装配式废水池材料比选分析

宋泓锐

（西南科技大学土木与建筑工程学院，四川 绵阳 621010）

国际石油勘探开发事业正在蓬勃发展，石油钻井规模也逐年扩大，随之而来的污水废弃物也越来越多，对环境造成了很大的影响，引起了社会各界的广泛关注。目前，我国普遍使用现浇废水池，具有工期长、成本高、施工难度大、使用完后处理困难、不能循环利用等缺陷，已不能满足石油钻井发展需要。因此，许多改进方法被提出，而可以预先预制以及周转使用的装配式水池就是解决方法之一。通过对多种材料的合理比选，选出施工容易且可以使经济效益与社会效益达到最大化的材料。

1 材料初选

本项目初步列入考虑的材料是在当前建筑项目中运用较多的条石、砌块、钢筋混凝土、玻璃钢和钢。下面就以上五种材料的优缺点分别进行阐述。

1.1 条石

条石曾经是建筑行业使用较为普遍的一种材料，主要通过开山挖石取得。但其不符合环保理念，不易取得，因此条石作为建筑材料，近年来已逐渐退出市场。

1.2 砌块

砌块是用于砌筑的人造块材，其制作可以充分利用地方材料和工业废料，且制作工艺简单，施工简单。砌块中列入比较分析的是加气混凝土砌块，其具有多孔轻质、干燥收缩大、抗拉强度低、整体性差的特点，长期在室外大气环境下，易风化产生开裂破坏，耐久性差。

1.3 钢筋混凝土

钢筋混凝土在目前建筑结构中使用较为普遍，其施工技术也较为纯熟，在取材上占有很大优势，制作方便，可模型性较好，造价较低。除此之外，钢筋混凝土结构的整体性较好，抗压强度大，耐久性好。然而，钢筋混凝土结构一般自重都很大，吊装时必须借助吊装机械，且抗裂性能差，易受环境影响。

1.4 玻璃钢

玻璃钢轻质高强，在一些高强度轻质设备中适用度较高，耐腐蚀性能好，在化工腐蚀方面的应用较广，其具有自防水性能。然而，玻璃钢的取材和制作较为复杂，因而成本较高，容易老化。

1.5 钢

钢材结构广泛应用在一些高跨度结构以及厂房结构中，其突出特点是自重小、塑性和韧性较好、抵抗变形能力强，同时钢结构施工简单，周期短，安拆方便。除此之外，钢结构的气密性和水密性较好。然而，钢结构耐火性差，在潮湿环境中易受腐蚀，其保护措施要求较高。

综上，由于条石和块材具有较多的缺陷，接下来的进一步比选将不再对其进行考虑。

2 层次分析法在材料比选中的应用

为进一步从钢筋混凝土、玻璃钢、钢这三种材料中比选出最为经济合理的装配式废水池材料，下文将用层次分析法进行分析。

2.1 层次分析法概念

美国运筹学家萨蒂于20世纪70年代初提出了著名的层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）。层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法。该方法具有系统、灵活、简洁的优点[1]。

2.2 比选步骤

2.2.1 建立系统的递阶层次结构

在建筑工程中选择材料时，人们通常从材料的造价、性能、技术及环境保护等方面进行考虑，如图1所示。在性能方面，由于装配式废水池在使用过程中要承受较大的水压力及较大的拉应力，这就要求材料具有较大的抗压、抗拉强度；在使用过程为抵抗变形、减少开裂现象，要求材料具有较大的刚度；为使废水池能够多次循环使用，则要求材料抗老化能力强，即耐候性要好；钢筋混凝土和钢若作为废水池的材料，需另设防水层，而玻璃钢自身具有防水功能；石油钻井抽出的废水含有较多的腐蚀性离子，因此材料须具有较强的耐腐蚀性。

在技术方面，为加快工程进度，选择的材料要模块制作简单、安装拆卸容易同时运输方便。除此之外，为减少后期工作量，维修上也需方便可行。

图1 递阶层次结构

2.2.2 构造两两比较判断矩阵（正互反矩阵）

本文成对比较矩阵中的数据是多位专家根据经验及重要性标度含义表打分形成的，其中，重要性标度含义表如表1所示[2]。

2.2.3 层次排序及一致性检验

首先，计算各判断矩阵对应于最大特征值λmax的权重向量：

然后，计算各判断矩阵的最大特征值λmax，再据此计算一致性指标CI：

表1 重要性标度含义表

根据表2数据，可以查找平均随机一致性指标RI。

表2 平均随机一致性指标参照表

最后，按式（3）计算各判断矩阵的随机一致性比率CR：

当CR＜0.1时，认为判断矩阵的一致性检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；若不通过，则需重新构造成对比较矩阵，直到得出满意的一致性。

就本文来看，首先根据多位专家打分得出性能、造价、技术三项指标的权重向量表，如表3所示。

用层次分析法对造价指标做出详细分析，并以此为例，对三种材料的性能指标和技术指标进行分析，从而得出综合评分和结论。

表3 性能、造价和技术三项指标的权重向量

2.2.4 层次分析法分对材料进行造价分析

就钢筋混凝土、玻璃钢和钢三种材料进行造价分析，具体如下：为方便比较，假设统一的量化标准，均按照1 m3的水池容量来进行造价分析及比较，且厚度均取60 mm。对于钢筋混凝土水池，假设其所用混凝土为C30，钢筋配筋为双层双向配筋，且为Φ8@150。经计算，1 m3的钢筋混凝土水池需0.3 m3的混凝土、67.625 kg的钢筋。钢结构水池所用钢材以展开面积计，即1 m3的水池需5 m2的钢材。玻璃钢水池的材料构成、施工工序和制作等较为复杂，因此与同类型构件和施工相比较得出结论，并与手糊玻璃钢衬里工程进行比较，有关资料显示，衬里工程与玻璃钢设备等的造价差距大约为25倍。具体造价分析如4所示。

表4 造价分析

根据表4造价信息，笔者发现，钢筋混凝土与钢结构的造价相差不大，而玻璃钢造价却高很多。以此为依据得出层次分析法打分，如表5所示。

表5 层次分析法打分

同理，可得出钢筋混凝土，玻璃钢，钢的性能指标比选结果，如表6、表7所示。

表6 钢筋混凝土、玻璃钢和钢的性能指标比选结果（一）

表7 钢筋混凝土、玻璃钢和钢的技术指标比选结果（二）

通过以上数据分析得出性能、造价和技术三项指标的综合评价表，具体数据如表8所示。

表8 性能、造价和技术三项指标的综合评价

通过比较综合得分，最后得出采用钢筋混凝土制作装配式废水池最优。本团队通过室内试验和现场试验对其环保性、适用性进行了验证，已广泛推广使用。

3 结语

近年来，装配式废水池成为石油钻井平台废水池研究的重要趋势。与传统的现浇废水池相比，其具有多种优势，如工期短、成本低、施工难度小和绿色环保等，而选择合适的材料对装配式废水池研究来说意义重大。本文采用层次分析法来比较分析装配式废水池材料的造价、性能和技术，研究结果表明，采用钢筋混凝土制作装配式废水池最为合理。