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        考慮全壽命周期的地下工程開發(fā)適宜性評估方法研究

        2018-08-10 09:43:40金立兵薛雅琪
        關(guān)鍵詞:模糊集壽命權(quán)重

        金立兵 ,薛雅琪

        (河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001)

        0 引言

        隨著城市化進(jìn)程的加速,土地資源日趨緊張,已經(jīng)制約了城市化的發(fā)展進(jìn)程.為滿足城市發(fā)展需要,以各種方式開發(fā)利用城市立體空間,提高城市綜合承載能力,做好地下空間的開發(fā)利用迫在眉睫.但地下工程是一個復(fù)雜的空間系統(tǒng),在制定開發(fā)建設(shè)前,必須綜合考慮多指標(biāo)、多因素才能為其建設(shè)提供可靠的決策保證.目前國內(nèi)外在地下工程開發(fā)適宜性方面,已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究, HUNT等[1]通過考慮資源安全、節(jié)能減排等因素對擬建地下工程進(jìn)行評估分析,得出地下工程在未來發(fā)展的巨大潛力;BOBYLEV[2]在優(yōu)先開發(fā)利用地下工程中,提出以未來城市功能與不同基礎(chǔ)設(shè)施的空間結(jié)合為基礎(chǔ),做好地下工程開發(fā)適宜性的綜合評估;王建秀等[3]運用BIM技術(shù)對影響修建地下工程的各階段因素實現(xiàn)了數(shù)字化控制,對進(jìn)一步開發(fā)利用提供技術(shù)支持;陳丹等[4]采用AHP-可拓學(xué)方法對確保地下工程開發(fā)利用的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評估分析,并用實例驗證了模型有效性,也對開發(fā)利用地下工程的研究提供了模型與方法.

        本文從全壽命角度出發(fā),運用可變模糊集理論對地下工程的多指標(biāo)、多因素進(jìn)行綜合評估,從而得出地下工程建設(shè)的適宜性,為地下工程建設(shè)的可行性與決策提供有效的參考.

        1 地下工程評估的思路

        1.1 目前常用的工程評估方法存在的問題

        地下空間是一個重要的空間資源.有序、合理地開發(fā)利用地下資源,是科學(xué)、有效地節(jié)約土地資源、緩解城市交通壓力、擴展地下空間結(jié)構(gòu)以及可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[5-7].在一定的地域范圍內(nèi),對開發(fā)地下工程的合理性進(jìn)行評估,可以作為決策建設(shè)的有力指南與依據(jù).

        目前常用的工程開發(fā)質(zhì)量評估的方法有很多,如綜合指數(shù)法[8]、事故樹定性分析法[9]、層次分析法[10]等.綜合指數(shù)法是對工程的定量描述,評價結(jié)果基本能夠反映評估效果,但在評估過程中存在未考慮參評指標(biāo)的權(quán)重,將所有指標(biāo)的影響視為等同,降低了評估結(jié)果的有效性;事故樹定性分析法是從系統(tǒng)性分析評估,但其存在人為因素較多,結(jié)構(gòu)重要度分析不全面等;層次分析法只是對同一指標(biāo)的兩兩因素的對比分析,沒有從整個評估體系進(jìn)行評估分析,孤立了不同指標(biāo)之間的聯(lián)系,沒有形成一體化的管理思路.綜上方法都不足以反映地下工程的多指標(biāo)、多因素的評價體系,決策的科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)性有待提升.

        1.2 改進(jìn)的思路及其特點

        為了保證對地下工程的準(zhǔn)確評估,必須克服建設(shè)費用與運營管理責(zé)任分離,實現(xiàn)建設(shè)、運行一體化的管理思路[11],做到項目評估方法從產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)到報廢回收整個生命周期過程[12],全壽命理論既考慮了項目建設(shè)運營的全過程,而且也能更加全面的考慮地下工程在建設(shè)中的各因素集,因此從全壽命周期的角度,建立評價指標(biāo)體系,運用可變模糊集理論[13]作為本評估方法的出發(fā)點進(jìn)行地下工程評估.

        以此思路建立的地下工程評估方法,除了考慮單個因素集各元素的相互關(guān)系外,還考慮了不同因素集間各元素潛在的相互聯(lián)系,更加全面地表達(dá)了各因素之間的聯(lián)系,實現(xiàn)了系統(tǒng)性的評估體系.本評估采用的可變模糊集理論能夠?qū)崿F(xiàn)定量分析;網(wǎng)絡(luò)層次分析法[14]的Super Decision軟件定性分析,得出相應(yīng)權(quán)重,實現(xiàn)評估結(jié)果定性與定量的有機結(jié)合,為業(yè)主修建地下工程提供科學(xué)的決策依據(jù).

        2 考慮全壽命周期的地下工程可變模糊集評估方法

        在全壽命周期理論的基礎(chǔ)上,從工程建設(shè)、運營與老化廢除成本全過程出發(fā),建立評價指標(biāo)體系新方法.

        2.1 建立因素集

        建立第一層級的因素集A=(A1,A2, …,An),其中Ai(i=1,2,…,n)為主因素集,為了使因素集具體化,在主因素集的基礎(chǔ)上建立子集Ai=(a1,a2, …,an),an為影響Ai的第n個因素.

