基于AHP-FCE-價(jià)值工程的深基坑監(jiān)測(cè)方案比選方法

張成杰

(福州建工(集團(tuán))總公司 福建福州 350000)

0 引言

深基坑指的是開(kāi)挖深度超過(guò)5m(含5m)基坑(槽)土方開(kāi)挖、支護(hù)、降水工程，屬于超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程范圍。在實(shí)際工程中，深基坑由于不可預(yù)見(jiàn)性多，風(fēng)險(xiǎn)因素多，暴露時(shí)間長(zhǎng)，危險(xiǎn)程度大，成為建設(shè)過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。深基坑監(jiān)測(cè)本質(zhì)上就是對(duì)基坑內(nèi)外各風(fēng)險(xiǎn)因素的管理監(jiān)控，而風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別水平和基坑監(jiān)測(cè)水平關(guān)系到工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度等目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)功能前提下，方案的經(jīng)濟(jì)性也同樣需要考慮，這是在日常施工中需要解決的矛盾點(diǎn)。

深基坑監(jiān)測(cè)方案的選擇，主要由兩步驟組成，第一步是識(shí)別基坑風(fēng)險(xiǎn)源，確定基坑監(jiān)測(cè)的具體項(xiàng)目。第二步則是根據(jù)第一步所確定的基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行具體的監(jiān)測(cè)方法選擇。

第一步，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定，依靠圖紙、規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)查勘等手段，結(jié)合專(zhuān)家或者決策者的經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)和識(shí)別。此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別方法問(wèn)題有兩個(gè)，一是過(guò)于依靠專(zhuān)家或者管理者的第一判斷，受主觀因素影響比較多；二是風(fēng)險(xiǎn)源的邊界本身就具有模糊性，很難清晰界定風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)容和重要性?；诖?，本文引入了揭示風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率，結(jié)合模糊理論對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，定量確定深基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的優(yōu)先度[1]。

第二步，根據(jù)所確定的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行具體的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法比選。目前，深基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)，一類(lèi)是自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是比較先進(jìn)的基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以結(jié)合BIM進(jìn)行建模、無(wú)線收發(fā)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或后臺(tái)算法自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，迅速提醒異常位置。自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)頻率可調(diào)整、直觀、可靠、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但前期投入大，維護(hù)成本高，根據(jù)具體項(xiàng)目監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、精度與傳感器選擇的不同，費(fèi)用比人工監(jiān)測(cè)高出許多。為了解決方案設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，筆者采用AHP-FCE-價(jià)值工程的方法對(duì)方案進(jìn)行價(jià)值分析，對(duì)方案提出可靠性與經(jīng)濟(jì)性兼顧的決策建議。

AHP-FCE-價(jià)值工程是指在傳統(tǒng)價(jià)值工程的基礎(chǔ)上加入功能的模糊判斷。價(jià)值工程評(píng)價(jià)核心公式為價(jià)值(V)=功能(F)/成本(C)，核心難點(diǎn)是對(duì)功能的評(píng)價(jià)。過(guò)去的功能評(píng)價(jià)，多數(shù)采用德?tīng)柗品?、?qiáng)制確定法等評(píng)價(jià)方法，主要缺陷在于判斷出的功能評(píng)分具有模糊偏差，沒(méi)有降低模糊的手段，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)前后判斷不自洽的問(wèn)題。筆者采用層次分析法(AHP)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)確定評(píng)價(jià)分值[2-4]，兩者相結(jié)合以期降低評(píng)價(jià)的模糊性，提高功能評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度。

1 引入揭示風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率確定深基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[1]

1.1 因素集建立

按屬性進(jìn)行因素集建立X= {X1,X2,X3} = {第一類(lèi)不可避免風(fēng)險(xiǎn),第二類(lèi)不可避免風(fēng)險(xiǎn),第三類(lèi)不可避免風(fēng)險(xiǎn)}

X1={第一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第一種指標(biāo)(u11),第一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第二種指標(biāo)(u12),第一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第三種指標(biāo)(u13)}

X2={第二類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第一種指標(biāo)(u21),第二類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第二種指標(biāo)(u22),第三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第三種指標(biāo)(u23)}

X3={第三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第一種指標(biāo)(u31),第三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第二種指標(biāo)(u32),第三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)第三種指標(biāo)(u33)}

