基于層次分析法和綜合指數法的隧道夾空層空間適宜性分區研究

王海峰，周永軍，武 健，周秋龍 ，何國峰

（1.南京城建隧橋智慧管理有限責任公司，江蘇 南京 210000；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著南京城市化進程的不斷加快，地上空間資源逐漸減少。因此，越來越重視對淺層地下空間的開發利用[1]。交通隧道是城市重要的地下交通設施，在很大程度上緩解了城市地面交通擁堵問題，改善了城市空間環境。地下互通為了滿足交通轉換匝道設置和結構受力方面的需要，除了行車道空間外，還會產生大量閑置的夾空層空間。城市大型地下互通夾空層空間是寶貴的地下空間資源，在城市生態環境中占有極其重要的地位。然而，目前人們只注重城市大型地下互通隧道行車道空間的設計，忽略對夾空層空間的利用，造成了城市地下空間資源的極大浪費。因此，有必要對夾空層進行合理規劃利用，滿足城市發展的需要。

地下空間開發利用的適宜性評價是指根據開發利用的需求對地下空間進行合理規劃。地下空間開發利用的適宜性評價常借助一些可對因素進行重要性分析的數學方法將復雜的空間規劃問題簡單化，常用的方法有層次分析法、綜合指數法、模糊綜合評價法等。在建立的評價體系中，層次分析法是確定各指標值的權重，在地下空間開發的地質環境適宜性[2-3]、空間利用的適宜性[4-8]中有大量的應用。在利用層次分析法確定各指標的權重后，還需要通過指標值的標準化處理來進行綜合評價。姜婷[2]、羅勇等[9]、胡學祥等[6]、徐定芳等[10]、鄭立博等[11]、劉森和董志良[12]都結合綜合指數法進行適宜性評價，為地下空間開發方案的最終確定提供了科學的參考，說明該方法具有較好的可操作性和可推廣性。綜上可知，層次分析法和綜合指數法的應用較多也較為成熟。應用合理的數學方法對城市發展中的一些亟待解決的問題進行科學的評價，并建立適合的評價體系是行之有效的方法，也是大勢所趨。

為避免隧道“有建無養”，建立管養中心對隧道運營安全尤為重要。本文基于層次分析法和綜合指數法對南京市惠民路建立管養中心的布局進行適宜性分析。

1 隧道夾空層空間概況

該隧道夾空層區域位于南京市惠民路與建寧西路交叉口的位置，全長346.91 m。夾空層位于匝道上方，在平面上總體呈現3°的弧度，寬度約為8.7 m，總面積3 018 m2。根據坡度不同可分為前、中和后三部分。前部頂部和底部均可認為是水平的，長度為120.78 m。中部的頂部水平，底部坡角1°（坡度約1.7%），水平長度為140.76 m。后部的頂部水平，底部坡角3°（坡度約5%），水平長度85.27 m。此段夾空層的特點為下層和一側為行車道，另一側有一部分為綠地。夾空層的空間尺寸如圖1 所示。

圖1 夾空層空間尺寸圖（單位：m）

對該夾空層區域擬建設管養中心，管養中心的區域功能劃分包括監控機房、監控大廳、電源室、應急物資庫、通信機房、會議室、停車場、辦公室、休息區、公用廁所、消防控制室、變配電間和弱電機房等。現結合層次分析法和綜合指數法對其合理規劃進行分析。

2 層次分析法的應用

層次分析法的應用較成熟，在多個領域得到了廣泛運用。在本文的夾空層空間的適宜性分區中，可根據各功能房間建設的適宜性總目標，按照分區要考慮的實際影響因素進行分類，在對每個分類要考慮的夾空層的因素，形成一個多層次的分析結構，得到有關目標層、準則層至因素層的層次模型。以下進行層次分析法在夾空層空間規劃的應用。

基于該夾空層區域建立管養中心的要求和各功能房間所需的條件，評價模型中的目標層包括監控室（包括消防控制室）、各種設備房（電源室、變配電室、通信機房、弱電機房、防排煙機房）、應急物資庫、停車場、辦公空間。

同時，影響管養中心各功能房間的主要因素包括建設成本、空間利用便利性，以及出入口與應急疏散口設置條件。對于各功能房間，這三個主要因素還可細分成多個詳細的指標。對于建設成本，主要考慮的因素有夾空層地面坡度、夾空層埋深、夾空層斷面位置。對于空間利用便利性，主要考慮夾空層寬度、夾空層高度和夾空層平面規則程度。對于出入口與應急疏散口設置條件，主要考慮夾空層周圍出入口的設置條件和夾空層周圍疏散口的設置條件。這些影響因素組成了層次結構模型中的因素層。綜上所述，該夾空層利用的層次分析法評價模型如圖2 所示。

圖2 層次分析法評價模型

根據層次分析法的原理，這里夾空層的利用方案是目標層，指的是夾空層的最優利用方案，屬于層次分析法中的最高層。夾空層規劃需要考慮的建設成本等屬于準則層，夾空層的空間形態和出入口設置等是因素層，二者均屬于中間層。其中，準則層和因素層也可分準則層為高層，因素層為低層。層次分析法基于本文夾空層空間所要解決的規劃分區問題，是夾空層各區域不同的空間形態、位置等因素對各功能房間建設的適應性的相對權重問題。按此方法求得的相對權重可以對夾空層各區域不同的空間形態、位置等進行排序，從而根據多個權重選擇最適宜的方案。

