在膜结构建筑项目中, 无论是建设投资方在众多的投标方案中要选出一个最优的膜结构建筑设计, 还是设计师评判创意方案的优劣选择合适的发展方向, 都需要对设计方案进行评价。鉴于膜结构建筑自身特点和设计的特殊性, 以张拉膜结构建筑最基本的两个方面———安全和经济因素建立起评价体系框架, 为方案评选和优化提供可操作工具。

按照“实用、经济、美观”的原则, 结合膜结构建筑自身的特点, 对膜结构建筑方案影响最大的因素有安全因素和经济因素。

安全因素包含有两个层面:1) 方案的可行性。根据膜结构设计的基本造型单元和连接原则, 若膜结构造型不可归类或不可拆解为基本膜结构造型单元类型, 则此方案不是张拉膜结构造型, 故可以据此判断膜结构建筑方案不具有可行性;若可把方案造型归类或拆解为基本膜结构造型单元类型, 并且单元之间有合理的连接, 则可以初步判断此方案造型属于张拉膜结构, 在此基础上可以进行深化设计工作[1]。可行性判断指标即为单元连接合理程度。2) 膜结构建筑方案的优化, 即对方案中的可能发展成病害并最终导致膜结构破坏的因素加以修正, 主要包括:利用膜面等高线判断膜面的坡度和排水曲线, 控制单元的跨度尺寸以免膜片施加的预应力过大, 膜结构构造节点的可调节变形能力, 膜结构屋面体形的抗风性能等[2]。

对于膜结构建筑, 建设方常常只关注建筑所用膜材的花费, 但其实膜材的净成本并不能提供对总造价太多有用的信息。最具参考价值的应该是空间跨度与膜结构的总成本 (即包括支撑结构的成本) 的关系和膜结构所占的比例。但在膜结构方案初期, 很难作出较准确的膜结构建筑成本核算, 也不易确定膜结构的经济效率, 且根据膜结构支撑选择的体系不同, 造价差异很大, 差异中可能反映支撑系统较多。目前有关结构支撑系统的经济评价已有成熟研究成果了。为了能在膜结构造型方案初期即能评价其经济性, 我们仅就膜结构造型部分———膜结构造型张拉锚点和支撑边界以上部分 (不含以下支撑结构部分) 进行经济测算, 即钢模比[1]的量化比较。对于膜结构造型以下的支撑结构部分可以按照已有的评价体系另行测算。

在一个完整的方案中, 纯建筑材料成本 (不包括膜材连接安装的费用) 约占已装配膜材结构体系总花费的10%～50%。因为设计、加工、安装不同膜材需要采用不同的处理技术, 所以在计划某一建筑工程时, 在其初期阶段分析材料方案的经济性就十分重要。如果忽略材料的长期外观、使用寿命、防火性能以及清洁费用, 成本较低的PVC涂层聚酯纤维和成本较高的PTFE涂层玻璃纤维基本上都能够满足某一建筑项目的同样功能要求。例如:某一建筑项目若要使用PVC膜材, 采用对材料进行大面积力量加强措施仍可以节省资金, 但如果该工程使用PTFE膜材, 再对其进行大面积的材料力量加强无疑变成了毫无理由的支出浪费, 这种情况下应该尽可能地缩小甚至要完全取消材料的力量加强措施而通过完善设计方案对其加以弥补。另外, 不同力量等级的PVC涂层聚酯纤维膜材的价格虽然有差别, 但此价格差别不会对总体价格造成很大影响;但PTFE膜材的情况却与此相反, 不同抗拉强度的膜材价格相差甚远。故全面地分析膜结构设计方案的经济性不仅要比较钢膜比, 还要作总造价估算比较。

在评价膜结构建筑方案中应参与的指标包括:单元连接合理度 (C1) , 膜面单元等高线分析 (C2) , 膜面抗风体型 (C3) , 膜面单元跨度尺寸 (C4) , 膜面节点可调节能力 (C5) , 钢膜比 (C6) , 膜结构建筑总造价估算 (C7) 指标。需要强调的是整个评价体系应放在项目建设环境中进行, 比较非量化的指标要以项目所在地的气候环境———雪荷载、极限风速、暴雨强度、场地类型和景观环境为大前提。

