ARIZ算法在解決某建筑工程首層回填土問題中的應用

易嘉

上海朗詩規劃建筑設計有限公司 上海 200092

ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving）算法是TRIZ理論中集成了問題識別、問題分析和問題解決為一體的流程化創新方法，通過步步緊逼的方式將一個狀況模糊的原始問題轉化為一個簡單的問題模型，最后逼近“最終理想解”(IFR,Ideal Final Result)。其主要步驟包括：分析問題對象所包含的組件及其相互作用關系、分析問題所處環境及其可用資源、陳述最終理想解和物理矛盾、比較不同的問題解決方案及其代價，最后篩選出該問題最經濟、實用的解決方案。ARIZ算法按照發布時間的先后，分為ARIZ-68、ARIZ-71、ARIZ-82、ARIZ-85C(最新版)若干個版本，各版本的分析流程逐步優化[1]，ARIZ算法并非一成不變，而是能隨著被分析問題的不同而靈活變化[2]，例如：增加或精簡若干步驟、調整組件相互作用的強度大小、引入新的創新分析工具等。

1 項目背景

江蘇南京某建筑工程項目，首層±0.000標高處設計為鋼筋混凝土結構板，該結構板與條形基礎之間高差約5.5m，施工方為能加快施工速度，在施工首層鋼筋混凝土結構板之前僅回填了4m的土，隨后施工首層的結構板，導致回填土頂面與首層結構板底面之間存在約1.5m厚的空腔，當遇有降雨或相鄰道路排水不暢等情況時，該空腔將存貯大量廢水，長期積水將導致首層返潮、招致蚊蠅滋生，不利于建筑物內人員的身體健康。

因此，本工程需要解決的問題是：“如何在不拆除首層鋼筋混凝土結構板的情況下，避免板下空腔積水、返潮？”此處只是工程師根據自身的經驗提出的初始的問題，未必代表了問題的本質，需要通過層層剖析才能發掘出問題的本質，如果僅僅是為了避免“返潮”，則未必通過處理板下空腔的方式處理，也可以通過加強首層防潮措施的方式解決。以下通過運用ARIZ-85C算法來分析和解決該問題，并與采用矛盾矩陣法獲得的解決方案進行對比。

2 ARIZ算法在解決建筑工程問題中的應用

ARIZ-85C算法總體分成6大階段：初始問題分析、物場資源分析、歸納最終理想解（IFR）、應用知識庫、解決方案評估以及解決方案拓展。對于特定的問題，并不一定需要完成所有的階段，當分析達到某個流程節點時，如果已經獲得了解決方案，則可以跳過后續階段。

2.1 初始問題分析

本工程的技術目標(物體必須改變的特征)是首層樓板下少積水或快速排水，具體是解決“50年以內±0.00以下1.5m深度范圍內的排水問題”，明顯不能改變的特征則是已建首層樓板和已回填的土，出于成本考慮，要減少施工費用和材料費用，不能購買過于昂貴的材料，并且所選材料具有施工的可操作性和便捷性。

初步完成問題特征描述之后，使用STC算子（S-尺寸，T-時間，C-成本）進行極限思維來激化矛盾、暴露問題的本質，具體包括：

(1)S算子的極限思維：假設將首層結構板面積為縮小為0m2，全部填充土壤，則可以預先夯實至±0.00標高。反之，假設首層全部設置為結構板，則出于經濟和安全性考慮，難以拆除結構板，不能解決問題。

(2)T算子的極限思維：假設改變過程的時間為0秒，瞬間完成結構板下空腔的排水，但因為未曾改變結構板下的土、空氣狀態，不可避免再次受到雨水入侵，不能解決問題。反之，假設改變過程的時間為無限長，用1億年的時間逐步開挖周邊基坑、側向夯實土并等待土層的沉降趨于穩定，甚至有可能變成巖石，進而解決了結構板底空腔積水的問題。

(3)C算子的極限思維：假如排水的成本至0元，則無法調動人力、物力資源完成排水任務，不能解決問題。反之，假設排水的成本為無窮大，聘用大量人員和采用合適的夯土設備，隨時排水、干燥結構空腔，則可以解決問題。

經過問題特征描述和STC算子分析，可以用非專業性的、泛化的語言進一步將該工程問題明晰表達為：在一個由首層地板、1.5m厚的空腔以及土壤組成的系統中，需要解決由于土壤比較松散和空腔被灌滿水而導致首層地板滲水的問題，該系統中，很難改變的組件是已經施工的結構板和已經回填的土壤；能夠以較低成本改變或者調整的組件是1.5m厚的空氣層。

2.2 物場資源分析

物場資源是指的為了解決本工程問題而需要借助的外部因素，既包括有形的“物”：土壤、水、房屋建筑等占據三維空間的實體，也包括無形的“場”：機械場、化學場、電磁場、熱力場等不占據三維空間但是卻能參與相互作用的效應。其中，“真空區”是一種廉價且接近無限供給的重要資源[3]，真空區內既可以是空氣，也可以填充固體或液體，是一種具有體積易變性的多用途物體。本工程問題中，結構板及其下方的土壤之間形成了“真空區”，初始狀態下其間填滿了空氣，由于側向水、土的入侵，會改變真空區的物質分布，逐漸變成氣體、液體和固體混合的多相混合物，隨著時間的推移，氣、液、固三相物質的含量不斷交替變化，將導致首層房間的熱濕環境不穩定。因此，需要對該“真空區”進行處理。

