張勝昔,陳為公,王會會,李萌萌
(青島理工大學(xué) 管理學(xué)院, 山東 青島 266520)
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基于G-FAHP的深基坑施工風(fēng)險評價
張勝昔,陳為公,王會會,李萌萌
(青島理工大學(xué) 管理學(xué)院, 山東 青島 266520)
深基坑工程具有施工技術(shù)難度大、施工環(huán)境復(fù)雜、較強(qiáng)的環(huán)境效應(yīng)等特點,且面臨著各種不確定性風(fēng)險因素,是一項綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程,因此對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)有效的評估顯得尤為重要。本文從系統(tǒng)的角度對影響深基坑施工的風(fēng)險因素進(jìn)行收集和劃分,建立了深基坑施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系;并將模糊層次分析法與灰色系統(tǒng)理論結(jié)合應(yīng)用,構(gòu)建了綜合考慮各種風(fēng)險因素的模糊和灰色不確定性的G-FANP評價模型。最終通過實證分析,得到各指標(biāo)的風(fēng)險排序,驗證了該方法的可行性。
深基坑; 風(fēng)險; 模糊層次分析法; 灰色聚類評價
為了滿足高層、超高層建筑物的基礎(chǔ)埋深需求并進(jìn)一步拓展地下空間,基坑工程正朝著大面積和大深度方向發(fā)展。目前,我國各大城市已相繼展開大規(guī)模的深基坑建設(shè)工程。這些具有超大規(guī)模的深基坑工程地質(zhì)條件復(fù)雜,且受特殊施工環(huán)境影響嚴(yán)重,對技術(shù)要求較高,使其面臨的風(fēng)險因素具有高度不確定性特點,因此對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)有效的評價具有較高的實踐意義。
近年來,我國建設(shè)工程領(lǐng)域的相關(guān)專家學(xué)者對深基坑施工風(fēng)險管理現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了深入的理論研究[1, 2]。同時許多學(xué)者也試圖通過利用各種方法對深基坑風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)有效的定性與定量評價。李宏偉、薛麗影等[3, 4]通過事故實例分析,定性分析深基坑施工的風(fēng)險因素,并提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施;曹文貴等[5]通過深入研究懸臂支護(hù)基坑失穩(wěn)風(fēng)險事件及其風(fēng)險因素,建立基于改進(jìn)風(fēng)險矩陣分析方法的懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑失穩(wěn)風(fēng)險模型;黃宏偉、邊亦海等[6, 7]將層次分析、模糊理論等數(shù)理方法引入對深基坑施風(fēng)險評價中,并從當(dāng)時的深基坑施工風(fēng)險問題的分析中取得了較好的效果;蘭守奇,劉波等[8~10]則將模糊理論在基坑工程風(fēng)險評價中的應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究,得到了各風(fēng)險指標(biāo)的風(fēng)險估值,并實現(xiàn)了風(fēng)險分級,為同類工程提供了借鑒。
從上述研究來看,我國深基坑施工風(fēng)險管理研究已取得較好的成果,然而已有的評價方法僅僅針對深基坑的某一特點進(jìn)行單一評價,且多數(shù)只針對其風(fēng)險的模糊性特點,缺乏系統(tǒng)性、綜合性的深入研究。深基坑是屬于地下工程的復(fù)雜施工系統(tǒng),施工過程相對于其他工程的隱蔽性高,施工技術(shù)和各種施工信息的處理難度大。由于該系統(tǒng)的復(fù)雜性和外部認(rèn)知能力有限,使得深基坑施工面臨的風(fēng)險因素具有較高模糊和灰色不確定性特點。因此,本文系統(tǒng)分析了深基坑施工風(fēng)險特點,首次構(gòu)建了綜合考慮模糊和灰色不確定性的G-FANP評價模型,以期為深基坑施工風(fēng)險管理提供更加科學(xué)合理的管理依據(jù)。
