基于物元可拓的再生利用項目安全控制階段劃分

李文龍， 李慧民， 劉怡君， 周崇剛， 王孫夢

(西安建筑科技大學 a. 土木工程學院; b. 管理學院， 陜西 西安 710055)

隨著國家經濟的快速發展，城市建設不斷擴張，那些位于城市中心地帶且具有特殊歷史意義和時代特色的老舊建筑已不能滿足當前生活生產的需求。“再生利用”一詞應運而生，起初主要用于舊工業建筑方面，主要是指在非全部拆除的前提下，對舊工業建筑重新賦予新的使用功能的過程，在功能轉換的基礎上，起到節約資源、改善環境以及傳承文化的作用[1]。隨著再生利用理念的深入和發展，“再生利用”不僅僅用于舊工業建筑，也逐步用于老舊城市住宅、老舊農村民居、老舊歷史保護建筑等老舊建筑的保護與利用領域。

再生利用是土木工程發展到一定階段后的必然產物，是滿足當前可持續發展方向與生態文明建設理念下的必然趨勢。國內外相關學者對再生利用項目的相關研究也逐步增多。一方面主要針對不同的研究對象，包括對歷史街區[2]、農村舊建筑[3]及舊工業建筑[4]等進行再生利用；另一方面主要針對再生利用全過程的各個方面進行了相關研究，主要包括模式選擇[5]、方案決策[6]、規劃設計[7]、利益分配[8]、能源消耗[9]、綠色節能[10]等。然而，針對再生利用項目安全問題的研究相對較少，主要有以下成果：文獻[11]運用解釋結構模型和層次分析法，得出再生利用項目安全控制要素，明確項目安全控制的重點；文獻[12,13]對再生利用前的結構安全鑒定影響因素和常用方法進行了研究分析；文獻[14]針對再生利用項目施工過程中存在諸多安全隱患的問題，建立基于未確知測度理論的再生利用項目施工安全評價模型；文獻[15]將規則推理(Rule Based Reasoning，RBR)引入案例推理(Case Based Reasoning，CBR)中，構建了再生利用施工風險應急管理模型。

從上述研究可知，針對再生利用項目安全控制方面的研究相對較少。再生利用項目不同于一般的新建項目，不是簡單的“從無到有”，而是“從有到無再到有”，一方面，再生利用項目結構形式及受力特點更加復雜，建設難度更大，不確定性更多，成熟項目相對較少，尚未有明確的制度規范可進行安全指導；另一方面，項目各參與方多注重再生功能和經濟效益，建設周期短，安全投入相對較少，對安全問題較為輕視。因此再生利用項目全過程中存在諸多的安全隱患，進行有效的安全控制極其必要和重要。為保證再生利用項目的安全有序進行，需將再生利用項目全過程劃分為若干個安全控制階段，基于此，本文根據再生利用項目全過程的工作內容，結合初步階段劃分及主要特征，建立基于物元可拓的再生利用項目安全控制階段劃分模型，以便更好地進行全過程的安全管理和控制。

1 項目全過程工作內容

與新建項目相比，再生利用項目建設程序更加復雜，工作內容更多[1,16,17]。參照一般新建項目的建設程序并結合已參與的再生利用項目調研和工程實踐，確定再生利用項目全過程的主要工作內容，見表1。

表1 再生利用項目全過程主要工作內容

2 物元可拓方法

可拓學是由我國學者蔡文教授于20世紀80年代創立的一門新興學科，主要用于研究事物拓展的可能性和開拓創新的規律[18]。物元可拓方法是以可拓數學和物元理論為基礎，是定性與定量相結合的一種分析方法[19]。

2.1 建立物元模型

(1)確定衡量條件集

物元是由事物的名稱、特征和關于特征的量值組成的有序三元組。給定事物的名稱N，相應特征C的量值為V，則以有序三元組R=(N,C,V)作為描述事物的基本元，簡稱物元。

一個事物往往具有多個特征，假定事物N有m個特征，以特征C1,C2,…,Cm和相應量值V1,V2,…,Vm來描述。則安全控制階段判別模型可由下列m維物元R表示：

(1)

(2)確定經典域

假定有n個總體事物，每個總體事物有m個特征，則第j個總體事物的經典域物元可表示為：

(2)

