結構設計模糊綜合法運用

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結構優化設計和全壽命周期費用是近年興起的新理念，該觀念的特點是以結構安全為前提，以節省建筑資源投入為途徑，以可持續發展為目標。我國的基礎設施建設正處于高峰期，因此，最大限度減少全壽命周期費、實現低碳環保的綠色建筑理念尤為重要。對此，研究人員已經進行了相關研究并取得了諸多成果-。但在建筑行業，尚未形成比較統一的全壽命周期費用評價方法，尤其是在結構設計階段，存在著一定程度上的浪費。因而，找到科學、可靠且易于應用的結構設計優化評價方法將成為降低全壽命周期費用的有力工具。1965年LA．Zadeh教授提出的模糊數學理論及后來的模糊綜合評判方法是用于評價模糊問題的有力工具，已應用于建筑全壽命周期費用評價的研究“，但由于影響全壽命周期費用的因素多且難以量化，實際應用的案例并不多。因此，文中介紹了結構設計優化的模糊綜合評判方法，結合工程實例討論了其在結構設計階段費用計算中的應用，提出了基于單目標的模糊綜合評判逆向計算法，拓展了模糊綜合評判方法的應用領域。

1建筑全壽命周期費用的模糊綜合評判方法

對于模糊綜合評判方法的介紹可參見文獻6。根據建筑特點，其全壽命周期費用{三}通常可分為一次性投資費用{Ⅳ}和經常性發生費用{R}，即對{}的評價包含{J『、r，引兩個因素，可表述為式{L}={JI、r，引，其中：{N}包括材料費用(M)，建造費用(c)，設計費(D)用等子因素；{引包括日常能耗費{E}，維修費{r}等子因素，為簡化僅考慮上述子因素，即：{}={，C，D}，{Rf={E，r}?？梢?，對全壽命周期費用{l的評價就轉化為對子因素的逐級評價。以維修費{r}為例，}={機電改造費，結構改造費，樓面維修費}={M&E，S，F}；再以樓面維修費{F}為例，按裂縫產生原因細分：{l={不均勻沉降，應力集中，堿骨料反應，施工質量差，設計不合理}={，sC，AA，CQ，DQ}，從而得到了{}的一個底層因素{F}的子因素集，只要找到其子因素集的權重集{A}就可以得到{F}對應于不同方案的評判集作為上層因素R的子因素集。逐一評判底層子因素集后，評判其上一層子因素集，以此類推，最終實現對{}的評判。

2結構設計優化的模糊綜合評判方法

(1)項目概況。某項目基地呈方形，使用功能為商業、辦公和服務式公寓的綜合體。地面建筑由三部分組成，裙樓4層作為大型購物商場，一棟18層的甲級辦公樓和一棟20層的公寓式辦公樓。地下建筑三層，地下一層局部為商業用途，地下二、三層為汽車庫。采用模糊綜合評判方法的目的是在保證安全基礎上對基坑維護方案進行優化。

(2)模糊綜合評判方法正向應用。根據土層分布特點和基礎埋深，備選支護方案見表1?；又ёo評價方案集為U={u。，u：，“，}={方案I，方案II，方案III}，因素集設為單層次，為V=，：，}={造價，施工工期，安全性和環保性}，權重集可參考文獻[7]并修正后選用A={0．424，0．312，0．264}。造價對應的評判集為R．={3240，2860，4320}，工期的評判集為R2={155，210，190}，安全性的評判集為R={1，0．8，1}，將三者歸一化后總評價矩陣如式(1)所示：．『-Rt¨410]R=l冗2I=I100．36l(1)【_R3j【．010j綜合評價后得到B=A•R={0．63，0．69，0．11}，根據最大隸屬度原則可發現方案II相對較好。但由于人工挖孔樁機械化程度低、工期長且安全性與環保性稍差，雖然綜合評價最高但仍有缺陷。因此，能否通過優化設計方案來改變評價結果就成為拓展模糊綜合評判方法應用范圍的核心問題。方案I的評價結果同方案II較接近，方案III由于相差較大而不進入優化范圍，因此選定方案I進行重點優化。

(3)基于單目標的模糊綜合評判方法逆向應用。選擇權重集A：{0．424，0．312，0．264}中權重最高因素(即造價)作為優化目標。設定優化目標值為，則總評價矩陣轉變為式(2)：『R-]4—320—-x101460‘100．360l0(2)經綜合評價得到=A．R={432U-x，0．69，0．1I}；令方案I和方案II的綜合評價結果相等，解方程后，得到優化目標值=3025(萬元)。即當方案I的造價低于3025萬元時，方案I即取代方案II成為較優方案。方案I的支護費用主要包括圍護費用、深坑加固費用和支撐費用。因此，支護費用評價方案集為U={“。，n，}={圍護，深坑加固，支撐}，權重集采用類似項目的統計數據A={0．428，0．021，0．551}。即在深基坑支護中，支撐費用比重最大、圍護次之。從而對此兩項設定優化目標值：①圍護系統優化目標：(3240—3025)×0．428／(0．428+0．551)：94(萬元)；②支撐系統優化目標：3240—3025—94=121(萬元)。根據上述目標，采取了如下優化措施：①支撐系統由三道支撐改為二道支撐，增加立柱樁截面及配筋，節約成本約450萬元；②優化圍護樁身配筋，增加坑底加固摻量為10％的混凝土用量，減少摻量為20％的混凝土用量。為保證支撐數量減少后圍護系統的安全性，增加了圍護樁和三軸攪拌樁止水帷幕，取消高壓旋噴止水帷幕和壓密注漿。設計變更增加成本約60萬元。綜合上述兩點，總成本節約390萬元，超過目標值，即優化后方案I取代方案II成為較優方案?；趩文繕说哪：C合評判方法逆向應用是模糊綜合評判方法的新應用，即根據權重大小逆向設定子因素預期值。據此組織專家進行結構設計優化論證，改變了以往專家論證方案造價的單一性，拓展了模糊綜合評判方法的應用范圍，為優化設計指明了方向，更有利于控制全壽命周期費用，實現綠色建筑的目標。

3結語

文中討論了模糊綜合評判方法的逆向應用，分析了其在結構設計優化中的工程應用實例，有以下主要結論：①模糊綜合評判方法適用于解決建筑全壽命周期費用評判和結構設計成本評價的問題；②正向運用模糊綜合評判方法可獲得不同結構設計方案的經濟性，而逆向運用模糊綜合評判方法可為優化設計提供方向，拓展了模糊綜合評判方法的應用范圍；③權重集是影響評判結果的最主要因素，通常采用專家提供的經驗系數，為獲得更準確的權重集，尚需在工程實踐中不斷積累相關數據加以完善。