1.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4,v5}={可忽略,可允許,可接受,可忍受,不可接受}分別對(duì)應(yīng)5個(gè)隸屬度函數(shù)，分別對(duì)九個(gè)指標(biāo)運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)進(jìn)行打分，評(píng)價(jià)分值根據(jù)評(píng)價(jià)隸屬度分別計(jì)算X1，X2，X3的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度矩陣R1，R2，R3，組合為對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣R。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重確定

運(yùn)用層次分析法(AHP)對(duì)各層次風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，將各指標(biāo)權(quán)重記為A1。

1.4 模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)結(jié)果

B=A1×R={對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集的隸屬度}，從而根據(jù)隸屬度最大原則，確定總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1.5 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定

根據(jù)監(jiān)測(cè)優(yōu)先度調(diào)整方法進(jìn)行具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的確定。

2 基于模糊-價(jià)值工程的基坑監(jiān)測(cè)方案比選

結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)與層次分析法(AHP)，基坑監(jiān)測(cè)方案的價(jià)值工程具體分析步驟如下：

(1)收集資料對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能定義(建立評(píng)價(jià)體系)

基于第一步得出的具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，添加“數(shù)據(jù)采集和匯總”作為二級(jí)指標(biāo)，在該二級(jí)指標(biāo)下設(shè)立“時(shí)效性”和“準(zhǔn)確性”兩個(gè)三級(jí)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，以期能全面反映監(jiān)測(cè)方案特點(diǎn)。

(2)計(jì)算功能評(píng)價(jià)系數(shù)

第一步：運(yùn)用層次分析法(AHP)編寫(xiě)各評(píng)價(jià)指標(biāo)調(diào)查問(wèn)卷，請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)價(jià)，匯總評(píng)價(jià)表，進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重指標(biāo)運(yùn)算，權(quán)重指標(biāo)即功能評(píng)價(jià)重要性系數(shù)。

第二步：運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)編寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷，請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)兩種方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，匯總評(píng)價(jià)表，結(jié)合重要性系數(shù)(AHP權(quán)重)就可以得到被測(cè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

第三步：對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行功能評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算。

(3)確定成本系數(shù)

(4)功能評(píng)價(jià)系數(shù)/成本系數(shù)=價(jià)值系數(shù)

第四步：將價(jià)值系數(shù)與1比較進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

福州建工(集團(tuán))總公司“建筑生產(chǎn)基地”基坑工程，±0.00相當(dāng)于羅零標(biāo)高7.80m，現(xiàn)場(chǎng)地羅零標(biāo)高7.0m～8.6m，地下室底板墊層底羅零標(biāo)高為1.45m，承臺(tái)墊層底羅零標(biāo)高-0.2m～-2.35m，開(kāi)挖深度5.55m～7.15m。

場(chǎng)地北側(cè)距離地下室邊界線約5.6m為在建工地；東側(cè)距離地下室邊界線約5.6m為矮廠房；南側(cè)距離地下室邊界線約16.0m為某高層建筑，兩者間暫為施工便道；西側(cè)距離地下室邊界線約22.5m為道路，兩者間為城市綠化帶；基坑邊有無(wú)法移動(dòng)的高壓電塔，地下無(wú)埋藏物，穩(wěn)定水位在羅零標(biāo)高5.05m～5.65m，高出開(kāi)挖面5m以上，承壓水在底板標(biāo)高以下，且覆土層較厚，對(duì)該工程基本無(wú)影響。擬建建筑為11層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，下設(shè)一層地下室，地下室面積約7442m2，周長(zhǎng)約354m。

基坑側(cè)壁安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)r=1.0；基坑正常使用期限為12個(gè)月。

3.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目確定[1]

計(jì)算過(guò)程運(yùn)用到的矩陣計(jì)算，在《基于價(jià)值工程原理的基坑圍護(hù)工程方案選擇》一文中有著詳盡的推導(dǎo)與介紹，本文僅僅引用該文方法做風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別與項(xiàng)目判斷，不將計(jì)算式一一列出。

3.2.1按屬性進(jìn)行因素集建立

X={X1,X2,X3}={支護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn),基坑內(nèi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),基坑周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)}

X1={圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)(u11),支撐體系風(fēng)險(xiǎn)(u12),立柱風(fēng)險(xiǎn)(u13)}

