基于模糊綜合評判法的通州彩虹門結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化研究

倪艷霞，段曉晨

(石家莊鐵道大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北 石家莊 050043)

一、引言

高層建筑的出現(xiàn)是現(xiàn)代社會城市化、工業(yè)化和商業(yè)化的結(jié)果，是隨著社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，反映了城市建設(shè)的時代特征[1]。

對于高層建筑結(jié)構(gòu)方案的選擇,一般采用專家評議的方法,即由當(dāng)?shù)貙＜液驮O(shè)計人員根據(jù)擬建工程的建筑要求、使用功能、場地條件和建筑高度來確定[2]。但該方法受到人為因素影響比較大，主觀隨意性大，科學(xué)化程度不高。此外，近年來，由于我國對超高層建筑的需求越來越大，對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究就越來越多。目前，在國內(nèi)外均出現(xiàn)使用模糊綜合評判法來對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的例子。Harty[3]建議的模糊評定法是根據(jù)結(jié)構(gòu)體系與建筑功能和層數(shù)的關(guān)系來進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型,該法單純依靠建筑功能和層數(shù),未能考慮其他技術(shù)指標(biāo),同時對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性考慮較少,缺乏經(jīng)濟(jì)效益評價。Sabouni[4]等人建立的基于模糊量化知識的高層建筑初步設(shè)計方法，是基于專家系統(tǒng)之上的一種方法。該法是在有類似工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用的，因此應(yīng)用起來比較呆板、單調(diào)，未能充分考慮到工程的實際情況。此外，由于國外的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)比較成熟[5]，以及鋼結(jié)構(gòu)所具有的一系列其它結(jié)構(gòu)所不具有的優(yōu)點，使得鋼結(jié)構(gòu)受到國外許多國家的青睞。但是我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展起步較晚，技術(shù)方面不成熟，另外還需要結(jié)合我國的具體國情以及項目的實際情況來對高層建筑進(jìn)行選型。哈爾濱建筑大學(xué)的王光遠(yuǎn)院士指出結(jié)構(gòu)選型具有強(qiáng)烈的綜合性而且具有大量的不確定性因素，因而可以利用模糊綜合評判或模糊隨機(jī)決策的方法來進(jìn)行決策[6]。中國建筑科學(xué)研究院的何廣乾提出了一種對高層建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行綜合模糊評定的方法，即根據(jù)前人的經(jīng)驗賦予各個結(jié)構(gòu)型式不同的隸屬系數(shù)，最后根據(jù)模糊評定的方法來判定擬選結(jié)構(gòu)體系的類型[7]。哈爾濱建筑大學(xué)的陶忠等提出高層建筑結(jié)構(gòu)選型為多目標(biāo)決策問題。在分析了影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型因素的基礎(chǔ)上，他們給出了計算這些影響因素的權(quán)重分配系數(shù)和評價矩陣，并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，建立了模糊綜合評價的數(shù)學(xué)模型[8]。劉功良等通過大量的數(shù)據(jù)的采集及整合，運用了遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對模糊因素進(jìn)行了定量化[9]。雖然國內(nèi)采用模糊綜合評判法對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的文獻(xiàn)較多，但大多數(shù)只考慮了一級指標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不全面，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)選型的準(zhǔn)確度及適用性。本文采用二級指標(biāo)進(jìn)行分析，考慮的因素更全面，邏輯性更強(qiáng)，進(jìn)一步將定性指標(biāo)細(xì)化和定量化，大大提高了工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化準(zhǔn)確性和可靠性。

二、工程項目概況

彩虹之門位于北京市通州新城核心區(qū)五河交匯處，地處著名的京杭大運河北起點的三角洲公園上，占地面積4.68公頃、建筑總面積約75萬m2、海拔高度340 m、建筑凈高315 m。如圖1所示。

該項目采用了巨柱框架—核芯筒的框架結(jié)構(gòu)，核心筒就是在建筑物中央部分，由通風(fēng)井、樓梯以及公共衛(wèi)生間等圍護(hù)形成的中央核心筒，與外圍框架形成一個外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，抗震性極強(qiáng)[10]。

圖1 彩虹之門

彩虹之門距北京東站5 km，距北京CBD18 km，距首都機(jī)場30 km。周邊規(guī)劃有三條地鐵線，共4個地鐵站，皆設(shè)有一站式擺渡車，同時規(guī)劃設(shè)置自行車專屬車道。彩虹之門采用雙拱形造型，坐水而起，將成為新城核心區(qū)的標(biāo)志性建筑。

三、影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

高層建筑的結(jié)構(gòu)選型是一項綜合性很強(qiáng)的工作，不僅需要決策者具有很強(qiáng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)方面的專業(yè)知識，而且要求決策者要綜合考慮到建筑物的使用功能、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全等各方面的因素。

