基于模糊綜合評判的耗能減震技術(shù)社會效益分析★

曲 徑 王海飆馬 濤

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.國網(wǎng)遼寧服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110006)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

基于模糊綜合評判的耗能減震技術(shù)社會效益分析★

曲 徑1王海飆1*馬 濤2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.國網(wǎng)遼寧服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110006)

根據(jù)模糊綜合評判的數(shù)學(xué)理論，為項(xiàng)目中使用的結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會效益評價(jià)建立數(shù)學(xué)模型，并通過市場調(diào)查以及判斷矩陣分析等方法采集和分析數(shù)據(jù)，同時(shí)探討了加入結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)后項(xiàng)目的優(yōu)越性，以供參考。

結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)，模糊綜合評判，社會效益

1 耗能減震技術(shù)簡介

結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是近幾年國內(nèi)外新發(fā)展的一種減震技術(shù)。在傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)中往往要求建筑結(jié)構(gòu)在大震時(shí)主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌，以保證生命安全。但并不能保證在中小地震中，房屋結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。往往傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是采用依據(jù)結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度以及延展性來確保結(jié)構(gòu)的抗震性能，這樣做通常是以增加結(jié)構(gòu)配筋和混凝土強(qiáng)度來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)往往會大幅度的增加造價(jià)，這種設(shè)計(jì)是以構(gòu)件的極限承載能力為依據(jù)進(jìn)行抗震的，因此，在地震發(fā)生后，會有大量的修復(fù)以及重建工作，費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，費(fèi)錢。

結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是在建筑結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位(如柱間、連梁等)設(shè)置耗能減震裝置。通過增加結(jié)構(gòu)的阻尼來控制主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)而達(dá)到結(jié)構(gòu)減震的目的。但是目前為止結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)在我國實(shí)際工程應(yīng)用中還比較少。

耗能減震技術(shù)主要是在建筑結(jié)構(gòu)的特定部位加入被動減震裝置，在地震發(fā)生時(shí)，通過阻尼器等耗能減震裝置的破壞來消耗地震傳給結(jié)構(gòu)的能量，從而保證建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生破壞，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌的危險(xiǎn)。耗能裝置一般在中小地震中處于彈性工作狀態(tài)，將地震給結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能，通過其自身的剛度來保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。當(dāng)?shù)卣鹫鸺壉容^大的時(shí)候，結(jié)構(gòu)耗能減震裝置在結(jié)構(gòu)中優(yōu)先于其他的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，從而消耗一部分地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，進(jìn)而保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

但是這種新技術(shù)并沒有被廣泛的應(yīng)用，我認(rèn)為主要的原因在于，其經(jīng)濟(jì)性沒有被人們廣泛的認(rèn)識到，本文將以四川以及唐山兩個(gè)抗震安全社區(qū)項(xiàng)目為例，對結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會效益進(jìn)行綜合性的分析和評價(jià)，社會效益是經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的一個(gè)重要部分，因此對結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)進(jìn)行社會效益評價(jià)是很有必要的，能夠有助于結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[1，3-5]。

2 模糊綜合評判方法概述

2.1 模糊數(shù)學(xué)及模糊綜合評價(jià)方法介紹

模糊綜合評判方法是模糊數(shù)學(xué)方法的一種應(yīng)用方式，模糊數(shù)學(xué)方法是1965年，美國控制論專家查德(L.A.zadeh)為了解決元素與集合之間的模糊關(guān)系而開創(chuàng)的模糊新領(lǐng)域[2]。它可以將一些不確定的因素用定量的方法表示出來，再使用模糊數(shù)學(xué)運(yùn)算對數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到相應(yīng)的判斷矩陣，從而得到判斷對象的判斷等級和隸屬于各個(gè)等級的具體情況等信息。

2.2 隸屬度

2.2.1 隸屬度與隸屬度函數(shù)

隸屬度以及隸屬度函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)的兩個(gè)基本概念。

若對論域U中任何一個(gè)元素x都有一個(gè)數(shù)A(x)∈(0，1)與之對應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度。當(dāng)x在U中變動時(shí)A(x)就是一個(gè)函數(shù)，稱為A的隸屬度函數(shù)。隸屬度A(x)越接近于1，表示x屬于A的程度越高，A(x)越接近于0，表示x屬于A的程度越低。

2.2.2 最大隸屬度原則

模糊綜合評價(jià)方法要遵循最大隸屬度原則。最大隸屬度原則是模糊綜合評判方法最基本的一個(gè)原則。

設(shè)Ai∈F(u)(i=1,2,3，…，n)，對U0∈U，若存在i0使：

A(i)(u0)=max[A(1)(u0),A(2)(u0),…,A(n)(u0)]

