目前，虽然决策科学提供了有用的模型和技术，但在实际运用中仍可能会遇到一些困难和限制。首先，这些方法通常过于死板，难以灵活地应用于实际情境。其次，实施这些模型和技术需要大量时间和资源，这让管理者和决策者望而却步。

为了解决这些限制并提高决策过程的效率，人们亟须开发一种系统方法，以帮助决策者评估在建筑应用中使用高性能材料的潜力。

 

面向决策者的系统化方法

以美国为例，其在维护和改善老化的交通基础设施，以及面对失修或过时的桥梁等方面，都面临着巨大的挑战。

且考虑到资源有限和庞大的预算赤字，人们必须采取最具成本效益和高效的策略来解决这个工程难题。

据联邦公路管理局（FHWA）估计，修复不符合最低标准的桥梁和道路的成本约为1,670亿美元，另外还需要1,230亿美元来缓解交通拥堵并进行必要的改进。

换句话说，即使只是对基础设施进行适度改善，延长其使用寿命并减少维护需求，政府也能够节省数十亿美元。

美国的许多基础设施系统，比如使用木材、混凝土和钢铁等材料构建的结构，普遍都已经接近或达到预期寿命的极限。因此，需要大量投资来修复、翻新或更换这些结构。

在过去二十年中，交通量的增加超过了这些结构的初始设计容量。公路系统上允许的车辆载荷也显著增加，也进一步加剧了现有结构的问题。

另外，尽管混凝土和钢铁在建筑基础设施中起到重要作用，但由于资源有限，即必须考虑使用替代材料进行修复、翻新、更换和新建。先进复合材料是一种具备出色性能的选择。

不幸的是，美国在基础设施修复和建设中的材料选择过程通常效率低下且过时。这一点可以从国家基础设施的恶化状况，以及在新建结构中继续使用陈旧材料的情况中得以看出。

因此，通过运用层次分析法（AHP）的多标准系统方法，决策者可以有效评估不同材料在特定应用中的适用性。这种方法的目标是优化资源利用，为决策者处理复杂问题和替代方案提供支持，以更好地满足需求。

该方法主要应用于修复破损和损坏的桥墩，采用先进复合材料进行修复。其重点在于解决修复、加固和改造现有结构的需求，并在规划新建结构时尽量减少这些需求的发生。

然而，目前可用的最佳结构材料评估工具已经过时且效果不佳，这限制了对传统材料的选择，并忽视了使用新材料所带来的潜在优势。

 

多属性决策模型的现有方法

目标规划，是线性规划的一种特殊形式，能够有效地克服决策科学所面临的限制。它提供了一种强大的技术，用于处理多个相互冲突的目标。

在目标规划中，决策者为每个目标设定具体的数值目标，并为每个目标定义一个目标函数。目标规划的目标是找到一个解决方案，使得各目标函数与各自目标之间的偏差加权和最小化。

通过赋予不同权重，决策者能够表达对目标实现程度的偏好，即通过确定增加某个目标的程度能够抵消减少另一个目标的程度。

层次分析法（AHP）是一种能够协助决策者将复杂问题拆解为层次结构，并以可视化方式呈现的方法。利用AHP，决策者能够对各个因素、属性、元素和替代方案之间的相对重要性或偏好进行评估。

这种分层结构的分析方法提高了决策能力，使决策者能够更好地解决复杂问题。他们可以结合专家意见、数值数据和基于经验的主观判断，确定决策标准和替代方案的相对优先级。

在这个过程中，决策者需要计算用于比较标准和替代方案之间两两关系的矩阵的特征值和特征向量。这些计算结果将帮助他们确定最终的决策方案。

AHP还提供了一种衡量一致性的方法，可帮助识别判断中潜在的错误。然而，需要注意的是，这种方法不能消除一致性问题，因为在现实世界中，人们常常需要在面对不一致性时做出决策。

在AHP中，一般的做法是将问题分解为若干部分，并对每个层次上的元素（如属性、替代方案等）与上一级中的相关元素进行两两比较。

每个两两比较都会使用一个1到9的尺度进行量化，并将结果填入比较矩阵。通过计算代表两两比较的倒数矩阵的特征值和特征向量，可以确定决策标准和替代方案的优先级。

AHP将复杂问题组织成层次结构，从顶层目标代表整体目标开始，然后逐层细化。较低的层次代表了标准、子标准和场景，最低层包含了替代方案。因此，可以形成多种层次结构。

AHP采用两两比较的方式确定优先级，而不是随意分配。这种比较评估一个元素对另一个元素的相对强度、优势或影响。在每个层次上，元素相互比较，考虑它们对上一级给定标准的影响或贡献，最后使得所有比较结果得以形成一个方阵。

这个方阵不仅用于检验一致性，还用于收集有关所有可能比较的额外信息，并分析整体优先级对判断变化的敏感性。通过矩阵方法，AHP有效地捕捉到优先级的两个方面：支配和被支配。

