基于AHP-FCE-價值工程的深基坑監(jiān)測方案比選方法

張成杰

(福州建工(集團(tuán))總公司 福建福州 350000)

0 引言

深基坑指的是開挖深度超過5m(含5m)基坑(槽)土方開挖、支護(hù)、降水工程，屬于超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程范圍。在實(shí)際工程中，深基坑由于不可預(yù)見性多，風(fēng)險因素多，暴露時間長，危險程度大，成為建設(shè)過程重點(diǎn)關(guān)注的對象。深基坑監(jiān)測本質(zhì)上就是對基坑內(nèi)外各風(fēng)險因素的管理監(jiān)控，而風(fēng)險識別水平和基坑監(jiān)測水平關(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，在滿足監(jiān)測功能前提下，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)測方案的選擇，主要由兩步驟組成，第一步是識別基坑風(fēng)險源，確定基坑監(jiān)測的具體項目。第二步則是根據(jù)第一步所確定的基坑監(jiān)測項目進(jìn)行具體的監(jiān)測方法選擇。

第一步，傳統(tǒng)的監(jiān)測項目確定，依靠圖紙、規(guī)范、現(xiàn)場查勘等手段，結(jié)合專家或者決策者的經(jīng)驗(yàn)直接對風(fēng)險評級和識別。此類風(fēng)險源識別方法問題有兩個，一是過于依靠專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)險源的邊界本身就具有模糊性，很難清晰界定風(fēng)險的內(nèi)容和重要性?；诖?，本文引入了揭示風(fēng)險貢獻(xiàn)率，結(jié)合模糊理論對風(fēng)險源進(jìn)行分級評估，定量確定深基坑監(jiān)測項目的優(yōu)先度[1]。

第二步，根據(jù)所確定的監(jiān)測項目進(jìn)行具體的監(jiān)測技術(shù)方法比選。目前，深基坑監(jiān)測技術(shù)主要分為兩類，一類是傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)，一類是自動監(jiān)測技術(shù)。自動監(jiān)測技術(shù)是比較先進(jìn)的基坑監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)可以結(jié)合BIM進(jìn)行建模、無線收發(fā)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或后臺算法自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計，迅速提醒異常位置。自動監(jiān)測技術(shù)具有時效性強(qiáng)、監(jiān)測頻率可調(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)具體項目監(jiān)測項目、精度與傳感器選擇的不同，費(fèi)用比人工監(jiān)測高出許多。為了解決方案設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，筆者采用AHP-FCE-價值工程的方法對方案進(jìn)行價值分析，對方案提出可靠性與經(jīng)濟(jì)性兼顧的決策建議。

AHP-FCE-價值工程是指在傳統(tǒng)價值工程的基礎(chǔ)上加入功能的模糊判斷。價值工程評價核心公式為價值(V)=功能(F)/成本(C)，核心難點(diǎn)是對功能的評價。過去的功能評價，多數(shù)采用德爾菲法、強(qiáng)制確定法等評價方法，主要缺陷在于判斷出的功能評分具有模糊偏差，沒有降低模糊的手段，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)前后判斷不自洽的問題。筆者采用層次分析法(AHP)確定評價指標(biāo)權(quán)重，模糊綜合評價法(FCE)確定評價分值[2-4]，兩者相結(jié)合以期降低評價的模糊性，提高功能評價精準(zhǔn)度。

1 引入揭示風(fēng)險貢獻(xiàn)率確定深基坑監(jiān)測項目[1]

1.1 因素集建立

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

X1={第一類風(fēng)險第一種指標(biāo)(u11),第一類風(fēng)險第二種指標(biāo)(u12),第一類風(fēng)險第三種指標(biāo)(u13)}

X2={第二類風(fēng)險第一種指標(biāo)(u21),第二類風(fēng)險第二種指標(biāo)(u22),第三類風(fēng)險第三種指標(biāo)(u23)}

X3={第三類風(fēng)險第一種指標(biāo)(u31),第三類風(fēng)險第二種指標(biāo)(u32),第三類風(fēng)險第三種指標(biāo)(u33)}

