基于層次分析法和綜合指數(shù)法的隧道夾空層空間適宜性分區(qū)研究

2022-08-31 05:30:56王海峰周永軍周秋龍何國峰

城市道橋與防洪 2022年7期

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(zé)任公司，江蘇南京 210000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

隨著南京城市化進(jìn)程的不斷加快，地上空間資源逐漸減少。因此，越來越重視對(duì)淺層地下空間的開發(fā)利用[1]。交通隧道是城市重要的地下交通設(shè)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(huán)境。地下互通為了滿足交通轉(zhuǎn)換匝道設(shè)置和結(jié)構(gòu)受力方面的需要，除了行車道空間外，還會(huì)產(chǎn)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(tài)環(huán)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(shè)計(jì)，忽略對(duì)夾空層空間的利用，造成了城市地下空間資源的極大浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)夾空層進(jìn)行合理規(guī)劃利用，滿足城市發(fā)展的需要。

地下空間開發(fā)利用的適宜性評(píng)價(jià)是指根據(jù)開發(fā)利用的需求對(duì)地下空間進(jìn)行合理規(guī)劃。地下空間開發(fā)利用的適宜性評(píng)價(jià)常借助一些可對(duì)因素進(jìn)行重要性分析的數(shù)學(xué)方法將復(fù)雜的空間規(guī)劃問題簡(jiǎn)單化，常用的方法有層次分析法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。在建立的評(píng)價(jià)體系中，層次分析法是確定各指標(biāo)值的權(quán)重，在地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性[2-3]、空間利用的適宜性[4-8]中有大量的應(yīng)用。在利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重后，還需要通過指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。姜婷[2]、羅勇等[9]、胡學(xué)祥等[6]、徐定芳等[10]、鄭立博等[11]、劉森和董志良[12]都結(jié)合綜合指數(shù)法進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，為地下空間開發(fā)方案的最終確定提供了科學(xué)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(shù)法的應(yīng)用較多也較為成熟。應(yīng)用合理的數(shù)學(xué)方法對(duì)城市發(fā)展中的一些亟待解決的問題進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，并建立適合的評(píng)價(jià)體系是行之有效的方法，也是大勢(shì)所趨。

為避免隧道“有建無養(yǎng)”，建立管養(yǎng)中心對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全尤為重要。本文基于層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)南京市惠民路建立管養(yǎng)中心的布局進(jìn)行適宜性分析。

1 隧道夾空層空間概況

該隧道夾空層區(qū)域位于南京市惠民路與建寧西路交叉口的位置，全長(zhǎng)346.91 m。夾空層位于匝道上方，在平面上總體呈現(xiàn)3°的弧度，寬度約為8.7 m，總面積3 018 m2。根據(jù)坡度不同可分為前、中和后三部分。前部頂部和底部均可認(rèn)為是水平的，長(zhǎng)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(zhǎng)度為140.76 m。后部的頂部水平，底部坡角3°（坡度約5%），水平長(zhǎng)度85.27 m。此段夾空層的特點(diǎn)為下層和一側(cè)為行車道，另一側(cè)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(duì)該夾空層區(qū)域擬建設(shè)管養(yǎng)中心，管養(yǎng)中心的區(qū)域功能劃分包括監(jiān)控機(jī)房、監(jiān)控大廳、電源室、應(yīng)急物資庫、通信機(jī)房、會(huì)議室、停車場(chǎng)、辦公室、休息區(qū)、公用廁所、消防控制室、變配電間和弱電機(jī)房等。現(xiàn)結(jié)合層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)其合理規(guī)劃進(jìn)行分析。

2 層次分析法的應(yīng)用

層次分析法的應(yīng)用較成熟，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。在本文的夾空層空間的適宜性分區(qū)中，可根據(jù)各功能房間建設(shè)的適宜性總目標(biāo)，按照分區(qū)要考慮的實(shí)際影響因素進(jìn)行分類，在對(duì)每個(gè)分類要考慮的夾空層的因素，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)，得到有關(guān)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層至因素層的層次模型。以下進(jìn)行層次分析法在夾空層空間規(guī)劃的應(yīng)用。

基于該夾空層區(qū)域建立管養(yǎng)中心的要求和各功能房間所需的條件，評(píng)價(jià)模型中的目標(biāo)層包括監(jiān)控室（包括消防控制室）、各種設(shè)備房（電源室、變配電室、通信機(jī)房、弱電機(jī)房、防排煙機(jī)房）、應(yīng)急物資庫、停車場(chǎng)、辦公空間。

