基于价值工程的建筑应用隔震技术决策分析

吴应雄，卢梦超，吴小清

(1．福州大学土木工程学院，福建 福州 350108;2．福建福大建筑设计有限公司，福建 福州 350002)

基于价值工程的建筑应用隔震技术决策分析

吴应雄1，2，卢梦超1，吴小清1

(1．福州大学土木工程学院，福建 福州 350108;2．福建福大建筑设计有限公司，福建 福州 350002)

现有隔震建筑经济性研究缺乏对建筑无形价值的考量，影响决策者对隔震技术应用决策的评估。引入价值工程法对隔震建筑经济性进行分析，建立隔震建筑决策功能评价指标体系，运用模糊综合分析法进行功能评价，基于全寿命周期法展开成本分析，根据多遇、设防、罕遇地震超越概率及对应的破坏性态损失值，推导失效损失费用全概率计算公式，提出隔震项目决策中应用价值工程法的步骤和需要确定的参数，建立隔震建筑决策价值评价模型。通过某幼儿园项目决策实例分析，结果表明，采用隔震技术设计，建筑功能提升，全寿命周期成本略高，总体应用价值提升。分析结果可为建筑应用隔震技术决策分析提供参考。

隔震经济性;价值工程;工程项目决策

现阶段，我国已建成的隔震建筑超过3000栋，隔震技术应用较为成熟且经受了实际地震灾害的检验。在此基础上，住建部于2014年2月下发《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见》，截止2015年6月，云南省、甘肃省等共计十省份分别转发了该文件并出台了配套的推广应用具体措施。在政策强制要求和鼓励推广的基础上，建设相关主管部门、业主单位和设计单位等仍然对隔震技术应用的经济效益存在质疑，认为抗震设计已能满足建筑地震安全性的要求，采用隔震设计会大幅增加额外的投资。

经济性评价是目前隔震技术应用决策中的难点。有关学者对此问题展开研究，张荫等［1］从建筑全寿命的角度出发，根据隔震结构特点划分定性因素，再用定量化的分析方法，运用模糊函数计算隔震结构全寿命费用。卫彩霞等［2］以符合国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》的优化策略，考量了隔震建筑与非隔震建筑相比的经济差异，建立基础隔震建筑的全寿命周期经济评价模型。陈瑞海等［3］对基础隔震结构的初始造价提出了共性化和个性化的计算公式，并在隔震结构期望损失评估中引入数学模糊综合评价法。

以上的隔震建筑经济性评价中，缺乏对建筑无形价值的衡量，未能充分体现隔震方案对建筑功能改善、社会经济效益的影响。基于此，本文将价值工程引入隔震建筑方案决策过程，开展隔震技术应用价值评估模型的研究，提出价值工程法在隔震项目决策领域的方法、步骤以及需要确定的参数，为业主方案决策提供依据。

1 价值工程理论概述

价值工程(Value Engineering，简称VE)是一种注重经济效益的现代管理技术，特点是将技术与经济紧密结合。根据价值工程的基本原则，价值、功能和成本三者之间存在以下关系:

式中:V为价值(Value);F为功能(Function);C为成本(Cost)。

价值工程应用的主要流程是发现重要问题、分析问题重要性和针对性解决问题;建筑抗震(隔震)设计的主要过程是“发现易损部位，分析损伤形成，解决易损问题”的过程，二者的内涵主旨一致。投资决策阶段可影响建筑工程项目成本达70%以上，投资决策阶段运用价值工程，不仅可以控制初始投资造价，也可以减少项目运营维护费用，提高应用效益。此外，功能分析是价值工程的特点，弥补了对经济性的片面追求。因此，价值工程应用于隔震项目决策是主旨契合、效用大并能体现隔震技术综合效益的科学决策方法。

2 建立功能评价指标体系

本文重点考量隔震建筑和抗震建筑功能差异性，根据文献［4］的分类方法，归纳整理出以下隔震应用决策功能评价指标体系(图1)。

(1)适用性指标分析

图1 隔震应用决策功能评价指标体系

空间布置:采用隔震设计，符合一定条件下，隔震层上部结构可采取降低设防烈度设计，主要构件截面减小且利于构件截面统一，整体建筑空间布局相对自由、一致。

隔震检修层利用:隔震装置可以放置在基础柱上，也可以设置在建筑任意一层柱顶［5］。隔震检修层的采用，一方面可以减少传统基础隔震层增加的那一层梁板，另一方面可以直观地观察隔震装置，为检修维护提供便利。利用隔震检修层空间作地下室或架空层示例，见图2、图3。

