基于模糊綜合評判法的通州彩虹門結構選型優化研究

倪艷霞，段曉晨

(石家莊鐵道大學 經濟管理學院，河北 石家莊 050043)

一、引言

高層建筑的出現是現代社會城市化、工業化和商業化的結果，是隨著社會進步、經濟技術的發展而發展的，反映了城市建設的時代特征[1]。

對于高層建筑結構方案的選擇,一般采用專家評議的方法,即由當地專家和設計人員根據擬建工程的建筑要求、使用功能、場地條件和建筑高度來確定[2]。但該方法受到人為因素影響比較大，主觀隨意性大，科學化程度不高。此外，近年來，由于我國對超高層建筑的需求越來越大，對高層建筑結構選型的研究就越來越多。目前，在國內外均出現使用模糊綜合評判法來對高層建筑進行結構選型的例子。Harty[3]建議的模糊評定法是根據結構體系與建筑功能和層數的關系來進行結構選型,該法單純依靠建筑功能和層數,未能考慮其他技術指標,同時對結構的經濟性考慮較少,缺乏經濟效益評價。Sabouni[4]等人建立的基于模糊量化知識的高層建筑初步設計方法，是基于專家系統之上的一種方法。該法是在有類似工程的基礎上進行應用的，因此應用起來比較呆板、單調，未能充分考慮到工程的實際情況。此外，由于國外的鋼結構技術比較成熟[5]，以及鋼結構所具有的一系列其它結構所不具有的優點，使得鋼結構受到國外許多國家的青睞。但是我國鋼結構的發展起步較晚，技術方面不成熟，另外還需要結合我國的具體國情以及項目的實際情況來對高層建筑進行選型。哈爾濱建筑大學的王光遠院士指出結構選型具有強烈的綜合性而且具有大量的不確定性因素，因而可以利用模糊綜合評判或模糊隨機決策的方法來進行決策[6]。中國建筑科學研究院的何廣乾提出了一種對高層建筑的結構體系進行綜合模糊評定的方法，即根據前人的經驗賦予各個結構型式不同的隸屬系數，最后根據模糊評定的方法來判定擬選結構體系的類型[7]。哈爾濱建筑大學的陶忠等提出高層建筑結構選型為多目標決策問題。在分析了影響高層建筑結構選型因素的基礎上，他們給出了計算這些影響因素的權重分配系數和評價矩陣，并應用模糊數學理論，建立了模糊綜合評價的數學模型[8]。劉功良等通過大量的數據的采集及整合，運用了遺傳神經網絡的方法對模糊因素進行了定量化[9]。雖然國內采用模糊綜合評判法對高層建筑進行結構選型的文獻較多，但大多數只考慮了一級指標，技術指標以及經濟指標不全面，嚴重影響了結構選型的準確度及適用性。本文采用二級指標進行分析，考慮的因素更全面，邏輯性更強，進一步將定性指標細化和定量化，大大提高了工程結構優化準確性和可靠性。

二、工程項目概況

彩虹之門位于北京市通州新城核心區五河交匯處，地處著名的京杭大運河北起點的三角洲公園上，占地面積4.68公頃、建筑總面積約75萬m2、海拔高度340 m、建筑凈高315 m。如圖1所示。

該項目采用了巨柱框架—核芯筒的框架結構，核心筒就是在建筑物中央部分，由通風井、樓梯以及公共衛生間等圍護形成的中央核心筒，與外圍框架形成一個外框內筒結構。此結構較為穩定，抗震性極強[10]。

圖1 彩虹之門

彩虹之門距北京東站5 km，距北京CBD18 km，距首都機場30 km。周邊規劃有三條地鐵線，共4個地鐵站，皆設有一站式擺渡車，同時規劃設置自行車專屬車道。彩虹之門采用雙拱形造型，坐水而起，將成為新城核心區的標志性建筑。

三、影響高層建筑結構選型的因素

高層建筑的結構選型是一項綜合性很強的工作，不僅需要決策者具有很強的力學結構方面的專業知識，而且要求決策者要綜合考慮到建筑物的使用功能、環境、經濟、安全等各方面的因素。

筆者通過對近年來興起的高層建筑結構體系進行分析，以及大量文獻的閱讀，總結出影響高層建筑結構選型的五大因素，即建筑功能性、工程投資、防火性能、抗震性能以及施工工期。功能性是建筑物的最主要特征，是在建筑物的設計中要考慮的最關鍵的因素，是進行結構選型時首先考慮的關鍵點。而在通州彩虹門的結構選型中，設計者已經明確表明該建筑為采用巨柱框架-核芯筒的框架結構的多功能建筑，而在該種框架結構中，巨柱與核心筒的結構選型是該建筑成功的關鍵之處。因此，本文重點以其柱及核心筒的選型為例進行論述。