式中：Rj為經典域物元；Nj為第j個總體事物名稱，j=1,2,…,n；Vji為第j個總體事物關于第i個特征的量值范圍，aji為量值的取值下限，bji為量值的取值上限，且有Vji=〈aji,bji〉。

(3)確定節域

由所有總體事物共同構成的節域物元可表示為：

(3)

式中：Rp為節域物元；Np為全部總體事物的名稱；Vpi為全部總體事物關于第i個特征的量值范圍;api為量值的取值下限；bpi為量值的取值上限，且有Vpi=〈api,bpi〉。

(4)確定待判物元

由待判樣本事物的基礎信息構成的物元稱為待判物元，可表示為：

(4)

式中：R0為待判物元；N0為待判事物名稱。

2.2 建立關聯度函數

通過建立關聯度函數，可使待判物元與經典域和節域物元的關聯度計算更為準確，不必依靠主觀判斷或統計。

首先，待評價物元模型與其經典域和節域關聯度按式(5)(6)計算[20]。

(5)

(6)

式中：ρ(Vi,Vji)，ρ(Vi,Vpi)分別表示點Vi與區間Vji，Vpi的接近度，i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

Vi與區間Vji，Vpi的“位值”見下式：

D(Vi,Vpi,Vji)=ρ(Vi,Vpi)-ρ(Vi,Vji)

(7)

之后即可得到待判物元的特征關于各總體事物相應特征的關聯度為：

(8)

2.3 確定關聯度進行判別

利用特征權重和關聯度，計算待判樣本事物關于總體事物的關聯度為：

(9)

式中：Wi為特征Ci的權重。

3 安全控制階段劃分模型

3.1 安全控制階段初步劃分

借鑒工程項目管理全壽命周期的階段劃分，對再生利用項目全過程初步設置為四個安全控制階段：決策階段、設計階段、施工階段、使用階段。

(1)決策階段

良好的前期決策是保證項目成功的基礎，進行嚴格的安全決策是保證后續各個階段能夠安全有序實施的第一步。在決策階段，首先應對老舊建筑結構進行全面準確的檢測與評定，明確建筑結構的安全狀況和已有的安全隱患；其次應對項目后續實施過程中可能潛在的危險因素進行準確辨識和評估，以制定合理的應對策略，做好充分的前期準備工作。

(2)設計階段

設計是項目由構想變為實施藍圖的重要環節，通過將多專業問題融合到一起形成可指導施工的技術性文件資料。設計階段應以建筑結構現狀為基礎，按照現行相關設計規范進行再生利用設計。不僅要充分考慮設計方案的合理性、可行性及安全性；更要考慮設計方案在實施中儀器設備及材料選擇，以及新舊結構協同作用等安全問題。

(3)施工階段

施工是實現再生利用的關鍵環節，工作程序繁多且不確定性較大，涉及到構件拆除、結構加固改建、裝飾裝修、設備設施更新等內容。此外，施工階段管理工作也較為復雜，涉及到的單位和工種較多，人員流動性大，由此安全問題也更為突出，安全事故層出不窮。在施工階段進行嚴格的安全控制極為重要，主要通過方案優化、數值模擬、動態監測、風險評估及安全預警等方式來實現。

(4)使用階段

經過決策、設計及施工階段之后，再生利用項目讓廢棄或閑置的老舊建筑具有新的功能，使用階段是再生利用項目最后的輸出階段，需通過健全的管理制度和先進的管理技術，對投入使用的項目進行有效管理。同時需要對建筑使用狀況進行動態監控，以能夠及時發現安全隱患并及時采取應對措施，只有這樣才能使項目保持長期健康可持續發展的態勢。

通過對每個階段的內容和特征進行分析，最終確定控制主體、控制對象、控制方式作為每個安全控制階段的主要特征，具體分析見表1。

表1 再生利用項目安全控制階段特征

3.2 基于物元可拓的安全控制階段劃分

(1)確定總體經典域和節域事物元模型

再生利用項目安全控制階段設定為：決策階段、設計階段、施工階段、使用階段，故這四個階段為總體事物元R1，R2，R3，R4。根據表1可知控制主體、控制對象和控制方式作為描述總體事物元的主要特征指標，由此建立總體經典域事物元模型和節域事物元模型分別為：