2.3 歸納最終理想解（IFR）

完成了初始問題分析之后，可以開始歸納最終理想解（IFR），將分析中的問題表達轉化為最理想化的解決方案：將1.5m厚空氣層通過增加外部填充物或者僅增加空氣（最廉價且接近無限供給的資源），在不破壞結構板、便于施工的條件下令土層變成相對密封狀態。

接著，分析為何該空氣層自身不能令土體變成相對密封的狀態？原因是：空氣層為離散的氣態流體物質，不能受控地在水、土壓力下呈現密封或承壓狀態，“流動性”和“自控密閉性”之間存在矛盾。但是如果在空氣層的表面能夠出現一層附加物質，該物質能受控地根據需要出現，且提供約束土層所需要的抗力，則空氣層有可能在該物質的協助下令土體變成相對密封的狀態。

陳述完最終理想解后，需要根據以上書面陳述繪制兩張概念設計簡圖，分別是初始的“工程問題圖”和到達最終理想解之后的“理想圖”，概念圖繪制沒有特殊要求，只要能反映“初始狀態”和“理想狀態”的本質即可。如果外部環境組件（如：空氣、太陽光等）也參與了相互作用，則外部環境組件也需要顯示在“理想圖”中。如下圖1和圖2中的“側向支撐層”所示，使用無害化處理后的建筑垃圾填充空氣層兼透水層，在外部兼做擋土墻供室外回土側向支撐。

圖1 技術問題的初始狀態圖

圖2 到達最終理想解的狀態圖

2.4 應用知識庫

通過專利檢索，查詢到一個名為《一種真空預壓深層側向密封施工方法》的發明專利[4]，該專利公開了一種施工方法，采用同步開槽鋪塑一體機進行施工操作，對解決深厚砂層或回填土的側向密封性起到積極作用。該專利的啟示是：可以在空氣層的周圈設置廉價擋水物質以阻止外部水土的侵入。固、液、氣態物質遵循不同的科學效應[5]，例如：氣態的超聲波效應、液態的伯努利效應、固態的形狀記憶效應等，該類科學效應提供了在微觀層面解決問題的可能性。

2.5 解決方案評估

對于“建筑垃圾填充”的技術方案，雖然空氣層變得密實了，施工較為困難，需要將散碎的建筑垃圾塞入空氣層，可以預先將建筑垃圾打包后再塞入空氣層，降低施工難度，且增加的建筑垃圾打包成本大大低于將建筑垃圾分散填入空氣層的施工成本，具備可操作性。

2.6 解決方案拓展

最后，評估本工程問題的解決方案是否能推廣到其他工程建設領域或者其他行業，例如：在施工其他建筑的首層結構板之前，先行夯實回填土，并填充膨脹混凝土以消除空氣層，避免后期側向回填土的困難。此外，還可將“打包”的概念應用于裝配式建筑設計，將功能房間“打包”形成結構單元，然后再裝配形成整體。

3 用矛盾矩陣解決該問題進行對比驗證

矛盾矩陣是根里奇·阿奇舒勒歸納出來的一種解決發明問題的工具，共39個通用工程參數分別作為矛盾矩陣的行和列，分別代表改善的參數和惡化的參數，組成1個39×39通用工程參數矩陣[6]，每兩對改善和惡化的參數的行和列相交于1個單元格，該單元格中列出了解決這一對矛盾的可能使用的發明原理，通過分析問題，選擇系統在變化時改善的參數以及惡化的參數，查找相應的發明原理，獲得可選的若干種解決方案，最后再根據系統的具體情況和約束條件選取其中相對合理的方案并進一步深化設計、付諸實施。

經過上述工程問題的分析可知，對于回填土與首層防潮的矛盾問題，改善的參數可以選擇“靜止物體的體積”和“強度”，惡化的參數可選為“易維護性”“可靠性”和“可制造性”。得到如下的矛盾矩陣解決方案，其中的“用復合材料替代”“分割”“反向作用”“改變物理或化學參數”“借助中介物”4個發明原理多次出現，說明該4種解決方案更有可能獲得實用的解決方案。當選取“分割”和“借助中介物”原理時，可以推導出“用打包建筑垃圾填充結構空腔”的處理方案，與上節采用ARIZ算法獲得的解決方案類似，殊途同歸，驗證了ARIZ算法的可行性。如表1所示。

表1 用矛盾矩陣和發明原理解決建筑首層回填土問題

4 結語

本文通過上述ARIZ-85C算法，成功地找到了解決某建筑工程首層結構空腔防潮問題的經濟、適用解決方案，并用矛盾矩陣加以驗證，為工程建造提供了創造性的技術措施。工程實踐中，建筑工程師可以根據所遇技術問題特點和自身的工程經驗，在理解ARIZ算法原理的基礎上進行個性化調整，有助于產生兼顧經濟性和適用性的解決方案。