(一) 工程投資U1

投資直接關系到高層建筑的結構選型、材料使用、功能要求，甚至會影響到后期該建筑的經濟效益。所以工程投資是高層建筑結構選型需要考慮的重要因素。工程投資具體包括了兩方面的因素，一是該結構體系的全壽命周期費用u11，具體包括建設期間的一次性投資費用和后期的一些維護管理費用。二是該結構體系帶來的潛在經濟效益u12，例如高層建筑若采用鋼結構體系，雖然前期的投資比較大，但是由于鋼結構施工方便，會縮短工程的工期，從而會使建筑提前投入生產，增加建筑的租金，縮短貸款時間，減少貸款利息。

(二) 防火性能U2

隨著建筑高度的增加，建筑的安全性能也成為結構選型考慮的重要因素。發生災害時，火災是影響人員、財務損失最嚴重的因素之一。所以在結構選型時，必須要考慮建筑物的防火性能。建筑物的防火性能由兩方面來進行衡量，一方面是建筑物本身使用材料的防火性能u21，另一方面是建設中防火涂料的性能u22，如鋼結構屬于易燃材料，在使用中就必須采用防火涂料進行保護。

(三) 抗震性能U3

近年來，我國建筑物必須滿足“安全、經濟、適用、美觀”的原則，可見在建筑物的結構選型中，必須把安全放在首要位置。超高層的建筑抗震設計必須要做到 “三水準”要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”[11]。建筑物抗震性能的優良是保證建筑物安全的首要因素，具體包括延性u31，抗側剛度u32，以及建筑物的抗傾覆能力u33。

(四) 施工工期U4

施工工期對建筑整體成本的影響主要體現在 “時間即是成本”的關系上[12]。建筑物的施工工期是由材料豎向運輸便捷程度u41、技術復雜性u42和濕作業量u43等因素決定的。建筑所需材料豎向運輸便捷程度會影響到工程進度，例如相對于大型或異型鋼板的豎向運輸，混凝土和鋼筋的豎向運輸就便捷多了；若某結構型式發展比較成熟，施工人員技術熟練，則會加快建筑物的施工進程，例如相對于鋼結構來說，鋼筋混凝土結構在我國發展歷史悠久，工作人員對該結構型式的施工技術掌握熟練，施工期間遇到的問題也會比較少，會加快工程的施工進度；此外，建筑型式的濕作業量也會影響到施工工期，例如鋼筋混凝土結構中，混凝土的用量較大，則養護期長，必然會延長建筑物施工工期。

四、用模糊綜合評判法對通州彩虹之門進行結構選型

通州彩虹之門是一個施工技術復雜的超高層建筑，為了保證該項目的順利實施，結構選型是其施工前必不可少的重要過程。用模糊綜合評價法為通州彩虹之門進行結構選型的過程包括以下方面。

(一) 確定評價因素集

圖2 彩虹之門綜合評價指標體系

如圖2所示，結構選型的影響因素課劃分為兩個層次，第一個層次為U={U1,U2,U3,U4}={工程投資，防火性能，抗震性能，施工工期}。其中U1={u11,u12}={全壽命周期成本，潛在的經濟效益}；U2={u21,u22}={防火涂料，材料本身防火性能}；U3={u31,u32,u33}={延性，抗側剛度，抗傾覆能力}；U4={u41,u42，u43}={材料豎向運輸便捷程度，技術復雜性，濕作業量}。

(二) 確定方案集

彩虹之門是將內部核心筒與外圍的巨型柱連接起來的超高層建筑，所以柱子可以說是該建筑的核心構件，以柱子為例，采用模糊綜合評判法進行方案的評選。設柱子的備選方案集為V={v1,v2,v3,v4}={鋼結構，鋼筋混凝土結構，鋼管混凝土結構，型鋼混凝土結構}。

(三) 進行單因素評價

如表1所示，對于二級指標相對于每一個方案都要做出評價，例如，“全壽命周期成本”這一因素，經專家測評，關于各方案的隸屬向量為[0.1,0.4,0.25,0.25],意味著對各方案來說，該項指標的得分為0.1、0.4、0.25、0.25，鋼結構建筑投資最高，對開發商來說不利，因此得分最低，相反，鋼筋混凝土結構投資最低，因此得分最高。鋼結構的抗震性能最好，對開發商及用戶來說是最有利，因此在抗震性能這項來說，鋼結構得分最高，相反，鋼筋混凝土結構抗震性能較差，則得分較低。

