基于AHP法的混凝土模板选型与评价

2021-09-14李婉璐李建峰

建筑施工 2021年12期

李婉璐李建峰,2

1. 西京学院陕西西安 710123；2. 长安大学陕西西安 710061

使用传统的模板，安装和拆卸需花费大量时间，采购大量模板会带来极大的材料成本，同时模板材料的周转也增加了施工电梯和塔吊的使用频率，并存在较大的安全风险[1]，所以在施工过程中应谨慎、仔细地进行多方案对比，选择高质量、低成本的混凝土模板方案。本文以高层办公楼为例，结合层次分析法的理论，构建模板选型的模型。案例工程总面积为24 310 m2，地上19层，地下1层，总高度为67.8 m，为钢筋混凝土框架结构。工程可采用组合钢模板、竹胶合模板及塑料模板进行施工，从施工质量、成本、进度、安全和绿色环保等5个因素来对3种模板的应用效果进行对比分析，选择1种科学合理的模板。

1 常见的模板类型及特点

建筑模板根据功能和材料类型的不同可分为竹（木）胶合板、组合钢模板、塑料模板及铝合金模板等[2]，具体如表1所示。

表1 模板性能评价对比

1.1组合钢模板体系

组合钢模板主要由钢模板、连接件和支撑等3部分组成，是一种可事先按设计要求拼装组合的模板。“以钢代木”是一项长期的技术经济发展政策，积极推广组合钢模板不仅节约大量木材，也是混凝土施工技术上的一项重大改革，因此组合钢模板具有较大的发展空间[3]。

1.2竹胶合模板体系

竹胶合模板以竹子为原材，用胶黏合而成，是比较理想的“节材代木”模板材料，也是一种新型胶合模板，每年可为我国森林资源节约2 700万 m3的原木，竹胶合模板的应用可促进模板工程综合技术经济效益的提高[4]。

1.3塑料模板体系

塑料模板是以含纤维的高强塑料为原料，在熔融状态下，通过注塑工艺成形的模板。目前，传统木模板的施工工艺已满足不了在施工现场应用塑料模板时混凝土成形的质量要求[5]，且塑料模板为国家节约大量的竹木资源，对环境保护、低碳环保有着巨大作用。

2 模板体系选择原则和要素

2.1模板的质量要求

模板工程是建筑施工中混凝土质量保证的关键，选择的模板质量必须达到质量目标，根据工程对混凝土浇筑后的表面质量等级的要求不同来确定合理的模板类型。

2.2施工成本

模板成本约占一般建筑总成本的15%，占钢筋混凝土结构成本的35%，由此可知，模板工程的研究发展是建筑工程中最基础且最重要项目之一[6-7]。

2.3施工进度要求

不同的模板类型对应不同的模板工艺，其施工进度也具有一定的差别，合理控制好模板的施工进度，才能有效地提高施工效率，节省劳动力。

2.4模板施工安全要求

模板施工安全性是模板选择的首要考虑要素，对于不同等级的安全风险因素制定差异性的对应措施，降低工程施工过程中事故发生频率，提高工程施工的安全水平[8]。

2.5绿色环保

在保证建筑模板质量及安全的前提下，能再次回收利用，节约资源、节约能耗的模板不断出现，所以绿色环保也成为模板选择的一项基本要求。

3 利用层次分析法（AHP法）构建模板选择模型

3.1建立递阶层次结构

1）构建模板选择模型，其决策目标即选择一种科学合理的模板，目标层是唯一的，只包含1个元素：模板选择M。

2）准则层包含所有可能影响目标达成的因素，包括：施工质量C1、施工成本C2、施工进度C3、施工安全C4以及绿色环保C5，共5个元素。

① 施工质量C1：模板表面是否平整光洁，拼缝处是否严密，承载力、刚度和稳定性是否符合设计标准。

② 施工成本C2：模板属于周转性材料，其费用按模板使用一次所摊销的价格来计算。

③ 施工进度C3：根据完成每个标准层所需天数计算。

④ 施工安全C4：模板能否承受浇筑混凝土时产生的自重、侧压以及各种荷载。

⑤ 绿色环保C5：不同的模板施工时是否节约资源，是否能减少对环境的负面影响。

3）方案层包含3种决策方案：组合钢模板施工P1、竹胶合模板施工P2、塑料模板施工P3。

建立的层次分析法结构如图1所示。

图1 层次分析法示意

3.2构造判断矩阵并赋值

通过对两两因素的重要性程度进行比较，构造下一层对上一层每个因素的判断矩阵。判断矩阵中元素aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，根据1—9标度方法进行赋值，具体如表2所示。

表2 1—9标度及含义

1）构造目标层-准则层的判断矩阵M-C，如表3所示。

表3 构造判断矩阵M-C

2）构造准则层-方案层的判断矩阵Ci-P。

3.3计算权重向量及一致性检验

利用算术平均法、几何平均法和特征值法计算出相应的权重，再取3种方法的平均值，最后求得权重，并进行排序和综合分析，这样能避免采用单一方法所产生的误差，得出的权重也更加具有准确性和有效性。

3.3.1 判断矩阵权重向量的计算

3）特征值法求得的权重向量：

计算判断矩阵的最大特征值及特征向量，并对求得的特征向量进行归一化处理，最后得到权重向量。

3.3.2 一致性检验

一致性检验原理是检验判断矩阵与一致矩阵是否存在显著性差异，具体步骤如下：

1）计算一致性指标。

其中，矩阵的阶数与随机一致性指标有关，通常阶数越大，则出现一致性随机偏离的可能性越大，如表4所示。

表4 平均随机一致性指标IR

3）计算一致性比例RC。

表5 判断矩阵M-C权重

通过计算求得权重向量ωC＝[0.473 9 0.040 3 0.070 1 0.218 6 0.197 1)]T，根据式（3），得到一致性指标IC＝0.028 3，并求出一致性比例RC＝0.025 2，因RC＜0.10，所以判断矩阵M-C通过一致性检验。

2）计算判断矩阵Ci-P权重及一致性检验，具体如表6、表7所示。

表6 判断矩阵Ci-P权重

表7 一致性检验

根据式（3）得一致性指标IC，且根据式（5）求出一致性比例RC。上表的计算结果显示，RC均小于0.10，所以判断矩阵Ci-P全部通过了一致性检验。

3.4根据权重表计算得分并选择最佳方案

表8 指标权重

对比分析可得，最终选择组合钢模板，其在施工质量、成本和安全上有明显的优势，且具有装拆灵活、通用性和整体性强的特点，很好地适用于梁和柱结构施工。此外，组合钢模板的周转次数较多，在经济上节约了摊销费用，为国家节约大量的竹木资源，通过验算和证明，取得良好的社会效益和经济效益。同时组合钢模板质量高、体系完善以及使用效果良好，能适应高质量混凝土施工的要求，所以在土木工程施工中能普遍应用。