不確定信息環(huán)境下既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理模糊評(píng)價(jià)

李成華,周天華

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021；2.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710064)

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不確定信息環(huán)境下既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理模糊評(píng)價(jià)

李成華1,2,周天華2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021；2.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710064)

為研究不確定信息環(huán)境下既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和危害預(yù)防,文中將傳統(tǒng)逼近理想解排序(TOPSIS)方法與三角模糊數(shù)相融合對(duì)安全管理方案進(jìn)行評(píng)價(jià),確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重.通過(guò)計(jì)算不確定信息環(huán)境下的模糊正理想解和模糊負(fù)理想解確定了貼近度.根據(jù)貼近度評(píng)價(jià)了既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理情況.實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)TOPSIS方法給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用的最佳水平組合,既有房屋結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果的信度推斷較傳統(tǒng)TOPSIS方法得以提高,決策靈活性顯著增強(qiáng).

房屋結(jié)構(gòu)；安全管理；逼近理想解排序(TOPSIS)；三角模糊數(shù)

近來(lái),建筑業(yè)正逐步進(jìn)入以既有房屋結(jié)構(gòu)維修與現(xiàn)代化改造階段,既有房屋結(jié)構(gòu)的安全管理工作將成為房屋安全管理的重點(diǎn),既有房屋結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)和危害的預(yù)防成為安全管理研究領(lǐng)域的重要課題,既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理的研究顯得尤為迫切.文獻(xiàn)[1]對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全的不確定性做了系統(tǒng)的闡述,指出不確定性中的隨機(jī)性、模糊性和知識(shí)的不完善性.文獻(xiàn)[2]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,借鑒證據(jù)理論,提出了基于信度的既有結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo).既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理的影響因素具有主觀不確定性,既有房屋安全管理方法的選取就顯的極為重要.逼近理想解排序方法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)是由Hwang和Yoon提出的一種多屬性決策方法,近年來(lái)得到了廣泛運(yùn)用.由于在現(xiàn)實(shí)生活中信息的不完全性或不易獲得性,研究對(duì)象的數(shù)據(jù)(或?qū)傩?經(jīng)常是難以準(zhǔn)確界定的,也即存在模糊性或不確定性[3],因此傳統(tǒng)TOPSIS方法有必要擴(kuò)展應(yīng)用于模糊決策領(lǐng)域.文中考慮決策者的主觀判定因素,采用傳統(tǒng)TOPSIS方法,設(shè)計(jì)出一種模糊評(píng)價(jià)模型來(lái)處理既有房屋結(jié)構(gòu)的安全管理問(wèn)題.

1 模糊TOPSIS的改進(jìn)

(1)

相應(yīng)的三角模糊數(shù)加法擴(kuò)展定義為

(2)

三角模糊數(shù)乘法擴(kuò)展定義為

(3)

對(duì)于按早期規(guī)范設(shè)計(jì)和施工的既有結(jié)構(gòu),或雖無(wú)規(guī)范但按良好的建造經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工的既有結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)、環(huán)境的變化歷史和當(dāng)前狀況是此類結(jié)構(gòu)安全管理評(píng)價(jià)的主要依據(jù).在某些情況下,通過(guò)對(duì)變形、外觀等結(jié)構(gòu)狀況的評(píng)估可直接對(duì)既有結(jié)構(gòu)在目標(biāo)使用期內(nèi)的安全管理做出評(píng)定,在其評(píng)價(jià)過(guò)程中,評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值和指標(biāo)的重要程度都被定義為模糊語(yǔ)言變量.這些模糊語(yǔ)言變量可以用正三角模糊數(shù)表示,具體見(jiàn)表1～2.

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)重要程度三角模糊數(shù)

Tab.1 Linguistic variables for the importance weight of each criterion

重要性程度模糊比較三角模糊數(shù)很重要(0.9,1.0,1.0)重要(0.7,0.9,1.0)一般重要(0.5,0.7,0.9)相當(dāng)(0.3,0.5,0.7)不太重要(0.1,0.3,0.5)不重要(0,0.1,0.3)很不重要(0,0,0.1)

表2 模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)三角模糊數(shù)

Tab.2 Linguistic variables for the ratings

模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)三角模糊數(shù)很好(9,10,10)好(7,9,10)比較好(5,7,9)相當(dāng)(3,5,7)不太好(1,3,5)不好(0,1,3)很不好(0,0,1)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：B和C分別為效益屬性和費(fèi)用屬性；aij,bij,cij為三角模糊數(shù)頂點(diǎn).效益屬性越大越好；費(fèi)用屬性越小越好.

