基于模糊评价的单层工业厂房搬迁可行性研究

陈大川+周一帆+颜胜蓝

摘要：为提升单层工业厂房搬迁加固改造评估的准确性，基于模糊数学理论，将该评估分为结构损伤评估、费用评估和环境保护评估3个部分，选取12个指标作为评估因子，采用隶属度函数法和类比法构造判断矩阵，再由层次分析法确定权系数向量，建立三层次两阶段的模糊综合评估模型；以某公司2栋单层厂房为例，应用该评估模型对其搬迁加固改造的技术性与经济性进行了评估。结果表明：模糊综合评估方法的评估结果客观合理，能较准确地反映单层工业厂房搬迁加固改造的优势，可为单层工业厂房的继续使用与持续发展提供有效的科学依据。

关键词：单层工业厂房；模糊数学；搬迁加固改造；综合评估

中图分类号：TU398文献标志码：A

Research on Relocation Feasibility of Singlelayer Industrial Plant

Based on Fuzzy Evaluation CHEN Dachuan， ZHOU Yifan， YAN Shenglan

（College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， Hunan， China）Abstract： In order to improve the accuracy of evaluation for single layer industrial plant relocation and reinforcement based on fuzzy mathematics theory， the assessment was divided into three parts， including structural damage assessment， economic cost estimation and environmental protection. Twelve indexes were selected as evaluation factors， and the membership function method and analogy method were used to construct judgment matrix. Then the weight coefficient vector was determined by using analytic hierarchy process （AHP） method， and threelevel twostage fuzzy comprehensive evaluation model was built. Taking the two singlelayer plants of a company as examples， the technical and economical evaluations for industrial plant relocation and reinforcement were carried out. The results show that the evaluation result is objective， and can accurately reflect the advantages of singlelayer industrial plant relocation and reinforcement. It can provide scientific references for the continual use and sustainable development of singlelayer industrial plant.

Key words： singlelayer industrial plant；fuzzy mathematics；relocation and reinforcement； comprehensive evaluation

0引言

随着工业迅速发展，城镇化速度加快，不少工业厂房不能满足使用要求和环境保护要求面临迁址[1]，而原有厂房的使用寿命还远未结束[2]。据统计，中国工业厂房面积已累计7×108 m2[3]，环境污染中与建筑相关的污染所占比例约为34%[4]，为了寻找适应中国国情的旧工业建筑再利用途径[5]，减少新建厂房对环境的污染，同时在更具经济性的考虑下对原有构件进行保护性拆除、搬运，再重新安装继续使用的方法显然更符合新时代下绿色、环保、节约的需求[6]。

研究显示，目前针对单层工业厂房搬迁加固改造工程只有单方面的研究，没有综合评估。仝书敬[6]提出了基于层次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）法的单层工业厂房可靠性鉴定，但未进行经济性与环保相结合的综合评估，且不涉及地基基础的评估。罗佳[7]提出了基于模糊理论的单层工业厂房构件可利用性评判，但未结合其他因素对单层工业厂房是否进行搬迁进行整体评估。

由于工业厂房搬迁加固改造技术还不成熟，其综合评估涉及众多影响因素，且各因素之间还存在相关性、不确定性和模糊性。模糊数学是处理不确定性问题的理论，它以模糊集合为基础，通过隶属函数和隶属度描述模糊集合[8]。本文基于模糊数学理论，建立针对混凝土排架结构的单层工业厂房搬迁加固改造的模糊综合评估方法，以某单层厂房为例，应用该方法进行评估，以期为类似工业厂房的继续使用提供有效的科学依据。

1模糊综合评估模型的建立

单层工业厂房搬迁加固改造相比拆除重建具有工期短、成本低以及绿色环保3个方面的特点，本文的评估方法采用三层次两阶段模糊综合评估模型。首先，将单层工业厂房搬迁加固改造的可行性作为评估模型的目标层，由结构损伤情况、费用、环境保护构成评估模型的系统层。然后，系统层选取主要的评估因子构成因素层，其中，结构损伤情况选取裂缝、表面损伤、钢筋锈蚀、连接件损伤、混凝土强度以及混凝土碳化深度作为主要的评估因子。费用选择拆除费用、运输费用、重装费用以及加固改造费用作为主要的评估因子，而环境保护评估则选取粉尘排放量和固体垃圾排放量作为评估因子。通过确定权系数向量和构造判断矩阵，分两阶段计算，最终得到目标层的评估结果，从而判别单层工业厂房搬迁加固改造是否可行。模糊评估模型如图1所示。

