老旧房屋安全监测方案优化研究

黄晓偲 施袁锋 毛凌 杨璐羽 王默涵

摘要：老旧房屋的安全现状不理想，为了保证老旧房屋的安全，实施安全监测是必要的，但鉴于全面监测费用过高，实施全面的安全监测实际上不可能。考虑老旧房屋安全监测资金来源不足的客观现实，运用层次分析法原理建立了一个技术与经济相结合的老旧房屋安全监测方案优化模型。根据模型得出的老旧房屋安全监测内容优先排序，结合可用资金额，即可得出老旧房屋安全监测的具体方案。

[基金项目]四川大学大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110610193）

[作者简介]黄晓偲（2001—），女，本科，研究方向为土木工程技术与管理。

[通信作者]施袁锋（1980—），男，博士，副教授，主要从事结构健康监测工作。

房屋建筑是人们生活、学习和工作等活动的重要场所，房屋建筑的“健康”状况直接影响到房屋建筑的安全性，直接关系到人民群众的生命财产安全。结构健康监测是保证结构安全的重要手段[1]，其目的是保证建筑物的安全，所以，结构健康监测又称为安全监测。结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，分析通过包括结构响应在内的结构系统特性，达到监测结构损伤或退化的一些变化[2]。房屋建筑安全监测的做法通常是通过在房屋建筑上预埋各类传感器组成监测网络，对结构进行实时监测、动态管理及趋势研判，为房屋建筑的安全使用、适时维护和寿命预测提供科学依据。

房屋建筑安全监测按时间段可分为施工期间监测和使用期间监测，使用期间监测为长期实时监测[3]。因此，若对所有房屋建筑均进行全面的安全监测，工作量无疑巨大，所需资金也大。尤其是对既有建筑，可以说是一项不可能完成的任务。因此，有必要研究如何在资源有限（主要是资金限制）的情况下，恰当选择监测内容、确定监测方案，以提高安全监测的效率和效益。

1 老旧房屋安全监测现状

1.1 老旧房屋及其安全状况

据统计，我国既有房屋建筑面积已达560×108 m2左右，其中有很大一部分房屋建筑是改革开放初期的20世纪80、90年代为了尽快实现大多数居民的住房梦而修建的，有些建筑的修建时间还更早。这些建筑房龄较长，普遍存在技术标准偏低、设计及施工不规范、各方面原因导致当时所用建筑材料质量相对较差等一系列问题，部分未被拆除延续至今，仍有居民居住，这类房屋建筑被归为老旧房屋建筑[4]。

根据我国GB 50068-2018《建筑结构可靠度设计统一标准》和GB 50352-2019《民用建筑设计统一标准》的规定，普通房屋建筑的设计使用年限为50年，因此20世纪80、90年代修建的房屋建筑已经进入其寿命的中后期。随着设计使用年限逐渐接近，老旧房屋的健康问题逐渐凸现出来。

老旧建筑在长期的运维过程中，无论是结构材料的几何性能退化，还是结构构件的疲劳锈蚀，均不可避免地对结构造成损伤，随着损伤的逐渐累积，必定影响到结构的安全使用。另外，由于自然灾害（如地震、火灾等）以及住房商品化后的维护使用不当（如随意拆改）等原因，房屋结构也将不可避免地产生不同程度的损伤，造成损伤累积及抗力衰减。所以在房屋结构自然老化、自然灾害和维护不当3种原因导致的损伤累积下，老旧建筑的安全性令人担忧。近年来，媒体报道的老旧建筑安全事故较多：2020年8月29日，山西襄汾县1982年建成的一饭店倒塌[5];2019年8月28日，深圳市羅湖区1985年建成的和平新居一栋6层居民楼楼体倒塌[6];2017年2月2日温州市文成县百丈漈镇外大会村发生民房倒塌事故[7];2016年2月26日江西萍乡市安源区新学前巷一栋房龄十几年的房屋发生部分坍塌[8]。

1.2 老旧房屋安全监测的内容

老旧房屋在发生安全事故前，都有预兆。只有及时捕捉到预警信号，并及时采取应对措施，方可防范安全事故的发生，以免给人民生命财产带来损失。因此，在安全事故发生前予以有效的结构健康监测是保障老旧房屋安全的重要措施。

