考虑全寿命周期的地下工程开发适宜性评估方法研究

金立兵 ，薛雅琪

(河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

0 引言

随着城市化进程的加速，土地资源日趋紧张，已经制约了城市化的发展进程.为满足城市发展需要，以各种方式开发利用城市立体空间，提高城市综合承载能力，做好地下空间的开发利用迫在眉睫.但地下工程是一个复杂的空间系统，在制定开发建设前，必须综合考虑多指标、多因素才能为其建设提供可靠的决策保证.目前国内外在地下工程开发适宜性方面，已经进行了大量的研究， HUNT等[1]通过考虑资源安全、节能减排等因素对拟建地下工程进行评估分析，得出地下工程在未来发展的巨大潜力；BOBYLEV[2]在优先开发利用地下工程中，提出以未来城市功能与不同基础设施的空间结合为基础，做好地下工程开发适宜性的综合评估；王建秀等[3]运用BIM技术对影响修建地下工程的各阶段因素实现了数字化控制，对进一步开发利用提供技术支持；陈丹等[4]采用AHP-可拓学方法对确保地下工程开发利用的围岩稳定性进行评估分析，并用实例验证了模型有效性，也对开发利用地下工程的研究提供了模型与方法.

本文从全寿命角度出发，运用可变模糊集理论对地下工程的多指标、多因素进行综合评估，从而得出地下工程建设的适宜性，为地下工程建设的可行性与决策提供有效的参考.

1 地下工程评估的思路

1.1 目前常用的工程评估方法存在的问题

地下空间是一个重要的空间资源.有序、合理地开发利用地下资源，是科学、有效地节约土地资源、缓解城市交通压力、扩展地下空间结构以及可持续发展的重要途径[5-7].在一定的地域范围内，对开发地下工程的合理性进行评估，可以作为决策建设的有力指南与依据.

目前常用的工程开发质量评估的方法有很多，如综合指数法[8]、事故树定性分析法[9]、层次分析法[10]等.综合指数法是对工程的定量描述，评价结果基本能够反映评估效果，但在评估过程中存在未考虑参评指标的权重，将所有指标的影响视为等同，降低了评估结果的有效性；事故树定性分析法是从系统性分析评估，但其存在人为因素较多，结构重要度分析不全面等；层次分析法只是对同一指标的两两因素的对比分析，没有从整个评估体系进行评估分析，孤立了不同指标之间的联系，没有形成一体化的管理思路.综上方法都不足以反映地下工程的多指标、多因素的评价体系，决策的科学与严谨性有待提升.

1.2 改进的思路及其特点

为了保证对地下工程的准确评估，必须克服建设费用与运营管理责任分离，实现建设、运行一体化的管理思路[11]，做到项目评估方法从产品设计研发到报废回收整个生命周期过程[12]，全寿命理论既考虑了项目建设运营的全过程，而且也能更加全面的考虑地下工程在建设中的各因素集，因此从全寿命周期的角度，建立评价指标体系，运用可变模糊集理论[13]作为本评估方法的出发点进行地下工程评估.

以此思路建立的地下工程评估方法，除了考虑单个因素集各元素的相互关系外，还考虑了不同因素集间各元素潜在的相互联系，更加全面地表达了各因素之间的联系，实现了系统性的评估体系.本评估采用的可变模糊集理论能够实现定量分析；网络层次分析法[14]的Super Decision软件定性分析，得出相应权重，实现评估结果定性与定量的有机结合，为业主修建地下工程提供科学的决策依据.

2 考虑全寿命周期的地下工程可变模糊集评估方法

在全寿命周期理论的基础上，从工程建设、运营与老化废除成本全过程出发，建立评价指标体系新方法.

2.1 建立因素集

建立第一层级的因素集A=(A1,A2, …,An)，其中Ai(i=1,2,…,n)为主因素集，为了使因素集具体化，在主因素集的基础上建立子集Ai=(a1,a2, …,an)，an为影响Ai的第n个因素.