對(duì)兩類屬性的決策變換矩陣分別采用式(8)分別進(jìn)行計(jì)算.以上正則化方法可以確保正則化后三角模糊數(shù)仍屬于區(qū)間[0,1].考慮到每個(gè)指標(biāo)的不同重要性,進(jìn)一步構(gòu)建加權(quán)的m×n階正則化模糊矩陣為

(9)

(10)

每個(gè)備選方案到A+和A-的距離分別為

i=1,2,…,m

(11)

每個(gè)備選方案的貼近度為

(12)

當(dāng)Ci接近1時(shí),備選方案離A+較近,而離A-較遠(yuǎn).因此根據(jù)貼近度可以給備選方案排序,從而確定最優(yōu)備選方案.

2 實(shí)例驗(yàn)證及分析

根據(jù)改進(jìn)的TOPSIS方法,選取某小區(qū)的三棟住宅建筑P1,P2,P3做評(píng)價(jià)對(duì)象,該三棟建筑建成于20世紀(jì)90年代初期,均為磚混結(jié)構(gòu),六層,根據(jù)該類建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境的變化歷史和結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀況,并參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144-2008),《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292-1999)及《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——既有結(jié)構(gòu)評(píng)定》(ISO 13822-2003)提出基于良好歷史性能的評(píng)價(jià)方法[8],綜合各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：①房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算(B1)；②房屋結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工質(zhì)量(B2)；③房屋結(jié)構(gòu)的使用狀況(B3)；④房屋結(jié)構(gòu)的環(huán)境(B4)；⑤房屋結(jié)構(gòu)的維護(hù)計(jì)劃(B5)；⑥房屋結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力(B6).

聘請(qǐng)3位專家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查的實(shí)際情況,結(jié)合建筑原有的竣工圖紙等影響因素,依據(jù)表1分別給出上述6項(xiàng)指標(biāo)的重要性程度模糊評(píng)價(jià)值.根據(jù)表2給出的模糊語(yǔ)言函數(shù)與模糊三角數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,專家分別給出6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)下每個(gè)既有房屋結(jié)構(gòu)的安全管理模糊評(píng)價(jià)初始值,并將模糊語(yǔ)言變量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)三角模糊數(shù),從而構(gòu)建模糊決策矩陣,見(jiàn)表3,同時(shí)計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)重值,見(jiàn)表4.對(duì)模糊決策矩陣進(jìn)行正則化變換,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.基于上述計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步計(jì)算加權(quán)的正則化模糊決策評(píng)價(jià)矩陣,具體見(jiàn)表6.

定義模糊正理想解向量和模糊負(fù)理想解向量分別為

A+=[(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1)],

A-=[(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0)].

表3 安全管理模糊評(píng)價(jià)決策矩陣

Tab.3 The fuzzy decision matrix

建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)B1B2B3B4B5B6P1(5.67,7.67,9.00)(7.00,8.67,9.67)(6.33,8.33,9.67)(7.00,8.67,9.67)(5.00,7.00,8.67)(7.00,8.67,9.67)P2(8.33,9.67,10.00)(8.33,9.67,10.00)(5.67,7.33,8.67)(3.00,5.00,7.00)(3.67,5.67,7.67)(6.33,8.33,9.67)P3(7.67,9.00,9.67)(7.67,9.00,9.67)(7.00,8.67,9.67)(7.00,8.67,9.67)(8.33,9.67,10.00)(4.33,6.33,8.33)

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)重

Tab.4 Fuzzy weights of three candidates

參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)B1B2B3B4B5B6權(quán)重(0.83,0.97,1.00)(0.70,0.87,0.97)(0.57,0.77,0.93)(0.83,0.97,1.00)(0.77,0.93,1.00)(0.57,0.73,0.87)

表5 正則化后的模糊決策評(píng)價(jià)矩陣

Tab.5 The fuzzy normalized decision matrix

建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)B1B2B3B4B5B6P1(0.57,0.77,0.90)(0.70,0.87,0.97)(0.66,0.86,1.00)(0.72,0.90,1.00)(0.50,0.70,0.87)(0.72,0.90,1.00)P2(0.83,0.97,1.00)(0.83,0.97,1.00)(0.59,0.76,0.90)(0.31,0.52,0.72)(0.37,0.57,0.77)(0.66,0.86,1.00)P3(0.77,0.90,0.97)(0.77,0.90,0.97)(0.72,0.90,1.00)(0.72,0.90,1.00)(0.83,0.97,1.00)(0.45,0.66,0.86)

表6 加權(quán)后的正則化模糊決策評(píng)價(jià)矩陣

Tab.6 The fuzzy weighted normalized decision matrix

建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)B1B2B3B4B5B6P1(0.47,0.74,0.90)(0.49,0.75,0.93)(0.37,0.66,0.93)(0.60,0.87,1.00)(0.38,0.65,0.87)(0.41,0.66,0.87)P2(0.69,0.93,1.00)(0.58,0.84,0.97)(0.33,0.58,0.84)(0.26,0.50,0.72)(0.28,0.53,0.77)(0.37,0.63,0.87)P3(0.64,0.87,0.97)(0.54,0.78,0.93)(0.41,0.69,0.93)(0.60,0.87,1.00)(0.64,0.90,1.00)(0.25,0.48,0.75)

采用歐氏距離函數(shù),分別計(jì)算每棟建筑的正則化向量與模糊正理想解向量和模糊負(fù)理想解向量的距離,見(jiàn)表7.