深基坑施工風(fēng)險評價的對象、環(huán)境及評價信息構(gòu)成了完備的管理系統(tǒng)。評價模型構(gòu)建的核心問題即確定評價信息的定量轉(zhuǎn)化方式及數(shù)據(jù)集結(jié)方式,而解決該問題的前提是明確評價信息的本質(zhì)和特性。風(fēng)險評價模型是深基坑施工風(fēng)險評價的關(guān)鍵部分。在進(jìn)行研究時,因系統(tǒng)自身的復(fù)雜性且外部認(rèn)知能力有限,評價信息往往帶有不確定性,風(fēng)險評價即一個信息不明確的系統(tǒng),區(qū)別于信息完全確定的白色系統(tǒng)和信息完全未知的黑色系統(tǒng),深基坑風(fēng)險評價是一個介于兩者之間的信息不確定的灰色系統(tǒng)。因此在大型工程深基坑施工風(fēng)險評價模型構(gòu)建時,必須從系統(tǒng)論的角度分析,充分考慮這種介于確定與不確定之間的灰色信息狀態(tài)。而灰色聚類評價則是可在小樣本、貧數(shù)據(jù)狀態(tài)下,通過白化權(quán)函數(shù)實現(xiàn)風(fēng)險評價由灰色系統(tǒng)向白色系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化,充分利用每一個數(shù)據(jù)的全部信息快速做出評價的理論方法[11]。
同時,在評價過程中必然涉及對評價指標(biāo)的賦權(quán),深基坑施工風(fēng)險評價涉及面廣,指標(biāo)間關(guān)系錯綜復(fù)雜難以量化,具有明顯模糊和灰色不確定性,因此選擇合理的賦權(quán)方法尤為重要。鑒于此,本文在層次分析法(Analytic Hierarchy Progress, AHP)的基礎(chǔ)上,引入三角模糊數(shù),改進(jìn)傳統(tǒng)1~9標(biāo)度法,最終通過模糊優(yōu)先規(guī)劃方法(Fuzzy Preference Programming,F(xiàn)PP)計算各指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)建FAHP賦權(quán)模型。這種賦權(quán)方法將AHP法與模糊集理論相結(jié)合,對一些認(rèn)知不明確、難以量化的風(fēng)險因素進(jìn)行量化,不僅考慮了模糊不確定性對賦權(quán)結(jié)果的影響,而且極大地削弱了單純主觀打分可能產(chǎn)生的極端值影響。該方法填補(bǔ)了上述灰色系統(tǒng)理論的缺陷,這種賦權(quán)方法更具有科學(xué)適用性。
2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建
深基坑施工應(yīng)考慮的風(fēng)險因素很多。在水土壓力作用下,支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞,支護(hù)結(jié)構(gòu)型式不同,破壞形式也有所差異。滲流可能引起流土、流砂、突涌,造成破壞。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大及地下水流失所引起周圍建筑物及地下管線破壞也屬于基坑工程事故。根據(jù)《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定,深基坑工程施工應(yīng)綜合考慮基坑及周邊一定范圍內(nèi)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、開挖深度、周邊環(huán)境保護(hù)要求、降排水條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型等因素[12]。依據(jù)對相關(guān)參考文獻(xiàn)[1]、[10]的研究及工程實踐中涉及的因素和特點,遵循系統(tǒng)性、目標(biāo)性、可操作性,對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行歸納,建立涵蓋5個主要指標(biāo)及18個下屬要素指標(biāo)的評價指標(biāo)體系(圖1)。
圖1 深基坑施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系
2.2 FAHP賦權(quán)法及深基坑施工風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重的確定
深基坑施工風(fēng)險主要有多重不確定性、隨機(jī)性、灰色性等不確定性特點,單純采用專家打分法易出現(xiàn)由于主觀判斷所產(chǎn)生的極端值。論文本著賦權(quán)方法應(yīng)簡單客觀的原則,采用FAHP法對各指標(biāo)集成賦權(quán),既考慮了模糊不確定性對賦權(quán)結(jié)果的影響,又削弱了單純的主觀打分可能產(chǎn)生的極端值影響。通過以下運(yùn)算步驟,可實現(xiàn)深基坑施工風(fēng)險指標(biāo)體系的賦權(quán)。