图1单层工业厂房搬迁加固改造的模糊评估模型

Fig.1Fuzzy Evaluation Model of Relocation and

Reinforcement of Single Layer Industrial Plant2利用层次分析法确定权系数向量

层次分析法通过因素间的两两比较构造判断矩阵，经过数学运算间接确定各因素的权重，具体步骤如下[910]：

首先根据单层工业厂房搬迁加固改造所包含因素及其相互关系建立层次结构，本文分为3个层次，依次为目标层、系统层和因素层；其次将同层次的各因素对上一层次某因素水平的影响程度进行两两比较，采用比例标度赋值，构造判断矩阵，两两比较重要性赋值见表1[11]；最后构造出判断矩阵，求出其最大特征值λmax和相应的特征向量W0，将特征向量W0归一化处理后，得到的特征向量即为该层次各因素相对上一层次中某因素水平的影响权重值。在两两重要性比较时，为了避免出现逻辑性错误，需要根据最大（绝对值）特征值λmax进行一致性检验。根据公式（1）计算出一致性指标IC，即

IC=（λmax-n）/（n-1）（1）

式中：n为同系统层子项下因素层的因素数量。

表1两两比较重要性赋值

Tab.1Pairwise Comparison Importance AssignmentsVi/Vj相同稍强强很强绝对强稍弱弱很弱绝对弱rij135791/31/51/71/9注：Vi，Vj均为同层次的因素；rij为Vi和Vj重要性的比值；相邻

程度的中间值取2，4，6，8，1/2，1/4，1/6，1/8。

表2为平均随机一致性指标IR。由建立的判断矩阵和表2可得出平均随机一致性指标IR，再将其代入公式（2），当一致性比率RC<0.1时，即认为一致性检验通过。

RC=IC/IR（2）

表2平均随机一致性指标IR

Tab.2Mean Random Consistency Index IR矩阵阶数123456789IR0.000.000.520.891.121.261.361.411.46为使相比较的2个因素性能条件处于同一水平，还需要根据各影响因子的自身性能条件进行修正[12]，即改进AHP法。首先应用AHP法求得权重向量aT=（a1，a2，…，an），然后按照性能越差的因素对整体性能影响越大的原则，求得权重向量βT=（β1，β2，…，βn），最后根据公式（3）定义最终的权重向量WT=（w1，w2，…，wn）。

wi=aiβiaTβT（3）

式中：ai，βi，wi分别为向量aT，βT，WT的第i个元素。

单层工业厂房搬迁加固改造综合评估因素层的权系数向量采用AHP法计算。通过向有经验的专家发放权重问卷调查表，得出上部结构损伤因素的重要性赋值，见表3。

表3结构损伤评估因素重要性赋值

Tab.3Importance Assignments of

Structural Damage Assessment Factors结构损伤

评估因素混凝土

强度碳化

深度裂缝表面

损伤连接件

损伤钢筋

锈蚀混凝土强度11/31/31/51/51/7碳化深度3111/31/31/5裂缝3111/31/31/5表面损伤533111/3连接件损伤533111/3钢筋锈蚀755331根据表3中各因素的权系数值，可构造出判断矩阵A，则有

AW0=11/31/31/51/51/7

311 1/31/31/5

311 1/31/31/5

53311 1/3

53311 1/3

755331W0=

λmaxW0

计算可得A的最大特征值λmax=6.143 7，再根据式（1），（2）可知，随机一致性指标IC=0.028 7，一致性比率RC=0.022 8<0.1，满足一致性原则。根据λmax可求出其对应的特征向量W0，归一化处理后得到特征向量W1=（0.036 8，0.077 9，0.077 9，0.191 3，0.191 3，0.424 7）T，即为上部结构因素层的权系数向量。同理，可求得费用和环保评估因素层的权系数向量，分别见表4，5。

从表4，5可知，费用评估因素层的权系数向量W2=（0.067 9，0.389 9，0.152 3，0.389 9）T，环境保护评估因素层的权系数向量W3=（0.25，0.75）T。

单层工业厂房搬迁加固改造综合评估系统层的权系数向量采用改进AHP法计算。系统层结构损伤、费用和环保3个指标的权系数向量W*=

表4费用因素层的权系数向量

Tab.4Weight Coefficient Vector of Cost Factor Layer费用评估

因素加固

费用拆除

费用运输

费用安装

费用权系数

向量一致性加固费用11/51/31/5拆除费用5131运输费用31/311/3安装费用5131（0.067 9，

0.389 9，

0.152 3，

0.389 9）λmax=4.043 5，

RC=0.016 3<

0.1，满足一致

性原则表5环保评估因素层的权系数向量

Tab.5Weight Coefficient Vector of Environmental

Protection Assessment Factor Layer环保评估因素固体垃圾粉尘排放权系数向量一致性固体垃圾11/3粉尘排放31（0.25，0.75）n=2，

