論層次分析法在高層建筑供水設備選型中的應用

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摘要：本文依據目前高層建筑各種給水方式特點，通過層次分析法對供水方式進行選擇，進而對供水設備進行選型，探討一種簡單有效的手段來確定高層建筑供水方式及供水設備的選擇，做到節(jié)省投資、提高設計效率，滿足使用功能。并對供水設備施工時需注意的要點進行了概述。

  關鍵詞：高層建筑；供水方式；層次分析法；選型；節(jié)能   1高層建筑供水形式簡介   目前所采用的高層建筑給水方式，一般為高位水箱式、氣壓罐式和變頻調速水泵式以及以上方式的綜合。根據供水形式的不同，供水設備分為以下幾種：   高位水箱式供水設備包括水泵和水箱。高位水箱主要用于貯存調節(jié)本區(qū)的用水量和穩(wěn)定水壓。水箱內的水由設在泵房內的離心水泵供給。   氣壓罐式的設備包括離心水泵和氣壓罐。其中氣壓罐為一鋼制密閉容器，供水時利用容器內空氣的可壓縮性貯存和調節(jié)水量，并將罐內貯水壓送到一定的幾何高度，從而實現(xiàn)無水箱供水。   變頻調速水泵式的給水方式，主要設備就是變頻泵，是一種將單片機技術、變頻技術和水泵相結合，通過變頻器電源改變頻率和電壓，以控制交流電動機的轉速，進而實現(xiàn)水壓與流量可調的給水設備。由于變頻泵的流量與壓力可調，可取消高位水箱。其中，全自動變頻調速恒壓給水設備在高層建筑中的應用更是取得了較好的效果，其由水泵機級、變頻控制柜（箱）、自動化儀表、管件及底座組成，有時還附設有氣壓水罐，用以改善零流量或小流量時的能量損耗和供水問題；包括型式有：GSBP、JSW、XBH-Ⅲ、JKS、AAR、GDS、SBT型。   2常用供水形式及其選型   在高層建筑給水系統(tǒng)設計中，確定經濟合理、技術先進和供水安全可靠的給水方式，是高層建筑給水系統(tǒng)設計的核心；同時，確定供水形式也就是確定供水設備的選型，供水設備的選型對整個高層建筑的供水功效與節(jié)能有著不可估量的作用。   2.1常用供水形式   高層建筑給水系統(tǒng)的供水形式可概括為三種基本類型，八種形式。即高位水箱給水系統(tǒng)：有并聯(lián)水泵水箱給水式、串聯(lián)水泵水箱給水方式、減壓水箱給水方式和減壓閥給水方式四種形式；氣壓給水系統(tǒng)：包括并列氣壓給水裝置方式和氣壓給水裝置與減壓閥結合兩種形式；變頻泵給水系統(tǒng)：包括并列（即根據建筑的不同高度分區(qū)采用不同的水泵機組供水）和減壓閥（整個供水系統(tǒng)共用一組水泵，分區(qū)處設減壓閥）兩種形式。另外在實際設計中也出現(xiàn)了變頻調速水泵與高位水箱的聯(lián)合供水方式，由于其供水更加安全可靠，應用有增多的情況，本文不做詳細論述。在已建的工程中八種供水方式均有采用，許多專家學者都在這方面做過研究，但某一建筑究竟采用何種供水方式迄今沒有一個確定的標準，仍需要設計人員依據實際情況，通過計算擇優(yōu)選用。   2.2供水方式選擇   供水方式的選擇是一個綜合決策的問題，因為每一種供水方式都有各自的特點和適用條件。同時，每一建筑都因其建筑功能的不同，設計者和業(yè)主對供水方式所能達到的目標的要求不盡相同，從而在供水方式選擇中需要考慮許多定量的和定性的因素，包括每種供水方式的設備占用建筑面積、設備投資情況、供水可靠性、能量消耗情況和管理難易程度。對某一具體建筑要選擇一相對較優(yōu)的供水方式，就必須協(xié)調這些因素。這就需要設計者得出各種供水形式在滿足以上各方面因素上的評價權數，以及業(yè)主對供水方式的具體要求。由于這些評價權重針對不同的建筑功能和不同的業(yè)主是不同的，不能簡單的從概念上進行量化，但對特定建筑在滿足各方面要求的條件下卻存在一種相對較優(yōu)的供水方式。   針對此種情況，本文將采用層次分析法進行給水方式選擇，在進行方案確定時既考慮每種供水方式的技術可行性又充分考慮業(yè)主意見和建筑功能特點。   2.3運用層次分析法進行供水方式的選擇   2.3.1層次分析法的原理   層次分析法是70年代由美國學者提出的，經過多年來的發(fā)展現(xiàn)已成為較為成熟的方法。其基本原理是：將要評價系統(tǒng)的有關替代方案的各種要素分解成若干層次，并以同一層次的各種要素按照上一層要素為準則，進行兩兩判斷比較并計算出各要素的要重，根據綜合權重按最大權重原則確定最優(yōu)方案。它是在簡單加性加權法的基礎上推導得出的。   2.3.2給水方式選擇中層次分析法的簡介   在高層建筑給水方式評價中，為相對精確地比較不同給水方式的優(yōu)劣，必須對其不同側重點加以評價并得出綜合性結論，然后根據綜合性結論，確定其重要性，最后對各供水方式進行排序。因此，根據層次分析法的基本原理，按如下步驟對高層建筑的八種給水方式進行評價。   （1）建立層次結構模型   根據所要達到的目標及涉及的因素，建立層次結構模型。