2.2.1 構(gòu)造模糊判斷矩陣
首先通過引入三角模糊數(shù)M消除各指標(biāo)間的模糊不確定性,M常用(l,m,u)表示,且有l(wèi)≤m≤u,其中l(wèi),m,u分別表示模糊數(shù)的下界、上界及中值。u-l表示模糊程度的高低,當(dāng)u=m=l時,M為非模糊判斷。形式如式(1)所示,同時設(shè)定語言變量如表1所示。
(1)
表1 模糊語言變量與對應(yīng)的模糊數(shù)
最后,與AHP法構(gòu)造判斷矩陣的方式相似,根據(jù)表1設(shè)定的模糊語言變量,對于同一層次的指標(biāo),采用三角模糊數(shù)的形式進(jìn)行優(yōu)先級比較,從而得到判斷矩陣,其中aij表示第i行j列的三角模糊數(shù),如式(2)所示。
(2)
2.2.2 利用FPP法計算指標(biāo)權(quán)重
許多專家學(xué)者提出多種計算模糊判斷矩陣權(quán)重的方法[13~15]。然而為了遵循簡易性、準(zhǔn)確性和可操作性的原則,選取模糊優(yōu)先規(guī)劃(Fuzzy Preference Programming,F(xiàn)PP)[16]方法進(jìn)行求解。
FPP方法中,專家用三角模糊數(shù)對指標(biāo)相對重要性進(jìn)行評判,各指標(biāo)權(quán)重由建立的隸屬函數(shù)求得,函數(shù)如式(3)所示。
(3)
式中:l和u為專家模糊評判的最小可能值和最大可能值;m為最可能值;wi、wj分別為第i、j個評價指標(biāo)的權(quán)重。當(dāng)wi/wj≤lij或wi/wj≥uij時,隸屬度函數(shù)uij為負(fù)值,表示模糊判斷矩陣一致性較差;當(dāng)wi/wj=mij時,uij取到最大值1。可行權(quán)向量中,定義其比值隸屬度的最小值,即:
(4)
滿足條件的解集中,隸屬度最大的向量為解向量,即:
λ*=up(w*)=max{up(w)}
(5)
FPP方法求解模糊判斷矩陣過程可用線性規(guī)劃表示如下:
(6)
式中:k=1,2,…,n;i=1,2,…,n-1;j=2,3,…n;j>i。
利用MATLAB編程計算,可得到方程的最優(yōu)解向量(w*,λ*),其中w*為模糊可行域中隸屬度最大的優(yōu)化權(quán)重,λ*為最大隸屬度,是衡量模糊判斷矩陣一致性的指標(biāo),若λ*>0表明一致性較好,否則一致性較差。
2.3 深基坑施工風(fēng)險灰色聚類評價
灰色系統(tǒng)理論方法[11],是對系統(tǒng)論、信息論、控制論觀點和方法的延伸,模型具有簡單明了、概念清晰、宜于應(yīng)用且結(jié)論可靠的特點?;疑垲愒u價模型作為其中經(jīng)典的評價方法,通過數(shù)理模型將灰色系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為白色系統(tǒng),從而得到可供分析的評價結(jié)果。
2.3.1 深基坑施工風(fēng)險的測度界定
為了對深基坑施工風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行合理的量化處理,應(yīng)依據(jù)工程實踐經(jīng)驗對深基坑施工風(fēng)險測度進(jìn)行界定,進(jìn)而確定重點施工風(fēng)險。從統(tǒng)計學(xué)的角度來講,對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行評價之前,得到的風(fēng)險評價結(jié)果概率理論上是等同的,即被定為哪一風(fēng)險等級應(yīng)是等可能事件,故風(fēng)險測度應(yīng)均等劃分。同時從提高風(fēng)險管理水平的角度出發(fā),應(yīng)將最高級別的界定測度盡可能提高,擴(kuò)大最低級別的測度取值范圍,從而減小最低級別風(fēng)險測度確定的難度,從而提高深基坑風(fēng)險評價的科學(xué)性。
設(shè)定風(fēng)險測度取值范圍為[0,10],將深基坑施工風(fēng)險測度分為:高、較高、一般、較低、低共5個等級,具體界定如表2所示。
表2 工程項目深基坑風(fēng)險測度
2.3.2 灰類的確定及對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)的建立
灰色系統(tǒng)理論研究學(xué)者劉思峰提出了中心點三角白化權(quán)函數(shù)模型,對數(shù)據(jù)灰類的所屬情況進(jìn)行描述[17]。確定“優(yōu)、良好、合格、差、極差”五個灰類,中心點向量為U=(9,7,5,3,1),根據(jù)深基坑風(fēng)險評價內(nèi)涵建立各灰類對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù),具體見表3[18]。
