AHP法在分析影响因素及其内在关系的基础上，对复杂的问题采用较少的定量信息进行决策，既保证定性科学性和定量分析的精确性，又保证定性和定量两类指标综合评价的统一性。

本文提出的基于AHP的幕墙围护系统健康评价方法，基本步骤为：首先对监测结果划分评价层次，将目标层分解为若干层次，使之變为具有层次性的各个指标；其次确定底层指标的评价标准，然后确定准则层和底层各指标的权重；最后对结果进行综合评价。

3 健康性能监测指标归纳与应用

3.1 幕墙健康状态的影响因素分析

据相关研究和测试调查结果显示，对于幕墙围护系统，影响玻璃幕墙安全性能主要体现在以下几个方面：一是面板失效，如破碎、自爆、脱落、承载能力下降等；二是粘结材料失效，包括脱胶、老化、粘结强度降低；三是支承结构失效，包括紧固件的松动、破损等，易导致幕墙玻璃整体脱落[8]。从健康危害分析，面板损伤将直接导致人员和构筑物的危害；粘结材料的失效将导致面板结构的脱落，而支承结构的失效虽然会彻底造成整个幕墙结构的损伤，但是由于其藕联特性，不会连续性的破坏，因此，从重要性来看，各部件的重要性依次为面板>粘结材料>支承构件。

相应的对于各单元的损伤指标一般可以按如下过程表示：

（1）直接描述，应力应变、挠度、压力分布、拉压受力；

（2）间接描述，单元的动力特性，如振型、频率等。

3.2 评价层次的划分

本文将玻璃幕墙的监测内容，按照评价层次划分为四层：

（1）目标层（最高层）：是整个评价体系的预定目标，本文指“玻璃幕墙的监测结果的综合评价”。

（2）分目标层：是目标层的分支。根据玻璃幕墙项目的特点，将性能划分为“核心单元”和“辅助单元”两类，并作为分目标层。“核心单元”指标是指影响安全状态的标准，其偏差值有具体定量规定，一旦超过其标准，会严重影响局部甚至整体的安全状态，因此可直接判定为不合格；“辅助单元”指标是幕墙系统中起连接和固定的非功能性构件单元的指标，尽管属于辅助单元，但是其发生损伤也会造成面板丧失健康稳定条件，造成不安全的后果，因此应给出状态评价，在构建的评价指标体系中将给出相应判断标准，超过标准评分较低，规律性较好且偏差小的评分较高。

（3）准则层（中间层）：是实现目标的直接指标与间接指标，是评价局部或整体的两条线路，无论是直接还是间接，均指评断方法的过程，直接指标对应构件本身的损伤状态，间接指标在一定程度上反映了结构的状态和发展趋势，但是无法反映具体损伤的定位，一般间接指标出现问题应对照直接指标进行综合分析。

（4）底层（指标层）：是构建玻璃幕墙评价体系的基础，主要指应力应变、压力分布、位移、挠度、振型、频率等。

3.3 评价层次参数确定

由于健康监测数据属于长期监测过程，与监测数值、监测数量和监测时间相关，因此实时评价整体健康状態时其评分应与这三者相关。底层连续性监测数据指标一共包括应力应变、压力、变形、挠度、频率等5个指标，每一个指标都有其特定的监测对象和监测工况参考，其中应力应变主要针对面板、横梁立柱、粘结材料和支承构件的应力应变等；压力主要针对风荷载作用下面板的响应；变形指地震荷载下平面的变形；挠度指横梁立柱的变形；频率指幕墙单元的固有频率。

二级指标的重要性依次为面板>粘结材料>支承构件>立柱>横梁。

4 健康性能状态综合评价

4.1 构建递阶层次结构

通过对指标体系分析，建立一个由目标层、准则层和指标层组成的递阶层次模型（如表1所示）。

4.2 计算指标的层次单排序

本文采用萨蒂提出的1-9标度法构建两两判断矩阵。经过相关领域专家依据其工作及实践经验的判断决策，得到各层指标的判断矩阵。经过相关领域专家依据其工作及实践经验的判断决策，得到准则层的判断矩阵。计算剩余矩阵的权重和一致性，得到结果如表2及表3示。

表2 准则层各指标的权重及一致性检验结果

4.3 层次总排序

利用同一层次所有指标的单排序的结果，可以计算就上一层次而言，本层次所有因素重要性的权值，这就是层次总排序。

4.4 工程算例综合评价

本文以珠海十字门标志性塔楼幕墙工程为对象进行综合评价分析。该工程地上建筑面积146836平方米，幕墙面积约5.7万平方米，主体建筑高度最高点328.8米。幕墙类型包括单元式玻璃幕墙、设备层开放单元式玻璃幕墙、拉杆幕墙、石材陶板幕墙以及入口雨篷等。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g；设计地震分组：第一组。如图1所示，为结构整体效果图。本工程地处沿海，受风荷载影响较大。选取其中局部作为研究对象，采用三层玻璃幕墙进行数值模拟，层高3m，单元板块的尺寸为1×3m。

假定对单元板块的幕墙结构进行健康监测，测得数值分别为：面板拉应力约为预警值的60%，粘结材料约为预警值的50%，支承构件约为预警值的50%，横梁立柱约为预警值的65%，压力值为3kPa，平面内变形约为预警值的50%，横梁立柱挠度约为预警值的70%，约为初始值的92%。本文将每个指标以预警值为基准划分，应力应变、变形、挠度评分如表4所示，压力指标分级如表5所示，频率指标分级如表6所示，整体分级如表7所示。

通过专家打分的方法对评价对象针对各个指标进行评价打分。按照单排序计算值，再根据评价对象指标的评分值选择线性加权的方法对指标做综合评价，具体公式如下所示：

Y=（IjRj）Wi （1）

式中，Y为综合评价得分，Ij表示评价对象对应指标j的评分值，Rj表示指标j的单排序。

利用线性加权的方法对不同模式进行评价，得到最终评价结果如表8所示。

由表8可知，该榀幕墙构件的整体评价结果为93.4304，属于较好水平。

5 结论与建议

针对现行规范缺乏对超高层幕墙结构系统的健康管理评价体系的要求，很难对幕墙等重要的围护系统进行健康决策，因此本文根据玻璃幕墙项目的特点，将性能划分为“核心单元”和“辅助单元”两类，并作为分目标层。从长期监测指标的关联性和损伤的重要性，考虑实现目标的直接指标与间接指标，综合考察应力应变、压力分布、位移、挠度、振型、频率等指标的数值情况，利用层次分析法建立了超高层建筑幕墙结构的健康评价体系。由于各指标对于幕墙围护结构系统的健康影响情况的局限性，未来可以针对大量的实际工程模型给出各指标的权重。

参考文献：

[1]GB/T21086-2007.建筑幕墙[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2]DG/TJ08-803-2005.玻璃幕墙安全性能检测评估技术规程[S].北京：中国标准出版社，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变换和振动传递率的玻璃幕墙开胶损伤识别研究[D].江苏大学，2010.

[5]罗婷，刘涛，杨彬，等.上海中心幕墙风压监测测点布点研究[A].全国现代结构工程学术研讨会[C].2015.

[6]徐俊，刘娜.层次分析法的基本思想与实际应用[J].情报探索，2008（12）：113-115.

[7]郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008，18（5）：148-153.

[8]刘小根.玻璃幕墙安全性能评估及其面板失效检测技术[D].中国建筑材料科学研究总院，2010.