(10)

(11)

式中：C1，C2，C3分別表示控制主體、控制對象和控制方式三個主要特征，下同。

(2)確定待判樣本事物元模型

根據表1中的再生利用項目全過程的23項工作內容，將其作為安全控制階段的t個待判樣本(t為1，2，3，…，23)，確定待判樣本事物元模型為：

(12)

(3)總體事物元經典域賦值

查閱文獻[21]及專家討論，確定再生利用項目安全控制各個階段的特征賦值區間，見表2。

表2 再生利用項目安全控制階段特征賦值區間

根據各階段的特征賦值區間，總體事物元的經典域可以表示為：

從圖1可以看出，Fe元素的含量一直在某一濃度水平波動，隨著濺射時間的增加并未產生明顯變化。說明車床刨光過程并未引入Fe元素污染，或者說引入的污染在經過后續清洗過程已基本消除，沒有對分析結果產生實質性影響。因此，可以將預激發時間定為10min。

(4)樣本事物元特征賦值

通過專家問卷調研的形式進行樣本賦值，按表2中的賦值區間將24個樣本對3個特征進行打分，采用去掉最大最小取均值的辦法對專家問卷打分進行處理，最終計算出各特征的賦值見表3。

表3 再生利用項目各工作內容的特征賦值及關聯度

(5)計算關聯度進行判別

考慮到控制主體、控制對象及控制方式三個特征重要性基本相當，為便于計算通過專家討論確定特征的權重分別為：W1=1/3，W2=1/3，W3=1/3。由于篇幅有限，以區域規劃為例進行計算說明，區域規劃關于控制主體特征賦值為0.6，根據式(5)可得：

根據式(6)可得：

=-0.6

根據式(7)(8)可得：

同理可求得區域規劃關于控制對象的關聯度分別為：2.5，-0.3，-0.65，-0.77，區域規劃關于控制方式的關聯度分別為2，-0.4，-0.7，-0.8。根據式(9)可得：

K1(V)=(2+2.5+2)/3=2.17

K2(V)=(-0.3-0.4-0.3)/3=-0.37

K3(V)=(-0.7-0.65-0.7)/3=-0.68

K4(V)=(-0.8-0.77-0.8)/3=-0.79

同理，根據式(5)～(8)，計算各安全控制內容對于四個安全控制階段的關聯度，然后比較關聯度大小并判別所屬階段，具體結果見表3。

(6)安全控制階段劃分

由表3可知再生利用項目安全控制階段的劃分是合理的，通過圖1可以直觀看到每項工作內容具體所屬的安全控制階段，進而可采取不同的安全控制策略。

圖1 再生利用項目安全控制階段劃分

4 結 論

本文通過對再生利用項目進行階段劃分，主要得出以下結論：

(1)參照一般工程項目建設程序并結合再生利用項目的特點，確定再生利用項目全過程的工作內容及主要任務；運用物元可拓方法，建立基于物元可拓的再生利用項目安全控制階段判別劃分模型，通過判斷關聯度的大小對工作內容進行階段劃分；最終將再生利用項目全過程分為決策、設計、施工和使用四個安全控制階段。

(2)由于再生利用項目各個控制階段的工作內容不同，存在的安全隱患也會有很大差別。控制主體應根據各個階段不同的安全隱患和安全影響因素，對控制對象采取合理的控制策略。比如決策階段和設計階段主要針對再生利用前的建筑，業主或委托方應合理排查項目現場潛在的危險因素，第三方檢測機構應對建筑結構進行檢測評定，準備判斷結構安全現狀等，設計單位需在確定方案時合理驗算，保證方案的安全性；施工階段主要針對再生利用中的建筑，需要各個參建單位的協調配合，這個階段涉及的施工工序多、參與工種多，存在安全問題多，因此需要全面的安全控制方案和完善的過程控制，才能保證施工過程有序進行；使用階段主要針對再生利用后的建筑，業主、運營商或使用者需要制定健全的安全運維制度，并定期對項目中存在的安全狀況進行檢查。

總之，本文通過將再生利用項目安全控制階段進行合理劃分，可以使各個控制主體對控制對象進行合理的安全控制，保證再生利用項目全過程的安全。