基于層次分析法論裝配式結構在水工建筑中的必要性

孔令岑 韓雅楠 山東農業大學水利土木工程學院

1 前言

隨著工業技術的發展，建筑技術也越來越成熟，在20世紀初，裝配式結構建筑開始引起人們的注意。裝配式結構建筑就是把傳統建造方式中的大量現場作業，轉移到工廠中進行，然后將制作好的預制件運送到施工現場進行拼裝，類似于孩童所拼裝的積木。裝配式結構建筑具有節能環保、生產施工效率高等優點，具有一定的先進性與科學性，符合可持續發展的戰略[1]。

現如今，裝配式結構建筑在民用建筑、公共建筑以及商業建筑上運用較多。然而在水工結構建筑物中，由于需要綜合考慮水利工程施工的特點，水利工程承擔的擋水、蓄水、導流等各項工作，考慮建筑物本身受力和抗滲防水的要求，以及水利工程施工條件的復雜性，導致裝配式結構建筑在水工建筑物方面上的施工和設計需要更高的技術要求[2]。

本文通過建立層次分析模型，將裝配式水工建筑物與傳統水工建筑物在節能環保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術要求等六個方面相比較，認為研究發展預制裝配化的水工建筑物，符合可持續發展戰略，具有必要性和必然性。將采用裝配式結構建造的水工建筑物與采用傳統式方法建造的水工建筑物相比較，考慮節能環保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術要求等六個方面的角度建立層次分析模型，通過查閱文獻資料給出判斷矩陣，利用matlab軟件進行求解，綜合此六個方面，認為裝配式結構建筑較傳統式建筑有較大優勢。

查取2016—2020年五年來我國新建的裝配式建筑面積，以及所占新建建筑面積的比例等相關數據，以此為基礎利用matlab擬合工具箱進行函數擬合，擬合圖像呈現出逐年增長的趨勢，認為在未來水利工程建筑事業的發展中，裝配式結構建筑將會以它綠色環保、施工生產效率高等優勢在未來階段快速發展。

2 裝配式建筑現狀

2022年1月20日，全國住房和城鄉建設工作會議在北京以視頻會議的形式召開，會議中提到要大力發展裝配式結構建筑。隨著“碳中和與碳達峰”目標的提出，建筑行業正朝著環境友好型方向發展。由圖1可知，我國的裝配式結構建筑占比由2016年的4.9%提升到2020年的20.5%，建筑面積由2012年的0.05億平方米擴大到2020年的6.3億平方米。2016年9月，《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中指出要大力發展裝配式建筑，提升建筑信息化的水平[3]，促進建筑結構模式的改革。“十三五”計劃以來，我國新建裝配式建筑面積占新建建筑面積的比例由4.9%提升到20.5%，新建裝配式建筑的建筑面積從2016年的1.14億平方米增加到2020年的6.3億平方米，如圖1所示。

利用matlab擬合工具箱，采用插值擬合函數繪制出2016—2020年隨時間變化的我國新建裝配式建筑的面積與新建裝配式建筑所占比例的三維視圖，如圖2所示。

如圖1、圖2所示，2016—2020年我國裝配式建筑占新建建筑的比重越來越大，建筑面積也越來越大，截止2020年新建裝配式建筑已超過新建建筑的1/5，而且呈現出逐年增長的趨勢，反映了裝配式建筑在我國建筑行業中已占據了重要的地位。

目前，傳統的水利工程建筑不但施工困難，而且對施工環境、地形地質要求嚴格，為加快基礎建設設施建造進程，在未來裝配式建筑快速發展的大好前景下，裝配式建筑在水工建筑中的應用將會大力推行。

3 層次分析模型建立與求解

層次分析法是美國匹茲堡大學教授T.L.Saaty在20世紀70年代提出的，它將與決策有關的元素劃分為目標層、準則層、方案層，并在此基礎上進行定性、定量的分析計算，是一種較為客觀的定性分析與科學定量相結合的計算方法[4]，是一種層次權重決策分析方法，也是一種解決多目標的復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法。其中目標層為決策的目的或要解決的問題、準則層為決策時考慮的各種因素、方案層就是備選的方案。