(四) 建立評價矩陣

根據評價因素集U1,U2,U3,U4,結合表1中的數據，得到相應的模糊綜合評價矩陣為：

(五) 確定權向量

利用層次分析法，由專家算出一級指標和二級指標的權重。與因素集U1相對應，“全壽命周期成本”、“潛在的經濟效益”相對于一級指標“工程投資”的權重分別為0.785 9、0.214 1。其余評價因素的權重依次類推。匯總得：

W1=[0.785 9,0.214 1]

表1 二級指標相對各方案的評價值

W2=[0.563 9,0.436 1]

W3=[0.589 6,0.197 2,0.213 2]

W4=[0.562 8,0.276 4,0.160 8]

W=[0.415 6,0.122 6,0.265 5,0.196 3]

(六) 進行模糊合成

首先，對二級指標進行模糊合成。

S1=w1*R1=[0.785 9,0.214 1]*

0.239 295 0.260 705]

同理，

S2=w2*R2=[0.269 17 0.230 83 0.2 0.3]

S3=w3*R3=[0.368 82 0.109 86 0.25 0.271 32]

S4=w4*R4=[0.344 72 0.155 28 0.236 18 0.263 82]

然后，對計算得到的S1,S2,S3,S4,組合形成一級指標的模糊綜合評價矩陣。

R=[S1,S2,S3,S4]=

最后，由公式(1)得

S=W*R=[0.415 6,0.122 6,0.265 5,0.196 3]*

[0.266 844 0.227 495 0.236 708 0.268 952]

(七) 做出決策

根據模糊綜合評價結果向量S，依據最大隸屬原則確定鋼管混凝土結構為最佳方案，為通州彩虹之門結構選型的決策提供了參考。

五、結論

針對現行高層建筑結構選型方法的隨機性、工作量大、人為因素多以及誤差大等缺陷，結合通州彩虹之門毗鄰水域且為異形建筑的實際情況，對其結構選型進行了優化。該方法具有以下優勢和特點：

(1)目前國內采用模糊綜合評判法對高層建筑建筑進行選型優化多考慮單因素，即建立模型時采用一級指標，而本文在建立該方法時采用二級指標，考慮的因素更全面，邏輯性更強，進一步將定性指標定量化。

(2)該方法與遺傳算法、神經網絡等方法對高層建筑進行結構選型相比簡便可行，通俗易懂，計算簡單。

(3)在對通州彩虹之門進行結構選型時，運用該方法的二級指標，可以很清楚地劃分影響結構選型的主要因素和次要因素，從而準確性更強。

總之，本論文應用此方法對高層建筑結構選型進行的優化，具有傳統選型方法的優點，而且解決了隨機性、工作量大、人為因素多以及誤差大等非線性問題，為工程結構選型提供了很好的優化方法和依據。

參考文獻：

[1]劉中平,韓志軍,謝華.淺述高層建筑防火的幾個問題[J].石家莊鐵道學院學報,1998(S1):18-20.

[2]雷淑忠,沈祖炎,郭兵. 超高層建筑結構選型技術研究[J].建筑結構學報,2007(S1):263-268.

[3]Harty. N. Danaher .M A knowledge based approach to preliminary design of building [J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Structures and Building,1994,104:135-144

[4]Sabouni A.R. And Mourad O.M.Quantitative knowledge based approach for preliminary design of tall buildings [J].Artificial intelligence in Engineering,1997(11):143-154

[5]李良慧. 建筑房屋鋼結構與混凝土結構的技術經濟比較[D].山東：青島理工大學,2012.

[6]康珍珍.高層建筑結構體系分析及結構選型模糊決策研究[D].遼寧：遼寧工技術大學，2002.

[7]何廣乾.高層建筑的結構體系[C].第十二屆全國高層建筑結構學術交流會，1994

[8]陶忠，張耀春，韓林海，等.關于高層結構選型設計的初步探討[J].哈爾濱建筑大學學報，2000(2):21-23.

[9]劉功良. 基于遺傳神經網絡對高層建筑結構選型的研究[D].黑龍江：東北石油大學,2012.

[10]王少旭.超高層核心筒特點及質量控制方法分析[J].河南科技,2013(15):171.

[11]錢峰,王艷錦.超高層建筑結構體系的選擇分析[J].黑龍江科技信息,2011,35:301

[12]張新中.建筑鋼結構的應用發展及綜合經濟效益分析[J].華北水利水電學院學報,2002(4):1-5.