本体系从经济性、社会性、生态性出发，并根据参考文献[15，16]的评价体系建立了本地下工程的评价指标体系，包括全寿命周期的建设阶段、运营阶段、老化废除阶段三大阶段，并在此基础上建立第二层因素集分别为：

(1)建设阶段A1={a1,a2,a3,a4}={土地使用费、规划设计费、工程费用、工程其他费用}；

(2)运营阶段A2={a5,a6,a7,a8}={人员费用、维护费用、运杂费用、社会满意度}；

(3)老化废除阶段A3={a9,a10}={回收残值、环保节能度}.

2.2 建立评价优选

(1)设有待优选的c个地上与地下工程组成的样本集,依据d个目标i的特征值,根据优劣两个级别指标对样本进行识别，各方案所组成的可用特征值表示为：

(1)

(2)计算不同方案进行对比时，遵循越大越优效益型，越小越优成本型的原则，按照指标特征值矩阵A运用公式计算得出相对隶属度矩阵R=(rij)，其计算公式如下

(2)

(3)

(3)从全寿命周期角度出发，运用Super Decision得出各因素之间的相互影响关系，确定得出各指标权重.

① 构建目标层准则层(A1,A2,A2)，第二层因素集(a1,a2,a3,a4), (a5,a6,a7), (a8,a9,a10).

②为了量化各两两比较矩阵之间的关系，用Satty[17]标度尺度，并通过比较第一层、第二层因素集之间的重要程度，得出判断矩阵的权重.

③通过计算得出超矩阵，矩阵中的每一列都以某个元素为准则的排序权重.

④为了统计计算，将超矩阵的每列进行归一化处理，得出各因素之间的重要权重指数.

⑤合成排序结果与讨论.

(4)依据得出的相对隶属度矩阵与各指标的权重值，运用下面公式得出相对优属度，其综合平均值即为方案的综合相对优属度向量uj.相对优属度的计算公式为：

(4)

式中：m为分析指标特征参数；wi为指标权重；p为距离参数，a为优化参数，取1或2通过模型参数的变化可得到4种模型组合[18].

2.3 得出评估结果

通过以上计算方法，得出地面与地下工程的相对优属度，按照优属度越大越优的原则，得出拟建工程效果.

3 实例应用

本文以位于我国中部地区某省会城市郊区的农产品现代粮食物流园区为例，从全寿命的角度出发，通过地下粮仓作为地下工程的一个单位工程，与同等功能的地面工程平房仓与浅圆仓为载体进行对比分析，得出地下粮仓的评估等级，分析项目的开发适宜性.实例分析采用该项目的原始数据[19]、询问专家与问卷得表1.

表1 不同仓型吨粮建设方案Tab. 1 Construction plan of different ton granaries

运用可变模糊集理论公式(2)、(3)得出不同粮仓的相对隶属度矩阵.

其次运用超级决策Super Decision软件进行权重计算见图1.

因此，通过计算得出每个元素在总排序中的权重值为(0.0719，0.0690，0.2333，0.0131，0.0542，0.1841，0.0228，0.1262，0.0817，0.1438).

最后将软件计算得出权重套入可变模糊集数学模型中，得出相对优属度向量为：

当a=1、p=1时，

u1=(0.7396 0.4337 0.4873).

当a=1、p=2时，

u2=(0.5587 0.5548 0.5158).

当a=2、p=1时，

u3=(0.8897 0.3697 0.4746).

当a=2、p=2时，

u4=(0.6159 0.6083 0.5315).

图1 Super decisions 计算界面Fig. 1 Super decisions calculation interface

平均相对优属度向量为(0.7010 0.4916 0.5023)，由此按照建设地下工程的储粮仓的，按照优属度越大越优原则，得出地下粮仓处于最优地位，其次为浅圆仓，最后为平房仓.也说明了地下粮仓从全寿命角度可以作为国家储粮建设的优先仓型，符合可持续发展的要求.

4 结论

通过改进可变模糊集评估方法，提出了全寿命周期理论与可变模糊集优选相结合的评估方法，建立了多级别、多因素的评价指标体系，对比同等功能的项目工程进行定性定量分析得出拟建方案的优属度，得出地下粮仓处于项目建设的最优地位，符合未来的发展趋势，也为地下拟建项目的决策提供有效的科学依据.因此本方法在该领域评估结果可信度高，具有较大的推广应用价值.