基于層次分析法論裝配式結(jié)構(gòu)在水工建筑中的必要性

孔令岑 韓雅楠 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院

1 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，建筑技術(shù)也越來越成熟，在20世紀(jì)初，裝配式結(jié)構(gòu)建筑開始引起人們的注意。裝配式結(jié)構(gòu)建筑就是把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)，轉(zhuǎn)移到工廠中進(jìn)行，然后將制作好的預(yù)制件運(yùn)送到施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，類似于孩童所拼裝的積木。裝配式結(jié)構(gòu)建筑具有節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)施工效率高等優(yōu)點，具有一定的先進(jìn)性與科學(xué)性，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略[1]。

現(xiàn)如今，裝配式結(jié)構(gòu)建筑在民用建筑、公共建筑以及商業(yè)建筑上運(yùn)用較多。然而在水工結(jié)構(gòu)建筑物中，由于需要綜合考慮水利工程施工的特點，水利工程承擔(dān)的擋水、蓄水、導(dǎo)流等各項工作，考慮建筑物本身受力和抗?jié)B防水的要求，以及水利工程施工條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致裝配式結(jié)構(gòu)建筑在水工建筑物方面上的施工和設(shè)計需要更高的技術(shù)要求[2]。

本文通過建立層次分析模型，將裝配式水工建筑物與傳統(tǒng)水工建筑物在節(jié)能環(huán)保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術(shù)要求等六個方面相比較，認(rèn)為研究發(fā)展預(yù)制裝配化的水工建筑物，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有必要性和必然性。將采用裝配式結(jié)構(gòu)建造的水工建筑物與采用傳統(tǒng)式方法建造的水工建筑物相比較，考慮節(jié)能環(huán)保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術(shù)要求等六個方面的角度建立層次分析模型，通過查閱文獻(xiàn)資料給出判斷矩陣，利用matlab軟件進(jìn)行求解，綜合此六個方面，認(rèn)為裝配式結(jié)構(gòu)建筑較傳統(tǒng)式建筑有較大優(yōu)勢。

查取2016—2020年五年來我國新建的裝配式建筑面積，以及所占新建建筑面積的比例等相關(guān)數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)利用matlab擬合工具箱進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合圖像呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，認(rèn)為在未來水利工程建筑事業(yè)的發(fā)展中，裝配式結(jié)構(gòu)建筑將會以它綠色環(huán)保、施工生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢在未來階段快速發(fā)展。

2 裝配式建筑現(xiàn)狀

2022年1月20日，全國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工作會議在北京以視頻會議的形式召開，會議中提到要大力發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)建筑。隨著“碳中和與碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出，建筑行業(yè)正朝著環(huán)境友好型方向發(fā)展。由圖1可知，我國的裝配式結(jié)構(gòu)建筑占比由2016年的4.9%提升到2020年的20.5%，建筑面積由2012年的0.05億平方米擴(kuò)大到2020年的6.3億平方米。2016年9月，《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中指出要大力發(fā)展裝配式建筑，提升建筑信息化的水平[3]，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)模式的改革。“十三五”計劃以來，我國新建裝配式建筑面積占新建建筑面積的比例由4.9%提升到20.5%，新建裝配式建筑的建筑面積從2016年的1.14億平方米增加到2020年的6.3億平方米，如圖1所示。

利用matlab擬合工具箱，采用插值擬合函數(shù)繪制出2016—2020年隨時間變化的我國新建裝配式建筑的面積與新建裝配式建筑所占比例的三維視圖，如圖2所示。

如圖1、圖2所示，2016—2020年我國裝配式建筑占新建建筑的比重越來越大，建筑面積也越來越大，截止2020年新建裝配式建筑已超過新建建筑的1/5，而且呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，反映了裝配式建筑在我國建筑行業(yè)中已占據(jù)了重要的地位。

目前，傳統(tǒng)的水利工程建筑不但施工困難，而且對施工環(huán)境、地形地質(zhì)要求嚴(yán)格，為加快基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施建造進(jìn)程，在未來裝配式建筑快速發(fā)展的大好前景下，裝配式建筑在水工建筑中的應(yīng)用將會大力推行。

3 層次分析模型建立與求解

層次分析法是美國匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty在20世紀(jì)70年代提出的，它將與決策有關(guān)的元素劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性、定量的分析計算，是一種較為客觀的定性分析與科學(xué)定量相結(jié)合的計算方法[4]，是一種層次權(quán)重決策分析方法，也是一種解決多目標(biāo)的復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。其中目標(biāo)層為決策的目的或要解決的問題、準(zhǔn)則層為決策時考慮的各種因素、方案層就是備選的方案。

層次分析法的步驟為：①分析系統(tǒng)中各元素間的關(guān)系，建立遞階層次結(jié)構(gòu)；②建立兩兩比較的判斷矩陣；③計算判斷矩陣，得出結(jié)果。

