ARIZ算法在解决某建筑工程首层回填土问题中的应用

易嘉

上海朗诗规划建筑设计有限公司 上海 200092

ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving）算法是TRIZ理论中集成了问题识别、问题分析和问题解决为一体的流程化创新方法，通过步步紧逼的方式将一个状况模糊的原始问题转化为一个简单的问题模型，最后逼近“最终理想解”(IFR,Ideal Final Result)。其主要步骤包括：分析问题对象所包含的组件及其相互作用关系、分析问题所处环境及其可用资源、陈述最终理想解和物理矛盾、比较不同的问题解决方案及其代价，最后筛选出该问题最经济、实用的解决方案。ARIZ算法按照发布时间的先后，分为ARIZ-68、ARIZ-71、ARIZ-82、ARIZ-85C(最新版)若干个版本，各版本的分析流程逐步优化[1]，ARIZ算法并非一成不变，而是能随着被分析问题的不同而灵活变化[2]，例如：增加或精简若干步骤、调整组件相互作用的强度大小、引入新的创新分析工具等。

1 项目背景

江苏南京某建筑工程项目，首层±0.000标高处设计为钢筋混凝土结构板，该结构板与条形基础之间高差约5.5m，施工方为能加快施工速度，在施工首层钢筋混凝土结构板之前仅回填了4m的土，随后施工首层的结构板，导致回填土顶面与首层结构板底面之间存在约1.5m厚的空腔，当遇有降雨或相邻道路排水不畅等情况时，该空腔将存贮大量废水，长期积水将导致首层返潮、招致蚊蝇滋生，不利于建筑物内人员的身体健康。

因此，本工程需要解决的问题是：“如何在不拆除首层钢筋混凝土结构板的情况下，避免板下空腔积水、返潮？”此处只是工程师根据自身的经验提出的初始的问题，未必代表了问题的本质，需要通过层层剖析才能发掘出问题的本质，如果仅仅是为了避免“返潮”，则未必通过处理板下空腔的方式处理，也可以通过加强首层防潮措施的方式解决。以下通过运用ARIZ-85C算法来分析和解决该问题，并与采用矛盾矩阵法获得的解决方案进行对比。

2 ARIZ算法在解决建筑工程问题中的应用

ARIZ-85C算法总体分成6大阶段：初始问题分析、物场资源分析、归纳最终理想解（IFR）、应用知识库、解决方案评估以及解决方案拓展。对于特定的问题，并不一定需要完成所有的阶段，当分析达到某个流程节点时，如果已经获得了解决方案，则可以跳过后续阶段。

2.1 初始问题分析

本工程的技术目标(物体必须改变的特征)是首层楼板下少积水或快速排水，具体是解决“50年以内±0.00以下1.5m深度范围内的排水问题”，明显不能改变的特征则是已建首层楼板和已回填的土，出于成本考虑，要减少施工费用和材料费用，不能购买过于昂贵的材料，并且所选材料具有施工的可操作性和便捷性。

初步完成问题特征描述之后，使用STC算子（S-尺寸，T-时间，C-成本）进行极限思维来激化矛盾、暴露问题的本质，具体包括：

(1)S算子的极限思维：假设将首层结构板面积为缩小为0m2，全部填充土壤，则可以预先夯实至±0.00标高。反之，假设首层全部设置为结构板，则出于经济和安全性考虑，难以拆除结构板，不能解决问题。

(2)T算子的极限思维：假设改变过程的时间为0秒，瞬间完成结构板下空腔的排水，但因为未曾改变结构板下的土、空气状态，不可避免再次受到雨水入侵，不能解决问题。反之，假设改变过程的时间为无限长，用1亿年的时间逐步开挖周边基坑、侧向夯实土并等待土层的沉降趋于稳定，甚至有可能变成岩石，进而解决了结构板底空腔积水的问题。

(3)C算子的极限思维：假如排水的成本至0元，则无法调动人力、物力资源完成排水任务，不能解决问题。反之，假设排水的成本为无穷大，聘用大量人员和采用合适的夯土设备，随时排水、干燥结构空腔，则可以解决问题。

经过问题特征描述和STC算子分析，可以用非专业性的、泛化的语言进一步将该工程问题明晰表达为：在一个由首层地板、1.5m厚的空腔以及土壤组成的系统中，需要解决由于土壤比较松散和空腔被灌满水而导致首层地板渗水的问题，该系统中，很难改变的组件是已经施工的结构板和已经回填的土壤；能够以较低成本改变或者调整的组件是1.5m厚的空气层。

2.2 物场资源分析

物场资源是指的为了解决本工程问题而需要借助的外部因素，既包括有形的“物”：土壤、水、房屋建筑等占据三维空间的实体，也包括无形的“场”：机械场、化学场、电磁场、热力场等不占据三维空间但是却能参与相互作用的效应。其中，“真空区”是一种廉价且接近无限供给的重要资源[3]，真空区内既可以是空气，也可以填充固体或液体，是一种具有体积易变性的多用途物体。本工程问题中，结构板及其下方的土壤之间形成了“真空区”，初始状态下其间填满了空气，由于侧向水、土的入侵，会改变真空区的物质分布，逐渐变成气体、液体和固体混合的多相混合物，随着时间的推移，气、液、固三相物质的含量不断交替变化，将导致首层房间的热湿环境不稳定。因此，需要对该“真空区”进行处理。

