宋泓銳

（西南科技大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，石油鉆井規(guī)模也逐年擴(kuò)大，隨之而來(lái)的污水廢棄物也越來(lái)越多，對(duì)環(huán)境造成了很大的影響，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。目前，我國(guó)普遍使用現(xiàn)澆廢水池，具有工期長(zhǎng)、成本高、施工難度大、使用完后處理困難、不能循環(huán)利用等缺陷，已不能滿(mǎn)足石油鉆井發(fā)展需要。因此，許多改進(jìn)方法被提出，而可以預(yù)先預(yù)制以及周轉(zhuǎn)使用的裝配式水池就是解決方法之一。通過(guò)對(duì)多種材料的合理比選，選出施工容易且可以使經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益達(dá)到最大化的材料。

1 材料初選

本項(xiàng)目初步列入考慮的材料是在當(dāng)前建筑項(xiàng)目中運(yùn)用較多的條石、砌塊、鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼。下面就以上五種材料的優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行闡述。

1.1 條石

條石曾經(jīng)是建筑行業(yè)使用較為普遍的一種材料，主要通過(guò)開(kāi)山挖石取得。但其不符合環(huán)保理念，不易取得，因此條石作為建筑材料，近年來(lái)已逐漸退出市場(chǎng)。

1.2 砌塊

砌塊是用于砌筑的人造塊材，其制作可以充分利用地方材料和工業(yè)廢料，且制作工藝簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)單。砌塊中列入比較分析的是加氣混凝土砌塊，其具有多孔輕質(zhì)、干燥收縮大、抗拉強(qiáng)度低、整體性差的特點(diǎn)，長(zhǎng)期在室外大氣環(huán)境下，易風(fēng)化產(chǎn)生開(kāi)裂破壞，耐久性差。

1.3 鋼筋混凝土

鋼筋混凝土在目前建筑結(jié)構(gòu)中使用較為普遍，其施工技術(shù)也較為純熟，在取材上占有很大優(yōu)勢(shì)，制作方便，可模型性較好，造價(jià)較低。除此之外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性較好，抗壓強(qiáng)度大，耐久性好。然而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般自重都很大，吊裝時(shí)必須借助吊裝機(jī)械，且抗裂性能差，易受環(huán)境影響。

1.4 玻璃鋼

玻璃鋼輕質(zhì)高強(qiáng)，在一些高強(qiáng)度輕質(zhì)設(shè)備中適用度較高，耐腐蝕性能好，在化工腐蝕方面的應(yīng)用較廣，其具有自防水性能。然而，玻璃鋼的取材和制作較為復(fù)雜，因而成本較高，容易老化。

1.5 鋼

鋼材結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在一些高跨度結(jié)構(gòu)以及廠房結(jié)構(gòu)中，其突出特點(diǎn)是自重小、塑性和韌性較好、抵抗變形能力強(qiáng)，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單，周期短，安拆方便。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)的氣密性和水密性較好。然而，鋼結(jié)構(gòu)耐火性差，在潮濕環(huán)境中易受腐蝕，其保護(hù)措施要求較高。

綜上，由于條石和塊材具有較多的缺陷，接下來(lái)的進(jìn)一步比選將不再對(duì)其進(jìn)行考慮。

2 層次分析法在材料比選中的應(yīng)用

為進(jìn)一步從鋼筋混凝土、玻璃鋼、鋼這三種材料中比選出最為經(jīng)濟(jì)合理的裝配式廢水池材料，下文將用層次分析法進(jìn)行分析。

2.1 層次分析法概念

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于20世紀(jì)70年代初提出了著名的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP）。層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法具有系統(tǒng)、靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.2 比選步驟

2.2.1 建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)

在建筑工程中選擇材料時(shí)，人們通常從材料的造價(jià)、性能、技術(shù)及環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行考慮，如圖1所示。在性能方面，由于裝配式廢水池在使用過(guò)程中要承受較大的水壓力及較大的拉應(yīng)力，這就要求材料具有較大的抗壓、抗拉強(qiáng)度；在使用過(guò)程為抵抗變形、減少開(kāi)裂現(xiàn)象，要求材料具有較大的剛度；為使廢水池能夠多次循環(huán)使用，則要求材料抗老化能力強(qiáng)，即耐候性要好；鋼筋混凝土和鋼若作為廢水池的材料，需另設(shè)防水層，而玻璃鋼自身具有防水功能；石油鉆井抽出的廢水含有較多的腐蝕性離子，因此材料須具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。

