綜合管廊韌性評價研究

張一帆 李 雪 李 燦 馮 晨 張書銘

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

近年來，綜合管廊在地下空間、居民建筑、橋梁建筑等方面越來越受到重視。而管廊的韌性評價在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中有重要作用。

有諸多學(xué)者對于社區(qū)及城市的韌性領(lǐng)域進(jìn)行了研究。方東平等[1]將城市及其各子系統(tǒng)應(yīng)對不利事件的抗干擾能力和不確定性能力稱為城市韌性。李亞等[2]從經(jīng)濟(jì)韌性、社會韌性、環(huán)境韌性、社區(qū)韌性、基礎(chǔ)設(shè)施韌性及組織韌性6個方面構(gòu)建我國城市災(zāi)害韌性評價指標(biāo)體系進(jìn)行評價。李彤玥[3]對于城市韌性的研究視角或內(nèi)容主要有成災(zāi)害應(yīng)對、自然氣候變化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市空間規(guī)劃等方面。同時，注重城市韌性評價和城市韌性塑造。李在上[4]認(rèn)為城市韌性強(qiáng)調(diào)全過程表現(xiàn)，并非靜態(tài)描述，應(yīng)著眼于全局、全過程，以集成的思想和系統(tǒng)的手段通盤考慮城市系統(tǒng)，全面地理解城市的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得研究成果能在實(shí)踐中更好地指導(dǎo)城市韌性的規(guī)劃與建設(shè)。

目前國內(nèi)對管廊韌性的評價研究不多，上述文獻(xiàn)中以城市潛在風(fēng)險和韌性的研究相對較多。本文通過建立評價指標(biāo)體系和評價模型來確定韌性等級，以期對評價管廊韌性工作有所借鑒。

1 工程概況

建筑規(guī)模大約381萬m2，工程采用靈活多變的結(jié)構(gòu)斷面形式，具備了供水、供電、燃?xì)?、通信、供?供熱、地源熱泵、再生水、有線電視等，在全國范圍內(nèi)入廊管線種類最多，共計八大類18種管線入廊。此項(xiàng)目的綜合管廊工程是行政辦公區(qū)核心區(qū)域三橫四縱區(qū)域的網(wǎng)狀工程，且與緊鄰的行政辦公區(qū)市級機(jī)關(guān)辦公樓等，周邊有小區(qū)和學(xué)校，環(huán)境較為復(fù)雜。同時利用BIM技術(shù)高精度地完成了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的建設(shè)任務(wù)，安全順利的完成了北京首次近距離上穿地鐵既有線。

2 韌性指標(biāo)體系的建立

2.1 指標(biāo)因素的選取

1)抗災(zāi)能力。工程結(jié)構(gòu)在災(zāi)害面前容易造成毀傷，管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命長達(dá)百年，地震、火災(zāi)、洪災(zāi)等潛在威脅都會對管廊安全造成重大的影響，因此，選取抗震、泄洪、防水、抗塌陷作為抗災(zāi)能力的子指標(biāo)。

2)監(jiān)測與預(yù)警能力。韌性管廊內(nèi)部具有水、電、燃?xì)狻⑼ㄐ诺缺姸喙芫€，而且管廊自身運(yùn)行的動力、照明、排水等設(shè)備繁多，如果出現(xiàn)故障，就可能造成沿線城市功能的癱瘓，所以管廊的監(jiān)測與預(yù)警意義重大，檢測與預(yù)警要通過感知儀器、電力綜合檢測、人防檢測、智能監(jiān)管和管線防護(hù)這些指標(biāo)表現(xiàn)。

3)災(zāi)后功能恢復(fù)能力。在重大災(zāi)難發(fā)生后，基礎(chǔ)設(shè)施的功能快速恢復(fù)是保障城市恢復(fù)的關(guān)鍵，需要以最快速度啟動應(yīng)急響應(yīng)，重建破損的管線，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，及時調(diào)動人力及救災(zāi)物資設(shè)施。此外，在災(zāi)后重建結(jié)束后，還需要進(jìn)行災(zāi)后核查，明確災(zāi)難點(diǎn)，以防再出現(xiàn)由于同種因素導(dǎo)致的災(zāi)難。以上概括為應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后結(jié)構(gòu)修復(fù)、受災(zāi)管線重建、救災(zāi)設(shè)施搭建、災(zāi)后核查這5個方面，皆為韌性管廊建設(shè)災(zāi)后重建中的重要指標(biāo)。