2.3 归纳最终理想解（IFR）

完成了初始问题分析之后，可以开始归纳最终理想解（IFR），将分析中的问题表达转化为最理想化的解决方案：将1.5m厚空气层通过增加外部填充物或者仅增加空气（最廉价且接近无限供给的资源），在不破坏结构板、便于施工的条件下令土层变成相对密封状态。

接着，分析为何该空气层自身不能令土体变成相对密封的状态？原因是：空气层为离散的气态流体物质，不能受控地在水、土压力下呈现密封或承压状态，“流动性”和“自控密闭性”之间存在矛盾。但是如果在空气层的表面能够出现一层附加物质，该物质能受控地根据需要出现，且提供约束土层所需要的抗力，则空气层有可能在该物质的协助下令土体变成相对密封的状态。

陈述完最终理想解后，需要根据以上书面陈述绘制两张概念设计简图，分别是初始的“工程问题图”和到达最终理想解之后的“理想图”，概念图绘制没有特殊要求，只要能反映“初始状态”和“理想状态”的本质即可。如果外部环境组件（如：空气、太阳光等）也参与了相互作用，则外部环境组件也需要显示在“理想图”中。如下图1和图2中的“侧向支撑层”所示，使用无害化处理后的建筑垃圾填充空气层兼透水层，在外部兼做挡土墙供室外回土侧向支撑。

图1 技术问题的初始状态图

图2 到达最终理想解的状态图

2.4 应用知识库

通过专利检索，查询到一个名为《一种真空预压深层侧向密封施工方法》的发明专利[4]，该专利公开了一种施工方法，采用同步开槽铺塑一体机进行施工操作，对解决深厚砂层或回填土的侧向密封性起到积极作用。该专利的启示是：可以在空气层的周圈设置廉价挡水物质以阻止外部水土的侵入。固、液、气态物质遵循不同的科学效应[5]，例如：气态的超声波效应、液态的伯努利效应、固态的形状记忆效应等，该类科学效应提供了在微观层面解决问题的可能性。

2.5 解决方案评估

对于“建筑垃圾填充”的技术方案，虽然空气层变得密实了，施工较为困难，需要将散碎的建筑垃圾塞入空气层，可以预先将建筑垃圾打包后再塞入空气层，降低施工难度，且增加的建筑垃圾打包成本大大低于将建筑垃圾分散填入空气层的施工成本，具备可操作性。

2.6 解决方案拓展

最后，评估本工程问题的解决方案是否能推广到其他工程建设领域或者其他行业，例如：在施工其他建筑的首层结构板之前，先行夯实回填土，并填充膨胀混凝土以消除空气层，避免后期侧向回填土的困难。此外，还可将“打包”的概念应用于装配式建筑设计，将功能房间“打包”形成结构单元，然后再装配形成整体。

3 用矛盾矩阵解决该问题进行对比验证

矛盾矩阵是根里奇·阿奇舒勒归纳出来的一种解决发明问题的工具，共39个通用工程参数分别作为矛盾矩阵的行和列，分别代表改善的参数和恶化的参数，组成1个39×39通用工程参数矩阵[6]，每两对改善和恶化的参数的行和列相交于1个单元格，该单元格中列出了解决这一对矛盾的可能使用的发明原理，通过分析问题，选择系统在变化时改善的参数以及恶化的参数，查找相应的发明原理，获得可选的若干种解决方案，最后再根据系统的具体情况和约束条件选取其中相对合理的方案并进一步深化设计、付诸实施。

经过上述工程问题的分析可知，对于回填土与首层防潮的矛盾问题，改善的参数可以选择“静止物体的体积”和“强度”，恶化的参数可选为“易维护性”“可靠性”和“可制造性”。得到如下的矛盾矩阵解决方案，其中的“用复合材料替代”“分割”“反向作用”“改变物理或化学参数”“借助中介物”4个发明原理多次出现，说明该4种解决方案更有可能获得实用的解决方案。当选取“分割”和“借助中介物”原理时，可以推导出“用打包建筑垃圾填充结构空腔”的处理方案，与上节采用ARIZ算法获得的解决方案类似，殊途同归，验证了ARIZ算法的可行性。如表1所示。

表1 用矛盾矩阵和发明原理解决建筑首层回填土问题

4 结语

本文通过上述ARIZ-85C算法，成功地找到了解决某建筑工程首层结构空腔防潮问题的经济、适用解决方案，并用矛盾矩阵加以验证，为工程建造提供了创造性的技术措施。工程实践中，建筑工程师可以根据所遇技术问题特点和自身的工程经验，在理解ARIZ算法原理的基础上进行个性化调整，有助于产生兼顾经济性和适用性的解决方案。