基于層次分析法的設(shè)計方案技術(shù)經(jīng)濟比選研究
——以樁基方案比選為例

張浩 馬蘭 宋聰旭

(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

EPC工程總承包模式下簽訂的合同往往是固定總價合同，這對EPC總承包商的風(fēng)險控制能力提出了更高要求。對于造價人員而言，為了有效控制項目的成本風(fēng)險，加強對設(shè)計階段的造價管理尤為必要。設(shè)計方案技術(shù)經(jīng)濟比選作為設(shè)計階段造價管理的一項重要內(nèi)容，目前以定性判斷為主，如何形成一套定量化而又可行的方案比選流程，是一個急需解決的問題。

樁基工程在項目造價中占比較大，其設(shè)計比選是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。宋曉東[1]將價值工程理論引入樁基方案比選，運用0～4評分法計算功能權(quán)重值，通過價值系數(shù)選定最優(yōu)方案，對樁基比選的功能分析不夠深入，沒有建立樁基比選的功能系統(tǒng)圖；采用0～4評分法進行功能權(quán)重計算，主觀性過強。

本文運用價值工程理論，繪制樁基比選的功能系統(tǒng)圖，采用層次分析法評價功能權(quán)重指數(shù)，通過反復(fù)咨詢相關(guān)專家和文獻分析，將影響樁基比選的各類因素層次化、條理化，并將定性的問題定量化。以江蘇某高層建筑樁基比選為例，建立基于AHP的價值工程樁基方案比選模型，對鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力空心管樁和預(yù)應(yīng)力空心方樁三種樁基備選方案進行比選分析，最終選定價值指數(shù)最大的方案為最佳方案。

1 研究理論及方法

1.1 價值工程

價值工程也稱為價值分析，是一種將功能與成本、技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合從而進行技術(shù)經(jīng)濟評價的方法[2]。其核心為是功能分析，主要應(yīng)用于建設(shè)工程項目前期設(shè)計階段，因為該階段是提高項目技術(shù)經(jīng)濟效果最為重要的環(huán)節(jié)。價值的一般表達式為

(1)

式中，V為價值；F為研究對象的功能，廣義講指產(chǎn)品或作業(yè)的功用和用途；C為生命周期費用。

1.2 層次分析法

層次分析法(AHP法)的基本思路是：首先，采用定性分析方式確定各因素之間的相互關(guān)系，即把所需考慮的因素層次化、條理化；其次，利用代數(shù)工具把非定量問題定量化。層次分析法特別適用于分析解決結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、難于量化的多目標(多準則)的決策問題[3]。

2 樁基方案比選模型的構(gòu)建

在樁基方案比選中，采用價值工程的思路，最終得到價值指數(shù)最大的方案即為最優(yōu)方案[4]。價值指數(shù)需要通過功能指數(shù)和成本指數(shù)兩個指標確定。在功能指數(shù)計算中引入AHP法，關(guān)鍵在于建立層次分析圖和計算各層次的相對權(quán)重值；成本指數(shù)的計算則采用全生命周期成本法。

2.1 樁基比選層次分析圖

經(jīng)過調(diào)研咨詢多名設(shè)計專家，并查閱相關(guān)文獻，繪制樁基比選功能層次分析圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，在進行樁基比選時主要考慮三個方面：①樁自身設(shè)計力學(xué)性能屬性，包括兩點：一是考慮樁地基承載力的大??；二是樁自身的抗震性、嵌巖性和耐久性等適用性，即樁在特定環(huán)境及工程地質(zhì)水文條件下的適用范圍。②樁施工屬性，包括三點：一是樁在制作安裝時的成樁質(zhì)量，即在制作安裝時出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率；其二，樁基施工進度；其三，樁基施工的難易程度，即施工時的機械配備、施工隊伍等情況，由工程當?shù)厥袌銮闆r決定。③樁的外部影響屬性，包括兩點：一是各參與方的影響，即勘查方與業(yè)主方的影響程度；二是周圍環(huán)境的影響，即對環(huán)保文明施工的影響程度。

2.2 層次分析法計算功能權(quán)重值

該步驟的關(guān)鍵是在功能層次分析圖的基礎(chǔ)上，利用層次分析法計算各樁基方案功能的權(quán)重，其計算過程可在matlab編程實現(xiàn)。其中，在構(gòu)造兩兩判斷矩陣時采用專家調(diào)查法，具體過程是：向多位設(shè)計專家發(fā)放調(diào)查問卷打分，最終將各位專家打分值加權(quán)求得一個期望值。需要特別注意的是，必須根據(jù)項目具體特點確定方案層上各方案的相對權(quán)重值。

2.3 樁基比選功能指數(shù)

一旦功能權(quán)重值確定，最終的功能指數(shù)等于各方案的功能權(quán)重值占所有方案權(quán)重值之和的比例。

2.4 樁基比選成本指數(shù)

