基于层次分析法的设计方案技术经济比选研究——以桩基方案比选为例

张浩 马兰 宋聪旭

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

0 引言

EPC工程总承包模式下签订的合同往往是固定总价合同，这对EPC总承包商的风险控制能力提出了更高要求。对于造价人员而言，为了有效控制项目的成本风险，加强对设计阶段的造价管理尤为必要。设计方案技术经济比选作为设计阶段造价管理的一项重要内容，目前以定性判断为主，如何形成一套定量化而又可行的方案比选流程，是一个急需解决的问题。

桩基工程在项目造价中占比较大，其设计比选是一个复杂的系统工程。宋晓东[1]将价值工程理论引入桩基方案比选，运用0～4评分法计算功能权重值，通过价值系数选定最优方案，对桩基比选的功能分析不够深入，没有建立桩基比选的功能系统图；采用0～4评分法进行功能权重计算，主观性过强。

本文运用价值工程理论，绘制桩基比选的功能系统图，采用层次分析法评价功能权重指数，通过反复咨询相关专家和文献分析，将影响桩基比选的各类因素层次化、条理化，并将定性的问题定量化。以江苏某高层建筑桩基比选为例，建立基于AHP的价值工程桩基方案比选模型，对钻孔灌注桩、预应力空心管桩和预应力空心方桩三种桩基备选方案进行比选分析，最终选定价值指数最大的方案为最佳方案。

1 研究理论及方法

1.1 价值工程

价值工程也称为价值分析，是一种将功能与成本、技术与经济相结合从而进行技术经济评价的方法[2]。其核心为是功能分析，主要应用于建设工程项目前期设计阶段，因为该阶段是提高项目技术经济效果最为重要的环节。价值的一般表达式为

(1)

式中，V为价值；F为研究对象的功能，广义讲指产品或作业的功用和用途；C为生命周期费用。

1.2 层次分析法

层次分析法(AHP法)的基本思路是：首先，采用定性分析方式确定各因素之间的相互关系，即把所需考虑的因素层次化、条理化；其次，利用代数工具把非定量问题定量化。层次分析法特别适用于分析解决结构比较复杂、难于量化的多目标(多准则)的决策问题[3]。

2 桩基方案比选模型的构建

在桩基方案比选中，采用价值工程的思路，最终得到价值指数最大的方案即为最优方案[4]。价值指数需要通过功能指数和成本指数两个指标确定。在功能指数计算中引入AHP法，关键在于建立层次分析图和计算各层次的相对权重值；成本指数的计算则采用全生命周期成本法。

2.1 桩基比选层次分析图

经过调研咨询多名设计专家，并查阅相关文献，绘制桩基比选功能层次分析图，如图1所示。

由图1可以看出，在进行桩基比选时主要考虑三个方面：①桩自身设计力学性能属性，包括两点：一是考虑桩地基承载力的大小；二是桩自身的抗震性、嵌岩性和耐久性等适用性，即桩在特定环境及工程地质水文条件下的适用范围。②桩施工属性，包括三点：一是桩在制作安装时的成桩质量，即在制作安装时出现质量问题的概率；其二，桩基施工进度；其三，桩基施工的难易程度，即施工时的机械配备、施工队伍等情况，由工程当地市场情况决定。③桩的外部影响属性，包括两点：一是各参与方的影响，即勘查方与业主方的影响程度；二是周围环境的影响，即对环保文明施工的影响程度。

2.2 层次分析法计算功能权重值

该步骤的关键是在功能层次分析图的基础上，利用层次分析法计算各桩基方案功能的权重，其计算过程可在matlab编程实现。其中，在构造两两判断矩阵时采用专家调查法，具体过程是：向多位设计专家发放调查问卷打分，最终将各位专家打分值加权求得一个期望值。需要特别注意的是，必须根据项目具体特点确定方案层上各方案的相对权重值。

