超高層建筑基坑支護(hù)方案的決策系統(tǒng)模型應(yīng)用分析

摘 要：在超高層建筑中，基礎(chǔ)工程對(duì)整個(gè)建筑物的安全和壽命有舉足輕重的影響，與一般建筑物基礎(chǔ)不同，超高層建筑基礎(chǔ)已被構(gòu)成地下空間的地下室和深大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所代替，而基礎(chǔ)施工通常要進(jìn)行基坑支護(hù)。據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的統(tǒng)計(jì)和研究，超高層建筑基礎(chǔ)工程的造價(jià)和工期大約占建筑的土建總造價(jià)的三分之一左右，因此，對(duì)節(jié)約基礎(chǔ)成本來(lái)說(shuō)，迫切需要加強(qiáng)對(duì)基坑支護(hù)方案決策系統(tǒng)的研究。本文基于層次分析法建立支護(hù)方案決策系統(tǒng)模型，在“質(zhì)量好，工期短，經(jīng)濟(jì)效益好”的原則下，主要對(duì)基坑支護(hù)方案的安全性，可靠與便捷性和經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行分析論證。

關(guān)鍵詞：深基坑支護(hù)；決策支持系統(tǒng)；層次分析法

Abstract：The foundation engineering is of great importance to the security and life for the high-rise buildings .Different from the common building foundation ， the high-rise building foundation has been substituted by underground rooms and the deep huge foundation structures ，while the foundation building usually needs retaining pit .According to the statistics and the research of the inside and abroad scholars ，the cost and period of it account for one third more or less of the whole construction estimate .So as a matter of saving costs ， its urgent to strengthen the research of the model . This paper， based on the analytic hierarchy process to constitute a support scheme decision-making system model ， is to demonstrates the security ， reliability ， convenience and economic rationality of the foundation pit supporting scheme ， in the principle of “high quality ， short construction ，good economic benefits .

Key words：Foundation pit supporting， Decision Support Systems， Analytic hierarchy process

1.深基坑研究的歷史背景及研究意義

深基坑工程在我國(guó)廣泛應(yīng)用與研究開(kāi)始于80年代初，由于我國(guó)人口眾多，為了節(jié)約土地，從80年代初開(kāi)始大量興建高層建筑同時(shí)采取措施充分利用城市地下空間，這樣也就帶來(lái)了大規(guī)模基坑工程的開(kāi)挖與支護(hù)，來(lái)為地下工程建筑提供必要的安全環(huán)境 [1]。

超高層建筑的迅速興起，促進(jìn)了深基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的基坑支護(hù)方案成為確保施工質(zhì)量和保證施工安全和節(jié)約成本的重要工作。深基坑工程主要包括基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)、施工和土方開(kāi)挖，它是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，因此，它與工程場(chǎng)地地質(zhì)勘查、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工開(kāi)挖、基坑穩(wěn)定、降水、施工管理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、相鄰場(chǎng)地施工相互影響等密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的區(qū)域性和很強(qiáng)的個(gè)體性，其支護(hù)體系承受的土壓力又具有較強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)。由于深基坑工程設(shè)計(jì)與施工的復(fù)雜性，不確定影響因素眾多，工程事故仍然時(shí)有發(fā)生，尤其當(dāng)基坑開(kāi)挖到一定深度基坑的安全性更難以控制。

因此，對(duì)基坑方案做一個(gè)系統(tǒng)的深入的研究，對(duì)于保護(hù)待建工程周圍已有建筑物和公用設(shè)施等的安全，對(duì)于節(jié)約建造成本，對(duì)于高層建筑基礎(chǔ)的順利施工等都有重要的意義。

2.深基坑研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

基坑工程是一個(gè)古老且具有劃時(shí)代特點(diǎn)的綜合性的巖土工程課題，圍繞基坑工程的方案選擇和優(yōu)化問(wèn)題，工程技術(shù)和研究人員開(kāi)展了大量的研究工作。20 世紀(jì)40 年代，Terzaghi和Peck等人就已經(jīng)開(kāi)始研究基坑工程中的巖土工程問(wèn)題并提出了預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小的總應(yīng)力法， 60年代在奧斯陸和墨西哥城軟黏土深基坑中使用儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此后大量的實(shí)測(cè)資料提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并從70 年代起產(chǎn)生了相應(yīng)的指導(dǎo)開(kāi)挖的法規(guī)[2]。在后來(lái)的時(shí)間里，世界各國(guó)的許多學(xué)者都投入研究，并不斷地在這一領(lǐng)域取得豐碩成果，提出了許多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如數(shù)值計(jì)算方法（如有限元），反分析方法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（如層次分析法）等，且已逐漸被應(yīng)用至基坑工程實(shí)踐中。特別是采用層次分析方法在深基坑支護(hù)系統(tǒng)方案優(yōu)選中有成功的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)眾多單位和學(xué)者也嘗試著采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如智能軟件包的應(yīng)用。

