基于物元可拓的再生利用项目安全控制阶段划分

李文龙， 李慧民， 刘怡君， 周崇刚， 王孙梦

(西安建筑科技大学 a. 土木工程学院; b. 管理学院， 陕西 西安 710055)

随着国家经济的快速发展，城市建设不断扩张，那些位于城市中心地带且具有特殊历史意义和时代特色的老旧建筑已不能满足当前生活生产的需求。“再生利用”一词应运而生，起初主要用于旧工业建筑方面，主要是指在非全部拆除的前提下，对旧工业建筑重新赋予新的使用功能的过程，在功能转换的基础上，起到节约资源、改善环境以及传承文化的作用[1]。随着再生利用理念的深入和发展，“再生利用”不仅仅用于旧工业建筑，也逐步用于老旧城市住宅、老旧农村民居、老旧历史保护建筑等老旧建筑的保护与利用领域。

再生利用是土木工程发展到一定阶段后的必然产物，是满足当前可持续发展方向与生态文明建设理念下的必然趋势。国内外相关学者对再生利用项目的相关研究也逐步增多。一方面主要针对不同的研究对象，包括对历史街区[2]、农村旧建筑[3]及旧工业建筑[4]等进行再生利用；另一方面主要针对再生利用全过程的各个方面进行了相关研究，主要包括模式选择[5]、方案决策[6]、规划设计[7]、利益分配[8]、能源消耗[9]、绿色节能[10]等。然而，针对再生利用项目安全问题的研究相对较少，主要有以下成果：文献[11]运用解释结构模型和层次分析法，得出再生利用项目安全控制要素，明确项目安全控制的重点；文献[12,13]对再生利用前的结构安全鉴定影响因素和常用方法进行了研究分析；文献[14]针对再生利用项目施工过程中存在诸多安全隐患的问题，建立基于未确知测度理论的再生利用项目施工安全评价模型；文献[15]将规则推理(Rule Based Reasoning，RBR)引入案例推理(Case Based Reasoning，CBR)中，构建了再生利用施工风险应急管理模型。

从上述研究可知，针对再生利用项目安全控制方面的研究相对较少。再生利用项目不同于一般的新建项目，不是简单的“从无到有”，而是“从有到无再到有”，一方面，再生利用项目结构形式及受力特点更加复杂，建设难度更大，不确定性更多，成熟项目相对较少，尚未有明确的制度规范可进行安全指导；另一方面，项目各参与方多注重再生功能和经济效益，建设周期短，安全投入相对较少，对安全问题较为轻视。因此再生利用项目全过程中存在诸多的安全隐患，进行有效的安全控制极其必要和重要。为保证再生利用项目的安全有序进行，需将再生利用项目全过程划分为若干个安全控制阶段，基于此，本文根据再生利用项目全过程的工作内容，结合初步阶段划分及主要特征，建立基于物元可拓的再生利用项目安全控制阶段划分模型，以便更好地进行全过程的安全管理和控制。

1 项目全过程工作内容

与新建项目相比，再生利用项目建设程序更加复杂，工作内容更多[1,16,17]。参照一般新建项目的建设程序并结合已参与的再生利用项目调研和工程实践，确定再生利用项目全过程的主要工作内容，见表1。

表1 再生利用项目全过程主要工作内容

2 物元可拓方法

可拓学是由我国学者蔡文教授于20世纪80年代创立的一门新兴学科，主要用于研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律[18]。物元可拓方法是以可拓数学和物元理论为基础，是定性与定量相结合的一种分析方法[19]。

2.1 建立物元模型

(1)确定衡量条件集

物元是由事物的名称、特征和关于特征的量值组成的有序三元组。给定事物的名称N，相应特征C的量值为V，则以有序三元组R=(N,C,V)作为描述事物的基本元，简称物元。

一个事物往往具有多个特征，假定事物N有m个特征，以特征C1,C2,…,Cm和相应量值V1,V2,…,Vm来描述。则安全控制阶段判别模型可由下列m维物元R表示：

(1)

(2)确定经典域

假定有n个总体事物，每个总体事物有m个特征，则第j个总体事物的经典域物元可表示为：

(2)