2.3 桩基比选功能指数

一旦功能权重值确定，最终的功能指数等于各方案的功能权重值占所有方案权重值之和的比例。

2.4 桩基比选成本指数

2.4.1 桩基的工程费用

对于工程建设来说，全生命周期的成本主要包括前期的建设费用和后期的维护费用。对于前期的建设费用而言，在不考虑贷款利息的前提下，包括工程费用、工程建设其他费用以及预备费。对于后期的维护费用，关键是要考虑资金的时间价值影响，需要考虑动态的成本计算。具体到桩基工程系统，前期建设主要考虑工程费用，后期的维护费用可以忽略不计。而工程费用主要指建安工程费，包括桩基础、桩承台及其垫层的费用。桩基础费用主要包括桩基的制作、安装和运输费用，以及截桩、接桩、桩芯灌砼费用等。桩承台及其垫层费用主要包括混凝土、钢筋和模板的制作、安装及运输费用等。

2.4.2 桩基的成本指数

桩基各方案的工程费用最终确定后，成本指数等于各方案的费用占所有方案总费用的比例。

2.5 桩基比选价值指数

各方案的功能指数和成本指数相除后最终得到价值指数，选定价值指数大的方案为最优方案。

2.6 桩基方案比选模型流程图

桩基方案比选模型流程如图2所示。

3 工程实例应用

3.1 确定桩基方案参数

以江苏省某高层建筑项目桩基工程为例[5]。该工程有三种桩基形式可供选择：钻孔灌注桩，预应力空心管桩，预应力空心方桩。桩基比选方案设计已知输入参数见表1。

表1 桩基比选方案设计已知输入参数

3.2 比选桩基方案

3.2.1 构造判断矩阵

在功能分析层次图的基础上，针对钻孔灌注桩、预应力空心管桩和预应力空心方桩三个方案进行比选，由设计专家填表打分，打分原则为：两两比较对目标影响程度相同时为1，影响程度较小按0～1区间打分，影响程度较大时按1～2区间打分，最终将各设计专家的打分数据加权处理，得到的判断矩阵如下

3.2.2 计算层次权重值

依据AHP法计算规则，采用matlab编程计算求得每层权重向量值，且各层所有判断矩阵均通过一致性检验。各层权重向量计算结果见表2。

表2 各层权重向量值

3.2.3 求解各方案功能指数

在层次权重分析的基础上，各方案功能指数计算结果见表3。

表3 各方案功能指数计算结果

由表3可知，仅从桩基功能角度来说，预应力空心管桩是功能最优的方案。

3.2.4 求解各方案成本指数

本工程为工程基础桩，由于后期基本不用考虑维护，因而只需考虑建造费用即可。对于本工程桩基系统来说，建造费用主要包括桩身单价、桩身总价、承台(含混凝土、模板和钢筋)总价以及垫层(含混凝土、模板)总价。成本指数计算结果见表4。

表4 成本指数计算结果

由表4可知，仅从桩基成本角度来说，预应力空心方桩是成本最低的方案。

3.2.5 求解各方案价值指数

将前面求得的功能指数与成本指数相除，最终得到三个方案的价值指数，见表5。

表5 价值指数计算结果

根据价值指数最大值为最优方案的原则，综合考虑功能和成本因素的影响，对于本工程项目而言，预应力空心方桩最优，预应力空心管桩次之，钻孔灌注桩排在最后。

3.3 桩基方案比选结果分析

本工程最终选定的方案结果为预应力方桩方案，该结果也进一步表明：在进行具体工程桩基方案比选时，只有在方桩与管桩均不适用的情况下才会选择考虑钻孔灌注桩。而管桩与方桩相比，虽然其性能优于方桩，但成本相对较高，这也从侧面表明提升管桩性能的同时付出了更多的成本费用。

4 结语

本文构建了基于AHP法的价值工程桩基比选模型，并成功应用于江苏某高层建筑项目的工程实践，实现了技术与经济的结合，最终研究成果表现在以下三个方面：一是建立了桩基比选功能层次分析图；二是绘制了桩基方案比选模型流程图；三是结合了具体工程的桩基比选实践经验。最终研究结果表明，方桩的综合性能更优，钻孔灌注桩的最差，可为类似工程项目提供参考。