无需检验（0.122 0，0.558 4，0.319 6）T ，见表6。

表6系统层的权系数向量

Tab.6Weight Coefficient Vector of System Layer评估因素结构损伤费用环保权系数向量一致性结构11/41/3费用412环保31/21（0.122 0，

0.558 4，

0.319 6）λmax=3.018 3，

RC=0.001 6<

0.1，满足一致

性原则根据式（3）对权系数向量进行调整后，得到单层工业厂房搬迁加固改造综合评估系统层的权系数向量W=（0.198 2，0.428 5，0.373 3）T。3构造系统层各指标的判断矩阵

系统层各指标的判断矩阵是由因素层各因素的隶属向量构造得到，而因素层各影响因子的隶属向量则根据其不同特点分别通过单指标隶属函数法和类比法确定，其中，单指标隶属度函数法是根据各因素等级评定标准和相应的单指标隶属度函数来确定其隶属向量。

3.1各因素等级评定标准

（1）环境保护各评估因素的评定标准

本文给出粉尘排放和固体垃圾排放的评定标准[13]，见表7。

（2）费用各评估因素的评定标准

本文结合已有工程经验与专家意见给出费用各评估因素的评定标准，见表8。

（3）结构损伤各评估因素的评定标准

本文给出结构损伤各评估因素的评判标准[7]，见表9。

表7环境保护各评估因素的评定标准

Tab.7Evaluation Criteria for Various Assessment

Factors of Environmental Protection评定等级粉尘排放Sf/St固体垃圾排放Gp/Gta≤80%≤50%b80%～90%50%～65%c90%～95%65%～80%d>95%>80%注：Sf为粉尘排放多于基准排放量的面积；St为工业厂房总面积；

Gp为废弃混凝土排放量；Gt为工业厂房总混凝土用量。表8费用各因素的评定标准

Tab.8Evaluation Criteria for Various Cost Factors评定

等级加固费用

Fg/Fn拆除费用

Fc/Fn运输费用

Fy/Fn安装费用

Fd/Fna≤5%≤30%≤10%≤20%b5%～8%30%～35%10%～15%20%～25%c8%～10%35%～40%15%～20%25%～30%d>10%>40%>20%>30%注：Fg为加固所需费用；Fc为保护性拆除主体构件所需费用；Fy

为运输构件所需费用；Fd为重新安装构件所需费用；Fn为新

建同样规格厂房所需费用。表9结构损伤各因素的评定标准

Tab.9Evaluation Criteria for Various Factors of Structural Damage评定

等级混凝土强度

fcu，k/fcu，e碳化深度/

mm裂缝表面损伤连接件损伤钢筋锈蚀a≥1.00.0～1.0无明显裂缝无明显损伤连接板完好，无缺陷，工作正常钢筋完好，工作正常b0.95～1.001.0～3.0在次要部位有少量裂缝在次要部位有轻微损伤连接板较好，仅有局部表面缺陷，工作无异常钢筋局部有较少锈迹，工作无异常c0.90～0.953.0～6.0重要部位有少量裂缝重要部位有损伤但不大连接板有严重缺陷，已发生明显变形或缺损钢筋较大面积出现锈迹，与混凝土结合强度下降d<0.90>6.0重要部位开裂较多或裂缝较宽产生破坏重要部位损伤较大连接板破坏、缺失钢筋几乎完全锈蚀，与混凝土结合强度大幅降低注：fcu，k为设计强度等级的混凝土立方体抗压强度标准值；fcu，e为现龄期混凝土强度推定值，即相应于强度换算值总体分布中保证率不低

于95%的结构或构件中的混凝土强度值。3.2单项指标的隶属函数

本文采用岭形分布为隶属函数[14]，该函数连续，计算简单，适合工程需要。对于承载力这类定量因素，在评估标准中值越大越安全，因此采用隶属函数中的偏大型升岭形分布处理。设x为混凝土强度，若x>xl为a级，xl>x>x2为b级，x2>x>x3为c级，x

a级的隶属函数为

Va（x）=0x≤（x1+x2）/2

12+12sin[2πx1-x2（x-3x1+x24）]