表3 各灰類及對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)
2.3.3 灰色聚類評估步驟
(1)建立評價矩陣。按界定的風(fēng)險測度,請p個專家對指標(biāo)Aij進(jìn)行賦值,建立評價矩陣Di=[dijk]s×p,其中dijk為第k個專家對第i個指標(biāo)下的第j個分指標(biāo)所賦的值,k=1,2,…,n,s為矩陣的評價指標(biāo)數(shù)量。
(7)
(3)合成聚類評價矩陣。對各初級指標(biāo)聚類評價:
Z=w·Ri
(8)
構(gòu)造上級指標(biāo)的綜合評價矩陣Z0=[Z1,Z2,…,Zn]T,再進(jìn)行上層指標(biāo)的綜合聚類評價:
M=w0·Z0=[M1,M2,…,Mn]
(9)
(4)計算各級指標(biāo)評價值。為避免根據(jù)傳統(tǒng)最大權(quán)原則確定灰類時導(dǎo)致信息丟失,將綜合評價向量與測度閥值進(jìn)行合成,做單值化處理W=M·U,獲得深基坑施工風(fēng)險綜合評價值。
青島膠南市某深基坑工程,施工范圍場地平坦,地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)勘察深度范圍內(nèi)的地層主要為第四紀(jì)松散堆積物和中生代燕山晚期深成侵入的花崗巖。按物理力學(xué)性質(zhì)差異,自上而下為素填土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。基坑周圍為道路、建筑和管線等,面臨較多的環(huán)境影響因素,施工風(fēng)險較高。因此,本文結(jié)合此案例,應(yīng)用G-FAHP模型進(jìn)行施工風(fēng)險評價。
3.1 基于FAHP的權(quán)重確定
依據(jù)表1相對重要性模糊語言變量,邀請專家分別對各級指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建模糊判斷矩陣,以一級指標(biāo)排水降水A4下的各指標(biāo)為例,其三角模糊判斷矩陣如表4所示。
表4 A4下屬指標(biāo)三角模糊判斷矩陣
根據(jù)FPP法,將判斷矩陣轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃進(jìn)行求解,如下:
maxλ
式中:wij為第i個一級指標(biāo)下的第j個二級指標(biāo)的權(quán)重。
利用MATLAB編程計算指標(biāo)權(quán)重:
w3=(0.362,0.318,0.320)
此時λ=0.4495,說明判斷矩陣一致性較好。
同理可得一級指標(biāo)和其他指標(biāo)的局部權(quán)重,如下:
w0=(0.118,0.221,0.260,0.233,0.168)
w1=(0.270,0.197,0.533)
w2=(0.152,0.547,0.301)
w3=(0.198,0.286,0.272,0.244)
w4=(0.362,0.318,0.320)
w5=(0.185,0.181,0.197,0.284,0.171)
3.2 灰色聚類評價
根據(jù)表2確定的風(fēng)險測度和各類灰數(shù)及對應(yīng)灰類進(jìn)行賦值,邀請8個專家對工程項目的二級指標(biāo)進(jìn)行打分,由此構(gòu)造i行8列的深基坑風(fēng)險的決策矩陣Di=[dijk]s×p如下:
根據(jù)式(7)計算權(quán)矩陣Ri:
根據(jù)式(8),將權(quán)向量與權(quán)矩陣合成,得到深基坑風(fēng)險灰色聚類評價矩陣Z0:
根據(jù)式(9),將得到的灰色聚類評價向量與指標(biāo)權(quán)重合成,可得深基坑風(fēng)險綜合評價向量M:
M=w0·Z0=[0.395,0.396,0.209,0.002,0.000]
將綜合評價向量M與測度閥值U合成,可計算深基坑風(fēng)險評價值W,W=M·U=7.384,由風(fēng)險測度表可知,綜合深基坑風(fēng)險為較高。
對指標(biāo)A1~A5做單值化處理,計算風(fēng)險評價值:W1=7.142,W2=7.278,W3=7.550,W4=7.461,W5=7.331。
