ARIZ算法在解決某建筑工程首層回填土問題中的應(yīng)用

易嘉

上海朗詩(shī)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司 上海 200092

ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving）算法是TRIZ理論中集成了問題識(shí)別、問題分析和問題解決為一體的流程化創(chuàng)新方法，通過(guò)步步緊逼的方式將一個(gè)狀況模糊的原始問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的問題模型，最后逼近“最終理想解”(IFR,Ideal Final Result)。其主要步驟包括：分析問題對(duì)象所包含的組件及其相互作用關(guān)系、分析問題所處環(huán)境及其可用資源、陳述最終理想解和物理矛盾、比較不同的問題解決方案及其代價(jià)，最后篩選出該問題最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的解決方案。ARIZ算法按照發(fā)布時(shí)間的先后，分為ARIZ-68、ARIZ-71、ARIZ-82、ARIZ-85C(最新版)若干個(gè)版本，各版本的分析流程逐步優(yōu)化[1]，ARIZ算法并非一成不變，而是能隨著被分析問題的不同而靈活變化[2]，例如：增加或精簡(jiǎn)若干步驟、調(diào)整組件相互作用的強(qiáng)度大小、引入新的創(chuàng)新分析工具等。

1 項(xiàng)目背景

江蘇南京某建筑工程項(xiàng)目，首層±0.000標(biāo)高處設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)板，該結(jié)構(gòu)板與條形基礎(chǔ)之間高差約5.5m，施工方為能加快施工速度，在施工首層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)板之前僅回填了4m的土，隨后施工首層的結(jié)構(gòu)板，導(dǎo)致回填土頂面與首層結(jié)構(gòu)板底面之間存在約1.5m厚的空腔，當(dāng)遇有降雨或相鄰道路排水不暢等情況時(shí)，該空腔將存貯大量廢水，長(zhǎng)期積水將導(dǎo)致首層返潮、招致蚊蠅滋生，不利于建筑物內(nèi)人員的身體健康。

因此，本工程需要解決的問題是：“如何在不拆除首層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)板的情況下，避免板下空腔積水、返潮？”此處只是工程師根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)提出的初始的問題，未必代表了問題的本質(zhì)，需要通過(guò)層層剖析才能發(fā)掘出問題的本質(zhì)，如果僅僅是為了避免“返潮”，則未必通過(guò)處理板下空腔的方式處理，也可以通過(guò)加強(qiáng)首層防潮措施的方式解決。以下通過(guò)運(yùn)用ARIZ-85C算法來(lái)分析和解決該問題，并與采用矛盾矩陣法獲得的解決方案進(jìn)行對(duì)比。

2 ARIZ算法在解決建筑工程問題中的應(yīng)用

ARIZ-85C算法總體分成6大階段：初始問題分析、物場(chǎng)資源分析、歸納最終理想解（IFR）、應(yīng)用知識(shí)庫(kù)、解決方案評(píng)估以及解決方案拓展。對(duì)于特定的問題，并不一定需要完成所有的階段，當(dāng)分析達(dá)到某個(gè)流程節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果已經(jīng)獲得了解決方案，則可以跳過(guò)后續(xù)階段。

2.1 初始問題分析

本工程的技術(shù)目標(biāo)(物體必須改變的特征)是首層樓板下少積水或快速排水，具體是解決“50年以內(nèi)±0.00以下1.5m深度范圍內(nèi)的排水問題”，明顯不能改變的特征則是已建首層樓板和已回填的土，出于成本考慮，要減少施工費(fèi)用和材料費(fèi)用，不能購(gòu)買過(guò)于昂貴的材料，并且所選材料具有施工的可操作性和便捷性。

初步完成問題特征描述之后，使用STC算子（S-尺寸，T-時(shí)間，C-成本）進(jìn)行極限思維來(lái)激化矛盾、暴露問題的本質(zhì)，具體包括：

(1)S算子的極限思維：假設(shè)將首層結(jié)構(gòu)板面積為縮小為0m2，全部填充土壤，則可以預(yù)先夯實(shí)至±0.00標(biāo)高。反之，假設(shè)首層全部設(shè)置為結(jié)構(gòu)板，則出于經(jīng)濟(jì)和安全性考慮，難以拆除結(jié)構(gòu)板，不能解決問題。

