基于层次分析法论装配式结构在水工建筑中的必要性

孔令岑 韩雅楠 山东农业大学水利土木工程学院

1 前言

随着工业技术的发展，建筑技术也越来越成熟，在20世纪初，装配式结构建筑开始引起人们的注意。装配式结构建筑就是把传统建造方式中的大量现场作业，转移到工厂中进行，然后将制作好的预制件运送到施工现场进行拼装，类似于孩童所拼装的积木。装配式结构建筑具有节能环保、生产施工效率高等优点，具有一定的先进性与科学性，符合可持续发展的战略[1]。

现如今，装配式结构建筑在民用建筑、公共建筑以及商业建筑上运用较多。然而在水工结构建筑物中，由于需要综合考虑水利工程施工的特点，水利工程承担的挡水、蓄水、导流等各项工作，考虑建筑物本身受力和抗渗防水的要求，以及水利工程施工条件的复杂性，导致装配式结构建筑在水工建筑物方面上的施工和设计需要更高的技术要求[2]。

本文通过建立层次分析模型，将装配式水工建筑物与传统水工建筑物在节能环保、保温性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技术要求等六个方面相比较，认为研究发展预制装配化的水工建筑物，符合可持续发展战略，具有必要性和必然性。将采用装配式结构建造的水工建筑物与采用传统式方法建造的水工建筑物相比较，考虑节能环保、保温性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技术要求等六个方面的角度建立层次分析模型，通过查阅文献资料给出判断矩阵，利用matlab软件进行求解，综合此六个方面，认为装配式结构建筑较传统式建筑有较大优势。

查取2016—2020年五年来我国新建的装配式建筑面积，以及所占新建建筑面积的比例等相关数据，以此为基础利用matlab拟合工具箱进行函数拟合，拟合图像呈现出逐年增长的趋势，认为在未来水利工程建筑事业的发展中，装配式结构建筑将会以它绿色环保、施工生产效率高等优势在未来阶段快速发展。

2 装配式建筑现状

2022年1月20日，全国住房和城乡建设工作会议在北京以视频会议的形式召开，会议中提到要大力发展装配式结构建筑。随着“碳中和与碳达峰”目标的提出，建筑行业正朝着环境友好型方向发展。由图1可知，我国的装配式结构建筑占比由2016年的4.9%提升到2020年的20.5%，建筑面积由2012年的0.05亿平方米扩大到2020年的6.3亿平方米。2016年9月，《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中指出要大力发展装配式建筑，提升建筑信息化的水平[3]，促进建筑结构模式的改革。“十三五”计划以来，我国新建装配式建筑面积占新建建筑面积的比例由4.9%提升到20.5%，新建装配式建筑的建筑面积从2016年的1.14亿平方米增加到2020年的6.3亿平方米，如图1所示。

利用matlab拟合工具箱，采用插值拟合函数绘制出2016—2020年随时间变化的我国新建装配式建筑的面积与新建装配式建筑所占比例的三维视图，如图2所示。

如图1、图2所示，2016—2020年我国装配式建筑占新建建筑的比重越来越大，建筑面积也越来越大，截止2020年新建装配式建筑已超过新建建筑的1/5，而且呈现出逐年增长的趋势，反映了装配式建筑在我国建筑行业中已占据了重要的地位。

目前，传统的水利工程建筑不但施工困难，而且对施工环境、地形地质要求严格，为加快基础建设设施建造进程，在未来装配式建筑快速发展的大好前景下，装配式建筑在水工建筑中的应用将会大力推行。

3 层次分析模型建立与求解

层次分析法是美国匹兹堡大学教授T.L.Saaty在20世纪70年代提出的，它将与决策有关的元素划分为目标层、准则层、方案层，并在此基础上进行定性、定量的分析计算，是一种较为客观的定性分析与科学定量相结合的计算方法[4]，是一种层次权重决策分析方法，也是一种解决多目标的复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法。其中目标层为决策的目的或要解决的问题、准则层为决策时考虑的各种因素、方案层就是备选的方案。