1.2 建立評價集

評價集V={v1,v2,v3,v4,v5}={可忽略,可允許,可接受,可忍受,不可接受}分別對應(yīng)5個隸屬度函數(shù)，分別對九個指標(biāo)運(yùn)用模糊綜合評價法(FCE)進(jìn)行打分，評價分值根據(jù)評價隸屬度分別計算X1，X2，X3的風(fēng)險隸屬度矩陣R1，R2，R3，組合為對應(yīng)的隸屬度矩陣R。

1.3 風(fēng)險權(quán)重確定

運(yùn)用層次分析法(AHP)對各層次風(fēng)險進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算，將各指標(biāo)權(quán)重記為A1。

1.4 模糊綜合評價法(FCE)結(jié)果

B=A1×R={對應(yīng)評價集的隸屬度}，從而根據(jù)隸屬度最大原則，確定總體風(fēng)險等級。

1.5 監(jiān)測項目確定

根據(jù)監(jiān)測優(yōu)先度調(diào)整方法進(jìn)行具體監(jiān)測項目的確定。

2 基于模糊-價值工程的基坑監(jiān)測方案比選

結(jié)合模糊綜合評價法(FCE)與層次分析法(AHP)，基坑監(jiān)測方案的價值工程具體分析步驟如下：

(1)收集資料對產(chǎn)品進(jìn)行功能定義(建立評價體系)

基于第一步得出的具體監(jiān)測項目，添加“數(shù)據(jù)采集和匯總”作為二級指標(biāo)，在該二級指標(biāo)下設(shè)立“時效性”和“準(zhǔn)確性”兩個三級指標(biāo)建立評價體系，以期能全面反映監(jiān)測方案特點(diǎn)。

(2)計算功能評價系數(shù)

第一步：運(yùn)用層次分析法(AHP)編寫各評價指標(biāo)調(diào)查問卷，請專家進(jìn)行評價，匯總評價表，進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重指標(biāo)運(yùn)算，權(quán)重指標(biāo)即功能評價重要性系數(shù)。

第二步：運(yùn)用模糊綜合評價法(FCE)編寫調(diào)查問卷，請專家對兩種方案的評價指標(biāo)進(jìn)行模糊評價，匯總評價表，結(jié)合重要性系數(shù)(AHP權(quán)重)就可以得到被測指標(biāo)的綜合評價結(jié)果。

第三步：對評價結(jié)果進(jìn)行功能評價系數(shù)計算。

(3)確定成本系數(shù)

(4)功能評價系數(shù)/成本系數(shù)=價值系數(shù)

第四步：將價值系數(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，承臺墊層底羅零標(biāo)高-0.2m～-2.35m，開挖深度5.55m～7.15m。

場地北側(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；基坑邊有無法移動的高壓電塔，地下無埋藏物，穩(wěn)定水位在羅零標(biāo)高5.05m～5.65m，高出開挖面5m以上，承壓水在底板標(biāo)高以下，且覆土層較厚，對該工程基本無影響。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，周長約354m。

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

3.2 監(jiān)測項目確定[1]

計算過程運(yùn)用到的矩陣計算，在《基于價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)險源識別與項目判斷，不將計算式一一列出。

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,基坑內(nèi)環(huán)境風(fēng)險,基坑周邊環(huán)境風(fēng)險}

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

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

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

3.2.2模糊綜合評價法計算基坑風(fēng)險等級

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)險等級M=5

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

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

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

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

3.2.3根據(jù)基坑風(fēng)險等級確定監(jiān)測項目

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

3.3 方案比選

該項目擬采用自動監(jiān)測技術(shù)與人工監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行比選，根據(jù)具體監(jiān)測項目以及數(shù)據(jù)采集和匯總方式，將監(jiān)測項目進(jìn)行對比，監(jiān)測方案對比如表1所示。

表1 擬采用的監(jiān)測方案對比

3.3.1功能定義

基于第一步得出的具體監(jiān)測項目：表面水平位移監(jiān)測、表面豎向沉降監(jiān)測、內(nèi)部深層位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、電桿位移監(jiān)測，在功能評價體系中加入“數(shù)據(jù)采集和匯總”作為二級指標(biāo)，在該二級指標(biāo)下設(shè)立“時效性”和“可視性”兩個三級指標(biāo)，建立價值評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 價值評價體系框架