筆者通過對近年來興起的高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，以及大量文獻(xiàn)的閱讀，總結(jié)出影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的五大因素，即建筑功能性、工程投資、防火性能、抗震性能以及施工工期。功能性是建筑物的最主要特征，是在建筑物的設(shè)計中要考慮的最關(guān)鍵的因素，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時首先考慮的關(guān)鍵點。而在通州彩虹門的結(jié)構(gòu)選型中，設(shè)計者已經(jīng)明確表明該建筑為采用巨柱框架-核芯筒的框架結(jié)構(gòu)的多功能建筑，而在該種框架結(jié)構(gòu)中，巨柱與核心筒的結(jié)構(gòu)選型是該建筑成功的關(guān)鍵之處。因此，本文重點以其柱及核心筒的選型為例進(jìn)行論述。

(一) 工程投資U1

投資直接關(guān)系到高層建筑的結(jié)構(gòu)選型、材料使用、功能要求，甚至?xí)绊懙胶笃谠摻ㄖ慕?jīng)濟(jì)效益。所以工程投資是高層建筑結(jié)構(gòu)選型需要考慮的重要因素。工程投資具體包括了兩方面的因素，一是該結(jié)構(gòu)體系的全壽命周期費用u11，具體包括建設(shè)期間的一次性投資費用和后期的一些維護(hù)管理費用。二是該結(jié)構(gòu)體系帶來的潛在經(jīng)濟(jì)效益u12，例如高層建筑若采用鋼結(jié)構(gòu)體系，雖然前期的投資比較大，但是由于鋼結(jié)構(gòu)施工方便，會縮短工程的工期，從而會使建筑提前投入生產(chǎn)，增加建筑的租金，縮短貸款時間，減少貸款利息。

(二) 防火性能U2

隨著建筑高度的增加，建筑的安全性能也成為結(jié)構(gòu)選型考慮的重要因素。發(fā)生災(zāi)害時，火災(zāi)是影響人員、財務(wù)損失最嚴(yán)重的因素之一。所以在結(jié)構(gòu)選型時，必須要考慮建筑物的防火性能。建筑物的防火性能由兩方面來進(jìn)行衡量，一方面是建筑物本身使用材料的防火性能u21，另一方面是建設(shè)中防火涂料的性能u22，如鋼結(jié)構(gòu)屬于易燃材料，在使用中就必須采用防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

(三) 抗震性能U3

近年來，我國建筑物必須滿足“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”的原則，可見在建筑物的結(jié)構(gòu)選型中，必須把安全放在首要位置。超高層的建筑抗震設(shè)計必須要做到 “三水準(zhǔn)”要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”[11]。建筑物抗震性能的優(yōu)良是保證建筑物安全的首要因素，具體包括延性u31，抗側(cè)剛度u32，以及建筑物的抗傾覆能力u33。

(四) 施工工期U4

施工工期對建筑整體成本的影響主要體現(xiàn)在 “時間即是成本”的關(guān)系上[12]。建筑物的施工工期是由材料豎向運輸便捷程度u41、技術(shù)復(fù)雜性u42和濕作業(yè)量u43等因素決定的。建筑所需材料豎向運輸便捷程度會影響到工程進(jìn)度，例如相對于大型或異型鋼板的豎向運輸，混凝土和鋼筋的豎向運輸就便捷多了；若某結(jié)構(gòu)型式發(fā)展比較成熟，施工人員技術(shù)熟練，則會加快建筑物的施工進(jìn)程，例如相對于鋼結(jié)構(gòu)來說，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展歷史悠久，工作人員對該結(jié)構(gòu)型式的施工技術(shù)掌握熟練，施工期間遇到的問題也會比較少，會加快工程的施工進(jìn)度；此外，建筑型式的濕作業(yè)量也會影響到施工工期，例如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的用量較大，則養(yǎng)護(hù)期長，必然會延長建筑物施工工期。

四、用模糊綜合評判法對通州彩虹之門進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型

通州彩虹之門是一個施工技術(shù)復(fù)雜的超高層建筑，為了保證該項目的順利實施，結(jié)構(gòu)選型是其施工前必不可少的重要過程。用模糊綜合評價法為通州彩虹之門進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的過程包括以下方面。

(一) 確定評價因素集

圖2 彩虹之門綜合評價指標(biāo)體系

如圖2所示，結(jié)構(gòu)選型的影響因素課劃分為兩個層次，第一個層次為U={U1,U2,U3,U4}={工程投資，防火性能，抗震性能，施工工期}。其中U1={u11,u12}={全壽命周期成本，潛在的經(jīng)濟(jì)效益}；U2={u21,u22}={防火涂料，材料本身防火性能}；U3={u31,u32,u33}={延性，抗側(cè)剛度，抗傾覆能力}；U4={u41,u42，u43}={材料豎向運輸便捷程度，技術(shù)復(fù)雜性，濕作業(yè)量}。

(二) 確定方案集

彩虹之門是將內(nèi)部核心筒與外圍的巨型柱連接起來的超高層建筑，所以柱子可以說是該建筑的核心構(gòu)件，以柱子為例，采用模糊綜合評判法進(jìn)行方案的評選。設(shè)柱子的備選方案集為V={v1,v2,v3,v4}={鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)}。