(2)T算子的極限思維：假設(shè)改變過(guò)程的時(shí)間為0秒，瞬間完成結(jié)構(gòu)板下空腔的排水，但因?yàn)槲丛淖兘Y(jié)構(gòu)板下的土、空氣狀態(tài)，不可避免再次受到雨水入侵，不能解決問題。反之，假設(shè)改變過(guò)程的時(shí)間為無(wú)限長(zhǎng)，用1億年的時(shí)間逐步開挖周邊基坑、側(cè)向夯實(shí)土并等待土層的沉降趨于穩(wěn)定，甚至有可能變成巖石，進(jìn)而解決了結(jié)構(gòu)板底空腔積水的問題。

(3)C算子的極限思維：假如排水的成本至0元，則無(wú)法調(diào)動(dòng)人力、物力資源完成排水任務(wù)，不能解決問題。反之，假設(shè)排水的成本為無(wú)窮大，聘用大量人員和采用合適的夯土設(shè)備，隨時(shí)排水、干燥結(jié)構(gòu)空腔，則可以解決問題。

經(jīng)過(guò)問題特征描述和STC算子分析，可以用非專業(yè)性的、泛化的語(yǔ)言進(jìn)一步將該工程問題明晰表達(dá)為：在一個(gè)由首層地板、1.5m厚的空腔以及土壤組成的系統(tǒng)中，需要解決由于土壤比較松散和空腔被灌滿水而導(dǎo)致首層地板滲水的問題，該系統(tǒng)中，很難改變的組件是已經(jīng)施工的結(jié)構(gòu)板和已經(jīng)回填的土壤；能夠以較低成本改變或者調(diào)整的組件是1.5m厚的空氣層。

2.2 物場(chǎng)資源分析

物場(chǎng)資源是指的為了解決本工程問題而需要借助的外部因素，既包括有形的“物”：土壤、水、房屋建筑等占據(jù)三維空間的實(shí)體，也包括無(wú)形的“場(chǎng)”：機(jī)械場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱力場(chǎng)等不占據(jù)三維空間但是卻能參與相互作用的效應(yīng)。其中，“真空區(qū)”是一種廉價(jià)且接近無(wú)限供給的重要資源[3]，真空區(qū)內(nèi)既可以是空氣，也可以填充固體或液體，是一種具有體積易變性的多用途物體。本工程問題中，結(jié)構(gòu)板及其下方的土壤之間形成了“真空區(qū)”，初始狀態(tài)下其間填滿了空氣，由于側(cè)向水、土的入侵，會(huì)改變真空區(qū)的物質(zhì)分布，逐漸變成氣體、液體和固體混合的多相混合物，隨著時(shí)間的推移，氣、液、固三相物質(zhì)的含量不斷交替變化，將導(dǎo)致首層房間的熱濕環(huán)境不穩(wěn)定。因此，需要對(duì)該“真空區(qū)”進(jìn)行處理。

2.3 歸納最終理想解（IFR）

完成了初始問題分析之后，可以開始?xì)w納最終理想解（IFR），將分析中的問題表達(dá)轉(zhuǎn)化為最理想化的解決方案：將1.5m厚空氣層通過(guò)增加外部填充物或者僅增加空氣（最廉價(jià)且接近無(wú)限供給的資源），在不破壞結(jié)構(gòu)板、便于施工的條件下令土層變成相對(duì)密封狀態(tài)。

接著，分析為何該空氣層自身不能令土體變成相對(duì)密封的狀態(tài)？原因是：空氣層為離散的氣態(tài)流體物質(zhì)，不能受控地在水、土壓力下呈現(xiàn)密封或承壓狀態(tài)，“流動(dòng)性”和“自控密閉性”之間存在矛盾。但是如果在空氣層的表面能夠出現(xiàn)一層附加物質(zhì)，該物質(zhì)能受控地根據(jù)需要出現(xiàn)，且提供約束土層所需要的抗力，則空氣層有可能在該物質(zhì)的協(xié)助下令土體變成相對(duì)密封的狀態(tài)。

陳述完最終理想解后，需要根據(jù)以上書面陳述繪制兩張概念設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，分別是初始的“工程問題圖”和到達(dá)最終理想解之后的“理想圖”，概念圖繪制沒有特殊要求，只要能反映“初始狀態(tài)”和“理想狀態(tài)”的本質(zhì)即可。如果外部環(huán)境組件（如：空氣、太陽(yáng)光等）也參與了相互作用，則外部環(huán)境組件也需要顯示在“理想圖”中。如下圖1和圖2中的“側(cè)向支撐層”所示，使用無(wú)害化處理后的建筑垃圾填充空氣層兼透水層，在外部兼做擋土墻供室外回土側(cè)向支撐。