(1)

則認(rèn)為相對的隸屬于Ai，這是最大隸屬的原則。

2.3 利用模糊綜合評判方法的步驟

利用模糊綜合評價(jià)方法進(jìn)行綜合評價(jià)的步驟如下：

1)確定被評價(jià)對象的因素論域：

U={U1，U2，U3，…，Un}。

2)確定評語等級論域V：

V={V1，V2，V3，…，Vn}。

3)進(jìn)行單因素評判，建立模糊關(guān)系矩陣R：

4)確定評判因素權(quán)向量A=(a1，a2，…，an)是U中各個(gè)因素對評價(jià)事物的隸屬關(guān)系，它取決于人們進(jìn)行模糊綜合評判時(shí)的著眼點(diǎn)，即根據(jù)評判時(shí)各因素重要性分配權(quán)重。

5)選擇評價(jià)的合成算子，將A與R合成得到B=(b1，b2，…，bn)。

(2)

常用的模糊算子有5種，經(jīng)過比較研究M(·，⊕)以及M(·，+)，對各因素按權(quán)數(shù)大小，統(tǒng)籌兼顧，綜合考慮，比較合理。即：

M(·，⊕)：用實(shí)數(shù)乘法·代替﹡，用⊕代替◇。

bj=⊕∑airij=min[1，airij]

(3)

M(·，+)：用實(shí)數(shù)乘法·代替﹡，用+代替◇。

bj⊕∑airij

(4)

6)對模糊綜合評價(jià)結(jié)果B作分析處理[2]。

3 模糊綜合評價(jià)在結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)中的應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)評價(jià)因子集及評價(jià)集

結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)目前在國內(nèi)的幾個(gè)項(xiàng)目中被應(yīng)用，這種技術(shù)被應(yīng)用后，對社會經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了影響，評價(jià)結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)效益要首先確定耗能減震技術(shù)社會經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)因素體系。本文建立的多層次的評價(jià)因子體系是基于目前結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)在項(xiàng)目中的狀況而選取的各級評級因子，其中選取的二級評價(jià)因子分別為經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益以及安全效益。通過對這三個(gè)因子的具體分析和評價(jià)得到了一級評價(jià)因子層。經(jīng)濟(jì)效益：經(jīng)濟(jì)效益的一級評價(jià)因子為：財(cái)務(wù)效益評價(jià)，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展影響，對當(dāng)?shù)胤康禺a(chǎn)行業(yè)的影響。環(huán)境效益：環(huán)境效益的一級評價(jià)因子為：震前環(huán)境規(guī)劃優(yōu)勢，震后環(huán)境優(yōu)勢。安全效益：安全效益的一級評價(jià)因子為：抗震知識的普及，居住安全性，地震中房屋的安全性。

建立評價(jià)因子是模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用的重要一步，本文為結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)建立的評價(jià)因子等級分為五個(gè)等級，分別為很好、好、中、較差、很差。

3.2 建立模糊評價(jià)矩陣

本文通過發(fā)放市場調(diào)查問卷的方式來確定各個(gè)評價(jià)因子在各個(gè)評語集的隸屬度，每個(gè)項(xiàng)目共發(fā)放1 200份調(diào)查問卷，問卷分為3部分：其中100份發(fā)放給項(xiàng)目參與者，如設(shè)計(jì)人員、施工人員、管理人員以及銷售人員，每份問卷各因子在各評語集得分為10分。500份問卷發(fā)放給本小區(qū)的住戶，每份問卷中各評價(jià)因子在各評語集的得分為1分。最后500份問卷發(fā)放給周邊居民或者當(dāng)?shù)仄渌用瘢糠輪柧碇懈髟u價(jià)因子在各評語集的得分為1分。通過對技術(shù)人員，居民以及周圍群眾的調(diào)查以及數(shù)據(jù)的收集，能夠更加綜合，客觀的得出數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的片面性。每個(gè)評價(jià)等級分為很好、好、中、較差、很差五個(gè)等級，調(diào)查時(shí)分別選擇認(rèn)為該評價(jià)因素對結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)的影響程度，然后利用式(5)計(jì)算每個(gè)評價(jià)因素在各個(gè)等級的比率。然后得出結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益模糊評價(jià)矩陣。

(5)

通過計(jì)算得到結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)指標(biāo)的隸屬域，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)指標(biāo)得分表

由表1可以得到結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)的模糊關(guān)系矩陣：

3.3 確定評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)

確定判斷矩陣的權(quán)重是模糊綜合評價(jià)方法中重要的一步，本文將采用判斷矩陣分析法來確定評價(jià)因子的權(quán)重，專家通過對兩兩因子的比較和各因子對評價(jià)目標(biāo)的影響程度來打分，最終得到相應(yīng)的判斷矩陣為：

