基于层次分析法的建筑结构加固方案设计

建国以来，特别是改革开放以后，随着经济建设的迅猛发展，我国建筑业也有了飞速发展。近年来，在新建房屋不断增加的同时，对现有结构的维护和加固也引起了工程界的广泛重视。加固学就是随着房屋结构学的发展而发展起来的，有新建就有加固。有资料指出工业发达国家建设总投资的40%以上用于原有建筑的维修和加固，不足用于新建筑的建设。如此一来，如何合理设计加固方案是关键。因为相同的设计任务，可以有多种不同的设计方案，所以必须从所有方案中选用最优最合理的方案。也就是说，在任何情况下，“择优录用”是人们遵循的原则。因此对加固方案进行优化评价就显得尤为重要。本文在传统层次分析法的基础上，对常用建筑结构加固方案进行了详细的技术经济分析，重新建立了开放性的建筑结构加固方案评价指标体系，融合利用层次单排序和指数标度的改进权重确定方法、基于指数标度的评价值赋值法，建立了改进的层次分析方法的基本构架，分阶段多步骤地对建筑结构加固方案进行评价优选。
　　2传统层次分析法及其不足
　　2.1传统层次分析法
　　结构工程加固系统是一个相当复杂的系统工程，影响因素众多，其设计必须满足安全性、经济性和可行性这三个基本要求，对于市区工程环境保护及文明施工也是十分重要。层次分析法就是根据加固方案的基本要求选择指标，构造层次模型通过确定评定原则构造判断矩阵然后对层次单排序、总排序来评价加固方案的优劣性的方法。
　　2.2传统层次分析法存在的不足
　　层次总排序等步骤来计算各层次评价指标的相对权重以及各层次评价指标对总目标的组合权重，从而得出不同方案的综合评价排序。该方法有系统、灵活、简洁的优点。但通过长期的使用和分析，发现其存在一些缺点：
　　（1）评价指标体系的建立往往是在方案已经成型之后，这就产生了问题到底该由谁来确定指标体系里的评价指标从实例来看，一般情况下多为制作delphi专家调查表的人确定。这就隐含了一个矛盾：制作专家问讯表的人在专业上无法代替专家，但他先入为主的替专家确定了评价指标体系，专家仅能在他制定的框架之下做出判断，很难说这种判断的结果是完全反映了专家本人的意见。
　　（2）采用层次分析法对方案评价往往是在方案拟定之后，而方案的制定往往是分阶段的，如何更好的将层次分析法所得到的信息，阶段性的提供给方案的设计者。
　　（3）检验判断矩阵是否具有一致性非常困难。因为需要计算判断矩阵的最大特征根。
　　（4）传统的层次分析法在建立判断矩阵时多采用级标度，这种标度存在传递性差、判断矩阵与思维一致性不等价等缺点。有没有一种改进的标度能更准确的反映专家的意见呢？
　　3改进层次分析法
　　3.1层次分析法改进的思路
　　（1）层次分析法流程的改进
　　加固方案的设计一般可以分为①方案构思阶段②方案初步设计阶段③方案详细设计阶段，传统的层次分析法一般将方案的评价和比选放在③阶段之后。而笔者认为可以将层次分析法的几个步骤分开来，依次介入方案设计的三个阶段:在方案设计的①阶段可以进行评价指标的初选，并将初选结果反馈给方案设计者。在方案设计的②阶段，根据设计的情况最终确定指标构成，然后由专家确定各指标的权重，并将结果反馈给方案设计者。在方案设计的③阶段，获取各备选方案的详细信息，对各个方案的各项指标进行评价，确定评价值。最后由评价值和指标权重综合得到各备选方案的综合价值系数。
　　这样做的好处体现在:①专家了解各备选方案的由来，可以做出准确的评价。②专家意见阶段性的反馈可以对方案设计者起到指导作用。③评价指标由专家选择，最大程度的体现了专家的意志。
　　（2）一致性检验的改进
　　一致性检验是层次分析法的核心，为了绕开一致性检验，先后产生了最优传递矩阵法和三标度法，但是都被证明在理论上存在缺陷。本文将在分析判断矩阵产生非一致性的原因之后，建立新的排序方法。
　　（3）引入指数标度
　　最常见的1~9级标度存在着诸多不足，指数标度则很好的解决了1~9级标度所带来的问题。
　　3.2与方案设计阶段相适应的评价策略
