基于ELECTRE的建筑設(shè)計方案的優(yōu)化決策

姜榮榮，李希勝

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

在建筑領(lǐng)域，計算機輔助的建筑性能數(shù)值模擬分析技術(shù)與建筑設(shè)計參數(shù)化方案優(yōu)化技術(shù)，近年來對建筑設(shè)計逐漸產(chǎn)生了重要的影響。但同時也給建筑設(shè)計的性能化帶來了更多的難題。如何高效、科學(xué)、綜合地針對建筑性能設(shè)計與優(yōu)化成為了一個意義重要的探索課題[1]。

建設(shè)項目設(shè)計過程一般劃分為方案設(shè)計、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計三個主要階段。其中方案設(shè)計涉及建筑學(xué)、環(huán)境學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等學(xué)科，施工圖設(shè)計又牽涉結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)和暖通等學(xué)科，可以說建設(shè)項目設(shè)計階段是一個綜合多學(xué)科的系統(tǒng)性生產(chǎn)過程[3]。建筑設(shè)計階段是項目全壽命周期中一個非常重要的環(huán)節(jié)，它是在前期策劃和設(shè)計準(zhǔn)備階段的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計文件將項目定義和策劃的主要內(nèi)容予以具體化和明確化，是下階段建設(shè)的具體指導(dǎo)性依據(jù)[4]。Wilder對建筑方案設(shè)計階段對建筑性能影響進(jìn)行了研究，作者應(yīng)用303項建筑節(jié)能技術(shù)對67座建筑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其中57％的節(jié)能技術(shù)措施是在方案設(shè)計階段決策的[5]。事實上，建設(shè)工程項目全壽命周期的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本絕大部分取決于設(shè)計階段[6]。

現(xiàn)階段主要是基于單目標(biāo)的設(shè)計優(yōu)化。東南大學(xué)的石邢以modeFRONTIER為平臺通過調(diào)用EnergyPlus來實現(xiàn)單個建筑的墻體保溫性能優(yōu)化[7]；哈佛大學(xué)設(shè)計學(xué)院的Jon Sargent等人[8]主要針對建筑遮陽設(shè)施的遮陽效果分析，通過鏈接Rhino和Energyplus來對模擬入射光能量值與制冷負(fù)荷能量值進(jìn)行比較，提出相對合適的遮陽方案；河北工程大學(xué)的張偉捷等人通過CFD建筑熱環(huán)境模擬進(jìn)行建筑方案優(yōu)化設(shè)計研究[9]。而本文通過Ecotect進(jìn)行多目標(biāo)多方案的優(yōu)化。進(jìn)而運用基于ELECTRE算法實現(xiàn)多目標(biāo)多方案的決策，使性能化建筑設(shè)計方法更加的科學(xué)、可靠與高效。

1 評價指標(biāo)與權(quán)重

1.1 建立性能化建筑設(shè)計方案評價指標(biāo)

性能化建筑設(shè)計方案評價指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約、不同層次的指標(biāo)群構(gòu)成的一個有機整體，它能較全面反映建筑設(shè)計內(nèi)涵的基本特征。本文根據(jù)Ecotect具備的模擬功能建立性能化建筑設(shè)計方案評價指標(biāo)見表1。

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

依據(jù)數(shù)據(jù)來源不同，評價指標(biāo)權(quán)重的計算方法可以分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類。現(xiàn)有評價體系一般在主觀賦權(quán)方法獲得源信息的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行權(quán)重計算。比較有代表性的方法有層次分析法(AHP)和模糊綜合評價法。其中AHP方法的指標(biāo)層是單向遞階層次結(jié)構(gòu)，且各指標(biāo)之間均假設(shè)獨立，這與實際是不相符的；因此本文選用模糊綜合評價來確定指標(biāo)權(quán)重[10-11]。

模糊綜合評判法確定評價指標(biāo)權(quán)重步驟為：

(1)確定模糊綜合評價因素集U。U=(U1對人的舒適度的影響程度，U2目前在我國的重要程度，U3數(shù)據(jù)的科學(xué)性，U4對建筑可持續(xù)發(fā)展影響，U5對建設(shè)成本的影響)。

(2)建立綜合評價集V。V=(無，輕微，一定程度，較大，非常大)。

(3)進(jìn)行單因素模糊評判，并求得評判矩陣R。

(4)建立評價模型：B=A×R。其中，A為評價因素的權(quán)重，可采用專家打分法確定。B的計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為分值表示，并對其進(jìn)行歸一化處理，即得到評價指標(biāo)權(quán)重。

小茲維列夫今年21歲。在2018網(wǎng)球男單年終總決賽中，他以2-0的分?jǐn)?shù)力壓強手，奪取冠軍。這是他職業(yè)生涯中，迄今為止最為重要的一個冠軍，他不僅是繼1995年名將鮑里斯·貝克爾之后又一位拿到總決賽冠軍的德國選手，同時也是繼2008年德約科維奇之后最年輕的總決賽冠軍。