圖1 技術(shù)問題的初始狀態(tài)圖

圖2 到達(dá)最終理想解的狀態(tài)圖

2.4 應(yīng)用知識(shí)庫(kù)

通過(guò)專利檢索，查詢到一個(gè)名為《一種真空預(yù)壓深層側(cè)向密封施工方法》的發(fā)明專利[4]，該專利公開了一種施工方法，采用同步開槽鋪塑一體機(jī)進(jìn)行施工操作，對(duì)解決深厚砂層或回填土的側(cè)向密封性起到積極作用。該專利的啟示是：可以在空氣層的周圈設(shè)置廉價(jià)擋水物質(zhì)以阻止外部水土的侵入。固、液、氣態(tài)物質(zhì)遵循不同的科學(xué)效應(yīng)[5]，例如：氣態(tài)的超聲波效應(yīng)、液態(tài)的伯努利效應(yīng)、固態(tài)的形狀記憶效應(yīng)等，該類科學(xué)效應(yīng)提供了在微觀層面解決問題的可能性。

2.5 解決方案評(píng)估

對(duì)于“建筑垃圾填充”的技術(shù)方案，雖然空氣層變得密實(shí)了，施工較為困難，需要將散碎的建筑垃圾塞入空氣層，可以預(yù)先將建筑垃圾打包后再塞入空氣層，降低施工難度，且增加的建筑垃圾打包成本大大低于將建筑垃圾分散填入空氣層的施工成本，具備可操作性。

2.6 解決方案拓展

最后，評(píng)估本工程問題的解決方案是否能推廣到其他工程建設(shè)領(lǐng)域或者其他行業(yè)，例如：在施工其他建筑的首層結(jié)構(gòu)板之前，先行夯實(shí)回填土，并填充膨脹混凝土以消除空氣層，避免后期側(cè)向回填土的困難。此外，還可將“打包”的概念應(yīng)用于裝配式建筑設(shè)計(jì)，將功能房間“打包”形成結(jié)構(gòu)單元，然后再裝配形成整體。

3 用矛盾矩陣解決該問題進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證

矛盾矩陣是根里奇·阿奇舒勒歸納出來(lái)的一種解決發(fā)明問題的工具，共39個(gè)通用工程參數(shù)分別作為矛盾矩陣的行和列，分別代表改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，組成1個(gè)39×39通用工程參數(shù)矩陣[6]，每?jī)蓪?duì)改善和惡化的參數(shù)的行和列相交于1個(gè)單元格，該單元格中列出了解決這一對(duì)矛盾的可能使用的發(fā)明原理，通過(guò)分析問題，選擇系統(tǒng)在變化時(shí)改善的參數(shù)以及惡化的參數(shù)，查找相應(yīng)的發(fā)明原理，獲得可選的若干種解決方案，最后再根據(jù)系統(tǒng)的具體情況和約束條件選取其中相對(duì)合理的方案并進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)、付諸實(shí)施。

經(jīng)過(guò)上述工程問題的分析可知，對(duì)于回填土與首層防潮的矛盾問題，改善的參數(shù)可以選擇“靜止物體的體積”和“強(qiáng)度”，惡化的參數(shù)可選為“易維護(hù)性”“可靠性”和“可制造性”。得到如下的矛盾矩陣解決方案，其中的“用復(fù)合材料替代”“分割”“反向作用”“改變物理或化學(xué)參數(shù)”“借助中介物”4個(gè)發(fā)明原理多次出現(xiàn)，說(shuō)明該4種解決方案更有可能獲得實(shí)用的解決方案。當(dāng)選取“分割”和“借助中介物”原理時(shí)，可以推導(dǎo)出“用打包建筑垃圾填充結(jié)構(gòu)空腔”的處理方案，與上節(jié)采用ARIZ算法獲得的解決方案類似，殊途同歸，驗(yàn)證了ARIZ算法的可行性。如表1所示。

表1 用矛盾矩陣和發(fā)明原理解決建筑首層回填土問題

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)上述ARIZ-85C算法，成功地找到了解決某建筑工程首層結(jié)構(gòu)空腔防潮問題的經(jīng)濟(jì)、適用解決方案，并用矛盾矩陣加以驗(yàn)證，為工程建造提供了創(chuàng)造性的技術(shù)措施。工程實(shí)踐中，建筑工程師可以根據(jù)所遇技術(shù)問題特點(diǎn)和自身的工程經(jīng)驗(yàn)，在理解ARIZ算法原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，有助于產(chǎn)生兼顧經(jīng)濟(jì)性和適用性的解決方案。