使用MATLAB求解四個(gè)判斷矩陣的最大特征值以及其相對應(yīng)的特征向量并且歸一化。為確保數(shù)據(jù)的確定性，根據(jù)式(6)對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過一致性檢驗(yàn)來檢驗(yàn)判斷矩陣是否合格；對得到的矩陣B進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到表2。

表2 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)模糊綜合評判評價(jià)向量及一致性檢驗(yàn)

由表2可知，四個(gè)矩陣均通過一致性檢驗(yàn)。

3.4 模糊綜合評價(jià)計(jì)算

采用M(·，⊕)模糊算子進(jìn)行計(jì)算并對結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會效益評價(jià)體系進(jìn)行計(jì)算。評價(jià)結(jié)果如表3所示。

3.5 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)社會效益評價(jià)結(jié)果分析

從表3中的數(shù)據(jù)我們可以得到以下結(jié)論：從經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)應(yīng)用在項(xiàng)目中，可以有效提高此項(xiàng)目在消費(fèi)者心中的價(jià)值，在銷售過程中其銷售價(jià)格也比其他同水平的小區(qū)要高出很多，并且新型技術(shù)的應(yīng)用從一定程度上推動了當(dāng)?shù)胤康禺a(chǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且，耗能減震技術(shù)在四川以及唐山的這些項(xiàng)目中被應(yīng)用，都為今后這種技術(shù)的研究提供了案例以及技術(shù)支持，對該技術(shù)的發(fā)展很有幫助。從數(shù)據(jù)上看，其評價(jià)結(jié)果為結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益很好，與之前的預(yù)測相吻合。從環(huán)境的角度來看，四川和唐山的兩個(gè)項(xiàng)目都被定義為高檔住宅小區(qū)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和施工，因此在震前小區(qū)的規(guī)劃對附近環(huán)境起到很好的影響，而由于安裝了減震裝置，震后建筑物的倒塌機(jī)會也遠(yuǎn)小于其他建筑物，所以震后對環(huán)境破壞概率較小，從數(shù)據(jù)上來看，其評價(jià)的結(jié)果也是很好。從安全效益方面來看，使用技術(shù)后，我們可以有效將建筑的抗震等級提高一個(gè)等級，保證了結(jié)構(gòu)的安全性能以及居住安全性。在社區(qū)中設(shè)置安全島等安全設(shè)施，在地震發(fā)生時(shí)能夠?yàn)榫用裉峁┝己茫踩沫h(huán)境，在地震發(fā)生時(shí)，開發(fā)商也宣傳了大量的抗震安全知識，提高了人們的安全意識，從數(shù)據(jù)上看，在評語集中，很好的比重為54.64%，因此在安全性上的評價(jià)結(jié)論為很好。總的來說，結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益，安全效益的評價(jià)結(jié)果都是很好，最終的評價(jià)結(jié)果評分權(quán)重很好的比重最高，最終評價(jià)結(jié)果也是很好。由此可知，結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)在經(jīng)濟(jì)，環(huán)境，安全等方面都有很好的影響，證明結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好，此技術(shù)應(yīng)該被更廣泛的應(yīng)用。

表3 結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)模糊綜合評判評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

模糊綜合評價(jià)方法應(yīng)用在結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會效益評價(jià)中，基本能夠達(dá)到客觀的評價(jià)結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的社會效益評價(jià)的目的。結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)決定了這種技術(shù)的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)減震技術(shù)不僅在經(jīng)濟(jì)性上為開發(fā)商帶來利益以外，更有良好的社會效益，此技術(shù)的廣泛應(yīng)用更是有助于高層建筑的發(fā)展。

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Socialbenefitsanalysisofseismicenergydissipationtechnologybasedonfuzzycomprehensiveevaluation★

QUJing1WANGHai-biao1*MATao2

(1.CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.StateGridLiaoningServiceCo.,Ltd,Shenyang110006,China)

According to mathematical theory of fuzzy comprehensive evaluation, establishes mathematical model of social benefit evaluation of structural-seismic energy dissipation technology, collect and analyzes data through market survey and judgment matrix, and finally explores the project advantages by applying structural-seismic energy dissipation technology, with a view to provide some guidance.

structural-seismic energy dissipation technology, fuzzy comprehensive evaluation, social benefits

1009-6825(2014)14-0019-04

2014-03-03★：中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金(項(xiàng)目編號：DL12CB01)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：12513034)

曲 徑(1990- )，女，在讀碩士； 王海飆(1973- )，男，博士，副教授； 馬 濤(1973- )，男，工程師

TU352.1

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