按上述步驟，V用來表示一級指標(biāo)的重要性程度，在南京林業(yè)大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等單位開展調(diào)研，發(fā)放問卷調(diào)查表80份，回收68份。以A1二級指標(biāo)為例，得到模糊評矩陣R1及元素權(quán)重A1。

A=[0.2，0.1，0.3，0.2，0.2]。

則A1*=A×R1=[0，0，0.140，0.291，0.510]，將評價標(biāo)準(zhǔn)以(1，2，3，4，5)分值表示，則A1=[1，2，3，4，5]×A1*=4.13。分別按此步驟得到A2=5.43，A3=3.49，將A1，A2，A3結(jié)果歸一化得到各自的權(quán)重為：0.32，0.42，0.27。其它指標(biāo)權(quán)重以此類推，具體見表1。

表1 評價指標(biāo)及權(quán)重

2 評價方法

本文屬于多方案多屬性的評價，而ELECTRE方法是一種廣泛公認(rèn)的優(yōu)勢的記錄評估方法，結(jié)合定性和定量標(biāo)準(zhǔn)，可以用來促進(jìn)決策活動。ECELTRE方法通過規(guī)范決策矩陣來評價指標(biāo)基準(zhǔn)不同的方案[12-13]。其評價步驟如下。

(1)計算規(guī)范化決策矩陣：

(2)計算加權(quán)規(guī)范化矩陣：規(guī)范矩陣加權(quán)化，V=[vij]=[wirij]。

(3)確定和諧集與不和諧集：對于方案集中的每一對方案Ak和Al，屬性集J={1,2,3…n}被劃分成兩個不相交的子集Ckl和Dkl，前者由Ak不劣于Al的屬性組成，稱為和諧集；后者由Ak劣于Al的屬性組成，稱為不和諧集。即Ckl={j|xki≥xli}，Dkl={j|xki

C=[ckl]，k≠l。

(5)確定和諧性支配矩陣F與不和諧性支配矩陣G。

(6)確定綜合性支配矩陣E：該矩陣是和諧性支配矩陣F與不和諧性支配矩陣G的交。其矩陣元素被定義為：ekl=fkl*gkl。

(7)剔除不利方案：綜合性支配矩陣E給出了方案之間的偏序關(guān)系。如果ekl=1，則無論從和諧性的角度還是不和諧性的角度來看，方案Ak均優(yōu)先于Al。

3 實例分析

由于二級指標(biāo)繁瑣，本文僅對權(quán)重值相對大的指標(biāo)用Ecotect進(jìn)行模擬。針對南京某住宅用房實際情況，本文提出兩種朝向，兩種窗墻比，兩種材料搭配，綜合分析全年各搭配情況下的采光空間、能耗以及溫室氣體排放量。所選取的各因素的數(shù)值具體見表2。

表2 分析情況陳述表

說明：202.5°是根據(jù)氣象工具Weather Tool得到的南京市最佳朝向值，0.7是國家規(guī)范中圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻比的上限值；表中，M1、M2分別Ecotect中兩種不同的材料。

將以上各因素相互搭配，得到8種不同的分析情況組合，見表3。

表3 各種情況具體分類表

運用Ecotect進(jìn)行模擬得到不同方案的數(shù)據(jù)，見表4。

表4 不同方案模擬數(shù)據(jù)

說明：由表格中的采光空間的數(shù)據(jù)可知均滿足《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

由步驟(2)計算加權(quán)得矩陣：

根據(jù)步驟(3)、(4)構(gòu)造和諧與不和諧矩陣：

由ekl=fkl*gkl可得判斷矩陣E：

由步驟(7)可以得到方案8最好，方案6次之。

4 結(jié)束語

根據(jù)Ecotect功能建立建筑設(shè)計方案評價指標(biāo)體系，用Ecotect軟件模擬建筑的光環(huán)境、熱環(huán)境和環(huán)境影響等方面的建筑性能，使建筑建成前了解其綜合性能狀況成為可能。將Ecotect引入建筑方案設(shè)計階段各建筑設(shè)計要素對建筑綜合性能的分析中，有效地提高了模擬工具在方案設(shè)計階段的實用性、快捷性和準(zhǔn)確性。運用ELECTRE進(jìn)行方案的決策，保證所選方案科學(xué)、準(zhǔn)確。本文的工作還只是一些初步的嘗試，有些建筑性能分析需要借助其它軟件；當(dāng)設(shè)計方案種類多時，本文選用的決策方法計算量比較大。因此，需要改進(jìn)的地方還有很多，在以后的工作中將進(jìn)行深入的研究其它相關(guān)軟件，完善決策方法。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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