目前还没有一套完善的膜结构建筑评价体系, 套用一般建筑评价方法缺乏对膜结构的针对性, 再加上膜结构建筑设计方案的评价参量大多数是非量化的, 这也给利用最优化技术决策分析建立精确数学模型带来了难题。例如在设计过程中, 在选定的基地上拟建膜结构建筑, 要求有一定的覆盖面积和空间高度, 建筑师根据现场条件已经有了一个大致的创意, 在选择合适的造型单元时会面临着多种选择, 不同类型的单元组合均可以完成创意造型, 同时结构选型也会面临着多种选择, 同样, 膜屋面有多种支撑结构可以满足安全, 这些选择的结果都会影响到功能空间的效果和使用, 上面两部分共同参与围合了功能空间, 反过来, 功能空间又对膜面造型和支撑结构有要求, 除此以外, 还有经济性、标志性、施工加工难度等都要综合判断, 这些问题是相互平行交叉的, 多数判断是依据人的主观选择, 故按照建立庞大复杂的数学模型精确求解的方法, 可能在决策大量因素无法定量表示时显得力不从心。事实上数学模型也非万能, 所以有时人们不得不回到决策的起点和终点:人的选择和判断。

层次分析法 (The Analytic Hierarachy Process) 是一种多方案多因素评价的方法, 简称AHP法。其基本原理简单说就是用下一层次因素的相对排序来求得上一层次因素的相对排序。通过对模型中每一层次每一因素的相对重要性, 依据人们对客观现实的判断给予定量表示 (也可以先进行定性判断, 再予赋值量化) , 最终得出最高层 (总目标) 的相对重要性次序的组合权值, 以此进行方案排序, 作为评价和选择方案的依据。

用AHP解决问题, 首先要建立递阶层次结构, 其中每一层的每一个元素均是下一层中每个元素的准则 (见图1) 。图1中准则层中只有部分指标是可以量化的, 诸如单元连接合理性、体型、节点设计的可调节能力等都是非量化的指标, 在进行单一准则下两两比较时采用1～9比例标度法来确定比值。

膜结构建筑评价的最高目标G是通过n个方案排序选出最优方案, 此过程中准则层中有7项指标C1～C7, 对应n个方案, 构造两两比较判断矩阵:

在单准则下分别构造, 即在G下对C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7构造A;分别在C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7下对A1, A2, A3, …, An构造A。

由判断矩阵A计算被比较元素相对权重;再计算各层元素组合权重, 并进行一致性检验。最后得到的是方案A1, A2, A3, …, An在总目标G下的排序向量, 即方案的优劣排序。

膜结构建筑评价框架既可以百富策略白菜网在方案完成之后评价优劣, 例如在膜结构建筑招标过程中方案排序 (见图1) ;也可百富策略白菜网在设计过程中, 如对方案的优化、结构选型等方面, 但方案层的内容会有所不同 (见图2) 。方案层的内容是影响膜结构创意方案的三个主要方面:基本造型单元的选择和组合、功能空间的品质、支撑结构的类型。每一个方面都有多种选择可以使用, 都可以达到或完成最终的任务, 但究竟哪一个选择是整体最优的, 需要把这个选择放在几乎所有的选择中平衡才能有答案。所以对百富策略白菜网于方案优化的层次结构求解的过程也是膜结构建筑的设计过程。

根据不同的评价标准, 通过电子表格计算, 可以非常方便的得到所需的结果, 对于方案的招标选优排序和设计过程中的方案优化在程序上可简单实现。

本文通过采用AHP方法对膜结构建筑进行评价, 可以得到以下结论:

1) 将层次分析法 (AHP) 运用于膜结构建筑的评价中是可行的, 我们的实证结果证明了AHP方法的适用性, 该分析结果真实可信;2) 本文选择了建筑体型、单元跨度等7个因素作为AHP方法的评价指标, 并分别赋予其不同的权重进行方案一和方案二的建模和计算, 我们发现:权重的设定对评价结果影响较大。在实例验证中, 选择评价准则层的权重需要评价操作者根据评价的具体环境制定, 其受主观环境影响较大, 同时又对评价结果有直接影响, 故需要在大量的方案统计数据基础上确定标准, 根据不同的评价目的确定有区别的准则权重。