图2 地下室柱顶隔震结构

图3 底层柱顶隔震结构

振动舒适度:当工程项目临近地铁、火车轨道及其它振动源附近，建筑使用者的心理状态和生理状态都会受到不同程度的影响。隔震方案通过隔震装置的作用，能够抑制建筑发生振动时室内人员产生的不舒适感［6］。

(2)安全性指标分析

建筑抗震需求:建筑的抗震需求根据建筑用途、类型等有所区别。GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［7］(以下简称“《抗规》(10版)”)中根据建筑物的重要性规定了甲类、乙类、丙类、丁类四种类别。

室内设备抗倾覆:隔震建筑变形主要集中在柔性的隔震层，上部结构基本保持平动状态，这不仅提升抗震性能，而且保护建筑物内部的装饰、设备和仪器，避免发生倾覆，给人员或财产造成二次伤害［8］。

震后使用需求:随着社会经济水平发展，建筑的使用功能已经不仅仅局限于满足人们居住，室内财产、设备的重要性大大提升。地震发生后，通讯、医疗等建筑的使用功能，是灾后救援的关键。

(3)综合性指标分析

施工技术:隔震建筑相比抗震建筑增加了隔震支座，隔震支座的安装、隔震构造设计等，需制定专项施工方案，增加施工难度。

工程造价:大量实践证明，隔震建筑在初始工程造价上与抗震建筑造价差距在10%以内［9］，在建筑功能评价中，该因素作用是衡量该建筑方案的造价控制对业主单位的敏感程度。

社会影响力:对于机关单位、学校、医院等重要建筑，采用隔震设计，能够充分提高其抗震性能的同时，也会减小该地区人民对待地震的心理恐慌。对于民用建筑，采用隔震技术，能作为开发商进行产品宣传的卖点，提高建筑的附加价值，增加业主的购买欲望，促进销售。

3 隔震建筑全寿命周期成本分析

3．1 初始成本

从共性的评估角度考量，相比抗震建筑，采用隔震设计增加的费用主要包括隔震专项设计费、隔震装置及相关费用、建筑材料增加费、构造措施费、工期延长费［10］。此外，采用隔震设计，由于隔震结构上部的地震响应作用减小，结构构件截面可减小，相应的配筋均可减少，同时节省延性设计所需的钢筋和箍筋用量，构件截面容易统一。符合条件下可将钢筋混凝土框架剪力墙结构替换为钢筋混凝土框架结构。

3．2 失损费用

建立结构失效损失评估模型是目前建筑全寿命周期费用分析的重点。参考王光远［11］提出的基于最优设防烈度结构损失值估计，将结构遭受破坏带来的损失值分为:直接损失Cf1、室内财产损失Cf2和间接损失Cf3。结合结构失效概率、地震动发生概率和对应的性态破坏，推导得到以下全概率公式:

式中:Ij(j=1，2，3)表示多遇地震、设防地震、罕遇地震三种不同强度的地震作用;P(Di|Id，Ii)表示按基本设防烈度的结构在地震强度Ij作用下发生Di级破坏的概率;P(Ij)表示设计基准期内发生Ij强度地震的概率;Cb(Id)为基于设防烈度Id的工程建设造价;Ceq为室内财产预估总额;直接损失系数β(θ)、室内财产损失系数γ(θ)、间接损失系数δ(θ)表示层间位移角θ对应的损失系数。针对民用建筑，可按表1中的建议取值［14］。

表1 各种破坏等级的损失系数

根据构件破坏的控制指标层间位移角进行破坏评估，参考《抗规》(10版)及文献［12］取值，与破坏性态划分水平相匹配，作适当调整，定义钢筋混凝土框架的层间位移角如表2。

表2 钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值

人员伤亡损失方面，受伤和死亡需参照社会企业的赔偿补偿标准，采用死亡率和受伤率作为测算条件，死亡、受伤率为建筑物内人员死亡、受伤数与该建筑内总人数之比［13］，见表3。

