裝配式廢水池材料比選分析

宋泓銳

（西南科技大學土木與建筑工程學院，四川 綿陽 621010）

國際石油勘探開發事業正在蓬勃發展，石油鉆井規模也逐年擴大，隨之而來的污水廢棄物也越來越多，對環境造成了很大的影響，引起了社會各界的廣泛關注。目前，我國普遍使用現澆廢水池，具有工期長、成本高、施工難度大、使用完后處理困難、不能循環利用等缺陷，已不能滿足石油鉆井發展需要。因此，許多改進方法被提出，而可以預先預制以及周轉使用的裝配式水池就是解決方法之一。通過對多種材料的合理比選，選出施工容易且可以使經濟效益與社會效益達到最大化的材料。

1 材料初選

本項目初步列入考慮的材料是在當前建筑項目中運用較多的條石、砌塊、鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼。下面就以上五種材料的優缺點分別進行闡述。

1.1 條石

條石曾經是建筑行業使用較為普遍的一種材料，主要通過開山挖石取得。但其不符合環保理念，不易取得，因此條石作為建筑材料，近年來已逐漸退出市場。

1.2 砌塊

砌塊是用于砌筑的人造塊材，其制作可以充分利用地方材料和工業廢料，且制作工藝簡單，施工簡單。砌塊中列入比較分析的是加氣混凝土砌塊，其具有多孔輕質、干燥收縮大、抗拉強度低、整體性差的特點，長期在室外大氣環境下，易風化產生開裂破壞，耐久性差。

1.3 鋼筋混凝土

鋼筋混凝土在目前建筑結構中使用較為普遍，其施工技術也較為純熟，在取材上占有很大優勢，制作方便，可模型性較好，造價較低。除此之外，鋼筋混凝土結構的整體性較好，抗壓強度大，耐久性好。然而，鋼筋混凝土結構一般自重都很大，吊裝時必須借助吊裝機械，且抗裂性能差，易受環境影響。

1.4 玻璃鋼

玻璃鋼輕質高強，在一些高強度輕質設備中適用度較高，耐腐蝕性能好，在化工腐蝕方面的應用較廣，其具有自防水性能。然而，玻璃鋼的取材和制作較為復雜，因而成本較高，容易老化。

1.5 鋼

鋼材結構廣泛應用在一些高跨度結構以及廠房結構中，其突出特點是自重小、塑性和韌性較好、抵抗變形能力強，同時鋼結構施工簡單，周期短，安拆方便。除此之外，鋼結構的氣密性和水密性較好。然而，鋼結構耐火性差，在潮濕環境中易受腐蝕，其保護措施要求較高。

綜上，由于條石和塊材具有較多的缺陷，接下來的進一步比選將不再對其進行考慮。

2 層次分析法在材料比選中的應用

為進一步從鋼筋混凝土、玻璃鋼、鋼這三種材料中比選出最為經濟合理的裝配式廢水池材料，下文將用層次分析法進行分析。

2.1 層次分析法概念

美國運籌學家薩蒂于20世紀70年代初提出了著名的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）。層次分析法是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法。該方法具有系統、靈活、簡潔的優點[1]。

2.2 比選步驟

2.2.1 建立系統的遞階層次結構

在建筑工程中選擇材料時，人們通常從材料的造價、性能、技術及環境保護等方面進行考慮，如圖1所示。在性能方面，由于裝配式廢水池在使用過程中要承受較大的水壓力及較大的拉應力，這就要求材料具有較大的抗壓、抗拉強度；在使用過程為抵抗變形、減少開裂現象，要求材料具有較大的剛度；為使廢水池能夠多次循環使用，則要求材料抗老化能力強，即耐候性要好；鋼筋混凝土和鋼若作為廢水池的材料，需另設防水層，而玻璃鋼自身具有防水功能；石油鉆井抽出的廢水含有較多的腐蝕性離子，因此材料須具有較強的耐腐蝕性。

在技術方面，為加快工程進度，選擇的材料要模塊制作簡單、安裝拆卸容易同時運輸方便。除此之外，為減少后期工作量，維修上也需方便可行。

圖1 遞階層次結構

2.2.2 構造兩兩比較判斷矩陣（正互反矩陣）

本文成對比較矩陣中的數據是多位專家根據經驗及重要性標度含義表打分形成的，其中，重要性標度含義表如表1所示[2]。

2.2.3 層次排序及一致性檢驗

首先，計算各判斷矩陣對應于最大特征值λmax的權重向量：

然后，計算各判斷矩陣的最大特征值λmax，再據此計算一致性指標CI：

表1 重要性標度含義表

根據表2數據，可以查找平均隨機一致性指標RI。

表2 平均隨機一致性指標參照表

最后，按式（3）計算各判斷矩陣的隨機一致性比率CR：

當CR＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性檢驗通過，特征向量（歸一化后）即為權向量；若不通過，則需重新構造成對比較矩陣，直到得出滿意的一致性。

就本文來看，首先根據多位專家打分得出性能、造價、技術三項指標的權重向量表，如表3所示。

用層次分析法對造價指標做出詳細分析，并以此為例，對三種材料的性能指標和技術指標進行分析，從而得出綜合評分和結論。

表3 性能、造價和技術三項指標的權重向量

2.2.4 層次分析法分對材料進行造價分析

就鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼三種材料進行造價分析，具體如下：為方便比較，假設統一的量化標準，均按照1 m3的水池容量來進行造價分析及比較，且厚度均取60 mm。對于鋼筋混凝土水池，假設其所用混凝土為C30，鋼筋配筋為雙層雙向配筋，且為Φ8@150。經計算，1 m3的鋼筋混凝土水池需0.3 m3的混凝土、67.625 kg的鋼筋。鋼結構水池所用鋼材以展開面積計，即1 m3的水池需5 m2的鋼材。玻璃鋼水池的材料構成、施工工序和制作等較為復雜，因此與同類型構件和施工相比較得出結論，并與手糊玻璃鋼襯里工程進行比較，有關資料顯示，襯里工程與玻璃鋼設備等的造價差距大約為25倍。具體造價分析如4所示。

表4 造價分析

根據表4造價信息，筆者發現，鋼筋混凝土與鋼結構的造價相差不大，而玻璃鋼造價卻高很多。以此為依據得出層次分析法打分，如表5所示。

表5 層次分析法打分

同理，可得出鋼筋混凝土，玻璃鋼，鋼的性能指標比選結果，如表6、表7所示。

表6 鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼的性能指標比選結果（一）

表7 鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼的技術指標比選結果（二）

通過以上數據分析得出性能、造價和技術三項指標的綜合評價表，具體數據如表8所示。

表8 性能、造價和技術三項指標的綜合評價

通過比較綜合得分，最后得出采用鋼筋混凝土制作裝配式廢水池最優。本團隊通過室內試驗和現場試驗對其環保性、適用性進行了驗證，已廣泛推廣使用。

3 結語

近年來，裝配式廢水池成為石油鉆井平臺廢水池研究的重要趨勢。與傳統的現澆廢水池相比，其具有多種優勢，如工期短、成本低、施工難度小和綠色環保等，而選擇合適的材料對裝配式廢水池研究來說意義重大。本文采用層次分析法來比較分析裝配式廢水池材料的造價、性能和技術，研究結果表明，采用鋼筋混凝土制作裝配式廢水池最為合理。