不确定信息环境下既有房屋结构安全管理模糊评价

李成华,周天华

(1.西安工业大学 建筑工程学院,西安 710021；2.长安大学 建筑工程学院,西安 710064)



不确定信息环境下既有房屋结构安全管理模糊评价

李成华1,2,周天华2

(1.西安工业大学 建筑工程学院,西安 710021；2.长安大学 建筑工程学院,西安 710064)

为研究不确定信息环境下既有房屋结构安全管理的风险评估和危害预防,文中将传统逼近理想解排序(TOPSIS)方法与三角模糊数相融合对安全管理方案进行评价,确定了评价指标权重.通过计算不确定信息环境下的模糊正理想解和模糊负理想解确定了贴近度.根据贴近度评价了既有房屋结构安全管理情况.实例计算结果表明：改进TOPSIS方法给出了评价指标应用的最佳水平组合,既有房屋结构评价结果的信度推断较传统TOPSIS方法得以提高,决策灵活性显著增强.

房屋结构；安全管理；逼近理想解排序(TOPSIS)；三角模糊数

近来,建筑业正逐步进入以既有房屋结构维修与现代化改造阶段,既有房屋结构的安全管理工作将成为房屋安全管理的重点,既有房屋结构使用风险和危害的预防成为安全管理研究领域的重要课题,既有房屋结构安全管理的研究显得尤为迫切.文献[1]对影响结构安全的不确定性做了系统的阐述,指出不确定性中的随机性、模糊性和知识的不完善性.文献[2]在总结国内外研究成果的基础上,借鉴证据理论,提出了基于信度的既有结构安全控制指标.既有房屋结构安全管理的影响因素具有主观不确定性,既有房屋安全管理方法的选取就显的极为重要.逼近理想解排序方法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)是由Hwang和Yoon提出的一种多属性决策方法,近年来得到了广泛运用.由于在现实生活中信息的不完全性或不易获得性,研究对象的数据(或属性)经常是难以准确界定的,也即存在模糊性或不确定性[3],因此传统TOPSIS方法有必要扩展应用于模糊决策领域.文中考虑决策者的主观判定因素,采用传统TOPSIS方法,设计出一种模糊评价模型来处理既有房屋结构的安全管理问题.

1 模糊TOPSIS的改进

(1)

相应的三角模糊数加法扩展定义为

(2)

三角模糊数乘法扩展定义为

(3)

对于按早期规范设计和施工的既有结构,或虽无规范但按良好的建造经验设计和施工的既有结构,其结构、环境的变化历史和当前状况是此类结构安全管理评价的主要依据.在某些情况下,通过对变形、外观等结构状况的评估可直接对既有结构在目标使用期内的安全管理做出评定,在其评价过程中,评价指标的评价值和指标的重要程度都被定义为模糊语言变量.这些模糊语言变量可以用正三角模糊数表示,具体见表1～2.

表1 评价指标重要程度三角模糊数

Tab.1 Linguistic variables for the importance weight of each criterion

重要性程度模糊比较三角模糊数很重要(0.9,1.0,1.0)重要(0.7,0.9,1.0)一般重要(0.5,0.7,0.9)相当(0.3,0.5,0.7)不太重要(0.1,0.3,0.5)不重要(0,0.1,0.3)很不重要(0,0,0.1)

表2 模糊评价指标三角模糊数

Tab.2 Linguistic variables for the ratings

模糊评价指标三角模糊数很好(9,10,10)好(7,9,10)比较好(5,7,9)相当(3,5,7)不太好(1,3,5)不好(0,1,3)很不好(0,0,1)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：B和C分别为效益属性和费用属性；aij,bij,cij为三角模糊数顶点.效益属性越大越好；费用属性越小越好.

对两类属性的决策变换矩阵分别采用式(8)分别进行计算.以上正则化方法可以确保正则化后三角模糊数仍属于区间[0,1].考虑到每个指标的不同重要性,进一步构建加权的m×n阶正则化模糊矩阵为

(9)

(10)

每个备选方案到A+和A-的距离分别为

i=1,2,…,m

(11)

每个备选方案的贴近度为

(12)

当Ci接近1时,备选方案离A+较近,而离A-较远.因此根据贴近度可以给备选方案排序,从而确定最优备选方案.