（x1+x2）/2

1x>x1（4）

b级的隶属函数为

Vb（x）=0 x>x1

12-12sin[2πx1-x2（x-3x1+x24）]

（x1+x2）/2

12+12sin[2πx1-x3（x-x1+x3+2x24）]

（x3+x2）/2

0 x≤（x3+x2）/2（5）

c级的隶属函数为

Vc（x）=0 x>（x1+x2）/2

12-12sin[2πx3-x1（x-x1+x2+2x24）]

（x2+x3）/2

12+12sin[2πx3-x1（x-3x3+x24）]

x3

0 x≤x3（6）

d级的隶属函数为

Vd（x）=0 x>（x3+x2）/2

12-12sin[2πx2-x3（x-3x3+x24）]

x3

1 x≤x3（7）

评估因素中分别对混凝土强度按上述方法计算其隶属向量，其中，x1，x2，x3分别对应表9中的1.0，0.95，0.90。

对于碳化深度、粉尘排放、固体垃圾排放、费用这类定量因素，在评估标准中值越小越安全，因此采用偏小型降岭形分布处理。同理可得这类因素相应于a，b，c，d各级的隶属函数表达式。

a级的隶属函数为

Va（x）=0 x>（x1+x2）/2

12-12sin[2πx2（x-2x1+x24）]

x1/2

1 x≤x1/2（8）

b级的隶属函数为

Vb（x）=0 x

12+12sin[2πx2（x-2x1+x24）]

x1/2

12-12sin[2πx3-x1（x-x1+x3+2x24）]

（x1+x2）/2

0 x>（x2+x3）/2（9）

c级的隶属函数为

Vc（x）=0x≤（x1+x2）/2

12+12sin[2πx3-x1（x-x1+2x2+x34）]

（x1+x2）/2

12-12sin[2πx3-x1（x-x1+x3+2x24）]

（x2+x3）/2

0x>x3（10）

d级的隶属函数为

Vd（x）=0x≤（x2+x3）/2

12+12sin[2πx3-x2（x-3x3+x24）]

（x2+x3）/2

1x>x3（11）

评价因素中对上部结构的粉尘排放、固体垃圾排放、加固费用、拆除费用、运输费用及安装费用按上述方法计算隶属向量，其中，x1，x2，x3分别对应表7中的80%，90%，95%；50%，65%，80%；以及表8中的5%，8%，10%；30%，35%，40%；10%，15%，20%；20%，25%，30%。

3.3类比法确定隶属向量

对于裂缝、表面损伤、连接件损伤及钢筋锈蚀等定性因素，可采用类比法建立隶属函数，其主要做法是将已知有限个定量数值与论域上的模糊集形成一一对应关系。通过“符合”、“基本符合”、“似符合又似不符合”、“基本不符合”和“不符合”这5个语言值来描述，分别对应1，0.75，0.5，0.25，0，即可建立隶属函数。如上部结构中无明显裂缝，由表9中的分级标准可知此种情况符合a级，则裂缝的隶属向量为（1，0，0，0）。4评估流程

结合单层工业厂房搬迁加固改造模糊评估模型，依据权系数向量和判断矩阵可建立评估流程，如图2所示。计算得到目标层评定等级向量Δ后，利用最大隶属度原则可以最终确定单层工业厂房搬迁加固改造的评估等级。单层工业厂房搬迁加固改造的评估等级和处理措施的对应关系见表10。

图2单层工业厂房搬迁加固改造的模糊评估流程

Fig.2Fuzzy Evaluation Flow of Relocation and

Reinforcement of Singlelayer Industrial Plant 5实例分析

本文以某公司2栋单层厂房为例（图3），厂房从老厂区整体搬迁至新工业园区，为减少对社会资源的消耗，节约投资，计划将厂房主体结构的混凝土排架柱、吊车梁、屋架和槽形屋面板等主要承重构件在新厂房的建设中继续利用。

表10评估等级与处理措施的对应关系

Tab.10Corresponding Relationship Between

Assessment Levels and Treatment Measures评估等级处理措施A个别构件加固修缮，总费用远低于新建费用，环境污染指数低B小部分构件加固修缮，总费用不超过新建费用70%，环境污染指数适中C部分构件加固修缮后可以达到降低使用标准的要求，总费用大于新建费用70%，环境污染指数接近限值D建议直接拆除重建由于在厂房拆除之前需要对可利用构件进行评价，判别拆除是否采用保护性拆除施工方案。跟随某公司专业检测人员对2栋厂房进行全面检测，得出了结构损伤程度的鉴定报告，此外，在整个项目跟踪调查中，对工程总费用以及环境污染排放指标进行了统计。