其中判斷矩陣中的數(shù)字，即標(biāo)度的含義如表1所示。

表1 判斷矩陣中各數(shù)字（標(biāo)度）的含義

本文以最佳建筑方法為目標(biāo)層，以裝配式水工建筑物和傳統(tǒng)式水工建筑物的特點，即節(jié)能環(huán)保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術(shù)要求等方面作為準(zhǔn)則層，以裝配式建筑和傳統(tǒng)式建筑作為目標(biāo)層，繪出層次分析的樹狀圖，如圖3所示。

在準(zhǔn)則層六個元素的前提下，將方案層中的裝配式建筑與傳統(tǒng)式建筑兩兩比較，得出六個判斷矩陣，并利用matlab軟件進(jìn)行計算，得到裝配式建筑與傳統(tǒng)式建筑在各個準(zhǔn)則層下的得分，其中得分越高表示效果越好，具體如表2~表8所示。

表2 節(jié)能環(huán)保判斷矩陣

表3 保溫性能判斷矩陣

表4 制作成本判斷矩陣

表8 方案層最終得分

表5 抗震性能判斷矩陣

表6 施工效率判斷矩陣

表7 技術(shù)要求判斷矩陣

從表2~表8可以看出，裝配式結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能環(huán)保、施工效率上，較傳統(tǒng)式建筑具有巨大優(yōu)勢，這反映了在施工過程中若采用裝配式的結(jié)構(gòu)建筑，可以大大減少甚至消除傳統(tǒng)水工建筑物在施工過程中對環(huán)境造成一定程度破壞，且施工期長、消耗勞動力大的缺點，例如在水利工程施工中，利用預(yù)制的圍堰完成施工導(dǎo)流工作，可以大大提高施工效率，也可以滿足防洪度汛的要求，不會因?qū)Я鞑患皶r而延誤工期甚至造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。并且裝配式結(jié)構(gòu)建筑施工后現(xiàn)場也相對整潔美觀，可減少后續(xù)工作的工作量。裝配式結(jié)構(gòu)建筑較傳統(tǒng)式的結(jié)構(gòu)建筑主要缺點表現(xiàn)為抗震性能較差，這主要取決于裝配式構(gòu)件容易出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差問題，往往易出現(xiàn)組裝作業(yè)過程中縫隙不對應(yīng)的情況，使其整體性和剛度較傳統(tǒng)式建筑結(jié)構(gòu)差，從而導(dǎo)致了其在抗震穩(wěn)定方面上的缺點。這可為未來裝配式結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提出指導(dǎo)性意見，充分利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保各結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性，降低各種誤差的產(chǎn)生，提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，滿足多種應(yīng)用環(huán)境的要求。而在成本方面，裝配式結(jié)構(gòu)建筑主要由于養(yǎng)護(hù)條件更加復(fù)雜、預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸以及更高的技術(shù)要求導(dǎo)致其成本較高，為降低成本，使得更加經(jīng)濟(jì)合理，可從降低運(yùn)輸費(fèi)用方面進(jìn)行剖析，例如可在長期施工的地點建筑預(yù)制件工廠，減少運(yùn)輸費(fèi)用，促進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

然而綜合觀看，裝配式結(jié)構(gòu)建筑較傳統(tǒng)式建筑有較大優(yōu)勢，從表8可以看出，裝配式結(jié)構(gòu)建筑得分比傳統(tǒng)式建筑得分多出約35.18%，尤其是其具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益，在“雙碳”背景下，發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)符合可持續(xù)發(fā)展的要求。由此可見，裝配式水工建筑在未來的水利工程建設(shè)中將有巨大的市場，大力發(fā)展裝配式建筑也是必然趨勢。同時其技術(shù)要求高、抗震性能差、成本較高等缺點，也為裝配式結(jié)構(gòu)建筑未來的發(fā)展提供了方向。

4 結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步、勞動力成本的大幅度上漲，大力發(fā)展裝配式水工建筑已成為必然趨勢，盡管我國現(xiàn)澆整體式建筑技術(shù)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，但隨著社會發(fā)展的需要，傳統(tǒng)式建筑對生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展表現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性。為實現(xiàn)水利工程與生態(tài)經(jīng)濟(jì)相結(jié)合，實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，就必須著重發(fā)展裝配式建筑，提高新建裝配式建筑在未來我國新建水工建筑中的比重。

目前，我國水利部也大力推行裝配式水工建筑的實施，裝配式水工建筑將會成為加快建筑工業(yè)化升級的有力工具，在未來階段，裝配式結(jié)構(gòu)在水工建筑中大力推廣勢在必行?？偠灾?，隨著建筑工程技術(shù)水平不斷提高及建筑行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級，再加上相關(guān)政策的調(diào)整，對裝配式結(jié)構(gòu)建筑的需求越來越大，裝配式結(jié)構(gòu)建筑也會因其自身的各種優(yōu)點快速發(fā)展。