基于模糊層次分析法的生土結(jié)構(gòu)安全評估

楊修歌，葉帥飛

（河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

在脫貧攻堅危房改造工作中，我國農(nóng)村住房建設(shè)取得了顯著的進步，居住條件和房屋質(zhì)量得到明顯提升.當(dāng)前農(nóng)村房屋仍存在大量以土坯磚壘墻或夯土墻的結(jié)構(gòu)形式（俗稱“土房子”）.生土結(jié)構(gòu)房屋雖具有易于就地取材、冬暖夏涼，環(huán)保等優(yōu)點，但墻體強度低且為脆性材料等缺點嚴(yán)重影響了生土結(jié)構(gòu)在村鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)[1].磚砌體結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)雖已廣泛普及，但生土結(jié)構(gòu)自身特有的優(yōu)越性在短時間內(nèi)難以棄用.

在對這些房屋進行安全鑒定時，生土結(jié)構(gòu)建筑存在儀器檢測結(jié)果不準(zhǔn)確和部分構(gòu)件無法使用儀器進行檢測的情況，這些都會造成一些不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，單純依靠檢測結(jié)果進行評估鑒定是無法保證其準(zhǔn)確性的.同時，影響生土結(jié)構(gòu)建筑安全性能的因素也較多.生土結(jié)構(gòu)房屋的安全性評價技術(shù)尚屬空白，既有生土結(jié)構(gòu)房屋的安全性能評價方法亟待研究.李少榮提出采用傳力樹概念對生土民居進行定量綜合評定方法[2].采用科學(xué)的評估方法對房屋的現(xiàn)狀進行評估，合理地進行修繕，不但能夠提高房屋使用的安全性和耐久性，而且可以降低危房安全事故的發(fā)生[3].建筑物安全評估和鑒定方法常用經(jīng)驗法，這種鑒定方法存在嚴(yán)重的主觀性，不能反映實際的建筑物狀態(tài)[4].因此，本文提出模糊層次分析法，根據(jù)自身的優(yōu)勢將評估過程中存在的模糊信息定量化，使評估結(jié)果更加準(zhǔn)確，通過工程實例驗證該方法的可行性和科學(xué)性.

1 生土結(jié)構(gòu)建筑安全評估體系

生土結(jié)構(gòu)建筑的安全評估首先是建立評估體系，其科學(xué)合理性直接影響評估結(jié)果的準(zhǔn)確性.生土結(jié)構(gòu)建筑不同于常規(guī)的民用建筑，它的建造過程一般采用經(jīng)驗法建造，沒有設(shè)計圖紙.目前對生土結(jié)構(gòu)建筑，既無安全鑒定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，又無公認可行的安全評估體系.

本文在建立評估指標(biāo)體系時，首先分析了地基基礎(chǔ)、豎向承重結(jié)構(gòu)、屋蓋結(jié)構(gòu)這三部分的相對重要性，其中地基基礎(chǔ)和豎向承重結(jié)構(gòu)對生土結(jié)構(gòu)建筑物整體的安全性影響較大.因此，選取的安全評估指標(biāo)要最大程度的反映地基基礎(chǔ)和豎向承重結(jié)構(gòu)的安全性.在此基礎(chǔ)上建立三個一級評估指標(biāo)如圖1所示.由于每個一級評估指標(biāo)又有影響自身安全性能的因素，繼而在一級評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上建立更加全面的二級評估指標(biāo).

圖1 生土結(jié)構(gòu)建筑安全評估體系

2 模糊層次分析法

模糊層次分析法（FAHP）及計算過程層次分析法（AHP）是20世紀(jì)70年代美國T.L.Saaty 教授提出的，是一種定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，更是一種確定指標(biāo)權(quán)重行之有效的方法[5]，將生土結(jié)構(gòu)建筑從下到上劃分成三個部分進行安全評估，可以最大程度的減少檢測和評估遺漏的地方.由于影響生土結(jié)構(gòu)建筑安全的因素較多，而且評估自然狀態(tài)模糊，因此，生土結(jié)構(gòu)建筑安全評估可采用層次分析法解決評估的多層次問題，模糊綜合評判法則可以解決評估準(zhǔn)則模糊性的問題.因此，基于層次分析法的模糊綜合評估法是處理決策問題中關(guān)于多指標(biāo)多層次性和模糊性行之有效的評價方法[6].

2.1 評價集的確定

根據(jù)《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 125-2016）鑒定結(jié)果的劃分準(zhǔn)則[7]，本文將生土結(jié)構(gòu)房屋安全等級劃分為A 級、B 級、C 級和D 級，A 級表示房屋基本完好；B 級表示房屋結(jié)構(gòu)或個別承重構(gòu)件有輕微損傷，經(jīng)一般修理后可繼續(xù)使用；C 級表示房屋部分承重構(gòu)件受到損傷，局部出現(xiàn)險情，需經(jīng)加固改造后方可繼續(xù)使用；D 級表示房屋大部分承重構(gòu)件受到嚴(yán)重破壞，整體出現(xiàn)險情或瀕臨坍塌，建議拆除重建.建立生土結(jié)構(gòu)建筑安全評價結(jié)果的評價集V.

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

對于每一層次各元素的相對重要性給出判斷，構(gòu)造出判斷矩陣B：

矩陣 Bij表示 Bi對 Bj的相對重要性數(shù)值（i，j=1，2，…，n），Bij的取值依照表1進行.