5.1系统层评估

5.1.1结构损伤评估

根据专业检测结果，排架柱混凝土设计强度等级为C30，回弹法最小推定值为29.2 MPa，两者比值为97.3%，吊车梁混凝土设计强度等级为C35，回弹法最小推定值为38.9 MPa，两者比值大于1%，取97.3%，根据式（4）与表9可知，混凝土强度的隶属向量r11=（0.0157，0.098 43，0，0）。碳化深度最大值为35 mm，绝大部分构件碳化深度均大于6 mm，与董忠厚[15]提出的工业厂房混凝土碳化密度函数相符，根据式（5）与表9可知，碳化深度的隶属向量r12=（0，0，0，1）。

根据检测结果可知，表面损伤与钢筋锈蚀多分布于屋面板以及管道附近的排架柱[16]，裂缝多分布于吊车梁与屋架下弦[17]。根据类比法和表9可知，裂缝的隶属向量r13=（0，0.9，0.1，0），表面损伤的隶属向量r14=（0，0.1，0.9，0），连接件损伤的隶属向量r15=（0，0，0.8，0.2），钢筋锈蚀的隶属向量r16=（0，0.9，0.1，0）。

厂房上部结构的判断矩阵R1为

R1=0.015 70.984 3 00

0 0 01

00.90.1 0

00.10.9 0

0 0 0.80.2

00.90.1 0

上部结构的评定等级向量B=WT1R1=（0.000 6，0.507 8，0.375 5，0.116 1）

5.1.2费用评估

根据施工单位与加固单位的报价单，该项目采用外包钢法与碳纤维加固法[18]，结合计价软件模拟同规格厂房所需总费用，得出该项目总费用由加固费用、拆除费用、运输费用以及安装费用组成[19]，其中加固费用占新建费用3%，拆除费用占新建费用31%，运输费用占新建费用9%，安装费用占新建费用20%。根据式（5）和表8可知，加固费用的隶属向量r21=（1，0，0，0），拆除费用的隶属向量r22=（0.981 8，0.018 2，0，0），运输费用的隶属向量r23=图3厂房平面（单位：mm）

Fig.3Workshop Floor Plane （Unit：mm）（0.552 3，0.447 7，0，0），安装费用的隶属向量r24=（0.508 2，0.491 8，0，0）。

由此可得，基础的评定等级向量θ=WT2R2=（0.731 1，0.266 9，0，0）

5.1.3环境保护评估

根据施工现场环境，超过粉尘基准排放量的区域位于吊车梁与排架柱附近2 m范围内[20]，占厂房总面积19.6%，根据式（5）与表7可知，其隶属向量r31=（1，0，0，0），该工程中绝大部分上部构件继续使用，固体垃圾排放只有杯口基础、围护砖墙以及个别无法继续使用的构件，根据式（5）与表7还可知，其隶属向量r32=（1，0，0，0）。

由此可得，地基的评定等级向量C=WT3R3=（1，0，0，0）

5.2整体评估

根据上部结构、基础和地基的评判结果，可得单层厂房搬迁加固改造可行性的判断矩阵D，即

D=（B，θ，C）T=

0.000 60.507 80.375 50.116 1

0.733 10.226 9 0 0

1 00 0

系统层结构损伤、费用和环保各指标的权系数向量WT=（0.454 5，0.198 5，0.347 0），则总的评定等级向量Δ=（0.687 6，0.215 0，0.074 4，0.023 0）。

根据最大隶属度原则可知，等级向量Δ最大值0.687 6落入表10中的A级，则该单层工业厂房搬迁加固改造工程的综合评估等级为A级，表明该厂房在使用与拆除过程中受损较小，只需进行少量的加固修缮即可继续投入使用，费用方面较新建厂房也有明显节约；在环境保护方面，该工程也完全符合规范要求。该方法的评估结果与实际施工情况基本相符。6结语

（1）基于模糊数学理论，建立了单层工业厂房搬迁加固改造的评估模型，并给出了该模型的具体评估方法。

（2）以某公司2栋单层厂房为例，应用该评估模型对该单层厂房搬迁加固改造工程进行了评估，评估结果与实际情况基本吻合，验证了模型的正确性。

（3）该评估方法可以定量计算单层工业厂房搬迁加固改造是否可行，从而为以后类似工业厂房的继续使用提供了可靠的科学依据。参考文献：

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