一直以來(lái)，有兩個(gè)方面問(wèn)題一直難以解決，一方面由于設(shè)計(jì)安全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故的比例較大，另一方面由于設(shè)計(jì)過(guò)于保守而又造成很大的浪費(fèi)。唐業(yè)清等曾對(duì)103 項(xiàng)深基坑工程事故的原因進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，其中由于深基坑設(shè)計(jì)失誤、水處理不當(dāng)、結(jié)構(gòu)和基坑失穩(wěn)事故，占總事故的80 %，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)嚴(yán)重[3]。經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，我國(guó)在解決基坑支護(hù)研究方面也取得很大的進(jìn)步，比如，從支護(hù)設(shè)計(jì)理論從最初的強(qiáng)度控制與穩(wěn)定分析的粗略設(shè)計(jì)到近些年提出的變形控制設(shè)計(jì)，比較有效的解決了上述問(wèn)題。同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式也越來(lái)越多樣化。

3.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)常用形式選擇

由前文介紹可知，深基坑工程越來(lái)越多，且復(fù)雜程度也在增加，因此，圍繞深基坑的開(kāi)挖與支護(hù)已成為當(dāng)前高層住宅建筑基礎(chǔ)工程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；娱_(kāi)挖可分為無(wú)支護(hù)開(kāi)挖和支護(hù)開(kāi)挖。無(wú)支護(hù)開(kāi)挖也就是放坡開(kāi)挖，常用于深度不大且土質(zhì)較好的基坑，應(yīng)是施工條件允許時(shí)首選的開(kāi)挖方式。而支護(hù)開(kāi)挖常用在施工場(chǎng)地不具備放坡開(kāi)挖條件或放坡開(kāi)挖技術(shù)經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí)采用的。目前，高層建筑常建設(shè)在市區(qū)，因此，待挖基坑多是較深且場(chǎng)地狹窄，不具備放坡開(kāi)挖條件，需要采用支護(hù)開(kāi)挖。 常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式如下表1所示。

我國(guó)工程實(shí)踐應(yīng)用過(guò)的常見(jiàn)基坑支護(hù)方式見(jiàn)表1，每種支護(hù)形式的適應(yīng)條件很多學(xué)者和專家也都進(jìn)行過(guò)研究，并做出總結(jié)，有的已經(jīng)作為規(guī)范寫入教材中，本文將做進(jìn)一步的收集、整理和歸納。在選擇具體的方案時(shí)，首先，應(yīng)進(jìn)行實(shí)際勘察，收集數(shù)據(jù)，整理出工程的一些實(shí)際資料。根據(jù)收集到的工程的實(shí)際信息和基坑支護(hù)方案的特點(diǎn)和適用條件，依據(jù)地面荷載值及各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，采用朗肯土壓力等理論，計(jì)算出主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力，初步選擇幾種施工方案。然后，對(duì)幾種方案進(jìn)行具體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并進(jìn)行專家論證，最后，做出進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化。

4.基于層次分析法的基坑支護(hù)方案決策系統(tǒng)模型應(yīng)用分析

4.1基于層次分析法原理構(gòu)建決策系統(tǒng)模型

深基坑支護(hù)工程系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的巖土工程問(wèn)題， 其方案優(yōu)選涉及安全可行、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境保護(hù)、施工便捷、工期合理等基本準(zhǔn)則[11]。具體實(shí)施過(guò)程中比較復(fù)雜，影響因素多，單一指標(biāo)進(jìn)行方案評(píng)價(jià)就不能全面的衡量一個(gè)支護(hù)方案的好壞，因此需要設(shè)定一個(gè)綜合指標(biāo)。這個(gè)綜合指標(biāo)的設(shè)定包括確立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定各指標(biāo)權(quán)重、建立數(shù)學(xué)決策模型三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)常用的評(píng)價(jià)方法有專家論證打分法、加權(quán)平均法等，雖然也有一定的實(shí)用性，但是這些方法包含的主觀因素太多，且專家論證打分法受專家的知識(shí)面、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等方面約束很大。因此這些方法評(píng)價(jià)誤差較大，可信度不高，不利于進(jìn)行方案的決策。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法，因此，本文主要采取的是層次分析法對(duì)決策系統(tǒng)的一些重要指標(biāo)做出科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)，幫助我們做出正確的方案選擇。