層次分析法的步驟為：①分析系統中各元素間的關系，建立遞階層次結構；②建立兩兩比較的判斷矩陣；③計算判斷矩陣，得出結果。

其中判斷矩陣中的數字，即標度的含義如表1所示。

表1 判斷矩陣中各數字（標度）的含義

本文以最佳建筑方法為目標層，以裝配式水工建筑物和傳統式水工建筑物的特點，即節能環保、保溫性能、制作成本、抗震性能、施工效率、技術要求等方面作為準則層，以裝配式建筑和傳統式建筑作為目標層，繪出層次分析的樹狀圖，如圖3所示。

在準則層六個元素的前提下，將方案層中的裝配式建筑與傳統式建筑兩兩比較，得出六個判斷矩陣，并利用matlab軟件進行計算，得到裝配式建筑與傳統式建筑在各個準則層下的得分，其中得分越高表示效果越好，具體如表2~表8所示。

表2 節能環保判斷矩陣

表3 保溫性能判斷矩陣

表4 制作成本判斷矩陣

表8 方案層最終得分

表5 抗震性能判斷矩陣

表6 施工效率判斷矩陣

表7 技術要求判斷矩陣

從表2~表8可以看出，裝配式結構建筑在節能環保、施工效率上，較傳統式建筑具有巨大優勢，這反映了在施工過程中若采用裝配式的結構建筑，可以大大減少甚至消除傳統水工建筑物在施工過程中對環境造成一定程度破壞，且施工期長、消耗勞動力大的缺點，例如在水利工程施工中，利用預制的圍堰完成施工導流工作，可以大大提高施工效率，也可以滿足防洪度汛的要求，不會因導流不及時而延誤工期甚至造成更大的經濟損失。并且裝配式結構建筑施工后現場也相對整潔美觀，可減少后續工作的工作量。裝配式結構建筑較傳統式的結構建筑主要缺點表現為抗震性能較差，這主要取決于裝配式構件容易出現嚴重的誤差問題，往往易出現組裝作業過程中縫隙不對應的情況，使其整體性和剛度較傳統式建筑結構差，從而導致了其在抗震穩定方面上的缺點。這可為未來裝配式結構建筑的發展提出指導性意見，充分利用標準規范，確保各結構參數的準確性，降低各種誤差的產生，提高結構的質量，滿足多種應用環境的要求。而在成本方面，裝配式結構建筑主要由于養護條件更加復雜、預制構件的運輸以及更高的技術要求導致其成本較高，為降低成本，使得更加經濟合理，可從降低運輸費用方面進行剖析，例如可在長期施工的地點建筑預制件工廠，減少運輸費用，促進裝配式結構建筑的發展。

然而綜合觀看，裝配式結構建筑較傳統式建筑有較大優勢，從表8可以看出，裝配式結構建筑得分比傳統式建筑得分多出約35.18%，尤其是其具有巨大的生態環境效益，在“雙碳”背景下，發展裝配式結構建筑行業符合可持續發展的要求。由此可見，裝配式水工建筑在未來的水利工程建設中將有巨大的市場，大力發展裝配式建筑也是必然趨勢。同時其技術要求高、抗震性能差、成本較高等缺點，也為裝配式結構建筑未來的發展提供了方向。

4 結束語

隨著科技的進步、勞動力成本的大幅度上漲，大力發展裝配式水工建筑已成為必然趨勢，盡管我國現澆整體式建筑技術已經十分發達，但隨著社會發展的需要，傳統式建筑對生態、經濟的可持續發展表現出一定的不適應性。為實現水利工程與生態經濟相結合，實現可持續性發展，就必須著重發展裝配式建筑，提高新建裝配式建筑在未來我國新建水工建筑中的比重。

目前，我國水利部也大力推行裝配式水工建筑的實施，裝配式水工建筑將會成為加快建筑工業化升級的有力工具，在未來階段，裝配式結構在水工建筑中大力推廣勢在必行。總而言之，隨著建筑工程技術水平不斷提高及建筑行業的不斷轉型升級，再加上相關政策的調整，對裝配式結構建筑的需求越來越大，裝配式結構建筑也會因其自身的各種優點快速發展。