考慮全壽命周期的地下工程開發(fā)適宜性評估方法研究

金立兵 ，薛雅琪

(河南工業(yè)大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著城市化進程的加速，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雜的空間系統(tǒng)，在制定開發(fā)建設前，必須綜合考慮多指標、多因素才能為其建設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設施的空間結合為基礎，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，對進一步開發(fā)利用提供技術支持；陳丹等[4]采用AHP-可拓學方法對確保地下工程開發(fā)利用的圍巖穩(wěn)定性進行評估分析，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、多因素進行綜合評估，從而得出地下工程建設的適宜性，為地下工程建設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、有效地節(jié)約土地資源、緩解城市交通壓力、擴展地下空間結構以及可持續(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行評估，可以作為決策建設的有力指南與依據(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的權重，將所有指標的影響視為等同，降低了評估結果的有效性；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，結構重要度分析不全面等；層次分析法只是對同一指標的兩兩因素的對比分析，沒有從整個評估體系進行評估分析，孤立了不同指標之間的聯(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、多因素的評價體系，決策的科學與嚴謹性有待提升.

1.2 改進的思路及其特點

為了保證對地下工程的準確評估，必須克服建設費用與運營管理責任分離，實現(xiàn)建設、運行一體化的管理思路[11]，做到項目評估方法從產(chǎn)品設計研發(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運營的全過程，而且也能更加全面的考慮地下工程在建設中的各因素集，因此從全壽命周期的角度，建立評價指標體系，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)絡層次分析法[14]的Super Decision軟件定性分析，得出相應權重，實現(xiàn)評估結果定性與定量的有機結合，為業(yè)主修建地下工程提供科學的決策依據(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上，從工程建設、運營與老化廢除成本全過程出發(fā)，建立評價指標體系新方法.

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[15，16]的評價體系建立了本地下工程的評價指標體系，包括全壽命周期的建設階段、運營階段、老化廢除階段三大階段，并在此基礎上建立第二層因素集分別為：

(1)建設階段A1={a1,a2,a3,a4}={土地使用費、規(guī)劃設計費、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i的特征值,根據(jù)優(yōu)劣兩個級別指標對樣本進行識別，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系，確定得出各指標權重.

① 構建目標層準則層(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系，用Satty[17]標度尺度，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則的排序權重.

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

⑤合成排序結果與討論.

(4)依據(jù)得出的相對隸屬度矩陣與各指標的權重值，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為分析指標特征參數(shù)；wi為指標權重；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軟件進行權重計算見圖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重套入可變模糊集數(shù)學模型中，得出相對優(yōu)屬度向量為：

當a=1、p=1時，

u1=(0.7396 0.4337 0.4873).

當a=1、p=2時，

u2=(0.5587 0.5548 0.5158).

當a=2、p=1時，

u3=(0.8897 0.3697 0.4746).

當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的優(yōu)先倉型，符合可持續(xù)發(fā)展的要求.

4 結論

通過改進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)選相結合的評估方法，建立了多級別、多因素的評價指標體系，對比同等功能的項目工程進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依據(jù).因此本方法在該領域評估結果可信度高，具有較大的推廣應用價值.