對二級指標(biāo)深基坑風(fēng)險值從小到大排序為:W1 3.3 風(fēng)險水平分析 通過比較分析,深基坑施工各指標(biāo)的風(fēng)險值不同,其中支護(hù)結(jié)構(gòu)對深基坑施工風(fēng)險的影響最大,是最關(guān)鍵的深基坑施工風(fēng)險,應(yīng)首先采取改進(jìn)控制措施。排水降水和周圍環(huán)境影響次之,應(yīng)進(jìn)行重點管理,并加強(qiáng)其下屬指標(biāo)具體的控制,做好動態(tài)、循環(huán)的風(fēng)險規(guī)避預(yù)防。水文地質(zhì)和深基坑尺寸的風(fēng)險值雖然最低,但仍屬于風(fēng)險測度中較高風(fēng)險,也應(yīng)作出進(jìn)一步的分析,加強(qiáng)風(fēng)險控制,以保證深基坑工程的順利實施。 (1)論文將深基坑工程作為一個具有明顯的模糊和灰色等不確定性的特點系統(tǒng),通過FAHP賦權(quán)法與灰色聚類評價的結(jié)合,構(gòu)建了綜合考慮深基坑施工風(fēng)險的模糊和灰色特點的G-FANP評價模型。 (2)FAHP賦權(quán)方法,改進(jìn)了傳統(tǒng)的AHP法,使其與模糊集理論的結(jié)合,實現(xiàn)了對認(rèn)知不明確、難以量化的風(fēng)險因素的合理量化,不僅考慮了模糊不確定性對賦權(quán)結(jié)果的影響,而且極大地削弱了單純的主觀打分可能產(chǎn)生的極端值影響。 (3)運(yùn)用G-FAHP對工程項目深基坑施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)、排水降水、周圍環(huán)境影響、水文地質(zhì)、深基坑尺寸等風(fēng)險要素進(jìn)行了排序,結(jié)果表明:支護(hù)結(jié)構(gòu)是深基坑風(fēng)險控制的重點。該結(jié)果為制定深基坑施工風(fēng)險規(guī)避措施提供依據(jù)。要改善深基坑施工狀況,提高深基坑施工的風(fēng)險管理水平,應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)下屬指標(biāo)的具體控制。 [1] 李智明, 許淑君. 建筑深基坑工程風(fēng)險識別與分析[J]. 管理工程學(xué)報, 2005, 19(s1): 106-108. [2] 錢七虎, 戎曉力. 中國地下工程安全風(fēng)險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27 (4): 649-655. [3] 李宏偉, 王國欣. 某地鐵站深基坑坍塌事故原因分析與建議[J]. 施工技術(shù), 2010, 39(3): 56-58. [4] 薛麗影, 楊文生, 李榮年. 深基坑工程事故原因的分析與探討[J]. 巖土工程學(xué)報, 2013, 35(s1): 468-473. [5] 曹文貴, 翟友成, 張永杰. 懸臂支護(hù)基坑失穩(wěn)風(fēng)險的改進(jìn)風(fēng)險矩陣分析方法[J]. 巖土工程學(xué)報, 2012, 34(2): 210-216. [6] 黃宏偉, 邊亦海. 深基坑工程施工中的風(fēng)險管理[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2005, 1(4): 611- 614. [7] 邊亦海, 黃宏偉. SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)失效概率的模糊事故樹分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2006, 28(5): 664-668. [8] 蘭守奇, 張慶賀. 基于模糊理論的深基坑施工期風(fēng)險評估[J]. 巖土工程學(xué)報, 2009, 31(4): 648- 652. [9] 劉 波, 王凱強(qiáng), 黃 冕, 等. 地鐵深基坑工程風(fēng)險模糊層次分析研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2015, 11(s1): 257-264. [10]李朝陽, 葉 聰, 沈圓順. 基于模糊綜合評判的地鐵基坑施工風(fēng)險評估[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2014, 10(1): 220-226. [11]趙金先, 李 龍, 劉 敏. 基于OWA算子賦權(quán)的地鐵工程項目管理績效灰色評價[J]. 