同時(shí)，影響管養(yǎng)中心各功能房間的主要因素包括建設(shè)成本、空間利用便利性，以及出入口與應(yīng)急疏散口設(shè)置條件。對(duì)于各功能房間，這三個(gè)主要因素還可細(xì)分成多個(gè)詳細(xì)的指標(biāo)。對(duì)于建設(shè)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(duì)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(guī)則程度。對(duì)于出入口與應(yīng)急疏散口設(shè)置條件，主要考慮夾空層周圍出入口的設(shè)置條件和夾空層周圍疏散口的設(shè)置條件。這些影響因素組成了層次結(jié)構(gòu)模型中的因素層。綜上所述，該夾空層利用的層次分析法評(píng)價(jià)模型如圖2 所示。

圖2 層次分析法評(píng)價(jià)模型

根據(jù)層次分析法的原理，這里夾空層的利用方案是目標(biāo)層，指的是夾空層的最優(yōu)利用方案，屬于層次分析法中的最高層。夾空層規(guī)劃需要考慮的建設(shè)成本等屬于準(zhǔn)則層，夾空層的空間形態(tài)和出入口設(shè)置等是因素層，二者均屬于中間層。其中，準(zhǔn)則層和因素層也可分準(zhǔn)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(guī)劃分區(qū)問題，是夾空層各區(qū)域不同的空間形態(tài)、位置等因素對(duì)各功能房間建設(shè)的適應(yīng)性的相對(duì)權(quán)重問題。按此方法求得的相對(duì)權(quán)重可以對(duì)夾空層各區(qū)域不同的空間形態(tài)、位置等進(jìn)行排序，從而根據(jù)多個(gè)權(quán)重選擇最適宜的方案。

首先，層次分析法需要確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣，并對(duì)指標(biāo)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。通過一致性檢驗(yàn)，則認(rèn)為滿足一致性要求，評(píng)價(jià)可靠。同理，對(duì)準(zhǔn)則層和因素層的判斷矩陣，得到各層指標(biāo)的權(quán)重值。限于篇幅，以監(jiān)控室的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過程為例。按照指標(biāo)重要程度標(biāo)度法，出入口與應(yīng)急疏散口設(shè)置條件相對(duì)于建設(shè)成本要稍微重要一些，標(biāo)度為2；出入口與應(yīng)急疏散口設(shè)置條件相對(duì)于空間利用便利性非常重要，標(biāo)度為7；建設(shè)成本相對(duì)于空間利用便利性重要性明顯，標(biāo)度為5。夾空層斷面位置比夾空層地面坡度明顯重要，標(biāo)度為5；夾空層斷面位置相對(duì)于夾空層埋深要重要得多，標(biāo)度為7；夾空層地面坡度相對(duì)于夾空層埋深稍微重要一些，標(biāo)度為3。夾空層的高度相對(duì)于寬度明顯重要，標(biāo)度為5；夾空層的高度相對(duì)于平面規(guī)則程度稍微重要，標(biāo)度為3；夾空層的平面規(guī)則程度相對(duì)寬度略微重要，標(biāo)度為2。相對(duì)于周圍出入口設(shè)置場(chǎng)地條件，周圍應(yīng)急疏散口設(shè)置條件極其重要，標(biāo)度為8。按照監(jiān)控室的指標(biāo)重要程度，構(gòu)造準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣A-Bi：

計(jì)算準(zhǔn)則層相對(duì)目標(biāo)層A 的權(quán)重Wi：

并對(duì)A 層指標(biāo)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)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(jì)算一致性指標(biāo)Ci：

在一致性檢驗(yàn)中，利用一致性指標(biāo)，得到一致性比率小于0.1，認(rèn)為是滿足一致性要求的。不滿足則需要重新構(gòu)造判斷矩陣，滿足則評(píng)價(jià)可靠。同理，可得到次準(zhǔn)則層B1-Ci、B2-Ci 和B3-Ci，最終得到監(jiān)控室各層指標(biāo)的權(quán)重見表1。

表1 監(jiān)控室的指標(biāo)權(quán)重

同理，可得到設(shè)備房、應(yīng)急物資庫、非機(jī)動(dòng)車庫、機(jī)動(dòng)車庫和辦公空間各層指標(biāo)的權(quán)重值。