層次分析法（ Analytic Hierarchy Process， 簡(jiǎn)稱AHP法）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Sauty教授于70 年代初期提出的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法[12]。其基本原理是：首先將復(fù)雜的問(wèn)題層次化，即根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，按照因素間的相互影響和隸屬關(guān)系將其分層聚類組合，形成一個(gè)遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型；然后根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本原則，對(duì)各層的因素進(jìn)行對(duì)比分析，引入1～9比率標(biāo)度方法構(gòu)造出判斷矩陣，用求解判斷矩陣最大特征值及其特征向量的方法得到各因素的相對(duì)權(quán)重；最終通過(guò)計(jì)算最低層（方案層）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的相對(duì)重要性次序的組合權(quán)值，以此作為評(píng)價(jià)和選擇方案的依據(jù)[13][14]。

4.2 應(yīng)用層次分析法分析深基坑支護(hù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4.2.1建立層次分析的結(jié)構(gòu)模型

本文中所建立的支護(hù)方案選擇的基本思路為質(zhì)量好，工期短，經(jīng)濟(jì)效益好，具體來(lái)說(shuō)就是方案滿足安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理三個(gè)基本準(zhǔn)則（根據(jù)實(shí)際實(shí)施的需要，可以適當(dāng)?shù)脑黾右恍?zhǔn)則），建立的深基坑支護(hù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

4.2.2 建立構(gòu)造矩形及層次單排序和一致性檢驗(yàn)

根據(jù)所建立的層次結(jié)構(gòu)模型，相對(duì)于上一層次某個(gè)元素，根據(jù)實(shí)際工程的具體情況，經(jīng)向?qū)＜易稍冋撟C作出同層次各因素的相對(duì)重要性判斷，引入合適的標(biāo)度用具體數(shù)值表示出來(lái)構(gòu)成判斷矩陣。引用1～9標(biāo)度方法，如表2所示。

倒數(shù)：若元素i和j的重要性之比為aij，那么元素j與元素i的重要性之比為：aji=1/aij

根據(jù)工程的實(shí)際情況，本文所建立的判斷矩陣如表4～表6所示。

采用方根法求解判斷矩陣的最大特征值和特征向量，確定同一層次各因素相對(duì)于上一層次某元素相對(duì)重要性的排序權(quán)重WB、WC，為使構(gòu)造矩陣具有滿意的一致性，定義一致性指標(biāo)如下：

當(dāng)完全一致時(shí)，CI=0；CI越大，矩陣的一致性越差。

進(jìn)行一次性檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI<0.1時(shí)，稱層次單排序具有滿意的一致性。RI稱為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，它只與矩陣階數(shù) n 有關(guān)，RI的取值見(jiàn)表3。

4.2.3 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

基于層次單排序的結(jié)果，將上一層次該元素本身的權(quán)重加權(quán)綜合，即可計(jì)算得到處于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系最底層，即指標(biāo)層中的各指標(biāo)因素相對(duì)于最高層的相對(duì)權(quán)重，這一過(guò)程是從最高層次到最低層次逐層進(jìn)行的，稱為層次總排序。計(jì)算結(jié)果如表7所示。

由表7可知，C1（方案中支護(hù)防水施工技術(shù)的安全可靠性）、C2（方案中施工質(zhì)量的安全可靠性）最為重要，C4（施工可行性及難易程度）、C6（工程總造價(jià)）較為重要，因此，這些因素對(duì)方案的選擇比較的重要，同時(shí)，實(shí)施中要注意保護(hù)環(huán)境，盡量縮短工期。深基坑支護(hù)工程也是一個(gè)項(xiàng)目，每一個(gè)項(xiàng)目都是獨(dú)特的，因此，對(duì)具體的支護(hù)工程來(lái)說(shuō)，即使相同的因素對(duì)每個(gè)支護(hù)工程的影響也是不一樣的，比如說(shuō)，有的工程時(shí)間特別的緊張，那么，時(shí)間因素相對(duì)于其他因素的權(quán)重自然大些。所以，此方法的具體應(yīng)用還需要根據(jù)工程的實(shí)際需要靈活應(yīng)用。通過(guò)分析，當(dāng)我們?cè)趯?duì)具體工程實(shí)施時(shí)，以上指標(biāo)權(quán)重值大的因素自然也是施工中特別需要注意和需要編制應(yīng)對(duì)措施的因素。也就很容易知道這個(gè)具體的施工方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4.3 應(yīng)用層次分析法對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行選擇