首先，層次分析法需要確定評價指標權重，構造準則層對于目標層的判斷矩陣，并對指標判斷矩陣進行一致性檢驗。通過一致性檢驗，則認為滿足一致性要求，評價可靠。同理，對準則層和因素層的判斷矩陣，得到各層指標的權重值。限于篇幅，以監控室的指標權重計算過程為例。按照指標重要程度標度法，出入口與應急疏散口設置條件相對于建設成本要稍微重要一些，標度為2；出入口與應急疏散口設置條件相對于空間利用便利性非常重要，標度為7；建設成本相對于空間利用便利性重要性明顯，標度為5。夾空層斷面位置比夾空層地面坡度明顯重要，標度為5；夾空層斷面位置相對于夾空層埋深要重要得多，標度為7；夾空層地面坡度相對于夾空層埋深稍微重要一些，標度為3。夾空層的高度相對于寬度明顯重要，標度為5；夾空層的高度相對于平面規則程度稍微重要，標度為3；夾空層的平面規則程度相對寬度略微重要，標度為2。相對于周圍出入口設置場地條件，周圍應急疏散口設置條件極其重要，標度為8。按照監控室的指標重要程度，構造準則層對于目標層的判斷矩陣A-Bi：

計算準則層相對目標層A 的權重Wi：

并對A 層指標判斷矩陣進行一致性檢驗。經對判斷矩陣進行列向量歸一化和求和歸一化處理，得到的最大特征值為：

然后，計算一致性指標Ci：

在一致性檢驗中，利用一致性指標，得到一致性比率小于0.1，認為是滿足一致性要求的。不滿足則需要重新構造判斷矩陣，滿足則評價可靠。同理，可得到次準則層B1-Ci、B2-Ci 和B3-Ci，最終得到監控室各層指標的權重見表1。

表1 監控室的指標權重

同理，可得到設備房、應急物資庫、非機動車庫、機動車庫和辦公空間各層指標的權重值。

3 綜合指數法的應用

為進一步保證評價結果的正確性和進行適宜性分析，還結合綜合指數法進行了評價，為最終決策提供科學的參考，以便做出正確的判斷。綜合指數法是將一組相同或不同指數值通過計分處理，使不同計量單位、性質的指標值標準化，最后轉化成一個綜合指數，準確地評價工作的綜合水平。

首先，對指標進行標準化處理。在本文是否適宜建設各功能房間的評價標準中，各影響指標有高度、規則程度、疏散口設計條件等因素并非同一量綱。為了在同一評價體系內對這些評價指標進行比較和運算，需要在評價之前對這些指標進行標準化處理[13]。具體是以各配置空間是否適宜安置在該夾空層為比較標準，請相關專業專家對夾空層的各個影響因素進行打分。打分范圍為1～9，越有利于安置，在該區域則指標數據獲得的分值越高；越不利于安置，在該區域則指標數據獲得的分值越低。

其次，劃分分區等級。將建設區范圍內建設成本、便利條件等因素分為三個等級：最適宜區、較適宜區和不適宜區。利用綜合指數法將夾空層建設區內不同功能房間屬性按照不同指標的賦值乘以指標權重，最后相加得到適宜性評價的總分。根據每個房間屬性所得的總分值，再結合實際情況，將總得分在7～9 分之間的評為最適宜區，在5～7 分之間的評為較適宜區，在1～5 分之間的評為不適宜區。具體的等級設置情況見表2。

表2 分區等級設置

最后，計算各分區的總得分和適宜性評價。對該夾空層按照空間位置從左起分為Z1 段（長32.72 m）、Z2 段（長47.05 m）、Z3 段（長41.06 m）、Z4 段（長124.27 m）、Z5 段（長50.14 m）和Z6 段（長61.35 m），共6 個區域，具體平面劃分如圖3 所示。

圖3 層次分析法評價模型

對經劃分后的各區域根據上文中建立的賦值打分表進行各區域功能房間得分計算，結果見表3。

表3 得分結果

綜上所述，對各功能房間得分進行排序，結果見表4。機動車庫只能設置在Z4 區域，那么非機動車庫只能設置在Z5 區域。對于辦公空間，單獨的Z3 和Z2 區域不能滿足管養中心的辦公需求，因此需要考慮將Z3 和Z2 區域都作為辦公區域。設備房和監控室屬于機電設備，宜設置在同一區域，結合表4 情況，設備房和監控室宜布置在Z1 區域。最后應急物資庫只能設置在Z6 區域。

表4 各功能房間適宜建設區間得分排序

因此，該隧道夾空層空間的各功能房間的具體布局如下：Z1 區域設置設備房和監控室，Z2 和Z3 區域設置辦公空間，Z4 區域設置機動車庫，Z5 區域設置非機動車庫，Z6 區域設置應急物資庫。

4 結 論

本文針對隧道夾空層空間建設管養中心的規劃布局，提出了采用層次分析法和綜合指數法進行適宜性分區，得到了以下結論：

（1）通過層次分析法和綜合指數法確定了建設管養中心各功能屬性房間的適宜區域。結果表明，該方法得到的分區規劃是合理的，證明了該方法在地下空間規劃問題中的可行性，也可為類似工程的適宜性分區提供參考。

（2）層次分析法和綜合指數法相結合的方法在地下空間規劃分區中有較好的應用，是解決多因素影響的復雜地下空間開發和規劃問題的有效手段。

該方法中，指標權重是在考慮建設成本、空間利用便利性、出入口與應急疏散口設置條件等因素的基礎上，結合規范中對各功能房間的參數要求進行計算確定的，相關專業專家的打分也是需要多個評分取平均值才更準確。