在技術(shù)方面，為加快工程進(jìn)度，選擇的材料要模塊制作簡(jiǎn)單、安裝拆卸容易同時(shí)運(yùn)輸方便。除此之外，為減少后期工作量，維修上也需方便可行。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)

2.2.2 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣（正互反矩陣）

本文成對(duì)比較矩陣中的數(shù)據(jù)是多位專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及重要性標(biāo)度含義表打分形成的，其中，重要性標(biāo)度含義表如表1所示[2]。

2.2.3 層次排序及一致性檢驗(yàn)

首先，計(jì)算各判斷矩陣對(duì)應(yīng)于最大特征值λmax的權(quán)重向量：

然后，計(jì)算各判斷矩陣的最大特征值λmax，再據(jù)此計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

表1 重要性標(biāo)度含義表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可以查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)參照表

最后，按式（3）計(jì)算各判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率CR：

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)通過(guò)，特征向量（歸一化后）即為權(quán)向量；若不通過(guò)，則需重新構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，直到得出滿(mǎn)意的一致性。

就本文來(lái)看，首先根據(jù)多位專(zhuān)家打分得出性能、造價(jià)、技術(shù)三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重向量表，如表3所示。

用層次分析法對(duì)造價(jià)指標(biāo)做出詳細(xì)分析，并以此為例，對(duì)三種材料的性能指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，從而得出綜合評(píng)分和結(jié)論。

表3 性能、造價(jià)和技術(shù)三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重向量

2.2.4 層次分析法分對(duì)材料進(jìn)行造價(jià)分析

就鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼三種材料進(jìn)行造價(jià)分析，具體如下：為方便比較，假設(shè)統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，均按照1 m3的水池容量來(lái)進(jìn)行造價(jià)分析及比較，且厚度均取60 mm。對(duì)于鋼筋混凝土水池，假設(shè)其所用混凝土為C30，鋼筋配筋為雙層雙向配筋，且為Φ8@150。經(jīng)計(jì)算，1 m3的鋼筋混凝土水池需0.3 m3的混凝土、67.625 kg的鋼筋。鋼結(jié)構(gòu)水池所用鋼材以展開(kāi)面積計(jì)，即1 m3的水池需5 m2的鋼材。玻璃鋼水池的材料構(gòu)成、施工工序和制作等較為復(fù)雜，因此與同類(lèi)型構(gòu)件和施工相比較得出結(jié)論，并與手糊玻璃鋼襯里工程進(jìn)行比較，有關(guān)資料顯示，襯里工程與玻璃鋼設(shè)備等的造價(jià)差距大約為25倍。具體造價(jià)分析如4所示。

表4 造價(jià)分析

根據(jù)表4造價(jià)信息，筆者發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)相差不大，而玻璃鋼造價(jià)卻高很多。以此為依據(jù)得出層次分析法打分，如表5所示。

表5 層次分析法打分

同理，可得出鋼筋混凝土，玻璃鋼，鋼的性能指標(biāo)比選結(jié)果，如表6、表7所示。

表6 鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼的性能指標(biāo)比選結(jié)果（一）

表7 鋼筋混凝土、玻璃鋼和鋼的技術(shù)指標(biāo)比選結(jié)果（二）

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出性能、造價(jià)和技術(shù)三項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)表，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 性能、造價(jià)和技術(shù)三項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)比較綜合得分，最后得出采用鋼筋混凝土制作裝配式廢水池最優(yōu)。本團(tuán)隊(duì)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其環(huán)保性、適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，已廣泛推廣使用。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，裝配式廢水池成為石油鉆井平臺(tái)廢水池研究的重要趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆廢水池相比，其具有多種優(yōu)勢(shì)，如工期短、成本低、施工難度小和綠色環(huán)保等，而選擇合適的材料對(duì)裝配式廢水池研究來(lái)說(shuō)意義重大。本文采用層次分析法來(lái)比較分析裝配式廢水池材料的造價(jià)、性能和技術(shù)，研究結(jié)果表明，采用鋼筋混凝土制作裝配式廢水池最為合理。