表3 人员受伤率及死亡率%

4 工程案例分析

4．1 工程概况

某幼儿园位于抗震设防烈度7度(0．15g)区，地上四层局部五层，建筑面积3870 m2，建筑高度16．1 m，框架结构，场地类型Ⅱ类，建筑重要性类别乙类。结构三维计算分析模型如图4。

隔震方案中隔震层位于地下室柱顶，采用12个LNR500，21个LRB500，9个LNR600，3个LRB600的橡胶隔震支座。采用时程分析法对结构进行计算，水平向减震系数为0．35，上部结构降度按照7度(0．10g)设计。隔震与抗震方案模型的主要构件尺寸见表4、表5。

图4 结构三维分析模型

表4 隔震方案主要构件与尺寸mm

表5 抗震方案主要构件与尺寸mm

4．2 功能分析

(1)确定指标权重

对指标权重两两比较的量化应用专家调查法。本课题针对决策方案特点，咨询的专家团队人员组成占比为业主单位40%、设计单位30%和高级专家30%，其中业主单位人员由项目投资者和有经验的决策人员构成，设计单位由有隔震设计经验的人员参与，高级专家由高校和建设行政主管部门的人员组成。

权重评分方法是采用层次分析法，具体步骤为:1)确定指数标度作为权重的参数标度;2)基于专家打分，建立判断矩阵;3)通过各个判断矩阵中的两两因子比较，计算各个判断矩阵的特征向量，获得权重得分;4)为了避免专家打分过程中主观因素造成的评判标准不统一，应进行一致性检验，检验通过则权重打分合格。通过调查打分，经一致性检验合格后，获得该幼儿园项目隔震技术方案决策权重评分表，见表6。

表6 隔震技术方案决策权重评分

(2)模糊综合评判法确定方案功能系数

建立评价等级集合V=(v1，v2，v3，v4，v5)，令v1=“很低”、v2=“较低”、v3=“一般”、v4=“较高”、v5=“很高”，表示评价因素对决策需求的影响程度。基于专家调查评价，获得隔震方案和抗震方案指标权重隶属度。隶属度是指第i个评价因子属于第j个评价等级的可能性，计算公式为: rij=Y/X。式中:X为评价人员总数;Y为对ui因子评价等级为vj的人员数。隔震和抗震方案指标权重隶属度评价见表7、表8。

表7 隔震方案指标权重隶属度评价

表8 抗震方案指标权重隶属度评价

1)隔震方案功能得分计算:

根据前文获得的各级指标权重向量，通过模糊评价公式Bi=Ai·Ri，获得模糊评判向量矩阵。

取评价等级V=(v1，v2，v3，v4，v5)分值为V= (10，30，50，70，90)，对模糊评判向量进行量化打分，获得隔震方案决策评判功能系数最终得分为:

S隔=(0．1056，0．0455，0．2570，0．5627，0．0293)·［10 30 50 70 90］T=57．29

2)抗震方案功能得分计算:

同理，依次求得各级模糊评判向量矩阵。

对模糊评判向量进行量化打分，获得隔震方案决策评判功能系数最终得分为:

分析可得，隔震方案的优势体现在安全性和社会影响力，抗震方案优势体现在经济性和施工难度。

4．3 全寿命成本分析

关注孩子，让宝贝不哭，医院SPE项目负责人马力要带领团队开展一项极具挑战性的工作。挑战不可能，这当然也是泰心文化。

(1)建设费用及检查维护费用

在初始工程建设费用方面，隔震方案中上部结构采用了降半度设计，结构构件截面积较小，因此，抗震方案相对隔震方案在材料使用量上有所提升，耗材约增加8%，但隔震方案在支座和节点构造处理费用上增加额度较大。总体而言，隔震方案在建设费用上比抗震方案略微提升约9%。

检查维护费用按照抗震建筑检查维护费用预估，整个生命周期内，检查维护费用约占工程造价的3%［14］，根据文献［4］总结，可将隔震建筑的检查维护费用在抗震建筑基础上提升约3%进行估计，方案基本费用对比见表9。