2.4.1 樁基的工程費用

對于工程建設(shè)來說，全生命周期的成本主要包括前期的建設(shè)費用和后期的維護費用。對于前期的建設(shè)費用而言，在不考慮貸款利息的前提下，包括工程費用、工程建設(shè)其他費用以及預(yù)備費。對于后期的維護費用，關(guān)鍵是要考慮資金的時間價值影響，需要考慮動態(tài)的成本計算。具體到樁基工程系統(tǒng)，前期建設(shè)主要考慮工程費用，后期的維護費用可以忽略不計。而工程費用主要指建安工程費，包括樁基礎(chǔ)、樁承臺及其墊層的費用。樁基礎(chǔ)費用主要包括樁基的制作、安裝和運輸費用，以及截樁、接樁、樁芯灌砼費用等。樁承臺及其墊層費用主要包括混凝土、鋼筋和模板的制作、安裝及運輸費用等。

2.4.2 樁基的成本指數(shù)

樁基各方案的工程費用最終確定后，成本指數(shù)等于各方案的費用占所有方案總費用的比例。

2.5 樁基比選價值指數(shù)

各方案的功能指數(shù)和成本指數(shù)相除后最終得到價值指數(shù)，選定價值指數(shù)大的方案為最優(yōu)方案。

2.6 樁基方案比選模型流程圖

樁基方案比選模型流程如圖2所示。

3 工程實例應(yīng)用

3.1 確定樁基方案參數(shù)

以江蘇省某高層建筑項目樁基工程為例[5]。該工程有三種樁基形式可供選擇：鉆孔灌注樁，預(yù)應(yīng)力空心管樁，預(yù)應(yīng)力空心方樁。樁基比選方案設(shè)計已知輸入?yún)?shù)見表1。

表1 樁基比選方案設(shè)計已知輸入?yún)?shù)

3.2 比選樁基方案

3.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

在功能分析層次圖的基礎(chǔ)上，針對鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力空心管樁和預(yù)應(yīng)力空心方樁三個方案進行比選，由設(shè)計專家填表打分，打分原則為：兩兩比較對目標影響程度相同時為1，影響程度較小按0～1區(qū)間打分，影響程度較大時按1～2區(qū)間打分，最終將各設(shè)計專家的打分數(shù)據(jù)加權(quán)處理，得到的判斷矩陣如下

3.2.2 計算層次權(quán)重值

依據(jù)AHP法計算規(guī)則，采用matlab編程計算求得每層權(quán)重向量值，且各層所有判斷矩陣均通過一致性檢驗。各層權(quán)重向量計算結(jié)果見表2。

表2 各層權(quán)重向量值

3.2.3 求解各方案功能指數(shù)

在層次權(quán)重分析的基礎(chǔ)上，各方案功能指數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 各方案功能指數(shù)計算結(jié)果

由表3可知，僅從樁基功能角度來說，預(yù)應(yīng)力空心管樁是功能最優(yōu)的方案。

3.2.4 求解各方案成本指數(shù)

本工程為工程基礎(chǔ)樁，由于后期基本不用考慮維護，因而只需考慮建造費用即可。對于本工程樁基系統(tǒng)來說，建造費用主要包括樁身單價、樁身總價、承臺(含混凝土、模板和鋼筋)總價以及墊層(含混凝土、模板)總價。成本指數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 成本指數(shù)計算結(jié)果

由表4可知，僅從樁基成本角度來說，預(yù)應(yīng)力空心方樁是成本最低的方案。

3.2.5 求解各方案價值指數(shù)

將前面求得的功能指數(shù)與成本指數(shù)相除，最終得到三個方案的價值指數(shù)，見表5。

表5 價值指數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)價值指數(shù)最大值為最優(yōu)方案的原則，綜合考慮功能和成本因素的影響，對于本工程項目而言，預(yù)應(yīng)力空心方樁最優(yōu)，預(yù)應(yīng)力空心管樁次之，鉆孔灌注樁排在最后。

3.3 樁基方案比選結(jié)果分析

本工程最終選定的方案結(jié)果為預(yù)應(yīng)力方樁方案，該結(jié)果也進一步表明：在進行具體工程樁基方案比選時，只有在方樁與管樁均不適用的情況下才會選擇考慮鉆孔灌注樁。而管樁與方樁相比，雖然其性能優(yōu)于方樁，但成本相對較高，這也從側(cè)面表明提升管樁性能的同時付出了更多的成本費用。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于AHP法的價值工程樁基比選模型，并成功應(yīng)用于江蘇某高層建筑項目的工程實踐，實現(xiàn)了技術(shù)與經(jīng)濟的結(jié)合，最終研究成果表現(xiàn)在以下三個方面：一是建立了樁基比選功能層次分析圖；二是繪制了樁基方案比選模型流程圖；三是結(jié)合了具體工程的樁基比選實踐經(jīng)驗。最終研究結(jié)果表明，方樁的綜合性能更優(yōu)，鉆孔灌注樁的最差，可為類似工程項目提供參考。