3 綜合指數(shù)法的應(yīng)用

為進(jìn)一步保證評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性和進(jìn)行適宜性分析，還結(jié)合綜合指數(shù)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為最終決策提供科學(xué)的參考，以便做出正確的判斷。綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過計(jì)分處理，使不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化，最后轉(zhuǎn)化成一個(gè)綜合指數(shù)，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)工作的綜合水平。

首先，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。在本文是否適宜建設(shè)各功能房間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，各影響指標(biāo)有高度、規(guī)則程度、疏散口設(shè)計(jì)條件等因素并非同一量綱。為了在同一評(píng)價(jià)體系內(nèi)對(duì)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較和運(yùn)算，需要在評(píng)價(jià)之前對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)相關(guān)專業(yè)專家對(duì)夾空層的各個(gè)影響因素進(jìn)行打分。打分范圍為1～9，越有利于安置，在該區(qū)域則指標(biāo)數(shù)據(jù)獲得的分值越高；越不利于安置，在該區(qū)域則指標(biāo)數(shù)據(jù)獲得的分值越低。

其次，劃分分區(qū)等級(jí)。將建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)成本、便利條件等因素分為三個(gè)等級(jí)：最適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。利用綜合指數(shù)法將夾空層建設(shè)區(qū)內(nèi)不同功能房間屬性按照不同指標(biāo)的賦值乘以指標(biāo)權(quán)重，最后相加得到適宜性評(píng)價(jià)的總分。根據(jù)每個(gè)房間屬性所得的總分值，再結(jié)合實(shí)際情況，將總得分在7～9 分之間的評(píng)為最適宜區(qū)，在5～7 分之間的評(píng)為較適宜區(qū)，在1～5 分之間的評(píng)為不適宜區(qū)。具體的等級(jí)設(shè)置情況見表2。

表2 分區(qū)等級(jí)設(shè)置

最后，計(jì)算各分區(qū)的總得分和適宜性評(píng)價(jià)。對(duì)該夾空層按照空間位置從左起分為Z1 段（長(zhǎng)32.72 m）、Z2 段（長(zhǎng)47.05 m）、Z3 段（長(zhǎng)41.06 m）、Z4 段（長(zhǎng)124.27 m）、Z5 段（長(zhǎng)50.14 m）和Z6 段（長(zhǎng)61.35 m），共6 個(gè)區(qū)域，具體平面劃分如圖3 所示。

圖3 層次分析法評(píng)價(jià)模型

對(duì)經(jīng)劃分后的各區(qū)域根據(jù)上文中建立的賦值打分表進(jìn)行各區(qū)域功能房間得分計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 得分結(jié)果

綜上所述，對(duì)各功能房間得分進(jìn)行排序，結(jié)果見表4。機(jī)動(dòng)車庫只能設(shè)置在Z4 區(qū)域，那么非機(jī)動(dòng)車庫只能設(shè)置在Z5 區(qū)域。對(duì)于辦公空間，單獨(dú)的Z3 和Z2 區(qū)域不能滿足管養(yǎng)中心的辦公需求，因此需要考慮將Z3 和Z2 區(qū)域都作為辦公區(qū)域。設(shè)備房和監(jiān)控室屬于機(jī)電設(shè)備，宜設(shè)置在同一區(qū)域，結(jié)合表4 情況，設(shè)備房和監(jiān)控室宜布置在Z1 區(qū)域。最后應(yīng)急物資庫只能設(shè)置在Z6 區(qū)域。

表4 各功能房間適宜建設(shè)區(qū)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(qū)域設(shè)置設(shè)備房和監(jiān)控室，Z2 和Z3 區(qū)域設(shè)置辦公空間，Z4 區(qū)域設(shè)置機(jī)動(dòng)車庫，Z5 區(qū)域設(shè)置非機(jī)動(dòng)車庫，Z6 區(qū)域設(shè)置應(yīng)急物資庫。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)隧道夾空層空間建設(shè)管養(yǎng)中心的規(guī)劃布局，提出了采用層次分析法和綜合指數(shù)法進(jìn)行適宜性分區(qū)，得到了以下結(jié)論：

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

（2）層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法在地下空間規(guī)劃分區(qū)中有較好的應(yīng)用，是解決多因素影響的復(fù)雜地下空間開發(fā)和規(guī)劃問題的有效手段。