2 实例验证及分析

根据改进的TOPSIS方法,选取某小区的三栋住宅建筑P1,P2,P3做评价对象,该三栋建筑建成于20世纪90年代初期,均为砖混结构,六层,根据该类建筑结构的结构特点、环境的变化历史和结构当前状况,并参考国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144-2008),《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-1999)及《结构设计基础——既有结构评定》(ISO 13822-2003)提出基于良好历史性能的评价方法[8],综合各评价标准确定既有房屋结构安全管理的6个评价指标：①房屋结构的设计计算(B1)；②房屋结构的实际施工质量(B2)；③房屋结构的使用状况(B3)；④房屋结构的环境(B4)；⑤房屋结构的维护计划(B5)；⑥房屋结构的抗灾能力(B6).

聘请3位专家根据现场勘查的实际情况,结合建筑原有的竣工图纸等影响因素,依据表1分别给出上述6项指标的重要性程度模糊评价值.根据表2给出的模糊语言函数与模糊三角数的对应关系,专家分别给出6项评价指标下每个既有房屋结构的安全管理模糊评价初始值,并将模糊语言变量转换为相应三角模糊数,从而构建模糊决策矩阵,见表3,同时计算出每个评价指标的模糊权重值,见表4.对模糊决策矩阵进行正则化变换,计算结果见表5.基于上述计算结果,进一步计算加权的正则化模糊决策评价矩阵,具体见表6.

定义模糊正理想解向量和模糊负理想解向量分别为

A+=[(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1)],

A-=[(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0),(0,0,0)].

表3 安全管理模糊评价决策矩阵

Tab.3 The fuzzy decision matrix

建筑评价指标B1B2B3B4B5B6P1(5.67,7.67,9.00)(7.00,8.67,9.67)(6.33,8.33,9.67)(7.00,8.67,9.67)(5.00,7.00,8.67)(7.00,8.67,9.67)P2(8.33,9.67,10.00)(8.33,9.67,10.00)(5.67,7.33,8.67)(3.00,5.00,7.00)(3.67,5.67,7.67)(6.33,8.33,9.67)P3(7.67,9.00,9.67)(7.67,9.00,9.67)(7.00,8.67,9.67)(7.00,8.67,9.67)(8.33,9.67,10.00)(4.33,6.33,8.33)

表4 评价指标的模糊权重

Tab.4 Fuzzy weights of three candidates

参数评价指标B1B2B3B4B5B6权重(0.83,0.97,1.00)(0.70,0.87,0.97)(0.57,0.77,0.93)(0.83,0.97,1.00)(0.77,0.93,1.00)(0.57,0.73,0.87)

表5 正则化后的模糊决策评价矩阵

Tab.5 The fuzzy normalized decision matrix

建筑评价指标B1B2B3B4B5B6P1(0.57,0.77,0.90)(0.70,0.87,0.97)(0.66,0.86,1.00)(0.72,0.90,1.00)(0.50,0.70,0.87)(0.72,0.90,1.00)P2(0.83,0.97,1.00)(0.83,0.97,1.00)(0.59,0.76,0.90)(0.31,0.52,0.72)(0.37,0.57,0.77)(0.66,0.86,1.00)P3(0.77,0.90,0.97)(0.77,0.90,0.97)(0.72,0.90,1.00)(0.72,0.90,1.00)(0.83,0.97,1.00)(0.45,0.66,0.86)

表6 加权后的正则化模糊决策评价矩阵

Tab.6 The fuzzy weighted normalized decision matrix

建筑评价指标B1B2B3B4B5B6P1(0.47,0.74,0.90)(0.49,0.75,0.93)(0.37,0.66,0.93)(0.60,0.87,1.00)(0.38,0.65,0.87)(0.41,0.66,0.87)P2(0.69,0.93,1.00)(0.58,0.84,0.97)(0.33,0.58,0.84)(0.26,0.50,0.72)(0.28,0.53,0.77)(0.37,0.63,0.87)P3(0.64,0.87,0.97)(0.54,0.78,0.93)(0.41,0.69,0.93)(0.60,0.87,1.00)(0.64,0.90,1.00)(0.25,0.48,0.75)

采用欧氏距离函数,分别计算每栋建筑的正则化向量与模糊正理想解向量和模糊负理想解向量的距离,见表7.