        本體系從經(jīng)濟性、社會性、生態(tài)性出發(fā),并根據(jù)參考文獻(xiàn)[15,16]的評價體系建立了本地下工程的評價指標(biāo)體系,包括全壽命周期的建設(shè)階段、運營階段、老化廢除階段三大階段,并在此基礎(chǔ)上建立第二層因素集分別為:

        (1)建設(shè)階段A1={a1,a2,a3,a4}={土地使用費、規(guī)劃設(shè)計費、工程費用、工程其他費用};

        (2)運營階段A2={a5,a6,a7,a8}={人員費用、維護費用、運雜費用、社會滿意度};

        (3)老化廢除階段A3={a9,a10}={回收殘值、環(huán)保節(jié)能度}.

        2.2 建立評價優(yōu)選

        (1)設(shè)有待優(yōu)選的c個地上與地下工程組成的樣本集,依據(jù)d個目標(biāo)i的特征值,根據(jù)優(yōu)劣兩個級別指標(biāo)對樣本進(jìn)行識別,各方案所組成的可用特征值表示為:

        (1)

        (2)計算不同方案進(jìn)行對比時,遵循越大越優(yōu)效益型,越小越優(yōu)成本型的原則,按照指標(biāo)特征值矩陣A運用公式計算得出相對隸屬度矩陣R=(rij),其計算公式如下

        (2)

        (3)

        (3)從全壽命周期角度出發(fā),運用Super Decision得出各因素之間的相互影響關(guān)系,確定得出各指標(biāo)權(quán)重.

        ① 構(gòu)建目標(biāo)層準(zhǔn)則層(A1,A2,A2),第二層因素集(a1,a2,a3,a4), (a5,a6,a7), (a8,a9,a10).

        ②為了量化各兩兩比較矩陣之間的關(guān)系,用Satty[17]標(biāo)度尺度,并通過比較第一層、第二層因素集之間的重要程度,得出判斷矩陣的權(quán)重.

        ③通過計算得出超矩陣,矩陣中的每一列都以某個元素為準(zhǔn)則的排序權(quán)重.

        ④為了統(tǒng)計計算,將超矩陣的每列進(jìn)行歸一化處理,得出各因素之間的重要權(quán)重指數(shù).

        ⑤合成排序結(jié)果與討論.

        (4)依據(jù)得出的相對隸屬度矩陣與各指標(biāo)的權(quán)重值,運用下面公式得出相對優(yōu)屬度,其綜合平均值即為方案的綜合相對優(yōu)屬度向量uj.相對優(yōu)屬度的計算公式為:

        (4)

        式中:m為分析指標(biāo)特征參數(shù);wi為指標(biāo)權(quán)重;p為距離參數(shù),a為優(yōu)化參數(shù),取1或2通過模型參數(shù)的變化可得到4種模型組合[18].

        2.3 得出評估結(jié)果

        通過以上計算方法,得出地面與地下工程的相對優(yōu)屬度,按照優(yōu)屬度越大越優(yōu)的原則,得出擬建工程效果.

        3 實例應(yīng)用

        本文以位于我國中部地區(qū)某省會城市郊區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代糧食物流園區(qū)為例,從全壽命的角度出發(fā),通過地下糧倉作為地下工程的一個單位工程,與同等功能的地面工程平房倉與淺圓倉為載體進(jìn)行對比分析,得出地下糧倉的評估等級,分析項目的開發(fā)適宜性.實例分析采用該項目的原始數(shù)據(jù)[19]、詢問專家與問卷得表1.

        表1 不同倉型噸糧建設(shè)方案Tab. 1 Construction plan of different ton granaries

        運用可變模糊集理論公式(2)、(3)得出不同糧倉的相對隸屬度矩陣.

        其次運用超級決策Super Decision軟件進(jìn)行權(quán)重計算見圖1.

        因此,通過計算得出每個元素在總排序中的權(quán)重值為(0.0719,0.0690,0.2333,0.0131,0.0542,0.1841,0.0228,0.1262,0.0817,0.1438).

        最后將軟件計算得出權(quán)重套入可變模糊集數(shù)學(xué)模型中,得出相對優(yōu)屬度向量為:

        當(dāng)a=1、p=1時,

        u1=(0.7396 0.4337 0.4873).

        當(dāng)a=1、p=2時,

        u2=(0.5587 0.5548 0.5158).

        當(dāng)a=2、p=1時,

        u3=(0.8897 0.3697 0.4746).

        當(dāng)a=2、p=2時,

        u4=(0.6159 0.6083 0.5315).

        圖1 Super decisions 計算界面Fig. 1 Super decisions calculation interface

        平均相對優(yōu)屬度向量為(0.7010 0.4916 0.5023),由此按照建設(shè)地下工程的儲糧倉的,按照優(yōu)屬度越大越優(yōu)原則,得出地下糧倉處于最優(yōu)地位,其次為淺圓倉,最后為平房倉.也說明了地下糧倉從全壽命角度可以作為國家儲糧建設(shè)的優(yōu)先倉型,符合可持續(xù)發(fā)展的要求.

        4 結(jié)論

        通過改進(jìn)可變模糊集評估方法,提出了全壽命周期理論與可變模糊集優(yōu)選相結(jié)合的評估方法,建立了多級別、多因素的評價指標(biāo)體系,對比同等功能的項目工程進(jìn)行定性定量分析得出擬建方案的優(yōu)屬度,得出地下糧倉處于項目建設(shè)的最優(yōu)地位,符合未來的發(fā)展趨勢,也為地下擬建項目的決策提供有效的科學(xué)依據(jù).因此本方法在該領(lǐng)域評估結(jié)果可信度高,具有較大的推廣應(yīng)用價值.

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