3.3.2計算基坑監(jiān)測方案的功能評價系數(shù)

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

第二步：將基于模糊綜合評價法(FCE)原理的調(diào)查問卷發(fā)放給專家，每個指標(biāo)的滿意度評價選項分為5個等級，優(yōu)秀、良好、合格、不合格和差，分別對應(yīng)評分值5、4、3、2和1分，匯總得到的功能滿意度調(diào)查如表3所示。

第三步：計算兩種基坑監(jiān)測方案的功能評價得分

基坑監(jiān)測方案功能評價得分=基坑監(jiān)測功能滿意度得分×基坑監(jiān)測功能重要性系數(shù)，此時的評價得分即為AHP與FCE相結(jié)合的去模糊化得分，計算結(jié)果如表4所示。

表2 基坑監(jiān)測功能重要性系數(shù)

表3 基坑監(jiān)測功能滿意度

表4 基坑監(jiān)測功能評價得分

第四步：計算基坑監(jiān)測功能評價系數(shù)(F)

某方案的功能評價系數(shù)(F)=某方案的功能評價得分÷所有方案的功能評價得分之和，自動監(jiān)測的功能評價系數(shù)為0.5773，傳統(tǒng)人工監(jiān)測的功能評價系數(shù)為0.4227。

3.3.3 確定基坑監(jiān)測方案的成本系數(shù)

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

表5 基坑監(jiān)測功能成本系數(shù)

3.3.4計算各基坑監(jiān)測方案的價值系數(shù)

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

表6 基坑監(jiān)測方案的價值系數(shù)

根據(jù)價值工程原理來判斷，人工監(jiān)測在該項目更適用，自動基坑監(jiān)測在監(jiān)測頻率、精度、時效性和可視性上均有著巨大優(yōu)勢，從價值系數(shù)上來分析，也相差不多?；?，可以將其列為改進(jìn)的對象。如果改進(jìn)新方案的價值系數(shù)高于1，且接近于1，便可以采用新改進(jìn)的自動化監(jiān)測方案。

3.4 自動監(jiān)測方案優(yōu)化

將自動監(jiān)測方案中各評價指標(biāo)的功能評價系數(shù)和成本系數(shù)進(jìn)行比對，如表7所示。

表7 自動監(jiān)測方案內(nèi)評價指標(biāo)的價值系數(shù)

提高產(chǎn)品價值系數(shù)可以通過提高功能價值、降低功能成本或者兩者組合作用，方案內(nèi)部價值系數(shù)可以揭示出方案價值系數(shù)調(diào)整的方向，按照系數(shù)由低到高排列的4個指標(biāo)，分別為內(nèi)部深層位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、可視性要求以及表面豎向沉降監(jiān)測。其中內(nèi)部深層位移監(jiān)測只有利用測斜儀這一種方式，無法改進(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，在該類地質(zhì)中管井降水的成效足夠好，地下水位計自動監(jiān)測可改為使用人工進(jìn)行監(jiān)測，使用效果相差不大，成本可降低；表面豎向沉降監(jiān)測和可視性做比較，該項目面積較小，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)行價值工程計算，可將自動化基坑監(jiān)測方案的價值系數(shù)提高至1.0024，新的價值系數(shù)大于1且接近1，該新方案有采用價值。

4 結(jié)論

(1)在價值工程中引入AHP-FCE方法，不僅可以很好地利用AHP和FCE的評分加權(quán)計算對主觀評價去模糊，并且評價矩陣的一致性檢驗(yàn)可以剔除多指標(biāo)評價中的前后矛盾。調(diào)查問卷設(shè)計和計算也可以使用軟件進(jìn)行快速設(shè)計和統(tǒng)計，與傳統(tǒng)的價值工程相比，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)工程項目實(shí)踐中各類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，其一是未針對不同水平的評價者設(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)重來反應(yīng)各評價者的判斷水平，這是一個在今后的工作中可以研究的課題。其二是本文的評價體系相對簡單，而面對復(fù)雜問題的評價體系建立，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)用對于評價結(jié)果魯棒性是否有影響，應(yīng)該作為一個課題深入研究。