(三) 進(jìn)行單因素評價

如表1所示，對于二級指標(biāo)相對于每一個方案都要做出評價，例如，“全壽命周期成本”這一因素，經(jīng)專家測評，關(guān)于各方案的隸屬向量為[0.1,0.4,0.25,0.25],意味著對各方案來說，該項指標(biāo)的得分為0.1、0.4、0.25、0.25，鋼結(jié)構(gòu)建筑投資最高，對開發(fā)商來說不利，因此得分最低，相反，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)投資最低，因此得分最高。鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能最好，對開發(fā)商及用戶來說是最有利，因此在抗震性能這項來說，鋼結(jié)構(gòu)得分最高，相反，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能較差，則得分較低。

(四) 建立評價矩陣

根據(jù)評價因素集U1,U2,U3,U4,結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的模糊綜合評價矩陣為：

(五) 確定權(quán)向量

利用層次分析法，由專家算出一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重。與因素集U1相對應(yīng)，“全壽命周期成本”、“潛在的經(jīng)濟(jì)效益”相對于一級指標(biāo)“工程投資”的權(quán)重分別為0.785 9、0.214 1。其余評價因素的權(quán)重依次類推。匯總得：

W1=[0.785 9,0.214 1]

表1 二級指標(biāo)相對各方案的評價值

W2=[0.563 9,0.436 1]

W3=[0.589 6,0.197 2,0.213 2]

W4=[0.562 8,0.276 4,0.160 8]

W=[0.415 6,0.122 6,0.265 5,0.196 3]

(六) 進(jìn)行模糊合成

首先，對二級指標(biāo)進(jìn)行模糊合成。

S1=w1*R1=[0.785 9,0.214 1]*

0.239 295 0.260 705]

同理，

S2=w2*R2=[0.269 17 0.230 83 0.2 0.3]

S3=w3*R3=[0.368 82 0.109 86 0.25 0.271 32]

S4=w4*R4=[0.344 72 0.155 28 0.236 18 0.263 82]

然后，對計算得到的S1,S2,S3,S4,組合形成一級指標(biāo)的模糊綜合評價矩陣。

R=[S1,S2,S3,S4]=

最后，由公式(1)得

S=W*R=[0.415 6,0.122 6,0.265 5,0.196 3]*

[0.266 844 0.227 495 0.236 708 0.268 952]

(七) 做出決策

根據(jù)模糊綜合評價結(jié)果向量S，依據(jù)最大隸屬原則確定鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為最佳方案，為通州彩虹之門結(jié)構(gòu)選型的決策提供了參考。

五、結(jié)論

針對現(xiàn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型方法的隨機(jī)性、工作量大、人為因素多以及誤差大等缺陷，結(jié)合通州彩虹之門毗鄰水域且為異形建筑的實際情況，對其結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了優(yōu)化。該方法具有以下優(yōu)勢和特點：

(1)目前國內(nèi)采用模糊綜合評判法對高層建筑建筑進(jìn)行選型優(yōu)化多考慮單因素，即建立模型時采用一級指標(biāo)，而本文在建立該方法時采用二級指標(biāo)，考慮的因素更全面，邏輯性更強(qiáng)，進(jìn)一步將定性指標(biāo)定量化。

(2)該方法與遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型相比簡便可行，通俗易懂，計算簡單。

(3)在對通州彩虹之門進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時，運用該方法的二級指標(biāo)，可以很清楚地劃分影響結(jié)構(gòu)選型的主要因素和次要因素，從而準(zhǔn)確性更強(qiáng)。

總之，本論文應(yīng)用此方法對高層建筑結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行的優(yōu)化，具有傳統(tǒng)選型方法的優(yōu)點，而且解決了隨機(jī)性、工作量大、人為因素多以及誤差大等非線性問題，為工程結(jié)構(gòu)選型提供了很好的優(yōu)化方法和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉中平,韓志軍,謝華.淺述高層建筑防火的幾個問題[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,1998(S1):18-20.

[2]雷淑忠,沈祖炎,郭兵. 超高層建筑結(jié)構(gòu)選型技術(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2007(S1):263-268.

[3]Harty. N. Danaher .M A knowledge based approach to preliminary design of building [J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Structures and Building,1994,104:135-144

[4]Sabouni A.R. And Mourad O.M.Quantitative knowledge based approach for preliminary design of tall buildings [J].Artificial intelligence in Engineering,1997(11):143-154

[5]李良慧. 建筑房屋鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[D].山東：青島理工大學(xué),2012.

[6]康珍珍.高層建筑結(jié)構(gòu)體系分析及結(jié)構(gòu)選型模糊決策研究[D].遼寧：遼寧工技術(shù)大學(xué)，2002.

[7]何廣乾.高層建筑的結(jié)構(gòu)體系[C].第十二屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會，1994

[8]陶忠，張耀春，韓林海，等.關(guān)于高層結(jié)構(gòu)選型設(shè)計的初步探討[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000(2):21-23.

[9]劉功良. 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究[D].黑龍江：東北石油大學(xué),2012.

[10]王少旭.超高層核心筒特點及質(zhì)量控制方法分析[J].河南科技,2013(15):171.

[11]錢峰,王艷錦.超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇分析[J].黑龍江科技信息,2011,35:301

[12]張新中.建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展及綜合經(jīng)濟(jì)效益分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2002(4):1-5.