式中：Rj为经典域物元；Nj为第j个总体事物名称，j=1,2,…,n；Vji为第j个总体事物关于第i个特征的量值范围，aji为量值的取值下限，bji为量值的取值上限，且有Vji=〈aji,bji〉。

(3)确定节域

由所有总体事物共同构成的节域物元可表示为：

(3)

式中：Rp为节域物元；Np为全部总体事物的名称；Vpi为全部总体事物关于第i个特征的量值范围;api为量值的取值下限；bpi为量值的取值上限，且有Vpi=〈api,bpi〉。

(4)确定待判物元

由待判样本事物的基础信息构成的物元称为待判物元，可表示为：

(4)

式中：R0为待判物元；N0为待判事物名称。

2.2 建立关联度函数

通过建立关联度函数，可使待判物元与经典域和节域物元的关联度计算更为准确，不必依靠主观判断或统计。

首先，待评价物元模型与其经典域和节域关联度按式(5)(6)计算[20]。

(5)

(6)

式中：ρ(Vi,Vji)，ρ(Vi,Vpi)分别表示点Vi与区间Vji，Vpi的接近度，i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

Vi与区间Vji，Vpi的“位值”见下式：

D(Vi,Vpi,Vji)=ρ(Vi,Vpi)-ρ(Vi,Vji)

(7)

之后即可得到待判物元的特征关于各总体事物相应特征的关联度为：

(8)

2.3 确定关联度进行判别

利用特征权重和关联度，计算待判样本事物关于总体事物的关联度为：

(9)

式中：Wi为特征Ci的权重。

3 安全控制阶段划分模型

3.1 安全控制阶段初步划分

借鉴工程项目管理全寿命周期的阶段划分，对再生利用项目全过程初步设置为四个安全控制阶段：决策阶段、设计阶段、施工阶段、使用阶段。

(1)决策阶段

良好的前期决策是保证项目成功的基础，进行严格的安全决策是保证后续各个阶段能够安全有序实施的第一步。在决策阶段，首先应对老旧建筑结构进行全面准确的检测与评定，明确建筑结构的安全状况和已有的安全隐患；其次应对项目后续实施过程中可能潜在的危险因素进行准确辨识和评估，以制定合理的应对策略，做好充分的前期准备工作。

(2)设计阶段

设计是项目由构想变为实施蓝图的重要环节，通过将多专业问题融合到一起形成可指导施工的技术性文件资料。设计阶段应以建筑结构现状为基础，按照现行相关设计规范进行再生利用设计。不仅要充分考虑设计方案的合理性、可行性及安全性；更要考虑设计方案在实施中仪器设备及材料选择，以及新旧结构协同作用等安全问题。

(3)施工阶段

施工是实现再生利用的关键环节，工作程序繁多且不确定性较大，涉及到构件拆除、结构加固改建、装饰装修、设备设施更新等内容。此外，施工阶段管理工作也较为复杂，涉及到的单位和工种较多，人员流动性大，由此安全问题也更为突出，安全事故层出不穷。在施工阶段进行严格的安全控制极为重要，主要通过方案优化、数值模拟、动态监测、风险评估及安全预警等方式来实现。

(4)使用阶段

经过决策、设计及施工阶段之后，再生利用项目让废弃或闲置的老旧建筑具有新的功能，使用阶段是再生利用项目最后的输出阶段，需通过健全的管理制度和先进的管理技术，对投入使用的项目进行有效管理。同时需要对建筑使用状况进行动态监控，以能够及时发现安全隐患并及时采取应对措施，只有这样才能使项目保持长期健康可持续发展的态势。

通过对每个阶段的内容和特征进行分析，最终确定控制主体、控制对象、控制方式作为每个安全控制阶段的主要特征，具体分析见表1。

表1 再生利用项目安全控制阶段特征

3.2 基于物元可拓的安全控制阶段划分

(1)确定总体经典域和节域事物元模型

再生利用项目安全控制阶段设定为：决策阶段、设计阶段、施工阶段、使用阶段，故这四个阶段为总体事物元R1，R2，R3，R4。根据表1可知控制主体、控制对象和控制方式作为描述总体事物元的主要特征指标，由此建立总体经典域事物元模型和节域事物元模型分别为：