表1 判斷矩陣標(biāo)度表[8]

2.3 各級權(quán)重確定

在對生土結(jié)構(gòu)建筑的安全評估研究中，將采用層次分析法來確定影響生土結(jié)構(gòu)建筑安全因素的權(quán)重.通過分析評價指標(biāo)對生土結(jié)構(gòu)建筑安全性影響程度的大小，綜合考慮相關(guān)規(guī)范和相關(guān)人員的意見得到各級評估指標(biāo)的權(quán)系數(shù).

根據(jù)判斷矩陣B，求出最大特征根所對應(yīng)的特征向量，特征向量即為各級因素的權(quán)重.判斷矩陣特征向量計算方法有方根法與和積法[9].現(xiàn)用方根法，步驟如下：

（1）將判斷矩陣B 的元素按行相乘

（2）所得乘積分別開n 次方

（3）將方根向量正規(guī)化，即得所求特征向量W`

則 W=（W1，W2，…，Wn）T，即為所求的特征向量.

2.4 判斷矩陣的一致性檢驗

在建筑安全評價中，影響生土結(jié)構(gòu)建筑安全性的因素較多.同時，人對事物的認識也存在一定的模糊性和主觀性，需要對判斷矩陣的邏輯性進行檢驗.

表2 平均隨機一致性指標(biāo)RI

當(dāng)計算得到的一致性比率CR＜0.1 時，認為判斷矩陣滿足一致性要求，并對判斷矩陣對應(yīng)的最大特征值向量進行處理得到權(quán)向量.若一致性檢驗不滿足要求，則需要對判斷矩陣進行修正，直到計算一致性比率符合要求為止.

2.5 隸屬函數(shù)的建立

根據(jù)文獻[6]，建立生土結(jié)構(gòu)合適的隸屬度函數(shù).對于定量型評判指標(biāo)可以利用隸屬函數(shù)獲得評價項目對應(yīng)不同安全等級的隸屬度.對于地基承載力這類評估指標(biāo)采用“越大越好”型的隸屬度函數(shù)，而對于墻體裂縫這類評估指標(biāo)采用“越小越好”型的隸屬度函數(shù).

對于定性的評估指標(biāo)需要依據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)場檢測結(jié)果進行評判，用“符合”、“基本符合”、“既符合又不符合”、“基本不符合”和“不符合”來評判，為了能夠定量表述這些語言而形成評價向量，用1、0.75、0.5、0.25 和0 來表述以上評判結(jié)果.

2.6 評價矩陣的建立

在實際檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)每一個因素的特點選用合適的隸屬函數(shù)，代入隸屬函數(shù)得到單因素在評價集V 上對應(yīng)每一個安全等級的隸屬度，構(gòu)成單因素評價向量.然后構(gòu)建評價矩陣.

其中：rij為第i 個指標(biāo)在評價集里對應(yīng)第j 個等級的比重，可以反映該指標(biāo)所屬的狀態(tài)等級.

2.7 模糊綜合評價

根據(jù)模糊綜合評價中權(quán)重與各級指標(biāo)對應(yīng)評價矩陣的合成法則，從底層評價指標(biāo)逐步向上進行模糊合成，逐步完成整個目標(biāo)的模糊綜合評價.

3 工程評估實例

目前在對三門峽市盧氏縣進行房屋安全鑒定工作中，以東明鎮(zhèn)某一生土結(jié)構(gòu)民居為例，采取上述方法進行安全性評估.

根據(jù)上述生土結(jié)構(gòu)建筑評估體系圖1，建立各個層次判斷矩陣，依據(jù)層次分析法計算各級指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗.見表3～表6.

表3 一級指標(biāo)U 判斷矩陣和參數(shù)計算

表4 二級指標(biāo)U1 判斷矩陣和參數(shù)計算

表5 二級指標(biāo)U2 判斷矩陣和參數(shù)計算

表6 二級指標(biāo)U3 判斷矩陣和參數(shù)計算

根據(jù)現(xiàn)場檢測與理論計算共同得到的評價矩陣以及由層次分析法確定的評價指標(biāo)的權(quán)重，按照公式（6）、（7）、（8）、（9）對該民居的安全性現(xiàn)狀進行模糊綜合評估.

評價矩陣：

二級指標(biāo)綜合評估：

綜合評判：

圖2 模糊綜合評價評價結(jié)果

根據(jù)模糊評價的結(jié)果可知，房屋安全等級屬于B 級的隸屬度為0.444 3，大于屬于其他安全等級的隸屬度.根據(jù)評價向量的結(jié)果來看，該建筑整體狀況良好.生土墻體風(fēng)化雖已修繕，但修繕的方法不當(dāng).后期再修繕應(yīng)采用砂漿面層，而不是單純的增加墻體厚度.

4 結(jié)論與討論

（1）目前我國村鎮(zhèn)既有生土結(jié)構(gòu)住宅的安全性現(xiàn)狀多采用定性的評估方法，生土結(jié)構(gòu)房屋的安全評估結(jié)果存在較大的偏差.

（2）根據(jù)生土結(jié)構(gòu)建筑的自身特點建立的安全評估體系，將結(jié)構(gòu)信息層次化，采用定性與定量的結(jié)合，進行綜合評估，彌補現(xiàn)有規(guī)范的不足，其評價結(jié)論更為可靠.

（3）房屋安全評價是一項多層次而且錯綜復(fù)雜的工作，需要大量的數(shù)據(jù)運算，所以在該評價體系的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)，研發(fā)滿足安全評價的軟件，全面科學(xué)的收集整理各指標(biāo)數(shù)據(jù)，對生土結(jié)構(gòu)進行客觀、公正的綜合評估，從而為農(nóng)村危房改造的管理和決策提供依據(jù).