表7 正則化向量與模糊理想解的距離

Tab.7 Distance between regularization vector and fuzzy ideal solution

模糊理想解距離P1P2P3A+2.152.391.91A-4.344.064.55

Z計(jì)算每棟建筑的貼近度值,分別為C1=0.67,C2=0.63,C3=0.70.通過(guò)對(duì)貼近度值進(jìn)行排序,進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全管理維護(hù)的優(yōu)先級(jí)順序依次為P3,P1,P2.

由于建筑結(jié)構(gòu)安全管理的日益復(fù)雜性,在項(xiàng)目評(píng)價(jià)中需要融合專家的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)對(duì)建筑信息的不確定性進(jìn)行處理決策.TOPSIS作為一種實(shí)用的處理多屬性決策的評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)安全管理中,對(duì)傳統(tǒng)TOPSIS方法進(jìn)行了修訂和擴(kuò)展,在評(píng)價(jià)備選方案和確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)將傳統(tǒng)TOPSIS方法與三角模糊數(shù)相融合,通過(guò)計(jì)算不確定信息環(huán)境下的模糊正理想解和模糊負(fù)理想解來(lái)確定貼近度,并根據(jù)貼近度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)安全管理情況的評(píng)價(jià).計(jì)算結(jié)果表明該方法實(shí)現(xiàn)了不確定信息條件下的評(píng)價(jià)問(wèn)題的有效處理,同時(shí)未引起較大的計(jì)算量,且該方法易于推廣到解決類似的決策問(wèn)題.

3 結(jié) 論

1) 在既有房屋結(jié)構(gòu)的安全管理評(píng)價(jià)過(guò)程中,對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值及其權(quán)重均引入了三角模糊數(shù),改進(jìn)了傳統(tǒng)的TOPSIS方法的適用性,該方法較傳統(tǒng)TOPSIS方法,符合認(rèn)識(shí)模糊性,降低了個(gè)人主觀片面性,提高了既有房屋結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果的信度推斷.

2) 改進(jìn)TOPSIS方法綜合考慮房屋結(jié)構(gòu)類型質(zhì)量特點(diǎn)、決策者的偏好以及對(duì)安全管理的需求,根據(jù)既有結(jié)構(gòu)的不同情況對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析,給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)的最佳水平組合,決策靈活性較傳統(tǒng)TOPSIS方法顯著增強(qiáng).

[1] 趙國(guó)藩,金偉良,貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

ZHAO Guofan,JIN Weiliang,GONG Jinxin.Theory of Structure Reliability[M].Beijing: China Architecture & Building Press,2000.(in Chinese)

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YAOJitao.AssessmentonReliabilityofExistingStructuresBasedonFuzzyReasoning[M].Beijing:SciencePress,2011.(inChinese)

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LIChenghua,LIHuimin.Multi-attributeGroupDecisionEvaluationModelundertheConditionofUncertainInformation[J].JournalofXi’anUniversityofArchitecture&Technology(NaturalScienceEdition),2010,42(2):111.(inChinese)

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YAOJitao.TheoryofExistingStructuresReliabilitywithApplications[M].Beijing:SciencePress,2008.(inChinese)

(責(zé)任編輯、校對(duì) 張 超)

Evaluating Safety Management for the Existing Building under Fuzzy Environment

LIChenghua1,2,ZHOUTianhua2

(1.School of Civil Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.School of Civil Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

For the study of risk assessment and hazard prevention of existing building under fuzzy environment,a method is proposed, combining TOPSIS with triangular fuzzy numbers both in the rating of alternative and the weight of criterion.The closeness coefficient under fuzzy environment is calculated by using the concept of fuzzy positive-ideal solution and fuzzy negative-ideal solution.Then the rankings of the existing building are determined according to their results.The results of this study indicate that the improved TOPSIS method gives the optimal combination of evaluation index.The reliability of the evaluation results of the housing structure is improved compared with the traditional TOPSIS method.The decision flexibility is significantly enhanced.

building structure;safety management;technique for order preference by similarity to ideal solution;triangular fuzzy number

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.10.006

2016-03-16

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JK0920； 15JK1357)

李成華 (1976-),男,西安工業(yè)大學(xué)副教授,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程和土木工程建造與管理.E-mail:Li_chenghua@163.com.

TU714

A

1673-9965(2016)10-0802-05