层次分析法的步骤为：①分析系统中各元素间的关系，建立递阶层次结构；②建立两两比较的判断矩阵；③计算判断矩阵，得出结果。

其中判断矩阵中的数字，即标度的含义如表1所示。

表1 判断矩阵中各数字（标度）的含义

本文以最佳建筑方法为目标层，以装配式水工建筑物和传统式水工建筑物的特点，即节能环保、保温性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技术要求等方面作为准则层，以装配式建筑和传统式建筑作为目标层，绘出层次分析的树状图，如图3所示。

在准则层六个元素的前提下，将方案层中的装配式建筑与传统式建筑两两比较，得出六个判断矩阵，并利用matlab软件进行计算，得到装配式建筑与传统式建筑在各个准则层下的得分，其中得分越高表示效果越好，具体如表2~表8所示。

表2 节能环保判断矩阵

表3 保温性能判断矩阵

表4 制作成本判断矩阵

表8 方案层最终得分

表5 抗震性能判断矩阵

表6 施工效率判断矩阵

表7 技术要求判断矩阵

从表2~表8可以看出，装配式结构建筑在节能环保、施工效率上，较传统式建筑具有巨大优势，这反映了在施工过程中若采用装配式的结构建筑，可以大大减少甚至消除传统水工建筑物在施工过程中对环境造成一定程度破坏，且施工期长、消耗劳动力大的缺点，例如在水利工程施工中，利用预制的围堰完成施工导流工作，可以大大提高施工效率，也可以满足防洪度汛的要求，不会因导流不及时而延误工期甚至造成更大的经济损失。并且装配式结构建筑施工后现场也相对整洁美观，可减少后续工作的工作量。装配式结构建筑较传统式的结构建筑主要缺点表现为抗震性能较差，这主要取决于装配式构件容易出现严重的误差问题，往往易出现组装作业过程中缝隙不对应的情况，使其整体性和刚度较传统式建筑结构差，从而导致了其在抗震稳定方面上的缺点。这可为未来装配式结构建筑的发展提出指导性意见，充分利用标准规范，确保各结构参数的准确性，降低各种误差的产生，提高结构的质量，满足多种应用环境的要求。而在成本方面，装配式结构建筑主要由于养护条件更加复杂、预制构件的运输以及更高的技术要求导致其成本较高，为降低成本，使得更加经济合理，可从降低运输费用方面进行剖析，例如可在长期施工的地点建筑预制件工厂，减少运输费用，促进装配式结构建筑的发展。

然而综合观看，装配式结构建筑较传统式建筑有较大优势，从表8可以看出，装配式结构建筑得分比传统式建筑得分多出约35.18%，尤其是其具有巨大的生态环境效益，在“双碳”背景下，发展装配式结构建筑行业符合可持续发展的要求。由此可见，装配式水工建筑在未来的水利工程建设中将有巨大的市场，大力发展装配式建筑也是必然趋势。同时其技术要求高、抗震性能差、成本较高等缺点，也为装配式结构建筑未来的发展提供了方向。

4 结束语

随着科技的进步、劳动力成本的大幅度上涨，大力发展装配式水工建筑已成为必然趋势，尽管我国现浇整体式建筑技术已经十分发达，但随着社会发展的需要，传统式建筑对生态、经济的可持续发展表现出一定的不适应性。为实现水利工程与生态经济相结合，实现可持续性发展，就必须着重发展装配式建筑，提高新建装配式建筑在未来我国新建水工建筑中的比重。

目前，我国水利部也大力推行装配式水工建筑的实施，装配式水工建筑将会成为加快建筑工业化升级的有力工具，在未来阶段，装配式结构在水工建筑中大力推广势在必行。总而言之，随着建筑工程技术水平不断提高及建筑行业的不断转型升级，再加上相关政策的调整，对装配式结构建筑的需求越来越大，装配式结构建筑也会因其自身的各种优点快速发展。