　　加固方案设计一般可粗略地分为方案构思、初步设计和详细设计等阶段，不同的设计阶段具有不同的特点，因而在不同的设计阶段需要采用不同的评价策略。
　　（1）方案构思阶段的评价策略
　　在方案构思阶段中所得的原理方案，由于信息量不足，因而进行评价应注意以下的特点:
　　①因为方案尚未成型，所以此阶段的评价可以认为是预评价。从另外一个角度而言就是找出方案设计的重点，对方案设计起到引导作用。
　　②由于信息量不足，在这个阶段中所建立的评价指标中一般不要确定加权系数，而把这些评价指标的重要性取得大致接近。因此，可将不太重要的性能参量先不考虑，而集中精力考虑那些重要的、基本的要求项目。
　　③评价项目中应包含技术、费用和安全等三方面的基本内容。尽管在这个阶段还不可能得到成本方面的定量信息，但至少应从定性方面加以考虑。这个阶段中，评价指标的总数不宜过大，应抓住重点，一般应选取6~8个为宜。
　　（2）方案初步设计阶段的评价策略
　　同一目标可以用不同的具体设计来实现。同时，转入初步设计阶段时，可能存在不止一个方案设计思路，因此，在结构设计阶段可能出现多种方案。在对这些初步方案进行评价时，因为其较方案设计思路具体化了，所以在评价上更为细化。
　　①在初步设计阶段，技术性能和经济性能通常都是分开进行评价。
　　②在初步设计阶段，临时辅助构件、施工方法和工序等都基本上确定，根据信息量水平的不同，评价指标体系的进一步完善。
　　③由于评价指标都已完全确定，可以进行进一步的专家咨询，确定各个指标的权重。
　　④由于在详细设计阶段中还需考虑其他一些因素，设计方案还会有所改动。因此，在方案初步设计阶段进行评价时，除了明显有重大缺陷而又无法改进的方案或者总体上的价值太差的方案外，一般不轻易剔除设计方案。
　　（3）方案详细设计阶段的评价策略
　　详细设计阶段的设计评价是对施工方案的总评价。在初步设计阶段得到专家的意见反馈以后，方案进一步细化，这一阶段的信息比较充分，可以进行细化的评价。
　　3.3评价指标体系的建立
　　（1）指标体系框架的建立
　　对于施工方案的选择，不同的决策者会根据企业的设备情况、资源以及自己的偏好等因素得出不同的结果。因而施工方案多目标评价决策指标体系要尽可能涵盖施工方案多目标评价决策中的各种因素。然而，施工方案设计是一个创造性的过程，粗略地可以分为方案构思、初步设计、详细设计三个阶段，不同的设计阶段设计评价有不同的特点，对评价指标也有不同的要求;另外，随着各种新材料、新设备、新技术和新工艺的应用，使得这些评价指标本身也在不断变化。所以一个固定的、不能进行修改、调整的评价指标体系，将不能满足施工方案多目标评价决策的要求。因此本文构建了动态的评价决策指标体系框架，用以动态地、全面地建立包括影响施工方案多目标评价决策的各种因素。
　　该指标体系框架具有以下几个特点:
　　①动态性。方案评价者可以根据实际需要增加、删除、修改、重命名指标体系中的每一个指标(除目标层)，并且能进行保存，便于下次调用。
　　②灵活性。该指标体系框架结构灵活，具有可扩展性。
　　③层次性。该指标体系中每一个指标都可以由若干个子指标构成，这样可以尽可能全面地描述某项评价指标的复杂内容。考虑到指标体系越复杂，进行评价决策的难度更大，可操作性差，因而在本系统中，限定了最大层次数为3层。
　　④唯一性。该评价指标体系中的评价指标都具有唯一性，即指标体系中任一被编辑的指标都不允许重复出现在同一个评价指标方案中。评价指标体系体现了方案评价者的意图和实际需求。如果评价准则发生变化，则衡量方案的性能指标体系所做出的评价结果也将随着发生改变。指标体系通常是通过层次分解的方法，首先确定总目标，然后将其分解为各个性能指标，性能指标还可再划分为子指标，逐层细分。其结构实际上反映了满足功能需求的评价准则与达到评价准则的解决方案之间的一种映射关系。从前面介绍的施工方案多目标评价决策指标体系的建立原则可知，各个设计准则之间的相关性应尽量小，即准则之间应具有一定的独立性。