4)運(yùn)營與維護(hù)水平。管廊的安全運(yùn)行離不開合理的經(jīng)營管理制度，在日常管理中，重視全面巡檢及按工程需要酌情加強(qiáng)巡視。綜合管廊控制中心是一個自動化監(jiān)控平臺，是管廊安全運(yùn)行的關(guān)鍵，其安全運(yùn)行是管廊安全運(yùn)行的重要保障。附屬設(shè)施雖然從重要性而言不及管廊結(jié)構(gòu)及管線，但其作用主要是保障管廊結(jié)構(gòu)及管線的運(yùn)行安全，是安全運(yùn)營的重要保障。管廊的安全運(yùn)營需要持續(xù)不斷的資金投入，所以管廊運(yùn)營費(fèi)收入及國家對管廊運(yùn)營的投入及到位程度，將對管廊運(yùn)營安全造成較大的影響。

2.2 指標(biāo)體系的構(gòu)建

如前所述，針對管廊的韌性評價研究，選取抗災(zāi)、監(jiān)測與預(yù)警、災(zāi)后重建、運(yùn)營與維護(hù)這4個指標(biāo)為一級指標(biāo)，抗震、防火、智能監(jiān)管、廊體維護(hù)、附屬設(shè)施搭建等20個二級指標(biāo)，從而完成韌性管廊建設(shè)指標(biāo)體系的構(gòu)建。具體如圖1所示。

3 評價模型的構(gòu)建及應(yīng)用

3.1 模型建立過程

1)評價指標(biāo)集建立。根據(jù)指標(biāo)體系的層級建立各層級指標(biāo)集。

2)利用評分法進(jìn)行兩兩比較，得到各層級指標(biāo)權(quán)重計算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3)利用專家打分法得到各指標(biāo)韌性隸屬程度。

4)利用得到的隸屬度矩陣和各指標(biāo)權(quán)重得到韌性評價結(jié)果。

3.2 模型應(yīng)用過程

1)根據(jù)上節(jié)模型建立過程，結(jié)合圖1，建立指標(biāo)體系并編號，具體如表1所示。

表1 綜合韌性管廊建設(shè)指標(biāo)表

2)指標(biāo)體系權(quán)重的確定。

本節(jié)采用1～9評分法，通過專家打分，建立比較判斷矩陣，進(jìn)行加權(quán)平均得到了各級指標(biāo)體系的權(quán)重值，具體如表2所示。

表2 各級指標(biāo)體系的權(quán)重值

3)隸屬度分析。

將韌性等級分為差、較差、中、良好、優(yōu)秀5個等級，然后采用專家打分法，聘請專家對子基準(zhǔn)層因素按照表3進(jìn)行打分，得分越高韌性等級越高。針對各個專家對各項(xiàng)情況打分占比情況，得到如表3～表7所示的隸屬關(guān)系矩陣，再采用模糊數(shù)學(xué)法，得到各種情況發(fā)生的概率。

表3 子基準(zhǔn)層打分方法

表4 抗災(zāi)模糊矩陣統(tǒng)計表

表5 檢測與預(yù)警模糊矩陣統(tǒng)計表

表6 災(zāi)后重建模糊矩陣統(tǒng)計表

表7 運(yùn)行與維護(hù)模糊矩陣統(tǒng)計表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，將各個子基準(zhǔn)層指標(biāo)的權(quán)重和其模糊關(guān)系矩陣，利用MMULT函數(shù)計算，如式(1)，式中Ri為第i個模糊矩陣。再將所得行向量疊加，如式(2)，得到基準(zhǔn)層模糊矩陣統(tǒng)計表，見表8。最后一步，將基準(zhǔn)層的權(quán)重進(jìn)行MMULT函數(shù)計算，得到韌性管廊最終評判向量，如式(3)所示。

bi=wi×Ri

(1)

(2)

(3)

表8 基準(zhǔn)層模糊矩陣統(tǒng)計表

在通過基準(zhǔn)層權(quán)重與基準(zhǔn)層模糊矩陣統(tǒng)計表中MMULT函數(shù)的具體數(shù)值計算，如式(4)得到評判結(jié)果B=(0.103 1，0.105 6，0.282 8，0.297 2，0.243 4)，總體來說評價結(jié)果是中等韌性與良好韌性之間，且傾向于中等韌性。

(4)

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有的管廊韌性評價研究，通過建立管廊韌性指標(biāo)體系，運(yùn)用層級分析法和模糊數(shù)學(xué)的方法對各項(xiàng)指標(biāo)的韌性進(jìn)行了初步評價，得出如下結(jié)論：

1)對綜合管廊的韌性指標(biāo)，可以分為一二級指標(biāo)，一級指標(biāo)有抗災(zāi)、檢測與預(yù)警、災(zāi)后重建、運(yùn)營與維護(hù)4個指標(biāo)，二級指標(biāo)有防火、人防檢測、災(zāi)后重建、廊體維護(hù)等20個指標(biāo)。

2)應(yīng)用結(jié)果顯示該管廊的韌性指標(biāo)總體來說評價結(jié)果是中等韌性與良好韌性之間，且傾向于中等韌性。