(10)

(11)

式中：C1，C2，C3分别表示控制主体、控制对象和控制方式三个主要特征，下同。

(2)确定待判样本事物元模型

根据表1中的再生利用项目全过程的23项工作内容，将其作为安全控制阶段的t个待判样本(t为1，2，3，…，23)，确定待判样本事物元模型为：

(12)

(3)总体事物元经典域赋值

查阅文献[21]及专家讨论，确定再生利用项目安全控制各个阶段的特征赋值区间，见表2。

表2 再生利用项目安全控制阶段特征赋值区间

根据各阶段的特征赋值区间，总体事物元的经典域可以表示为：

从图1可以看出，Fe元素的含量一直在某一浓度水平波动，随着溅射时间的增加并未产生明显变化。说明车床刨光过程并未引入Fe元素污染，或者说引入的污染在经过后续清洗过程已基本消除，没有对分析结果产生实质性影响。因此，可以将预激发时间定为10min。

(4)样本事物元特征赋值

通过专家问卷调研的形式进行样本赋值，按表2中的赋值区间将24个样本对3个特征进行打分，采用去掉最大最小取均值的办法对专家问卷打分进行处理，最终计算出各特征的赋值见表3。

表3 再生利用项目各工作内容的特征赋值及关联度

(5)计算关联度进行判别

考虑到控制主体、控制对象及控制方式三个特征重要性基本相当，为便于计算通过专家讨论确定特征的权重分别为：W1=1/3，W2=1/3，W3=1/3。由于篇幅有限，以区域规划为例进行计算说明，区域规划关于控制主体特征赋值为0.6，根据式(5)可得：

根据式(6)可得：

=-0.6

根据式(7)(8)可得：

同理可求得区域规划关于控制对象的关联度分别为：2.5，-0.3，-0.65，-0.77，区域规划关于控制方式的关联度分别为2，-0.4，-0.7，-0.8。根据式(9)可得：

K1(V)=(2+2.5+2)/3=2.17

K2(V)=(-0.3-0.4-0.3)/3=-0.37

K3(V)=(-0.7-0.65-0.7)/3=-0.68

K4(V)=(-0.8-0.77-0.8)/3=-0.79

同理，根据式(5)～(8)，计算各安全控制内容对于四个安全控制阶段的关联度，然后比较关联度大小并判别所属阶段，具体结果见表3。

(6)安全控制阶段划分

由表3可知再生利用项目安全控制阶段的划分是合理的，通过图1可以直观看到每项工作内容具体所属的安全控制阶段，进而可采取不同的安全控制策略。

图1 再生利用项目安全控制阶段划分

4 结 论

本文通过对再生利用项目进行阶段划分，主要得出以下结论：

(1)参照一般工程项目建设程序并结合再生利用项目的特点，确定再生利用项目全过程的工作内容及主要任务；运用物元可拓方法，建立基于物元可拓的再生利用项目安全控制阶段判别划分模型，通过判断关联度的大小对工作内容进行阶段划分；最终将再生利用项目全过程分为决策、设计、施工和使用四个安全控制阶段。

(2)由于再生利用项目各个控制阶段的工作内容不同，存在的安全隐患也会有很大差别。控制主体应根据各个阶段不同的安全隐患和安全影响因素，对控制对象采取合理的控制策略。比如决策阶段和设计阶段主要针对再生利用前的建筑，业主或委托方应合理排查项目现场潜在的危险因素，第三方检测机构应对建筑结构进行检测评定，准备判断结构安全现状等，设计单位需在确定方案时合理验算，保证方案的安全性；施工阶段主要针对再生利用中的建筑，需要各个参建单位的协调配合，这个阶段涉及的施工工序多、参与工种多，存在安全问题多，因此需要全面的安全控制方案和完善的过程控制，才能保证施工过程有序进行；使用阶段主要针对再生利用后的建筑，业主、运营商或使用者需要制定健全的安全运维制度，并定期对项目中存在的安全状况进行检查。

总之，本文通过将再生利用项目安全控制阶段进行合理划分，可以使各个控制主体对控制对象进行合理的安全控制，保证再生利用项目全过程的安全。