给老旧房屋带来安全隐患的损伤可分为4种类别[9]：一是房屋的整体形变，若房屋的整体刚度（尤其是基础刚度）特别大，在房屋地基出现不均匀沉降或在该建筑附近有堆载重物时，容易出现整体倾斜;二是结构构件的变形，如梁板厚不足、混凝土强度低和长期变形等都可能导致梁板等挠度过大;钢、木、混凝土等材料的受压构件也可能产生过大的整体或局部挠曲;三是结构构件和连接处的裂缝及破损，如混凝土梁在跨中或连续梁的支座负弯矩区段的受拉区常会产生垂直裂缝，在剪力作用下可能发生剪压破坏型裂缝、斜压破坏型裂缝或斜拉破坏型裂缝;四是建筑材料的老化、锈蚀或腐朽，如木材在潮湿环境下易腐朽、钢材在氧化反应和电化学反应作用下会产生锈蚀、砖石材料在长期自然条件下也会产生物理化学风化、预应力混凝土在长期荷载作用下会产生收缩徐变。

为了持续掌握老旧房屋安全动态、为老旧房屋的日常维护及安全隐患处理提供依据，以预防老旧房屋发生安全事故、确保老旧房屋结构及周边环境安全，需要对可能导致老旧房屋安全事故的结构构件损伤或损伤隐患进行持续监测。

参考我国相关规范[3，10]，房屋使用期安全监测的内容可包括：变形与裂缝监测、应变监测、环境及效应监测。变形监测可包括基础沉降监测、结构竖向及结构水平变形监测;环境及效应监测可包括风及风致响应监测、温度湿度监测、地震动及地震响应监测、交通监测、冲刷监测。

1.3 老旧房屋安全监测研究现状

20世纪50年代，安全监测首先用于航空航天领域[11]。20世纪80年代，安全监测开始在土木工程领域运用[12]，首先是桥梁工程领域，如英国Flintshire大桥、美国Michigan Street大桥、日本Akashi-Kaikyo大桥、韩国Youngjiong大桥、中国香港青马大桥、广东虎门大桥、江苏润扬长江大桥等。20世纪90年代中后期[13]，房屋建筑工程领域的结构健康监测在多个国家开始运用，如意大利米亚查体育馆、中国国家游泳中心、德国Lehrter火车站、中国杭州东站、北京西站、昆明南站等。但由于结构健康监测系统技术较为复杂且费用不菲，所以在房屋建筑工程领域多用于高层、超高层建筑或大型体育场馆、铁路公路站房等公共建筑上。国内外关于安全监测的研究更多的是从技术角度围绕损伤识别方法、损伤指标选择、模态参数识别以及针对实际工程的传感器优化布置、测点布置等进行。

国内外目前对于老旧房屋安全监测的实际应用研究还比较少，还处于探索阶段。老旧建筑相对高层、超高层建筑以及大型公共建筑而言，数量众多、建筑单体规模不大，且产权普遍属于居民私人所有，若要实施安全监测，费用需要由居民筹资，显然可用资金极为有限。

2 老旧房屋安全监测方案优化模型

老旧房屋居民大都经济上不算宽裕，无力支付大量资金用于全面的房屋安全监测。因此，需要研究确定不同房屋安全监测内容的优先顺序，以确定更为经济高效的监测方案极为重要。由于层次分析法在处理复杂决策问题上极具实用性和有效性，选择采用层次分析法来建立老旧房屋安全监测方案优化模型。

2.1 层次分析法简介

层次分析法（AHP）是20世纪70年代由美国匹兹堡大学T.L.Saaty教授首创的定性与定量相结合的一种系统分析方法[14]。层次分析法将与决策有关的元素分解为不同层次，根据专家判断就各层元素的相对重要性予以定量表示，并用数学方法确定出各层全部元素相对重要性次序的数值，通过对各层次的分析导出对整个决策问题的分析[15]。

层次分析法运用步骤[16]：①建立递阶层次结构，确定各层次各项指标内容;②对同层元素关于上一层某准则的重要性进行两两比较，构造判断矩阵;③层次单排序并进行一致性检验，若一致性比例C.R.≥0.10则返回第②步;④层次总排序并进行一致性检验，若一致性比例C.R.≥0.10则返回第②步;⑤计算对系统目标的合成权重，并进行排序。

