结构设计模糊综合法运用

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结构优化设计和全寿命周期费用是近年兴起的新理念，该观念的特点是以结构安全为前提，以节省建筑资源投入为途径，以可持续发展为目标。我国的基础设施建设正处于高峰期，因此，最大限度减少全寿命周期费、实现低碳环保的绿色建筑理念尤为重要。对此，研究人员已经进行了相关研究并取得了诸多成果-。但在建筑行业，尚未形成比较统一的全寿命周期费用评价方法，尤其是在结构设计阶段，存在着一定程度上的浪费。因而，找到科学、可靠且易于应用的结构设计优化评价方法将成为降低全寿命周期费用的有力工具。1965年LA．Zadeh教授提出的模糊数学理论及后来的模糊综合评判方法是用于评价模糊问题的有力工具，已应用于建筑全寿命周期费用评价的研究“，但由于影响全寿命周期费用的因素多且难以量化，实际应用的案例并不多。因此，文中介绍了结构设计优化的模糊综合评判方法，结合工程实例讨论了其在结构设计阶段费用计算中的应用，提出了基于单目标的模糊综合评判逆向计算法，拓展了模糊综合评判方法的应用领域。

1建筑全寿命周期费用的模糊综合评判方法

对于模糊综合评判方法的介绍可参见文献6。根据建筑特点，其全寿命周期费用{三}通常可分为一次性投资费用{Ⅳ}和经常性发生费用{R}，即对{}的评价包含{J『、r，引两个因素，可表述为式{L}={JI、r，引，其中：{N}包括材料费用(M)，建造费用(c)，设计费(D)用等子因素；{引包括日常能耗费{E}，维修费{r}等子因素，为简化仅考虑上述子因素，即：{}={，C，D}，{Rf={E，r}。可见，对全寿命周期费用{l的评价就转化为对子因素的逐级评价。以维修费{r}为例，}={机电改造费，结构改造费，楼面维修费}={M&E，S，F}；再以楼面维修费{F}为例，按裂缝产生原因细分：{l={不均匀沉降，应力集中，碱骨料反应，施工质量差，设计不合理}={，sC，AA，CQ，DQ}，从而得到了{}的一个底层因素{F}的子因素集，只要找到其子因素集的权重集{A}就可以得到{F}对应于不同方案的评判集作为上层因素R的子因素集。逐一评判底层子因素集后，评判其上一层子因素集，以此类推，最终实现对{}的评判。

2结构设计优化的模糊综合评判方法

(1)项目概况。某项目基地呈方形，使用功能为商业、办公和服务式公寓的综合体。地面建筑由三部分组成，裙楼4层作为大型购物商场，一栋18层的甲级办公楼和一栋20层的公寓式办公楼。地下建筑三层，地下一层局部为商业用途，地下二、三层为汽车库。采用模糊综合评判方法的目的是在保证安全基础上对基坑维护方案进行优化。

(2)模糊综合评判方法正向应用。根据土层分布特点和基础埋深，备选支护方案见表1。基坑支护评价方案集为U={u。，u：，“，}={方案I，方案II，方案III}，因素集设为单层次，为V=，：，}={造价，施工工期，安全性和环保性}，权重集可参考文献[7]并修正后选用A={0．424，0．312，0．264}。造价对应的评判集为R．={3240，2860，4320}，工期的评判集为R2={155，210，190}，安全性的评判集为R={1，0．8，1}，将三者归一化后总评价矩阵如式(1)所示：．『-Rt¨410]R=l冗2I=I100．36l(1)【_R3j【．010j综合评价后得到B=A•R={0．63，0．69，0．11}，根据最大隶属度原则可发现方案II相对较好。但由于人工挖孔桩机械化程度低、工期长且安全性与环保性稍差，虽然综合评价最高但仍有缺陷。因此，能否通过优化设计方案来改变评价结果就成为拓展模糊综合评判方法应用范围的核心问题。方案I的评价结果同方案II较接近，方案III由于相差较大而不进入优化范围，因此选定方案I进行重点优化。

(3)基于单目标的模糊综合评判方法逆向应用。选择权重集A：{0．424，0．312，0．264}中权重最高因素(即造价)作为优化目标。设定优化目标值为，则总评价矩阵转变为式(2)：『R-]4—320—-x101460‘100．360l0(2)经综合评价得到=A．R={432U-x，0．69，0．1I}；令方案I和方案II的综合评价结果相等，解方程后，得到优化目标值=3025(万元)。即当方案I的造价低于3025万元时，方案I即取代方案II成为较优方案。方案I的支护费用主要包括围护费用、深坑加固费用和支撑费用。因此，支护费用评价方案集为U={“。，n，}={围护，深坑加固，支撑}，权重集采用类似项目的统计数据A={0．428，0．021，0．551}。即在深基坑支护中，支撑费用比重最大、围护次之。从而对此两项设定优化目标值：①围护系统优化目标：(3240—3025)×0．428／(0．428+0．551)：94(万元)；②支撑系统优化目标：3240—3025—94=121(万元)。根据上述目标，采取了如下优化措施：①支撑系统由三道支撑改为二道支撑，增加立柱桩截面及配筋，节约成本约450万元；②优化围护桩身配筋，增加坑底加固掺量为10％的混凝土用量，减少掺量为20％的混凝土用量。为保证支撑数量减少后围护系统的安全性，增加了围护桩和三轴搅拌桩止水帷幕，取消高压旋喷止水帷幕和压密注浆。设计变更增加成本约60万元。综合上述两点，总成本节约390万元，超过目标值，即优化后方案I取代方案II成为较优方案。基于单目标的模糊综合评判方法逆向应用是模糊综合评判方法的新应用，即根据权重大小逆向设定子因素预期值。据此组织专家进行结构设计优化论证，改变了以往专家论证方案造价的单一性，拓展了模糊综合评判方法的应用范围，为优化设计指明了方向，更有利于控制全寿命周期费用，实现绿色建筑的目标。

3结语

文中讨论了模糊综合评判方法的逆向应用，分析了其在结构设计优化中的工程应用实例，有以下主要结论：①模糊综合评判方法适用于解决建筑全寿命周期费用评判和结构设计成本评价的问题；②正向运用模糊综合评判方法可获得不同结构设计方案的经济性，而逆向运用模糊综合评判方法可为优化设计提供方向，拓展了模糊综合评判方法的应用范围；③权重集是影响评判结果的最主要因素，通常采用专家提供的经验系数，为获得更准确的权重集，尚需在工程实践中不断积累相关数据加以完善。