建筑經(jīng)濟(jì), 2014, 35(9): 125-129. [12]JGJ 311-2013, 建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范[S]. [13]Chang D Y. Applications of the extent analysis method on fuzzy AHP[J]. European Journal of Operational Research, 1996, 95(3): 649-655. [14]Csutora R, Buckley J J. Fuzzy hierarchical analysis: the Lambda-Max method[J]. Fuzzy sets and Systems, 2001, 120(2): 181-195. [15]Wang Y M, Elhag T M S, Hua Z. A modified fuzzy logarithmic least squares method for fuzzy analytic hierarchy process[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2006, 157(23): 3055-3071. [16]Mikhailov L. Deriving priorities from fuzzy pairwise comparison judgements[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2003, 134(3): 365-385. [17]劉思峰, 謝乃明. 基于改進(jìn)三角白化權(quán)函數(shù)的灰評估新方法[J]. 系統(tǒng)工程學(xué)報, 2011, 26(2): 244-250. [18]李 龍. 鉆爆法地鐵隧道工程風(fēng)險集成管理研究[D].青島: 青島理工大學(xué), 2014. Construction Risk Evaluation of Deep Foundation Pit Based on G-FAHP ZHANGSheng-xi,CHENWei-gong,WANGHui-hui,LIMeng-meng (School of Management, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China) Deep foundation pit has characteristics of high technical difficulty, complex construction environment and strong environmental effect etc, and it faces various kinds of uncertain risk factors, which is a comprehensive systems engineering, so it is very important to evaluate the risk of deep foundation pit construction scientifically and effectively. The risk factors affecting the construction of deep foundation pit are collected and classified from the view of the system, and the deep foundation pit construction risk evaluation index system is established. Then the fuzzy analytic hierarchy process and grey system theory are combined to construct a G-FANP evaluation model considering the fuzzy and grey uncertainty of various risk factors. Finally, the risk ranking of each index is obtained through empirical analysis, which verifies the feasibility of the method. deep foundation pit; risk; fuzzy analytic hierarchy process; grey clustering evaluation 2016-01-16 2016-02-29 張勝昔(1989-),男,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向為建設(shè)項目管理(Email: zhangshengxi321@sina.com) 陳為公(1971-),男,遼寧沈陽人,碩士,教授,研究方向為建設(shè)項目管理與地質(zhì)環(huán)境評價(Email: ch.ylh@163.com) 國家自然科學(xué)基金(71471094)。 TU473.2 A 2095-0985(2016)05-0104-064 結(jié) 論