(2)失损费用

本项目建筑重要性类别为乙类，将乙类建筑设计基准期内地震的发生概率转化为50年标准基准设计期内的发生概率。再根据结构时程分析得到的三种水准地震作用下的两个方案层间位移角数据，基于全寿命周期费用全概率公式，计算抗震和隔震方案在三种超越概率地震作用下的失效损失费用，见表10、表11。

表10 抗震方案失效损失费用

表11 隔震方案失效损失费用

4．4 价值评价

依据前文展开的功能评价和全寿命周期成本分析，获得两种方案的主要参数对比表，见表12。

表12 隔震与抗震方案价值系数评估总表

综合分析，在功能评价中，隔震方案功能系数相对于抗震方案较高，体现在室内设备抗倾覆、建筑抗震需求以及社会影响力三个主要影响因素。在成本评价中，初始工程建设费用隔震方案较高，失损费用抗震方案较高，在全寿命周期成本上隔震方案为824．12万元，抗震方案为784．84万元，隔震方案略高。结合功能、成本系数，综合分析，隔震方案价值系数为1．034，抗震方案为0．965，隔震方案相比抗震方案价值系数提升约7%，因此，此项目决策上建议选择隔震方案。

5 结论

(1)运用价值工程原理，对隔震技术应用进行功能分析，从适用性、安全性和综合性建立隔震技术应用方案决策中的功能评价指标体系。

(2)运用全寿命周期分析法进行成本分析。在失效损失费用估算中，基于结构失效概率及多遇、设防、罕遇地震发生概率，通过层间位移角参数及性态破坏，综合考虑震害产生的直接损失、室内财产损失、间接损失、人员伤亡损失指标，推导出失效损失费用计算全概率公式。

(3)在7度(0．15g)区某幼儿园建筑应用价值工程决策项目中，基于模糊综合分析法进行功能评价，结果表明:采用隔震设计，功能提升，全寿命周期成本略高，总体应用价值提升约7%。

［1］张荫，杨增科，姚谦峰，等．基于全寿命的隔震结构费用分析［J］．西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2008，40(5):608-612．

［2］卫彩霞，吴会平，吉柏锋．基础隔震建筑的全寿命经济评价的研究［J］．特种结构，2009，26(3):1-5．

［3］陈瑞海．隔震结构体系全寿命总费用评估模型研究［D］．广州:广州大学，2011．

［4］张欣．住宅建筑功能的模糊综合评价方法［J］．四川建筑科学研究，2005，31(4):137-138．

［5］吴应雄．低位层间隔震技术在某框架结构的应用研究［J］．福州大学学报(自然科学版)，2012，40(6): 806-813．

［6］朱宏平，周方圆，袁涌．建筑隔震结构研究进展与分析［J］．工程力学，2014，(03):1-10．

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Decision-making Analysis of Seismic Isolation Building Based on Value Engineering

WU Ying-xiong1，2，LU Meng-chao1，WU Xiao-qing1
(1．College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China; 2．Fujian Fuda Architecture Design Co Ltd，Fuzhou 350002，China)

The research of economy analysis for isolation buildings were unable to evaluate the intangible value of building，it may mislead the decision-makers to make inappropriate evaluation of isolation technology．For these reasons，the work done in this paper introduces the Value Engineering to analyze the economy of isolation projects，setting up the index system of function assess of isolation building，evaluating the function coefficient using fuzzy comprehensive evaluation method．By using the method of life-cycle cost to evaluate the cost analysis，based on the earthquake frequency of different areas and the resulting failure loss value，the derivative of a total probability formula is derived for failure loss costs，presenting the procedures and the data parameter required of decision-making on isolation projects，setting up the comprehensive value model．Analysis of project decision through a kindergarten，the function of building could improved．The whole life-cycle costs a little more and the application value is improved．Thus，the analysis result provides reference for the application of decision-making on isolation building．

economy of seismic isolation;value engineering;decision-making of engineering projects

TU352．1+2

A

2095-0985(2015)03-0016-06

2015-04-23

2015-06-26

吴应雄(1970-)，男，福建泉州人，副教授，博士，研究方向为结构减隔震理论与工程应用(Email:wyxfz2006@163．com)

厦门市建设与管理局科技项目(厦建科［2014］21号)