X2={突涌水風(fēng)險(xiǎn)(u21),坑底隆起風(fēng)險(xiǎn)(u22),基坑周邊土體風(fēng)險(xiǎn)(u23)}

X3={地下管線風(fēng)險(xiǎn)(u31),周邊建筑物風(fēng)險(xiǎn)(u32),地表變形風(fēng)險(xiǎn)(u33)}

3.2.2模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算基坑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

B=A1×R=(0.1529，0.0824，0.2468，0，0.5182)

根據(jù)隸屬度原理，確定深基坑的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)M=5

同理，支護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)B1=U1×R1(0.1818，0，0，0，0.8182)

基坑內(nèi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)B2=U2×R2(0.2152，0.3415，0.4433，0，0)

周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)B3=U3×R3(0.0567，0.1768，0.7664，0，0)

得出支護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)m1=5，基坑內(nèi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)m2=3，周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)m3=3。

3.2.3根據(jù)基坑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?yōu)先度調(diào)整原則，確定具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：表面水平位移監(jiān)測(cè)、表面豎向沉降監(jiān)測(cè)、內(nèi)部深層位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、電桿位移監(jiān)測(cè)。

3.3 方案比選

該項(xiàng)目擬采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與人工監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行比選，根據(jù)具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及數(shù)據(jù)采集和匯總方式，將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)方案對(duì)比如表1所示。

表1 擬采用的監(jiān)測(cè)方案對(duì)比

3.3.1功能定義

基于第一步得出的具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：表面水平位移監(jiān)測(cè)、表面豎向沉降監(jiān)測(cè)、內(nèi)部深層位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、電桿位移監(jiān)測(cè)，在功能評(píng)價(jià)體系中加入“數(shù)據(jù)采集和匯總”作為二級(jí)指標(biāo)，在該二級(jí)指標(biāo)下設(shè)立“時(shí)效性”和“可視性”兩個(gè)三級(jí)指標(biāo)，建立價(jià)值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 價(jià)值評(píng)價(jià)體系框架

3.3.2計(jì)算基坑監(jiān)測(cè)方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)

第一步：將基于層次分析法(AHP)原理的兩兩對(duì)比調(diào)查問(wèn)卷分發(fā)給專(zhuān)家，數(shù)據(jù)收集計(jì)算，匯總得到功能重要性系數(shù)如表2所示。

第二步：將基于模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)原理的調(diào)查問(wèn)卷發(fā)放給專(zhuān)家，每個(gè)指標(biāo)的滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)選項(xiàng)分為5個(gè)等級(jí)，優(yōu)秀、良好、合格、不合格和差，分別對(duì)應(yīng)評(píng)分值5、4、3、2和1分，匯總得到的功能滿(mǎn)意度調(diào)查如表3所示。

第三步：計(jì)算兩種基坑監(jiān)測(cè)方案的功能評(píng)價(jià)得分

基坑監(jiān)測(cè)方案功能評(píng)價(jià)得分=基坑監(jiān)測(cè)功能滿(mǎn)意度得分×基坑監(jiān)測(cè)功能重要性系數(shù)，此時(shí)的評(píng)價(jià)得分即為AHP與FCE相結(jié)合的去模糊化得分，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表2 基坑監(jiān)測(cè)功能重要性系數(shù)

表3 基坑監(jiān)測(cè)功能滿(mǎn)意度

表4 基坑監(jiān)測(cè)功能評(píng)價(jià)得分

第四步：計(jì)算基坑監(jiān)測(cè)功能評(píng)價(jià)系數(shù)(F)

某方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)(F)=某方案的功能評(píng)價(jià)得分÷所有方案的功能評(píng)價(jià)得分之和，自動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能評(píng)價(jià)系數(shù)為0.5773，傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的功能評(píng)價(jià)系數(shù)為0.4227。

3.3.3 確定基坑監(jiān)測(cè)方案的成本系數(shù)

根據(jù)價(jià)值工程成本系數(shù)公式，某方案的成本評(píng)價(jià)系數(shù)(C)=某方案的預(yù)算成本/所有方案的預(yù)算成本之和，計(jì)算得到方案成本系數(shù)，如表5所示。

表5 基坑監(jiān)測(cè)功能成本系數(shù)

3.3.4計(jì)算各基坑監(jiān)測(cè)方案的價(jià)值系數(shù)