在設計中綜合參考各方意見，主要考慮的因素為：所占建筑面積大小、設備投資大小、供水可靠性、能量消耗情況及管理方便程度。結構模型的第一層為目標層，即供水方式選擇A；第二層為準則層Z，作為選擇的依據；第三層為方案層F，即可供采用的供水方案。模型如圖1：   （2）構造判斷矩形陣并求最大特征根和特征向量   由于層次結構模型確定了上下層元素間隸屬關系，這樣就可針對上一層的準則構造不同層次的兩兩判斷矩陣。若兩兩判斷矩陣設為（αij）n×n，則有αij＞0；αjj=αjj=   1，2，…，n   各層次具體判斷矩陣構造方法是；   在給水方式綜合評價目標層（A）下，根據各方式的特點例如所占建筑面積大小、設備投資大小、供水可靠性、能量消耗情況及管理方便程度等因素，兩兩比較斷面的重要性，性價比越高，其重要性越高，即占建筑面積小重要，供水可靠性高重要等等，如此類推，構造該級別判斷矩陣（A-Z）。這里可引用1-9標度對重要性判斷結果進行量化，標度如表1。構造（Z-F）判斷矩陣則是用八種給水方式的單因子指數的兩兩比值作為矩陣中元素。   判斷矩陣的最大特征值和特征向量采用幾何平均近似法（方根法）計算。其計算步驟為：   ①計算矩陣各行各元素乘積   （3）計算判斷矩陣一致性指標，并檢驗其一致性   為檢驗矩陣的一致性，定義。當完全一致時，CI=0。CI愈大，矩陣的一致性愈差。對1～9階矩陣，平均隨機一致性指標RI見表2。   當階數≤2時，矩陣總有完全一致性；當階數＞2時，稱為矩陣的隨機一致性比例。當CR＜0.10或在0.1左右時，矩陣具有滿意的一致性，否則需要重新調整矩陣。   （4）層次總排序   計算同一層次所有元素相對上一層次的相對重要性的權值稱為層次總排序。這一過程是從最高層次到最低層次逐層計進行。假設A層次所有要素排序結果分別為α1，α2，…αm，則可按表3的方法計算其下一層次Z中各要素對層次A而言總排序權值[2]。這里是計算在供水方式選擇中，各給水方式在各相應目標要求下相對于給水系統(tǒng)整體質量狀況的排序，其結果也要進行一致性檢驗。   當時，則認為層次總排序結果具有滿意一致性。   3層次分析法進行供水方式的選擇的應用   現(xiàn)在以湖南某城市的一高層建筑給水系統(tǒng)設計的供水設備選型為例，根據層次分析法的基本原理，按如下步驟對該建筑可以選擇的供水方式進行分析，選出相對較優(yōu)的供水方式，進而確定供水設備。該建筑總高度105.6m，地下三層，地上23層，為高檔商務辦公樓，樓頂可以設高位水箱；業(yè)主要求供水可靠，管理維護方便、節(jié)能（運行能量消耗?。?。按照業(yè)主的要求選擇適當的給水方式，在給水方式選擇上明確要考慮的因素及各因素相對權重，按層次分析法進行求解，步驟如下：   3.1建立層次結構模型   根據所要達到的目標及涉及的因素，建立層次結構模型。在設計中綜合參考各方意見，主要考慮的因素為：所占建筑面積大小、設備投資大小、供水可靠性、能量消耗情況及管理方便程度。結構模型的第一層為目標層，即供水方式選擇A；第二層為準則層Z，作為選擇的依據；第三層為方案層F，即可供采用的供水方案。模型見2.3.2.1中的圖1供水方案綜合評價層次圖。   3.2構造判斷矩陣   構造判斷矩陣并計算各因素權重CR和進行一致性檢驗，在設計中參考業(yè)主及各相關方意見確定第二層對第一層的判斷矩陣權重因子，及對系統(tǒng)供水方式的要求權重；通過專家意見及設計人員的經驗確定第三層對第二層各因子的權重，即每一供水形式在滿足各要求條件下的權重。對調查結果匯總并構造判斷矩陣見表4~9：   3.3層析總排序及一致性檢驗   根據以上兩層的排序結果，構成對總目標的排序（見表10），計算權重CR并進行一致性檢驗，從而得到最終選擇。   綜上所述，該建筑的供水方式選擇F1方案，即高位水箱并列水泵供水方式。從排序中可看出各種供水方式在該建筑給水方式選擇中的優(yōu)先級別。在現(xiàn)實供水設備選擇中應按實際情況決定，依據不同建筑的不同功能目標，兼顧節(jié)省能源、節(jié)省資金，經過計算確定。   4結束語   本文只是在高層建筑供水設備選型方面嘗試了新的方法，但在實際的高層建筑施工中，供水方式設計、設備選型等仍有許多工作要做。   但可以肯定的是，隨著高層建筑的日益增多和相關研究的深入，對高層建筑給水設備的優(yōu)化選型將越來越完善，從而更加能夠符合實際，起到節(jié)省能源、節(jié)省建設資金、保證使用功能的作用目的。   參考文獻：   [1]陳方肅.高層建筑給水排水設計手冊.長沙：湖南科學技術出版社，1998.   [2]范瑾初.給水工程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.   [3]劉燦生.給水排水施工手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.   [4]曲禮孟.一種高層建筑施工供水的新的設備.建筑機械，1996，7：44~45.