表7 正则化向量与模糊理想解的距离

Tab.7 Distance between regularization vector and fuzzy ideal solution

模糊理想解距离P1P2P3A+2.152.391.91A-4.344.064.55

Z计算每栋建筑的贴近度值,分别为C1=0.67,C2=0.63,C3=0.70.通过对贴近度值进行排序,进行结构安全管理维护的优先级顺序依次为P3,P1,P2.

由于建筑结构安全管理的日益复杂性,在项目评价中需要融合专家的知识或经验对建筑信息的不确定性进行处理决策.TOPSIS作为一种实用的处理多属性决策的评价方法应用于建筑结构安全管理中,对传统TOPSIS方法进行了修订和扩展,在评价备选方案和确定指标权重时将传统TOPSIS方法与三角模糊数相融合,通过计算不确定信息环境下的模糊正理想解和模糊负理想解来确定贴近度,并根据贴近度来实现对既有房屋结构安全管理情况的评价.计算结果表明该方法实现了不确定信息条件下的评价问题的有效处理,同时未引起较大的计算量,且该方法易于推广到解决类似的决策问题.

3 结 论

1) 在既有房屋结构的安全管理评价过程中,对评价指标的评价值及其权重均引入了三角模糊数,改进了传统的TOPSIS方法的适用性,该方法较传统TOPSIS方法,符合认识模糊性,降低了个人主观片面性,提高了既有房屋结构评价结果的信度推断.

2) 改进TOPSIS方法综合考虑房屋结构类型质量特点、决策者的偏好以及对安全管理的需求,根据既有结构的不同情况对实际问题进行分析,给出了评价指标的最佳水平组合,决策灵活性较传统TOPSIS方法显著增强.

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YAOJitao.AssessmentonReliabilityofExistingStructuresBasedonFuzzyReasoning[M].Beijing:SciencePress,2011.(inChinese)

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LIChenghua,LIHuimin.Multi-attributeGroupDecisionEvaluationModelundertheConditionofUncertainInformation[J].JournalofXi’anUniversityofArchitecture&Technology(NaturalScienceEdition),2010,42(2):111.(inChinese)

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[8] 姚继涛.既有结构可靠性理论及应用[M].北京: 科学出版社,2008.

YAOJitao.TheoryofExistingStructuresReliabilitywithApplications[M].Beijing:SciencePress,2008.(inChinese)

(责任编辑、校对 张 超)

Evaluating Safety Management for the Existing Building under Fuzzy Environment

LIChenghua1,2,ZHOUTianhua2

(1.School of Civil Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.School of Civil Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

For the study of risk assessment and hazard prevention of existing building under fuzzy environment,a method is proposed, combining TOPSIS with triangular fuzzy numbers both in the rating of alternative and the weight of criterion.The closeness coefficient under fuzzy environment is calculated by using the concept of fuzzy positive-ideal solution and fuzzy negative-ideal solution.Then the rankings of the existing building are determined according to their results.The results of this study indicate that the improved TOPSIS method gives the optimal combination of evaluation index.The reliability of the evaluation results of the housing structure is improved compared with the traditional TOPSIS method.The decision flexibility is significantly enhanced.

building structure;safety management;technique for order preference by similarity to ideal solution;triangular fuzzy number

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.10.006

2016-03-16

陕西省教育厅专项科研计划项目(12JK0920； 15JK1357)

李成华 (1976-),男,西安工业大学副教授,主要研究方向为结构工程和土木工程建造与管理.E-mail:Li_chenghua@163.com.

TU714

A

1673-9965(2016)10-0802-05