在综合阶段，将结合两两比较得到的优先级，以计算每个替代方案的总优先级，确定其与目标的相关程度，并对替代方案进行优先级排名。

替代方案的总优先级反映了其与所有标准和子标准的一致性。总优先级最高的替代方案被认为是最佳选择。

决策模型及其组成部分

如图1所示，该模型采用了层次化的组织结构。最上层代表整体目标，以下是六个主要标准。每个主要标准都进一步细分为子标准和子子标准，而各种备选方案则列在最底层。

图1

这个层次结构图使得决策者能够直观地看到问题的不同组成部分，并将重点放在其中。决策模型整合了决策者的专业判断，以解决多个标准的问题。

在层次结构中，同一级别的元素进行比较，并与上一级别的标准进行比较。比较的方式包括评估一个元素对另一个元素的贡献程度、主导程度或影响程度。

标准之间的相对重要性可以通过口头、图形和/或数值方式表达。决策者可以利用数值数据和基于经验的直觉判断。

初始状态下，在层次结构的同一级别上，所有节点具有相等的权重。然而，在实施模型的过程中，用户可以灵活地修改标准和权重，以适应评估项目的特点。

该模型包括六个主要标准：结构能力评估、经济分析、环境行为、材料可用性、法规法规和建筑方面（图1）。

该模型的首个评估标准，是针对复合材料和传统替代材料的结构能力评估，即，根据结构的未来使用或预期修复划分为两个子标准。

两个主要子标准如下：（1）现有结构的耐腐蚀性和承载能力升级，以及（2）抗震性能提升。

在第一个子标准下，重点是提供耐腐蚀的结构，特别是修复已经受到腐蚀损害的现有结构，同时增加结构的荷载能力。

第二个子标准旨在升级结构以提高其抵抗地震引起的荷载能力。根据具体任务的要求，可以选择其中一个路径。

下一级别涉及三个变量：强度、刚度和韧性。基于上一级别中提到的性能，比较了复合材料和钢材等替代方案。

例如，如果需要对现有结构进行抗震升级，关键就在于降低刚度。为了实现这一目标，可以使用复合材料，通过分离刚度和强度来达到效果。复合材料和钢材都具备所需的高强度和韧性。

根据决策者为该节点分配的权重，可以选择其中一种替代方案。这样，结构性能节点就得到了满足，而其对整体目标的影响则取决于该标准的权重。

 

经济指标

该模型的第二个评判标准是经济分析，它主要涉及两个方面：一次成本和二次以及社会成本。

这两个方面在决策结果中起着关键的作用。一次成本包括显而易见的费用，比如初始成本、维护成本和使用寿命，而二次成本则考虑了建设对环境、设施使用者和公众的经济影响。

初始成本，也称为一次性成本，是启动新活动所需的费用，仅发生一次。举个例子，假设要修复受损的桥墩，初始成本将包括材料和安装费用。

虽然使用复合材料的材料成本可能较高，但由于安装时间短和对重型建筑设备需求的减少，因此总体建设成本较低。

其中，使用寿命，或经济寿命，指的是产品、结构或设备在正常运行条件下预期的使用时间。

当面临具有不同经济寿命的互斥选择时，需要使用现值准则将未来成本折现到现值，以进行分析。如果不将经济寿命等同对待，就可能会导致不准确的结果。

并且，为了避免对互斥选择进行广泛的生命周期分析，应该使用年净现值法。该方法基于年度成本比较不同选择，且无需将经济寿命等同对待。此外，在研究期间每年都要对初始成本进行折现。

结构或修复的成本不仅包括初始成本，还包括维修和维护费用。因此，需要进行全面的生命周期成本分析，以考虑各种选择，使决策者能够充分评估提出的选项。维护需求和要求会因所评估的选择而有所不同。

另一方面，二次生成本也是非常重要的，不恰当的计算可能将导致失败的决策和资源浪费。然而，要量化这些次生和社会成本可能具有一定挑战性。

在分析中，决策者应该考虑产品或结构的可用性。选择某种特定的替代方案，可以在几个月内完成并使用该结构。这些次生成本是在建设过程中产生的，应该在分析中予以考虑，因为它们可能足够重要以影响决策。

图2

举个例子，在交通模型的情况下，这些成本包括但不限于交通拥堵、交通绕行、环境成本、建筑行业固有的健康和安全风险，以及更短的建设时间。

环境指标与规范标准

基础设施系统一直处于周围环境的影响下，而环境因素是导致基础设施持续恶化的主要原因之一。

因此，了解用于构建和修复基础设施的材料以及它们在应对环境条件时的表现非常重要，以确保基础设施系统的高效运行。

在决策模型中，第三个准则至关重要，因为它直接影响对于在基础设施建设和修复中使用复合材料还是传统材料的评估：耐腐蚀性、电磁性能和阻燃性能。

不同的天气条件，如严寒的冬季和潮湿的高温夏季，会逐渐导致基础设施的退化。

且靠近海岸线的基础设施受到咸水侵蚀的影响，而水和污水处理厂中的化学物质，以及阳光和湿度的作用，会破坏基础设施的力学性能。

因此，在选择材料时，必须考虑能够承受这些条件的合适材料，以确保结构的寿命。

此外，电磁和防雷保护性能在电信、公用事业塔和杆等应用中的重要性不可忽视。随着严格的消防法规的实施，结构抵御和阻止火灾蔓延的能力已成为设计阶段必须考虑的因素。

总结而言，选择能够有效平衡所有这些目标的材料变得非常复杂，并被纳入决策模型的准则中。

此外，人们普遍预期，复合材料将成为修复日益恶化的基础设施和21世纪新建筑部件的首选材料。

然而，为了充分发挥复合材料的潜力，需要制定适当的标准和规范。通常，在处理新技术时会采用性能标准。

图3

新材料的性能，是通过评估其是否能够满足或超过竞争材料的性能来确定的。这些标准主要基于材料测试，而不是确定材料的工程性能。

一开始，这种方法似乎是可接受的，因为它允许材料具有灵活性并能快速应用。然而，性能标准有其固有局限性，因为它们是基于测试结果而建立的。

鉴于在不同条件和应用环境下持续测试产品是不切实际的，因此确立规范性标准至关重要。这些标准为工程师提供了必要的信心水平，以推动新技术的广泛应用。

综上所述，通过结合层次分析法（AHP）和多标准方法，决策者可以更好地利用他们的经验和直觉，以提高决策过程的效率和有效性。这种系统方法的采用，将推动先进材料在基础设施修复和建设中的应用，实现增强耐久性、降低成本、并追求可持续性的目标。