前面用層次分析法模擬建立了評(píng)價(jià)基坑支護(hù)方案指標(biāo)的權(quán)重，下面就以一個(gè)案例來(lái)說(shuō)明用層次分析法如何進(jìn)行方案的優(yōu)化選擇。某高層辦公室樓發(fā)展項(xiàng)目，建筑面積約18萬(wàn)m2，高度為143.2m，采用深基坑工程，基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度10.6m，基坑平面尺寸84m×60m，基坑周圍場(chǎng)地狹窄，一般粘性土，地下水位較高。專家首先根據(jù)表1進(jìn)行初步篩選后，一般有2-3組方案進(jìn)入最后的選擇，本工程有3組基坑支護(hù)方案進(jìn)入最后的評(píng)審，分別為：

D1 =土釘墻

D2 =深層攪拌樁擋墻+內(nèi)插鉆孔灌注樁加強(qiáng)

D3 =密排樁。

然后，通過(guò)向技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等八位專家咨詢?cè)u(píng)價(jià)后，反饋整理出3組方案中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣情況，如表8所示。

根據(jù)專家評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以建立方案層（D層）對(duì)各指標(biāo)層（C層）的判斷矩陣，求解其相對(duì)特征向量并檢驗(yàn)一致性，結(jié)合已經(jīng)建立的表5中方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，可以得出方案層（D層次）總排序權(quán)重值，如表9所示。

根據(jù)表8的計(jì)算結(jié)果，可知三種支護(hù)方案的優(yōu)劣順序?yàn)椋篋2﹥D3﹥D1，也就是說(shuō)，方案二（深層攪拌樁擋墻+內(nèi)插鉆孔灌注樁加強(qiáng)支護(hù)方案）是本工程的最優(yōu)方案，由經(jīng)驗(yàn)可知深層攪拌樁擋墻的擋墻均勻，連續(xù)性好，既能擋土，又能擋水，施工簡(jiǎn)便，工期短，造價(jià)比較的低，也說(shuō)明了用本方法得出的結(jié)論比較合理。

5.結(jié)論

深基坑工程已經(jīng)在我國(guó)廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是設(shè)計(jì)計(jì)算，還是施工、監(jiān)控等方面，深基坑支護(hù)技術(shù)都處在不斷的進(jìn)步和發(fā)展中，圍繞基坑工程優(yōu)化問(wèn)題，前人也進(jìn)行了大量研究，是很有興趣也很實(shí)際的研究課題?；庸こ淌且粋€(gè)系統(tǒng)工程，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)、降水方案、監(jiān)測(cè)開(kāi)挖方案等很多內(nèi)容，涉及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、環(huán)境等諸多因素，面對(duì)這些錯(cuò)綜復(fù)雜的因素，本文重點(diǎn)應(yīng)用層次分析法進(jìn)行方案的進(jìn)一步優(yōu)化分析，層次分析法邏輯性強(qiáng)，思路清晰，計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠，貼近現(xiàn)實(shí)，是優(yōu)選深基坑支護(hù)方案的一種好方法。

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【作者簡(jiǎn)介】任宏（1955-），男，重慶大學(xué)建設(shè)管理與房地產(chǎn)學(xué)院院長(zhǎng)、重慶大學(xué)房地產(chǎn)研究所所長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師，英國(guó)里?。║niv. of Reading）大學(xué)博士；重慶大學(xué)學(xué)位委員會(huì)委員，建設(shè)部高等工程管理學(xué)科專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任、委員，建設(shè)部土建學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員，建設(shè)部高等工程管理學(xué)科專業(yè)評(píng)估委員會(huì)副主任委員，教育部高等學(xué)校管理科學(xué)與工程類學(xué)科專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員。國(guó)家百千萬(wàn)工程第一、二層次人選和國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者。

【文章編號(hào)】1627-6868（2017）06-0040-05