根據(jù)價(jià)值工程核心公式V=F/C，求得這兩種方案的價(jià)值系數(shù)，如表6所示。

表6 基坑監(jiān)測(cè)方案的價(jià)值系數(shù)

根據(jù)價(jià)值工程原理來(lái)判斷，人工監(jiān)測(cè)在該項(xiàng)目更適用，自動(dòng)基坑監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)頻率、精度、時(shí)效性和可視性上均有著巨大優(yōu)勢(shì)，從價(jià)值系數(shù)上來(lái)分析，也相差不多?；耍梢詫⑵淞袨楦倪M(jìn)的對(duì)象。如果改進(jìn)新方案的價(jià)值系數(shù)高于1，且接近于1，便可以采用新改進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案。

3.4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化

將自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的功能評(píng)價(jià)系數(shù)和成本系數(shù)進(jìn)行比對(duì)，如表7所示。

表7 自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案內(nèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)的價(jià)值系數(shù)

提高產(chǎn)品價(jià)值系數(shù)可以通過(guò)提高功能價(jià)值、降低功能成本或者兩者組合作用，方案內(nèi)部?jī)r(jià)值系數(shù)可以揭示出方案價(jià)值系數(shù)調(diào)整的方向，按照系數(shù)由低到高排列的4個(gè)指標(biāo)，分別為內(nèi)部深層位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、可視性要求以及表面豎向沉降監(jiān)測(cè)。其中內(nèi)部深層位移監(jiān)測(cè)只有利用測(cè)斜儀這一種方式，無(wú)法改進(jìn)，將其排除出優(yōu)化內(nèi)容；承壓水在底板以下，從地質(zhì)上看砂層較厚，在該類(lèi)地質(zhì)中管井降水的成效足夠好，地下水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可改為使用人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用效果相差不大，成本可降低；表面豎向沉降監(jiān)測(cè)和可視性做比較，該項(xiàng)目面積較小，三維可視性在該工程中重要性不高，而豎向沉降觀測(cè)的精度是需要的，所以選擇將BIM建模以及部分云端服務(wù)器費(fèi)用去除。

優(yōu)化后重新進(jìn)行價(jià)值工程計(jì)算，可將自動(dòng)化基坑監(jiān)測(cè)方案的價(jià)值系數(shù)提高至1.0024，新的價(jià)值系數(shù)大于1且接近1，該新方案有采用價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)在價(jià)值工程中引入AHP-FCE方法，不僅可以很好地利用AHP和FCE的評(píng)分加權(quán)計(jì)算對(duì)主觀評(píng)價(jià)去模糊，并且評(píng)價(jià)矩陣的一致性檢驗(yàn)可以剔除多指標(biāo)評(píng)價(jià)中的前后矛盾。調(diào)查問(wèn)卷設(shè)計(jì)和計(jì)算也可以使用軟件進(jìn)行快速設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)的價(jià)值工程相比，在實(shí)際工程運(yùn)用中有很強(qiáng)的實(shí)用性。

(2)由于建設(shè)工程項(xiàng)目實(shí)踐中各類(lèi)決策判斷均存在著模糊、復(fù)雜、相互交叉、互相影響的特點(diǎn)。通過(guò)案例可以發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)踐中采用模糊理論的方法在大樣本基礎(chǔ)下可以有效地量化這些主觀判斷，在工程實(shí)踐中尤其具有推廣價(jià)值，提高決策的分析可靠性與科學(xué)性。

(3)比選方法依然存在繼續(xù)研究的方向，其一是未針對(duì)不同水平的評(píng)價(jià)者設(shè)置相應(yīng)權(quán)重，權(quán)重指標(biāo)的設(shè)立可以進(jìn)一步提高判斷精度和可靠程度，但如何準(zhǔn)確地設(shè)立權(quán)重來(lái)反應(yīng)各評(píng)價(jià)者的判斷水平，這是一個(gè)在今后的工作中可以研究的課題。其二是本文的評(píng)價(jià)體系相對(duì)簡(jiǎn)單，而面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的評(píng)價(jià)體系建立，目前常用的方法是利用調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析降維，該方法同樣也是模糊理論在工程中運(yùn)用的方向之一，但多層次模糊理論的運(yùn)用對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果魯棒性是否有影響，應(yīng)該作為一個(gè)課題深入研究。