层次分析法思路清晰、操作方便，通过完善老旧房屋安全监测方案优化的递阶层次结构，可以实现少花钱科学合理地选择老旧房屋最优安全监测方案。

2.2 递阶层次结构

为进行老旧房屋安全监测方案优化，考虑监测费用、房屋现状等作为方案选择的依据，建立如图1所示递阶层次结构。

（1）目标层：T老旧房屋安全监测方案优选。为老旧房屋选择兼顾适用性与经济性的安全监测方案是本研究的目标。

（2）准则层：R1监测费用，由于老旧房屋安全监测需要居民出资，而在老旧房屋居住的居民经济支付能力有限，必须特别考虑监测费用的高低。R2结构类型，我国老旧房屋多为砖混结构、底框结构，少数为框架结构。不同结构类型的房屋，其破坏特点不同，因而其安全监测内容的重点不同。R3房龄长短，在其他因素相同的条件下，房屋建成时间越长，犹如人的年龄越大，人的身体健康状况会越差一样，房屋结构性能也会自然退化，其安全风险会越大，实施监测的紧迫性越高，监测内容也会相应有所不同。R4使用维护情况，我国国家标准GB50068-2018《建筑结构可靠度设计统一标准》和GB50352-2019《民用建筑设计统一标准》规定的房屋建筑设计使用年限，是基于“正常设计、正常施工、正常使用、正常维护”条件的。虽然改革开放初期不如现在法律法规及技术标准健全，但总是处于国家监管下，“正常设计、正常施工”相对来说比较有保证，但“正常使用、正常维护”就很难得到保证了。居民普遍认为房子是自己的，可以按自己的喜好使用房屋，任意拆改墙体、开凿线槽、大面积凿除粉刷反复多次装修、擅自增加荷载等粗暴使用行为累见不鲜，“正常使用”大多没有保证。房屋“正常维护”是指在使用期对房屋进行必要的检测、防护及维修。对大多数老旧建筑来说，“正常维护”可能压根儿就没有。所以，房屋使用维护情况对房屋安全性影响很大，必然影响房屋安全监测的内容选择。R5环境条件，不良环境对房屋损伤的形成有显著影响。如所有建筑材料均有热胀冷缩特性，热胀冷缩受到约束时就会在构件上产生附加的拉压应力;空气中的CO2使混凝土碳化，进而使钝化膜破坏导致钢筋失去保护，在水分和氧气侵入后产生锈蚀;冻融循环会对建筑基础及墙体等产生破坏性影响;交通繁忙道路附近的建筑长期受到振动影响，相对背街小巷建筑而言，其“衰老”会更快。所以，老旧建筑所处环境，包括温度、湿度、邻近交通、地面雨水冲刷等条件对其安全监测内容选择有明显影响。R6监测设备，房屋结构安全监测需含有设备：传感器、数据采集设备、数据传输设备、数据存储分析设备、人工巡检设备和数据预警设备等，由于我国房屋安全监测尚不成熟，市面上监测设备并不丰富，而且监测设备与监测对象的结构类型、监测项目、监测方法、监测期长短及监测系统兼容性等相关，所以老旧房屋安全监测内容选择与可供选择的监测设备密切相关。R7技术成熟度，我国开展房屋安全监测的时间并不长，经验说不上丰富，对老旧房屋进行安全监测更应该考虑监测技术的成熟度，提高监测的准确性和稳定性。

（3）方案层：即备选监测内容，S1基础沉降监测;S2结构竖向变形监测;S3结构水平变形监测;S4温度监测;S5湿度监测;S6交通监测;S7风及风致响应监测;S8地震动及地震响应监测;S9冲刷监测;S10人工巡视检查。房屋安全监测中采用仪器智能监测可以取得实时的定量数据，可进行定量分析;以目测为主的人工巡视检查更及时，可以起到定性和补充的作用。监测过程最好采用仪器智能监测与人工巡视检查两者互为补充、相互验证。老旧房屋安全监测内容应该包括S1到S9共9项内容，但考虑到老旧房屋安全监测资金的有限性，有可能无力实施仪器智能监测，只能实施人工巡视检查一项措施，所以在方案層中单独把人工巡视检查作为一个方案。

2.3 优化模型的运用

在对具体老旧建筑运用此模型进行安全监测方案优化前，对建筑物建造年代、结构类型、使用条件改变情况、历史修缮改造情况、所处环境等资料进行调查，形成书面文件。然后将这些基础资料提供给有关专家，由专家按照层次分析法原理构造判断矩阵，然后由工作人员进行其余计算过程，最后得出针对该老旧建筑安全监测方案优化结果，即各监测内容的优先顺序。

根据可用于该老旧建筑安全监测的资金情况，按照得出的优先顺序选择实施监测内容。

3 结束语

AHP模型计算简便、实用性强，在各大研究与应用领域都有广泛使用。将AHP 模型运用于对老旧房屋安全监测方案优化上，应用计算机处理，会大大提高工作效率。同时，此AHP模型建立之后，业者可优化相应房屋安全监测的内容与机制，确保更少的意外发生，保证人民生命与财产安全，并确保老旧房屋安全监测的经济性与高效性。

通过本模型并不是得出一个最佳监测内容的结果，而是得出各监测内容的优先实施顺序。方案优先性排序并不是鼓励相关机构仅进行部分监测内容，而是在资金有限的现实条件下，将计算的排序考虑进相关项目房屋安全监测的方案里。

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