綠色建筑的全壽命周期成本估算

何向彤

浙江建設職業技術學院，浙江杭州311231

?

綠色建筑的全壽命周期成本估算

何向彤

浙江建設職業技術學院，浙江杭州311231

摘要：綠色建筑是目前流行的一種注重建筑、環境、社會和諧統一的建筑風格。首先，分析綠色建筑的建筑成本、社會自然成本和消費者成本構成，然后，采用主成分分析法對影響綠色建筑的各個因子進行分析。最后，利用模糊識別方法以及蒙特羅卡法整理出綠色建筑全周期成本估算的模型，為綠色建筑的投資者做決策提供了依據。

關鍵詞：綠色建筑；全壽命周期；成本估算

建筑業是經濟社會中不可或缺的重要組成部分，作為國家經濟的基礎及固定資產，建筑業為大量的勞動力提供了就業機會。傳統的建筑行業發展模式對資源的消耗量非常大，低碳節能化發展以成為全球建筑行業的發展趨勢，我國開始推行綠色建筑發展模式。所謂的綠色建筑，就是在建筑的過程，盡量減少能源的損耗，保護環境，降低污染，構建人和環境和諧相處的建筑。我國綠色建筑的目標是［1］：到2015年，所有的建筑物中5%是綠色建筑，生態城的數量達到100個。而目前我國的綠色建筑推廣還不盡如人意，究其原因，還是因為綠色建筑的成本比較高［2］。文中主要運用主成分分析法來找到跟成本相關的因素，接著對全壽命周期成本進行估算，進而從各個方面來對成本進行分析。

1　綠色建筑全壽命周期成本構成

綠色建筑全壽命周期的階段劃分不同，內容構成也就不同，而為了便于更深入的理解綠色建筑成本理論，考慮到我國綠色建筑的特征以及目前所存在的綠色建筑全壽命周期的階段劃分情況，綠色建筑全壽命周期在本文中主要被劃分成五個階段：決定階段，規劃階段，施工調整階段，經營階段，拆除階段。

本文將綠色建筑全壽命周期成本分為五個階段，每個階段的內容整理圖1所示。

圖1　綠色建筑全壽命周期成本階段Fig.1 The stage of eco-friendly building in life cycle

2　綠色建筑全壽命周期成本影響因素

2.1綠色建筑成本影響因素分析

在對綠色建筑成本的影響因素進行分析的時候，應當注意它與傳統建筑成本分析之間的區別。傳統的建筑成本的主體是投資方，通常考慮的是項目規劃以及項目施工兩個階段對成本的影響。而綠色建筑成本的主體是企業，客戶以及社會。綠色建筑成本貫穿整個全壽命周期，所以在研究綠色建筑成本影響因素的時候，應當考慮更多種類，更大范圍內的因素。除此之外，由于綠色建筑的特殊性，維修方式和建材價格也應當考慮到綠色建筑成本影響因素中。

在選擇影響因素的時候，應當盡量選擇那些靈敏度高的因素。我們將選擇因素時應當遵循的原則整理如下：統籌宏觀微觀、操作性強、定量定性、競爭原則、普遍性、針對性。

綜上所述，結合綠色建筑的特點，可得到對綠色建筑成本產生影響的24個因素如表1：

表1　影響綠色建筑成本的因素Table 1 Influence factors on the cost of eco-friendly building

2.2分析成本影響因素的關鍵性

本文中對綠色建筑全壽命周期成本的影響因素，使用主成分分析法進行關鍵性分析。對相關的建筑企業的80位管理人員進行問卷調查，然后，用Spss軟件處理調查數據，進行主成分分析法，可以得到如下表2結果。

表2　各因素的總方差Table 2 The total variance of all factors

從上表中可以看出，其中S2，S4，S5，S6，S7，S13，S15，S16這八個因子的特征值在1之上。因為本文中選取的因素比較多，所以我們選擇特征值較大的前六個S2，S4，S5，S6，S7，S13作為主成分來進行分析，用方差極大的時候，正交旋轉這六個主成分，可得到因素矩陣，如下表3。

表3　因子載荷矩陣Table 3 Factor loading matrix

分析這些影響因素對主成分的影響程度，可得到主成分與各個因子的關系如下：

P5=0.0653S13+0.741S16-0.667S3-0.737S20；P4=0.642S6+0.739S9；P6=0.779S13+0.801S9；P13=0.638S4+0.678S7+0.720S17；P2=-0.746S16；P7=0.767S11

綜上所述，我們可以得到六種關鍵的影響因素，分別為政策法規，項目目標，材料成本，施工水準，該地人文環境，綠色建筑技術。

3　綠色建筑全壽命周期成本估算方法

成本估算是綠色建筑全壽命周期成本研究的主要組成部分。本文中所采用的方法是，先使用模糊識別方法進行項目成本的初始化，之后，用蒙特卡羅法來對建筑項目未來的經營維護成本進行估算模擬，以此建立綠色建筑全壽命周期成本模型。

3.1模糊識別方法介紹

模糊估算的過程如下：

3.1.1確定項目特征指標及其隸屬度綠色建筑項目的特征可以用n個指標來表示，常用的指標有樓層數量，樓層高度，墻體，墻面，樓梯，地面，裝飾，門窗結構，建筑結構，基礎種類等，我們將這些指標表示為H=｛H1，H2，H3，H4，...Hn｝。特征指標的隸屬度則是由專家打分和工程造價統計來決定的，隸屬度大的，表示該項目的施工過程很困難，周期長，原料耗費大，隸屬度小的則相反［3］。

3.1.2模糊貼近度常用的計算模糊貼近度的方法有：最大最小法［4］，汪氏貼近度［5］以及海明貼近度。

1）最大最小法其中特征指標Ti和Tj的相似系數表示為tij，而其相對應的隸屬度值分別表示為wik，wjk。

2）海明貼近度

3）汪氏貼近度

其中M⊕N是項目M與項目N的外積，表示兩者之間的隸屬度取大后取小。M·N表示項目M與N之間的內積，與外積相反，內積是先取小后取大。

4　估算項目初始化成本

第二步中的模糊貼近度值越大，代表擬定的項目與典型的項目模型越接近。將擬定項目中模糊貼近度值最大的三個表示為Q1，Q2，Q3，，而這三個隸屬度值最大的項目1，2，3的單方造價則表示為R1，R2，R3，利用指數平滑方法來計算項目W的初始化成本，擬估項目W是項目1，2，3中擬估項目。我們引入系數β來進行調整誤差。與β相關的經驗計算公式如下：

在公式4中，擬估項目的工程特征描述系數為Hbg，而項目1，2，3所對應的項目的特征描述系數為Hr1，Hr2，Hr3。把Hbg，Hr1，Hr2，Hr3放一起，假設四個值中最大的值為1，那么，與1相比所占的比例可以表示其他項目的模糊關系系數。綜上所述，擬估項目W初始化建設成本計算公式為：

4.1蒙特卡羅法

蒙特卡羅法又被人稱作統計模擬法，隨機試驗法。在綠色建筑中，未來成本非常不固定，所以使用蒙特羅卡方法來估算未來成本。未來成本包括運營、維護以及殘值等三個方面，計算公式如下：

式中，PV代表折現系數；t，η代表時間變量和折現率；PVsum代表現值的總和；S代表建筑的殘值；M代表維護成本，包括每年成本，修葺，更換的成本；U表示經營成本，包括衛生成本，耗能成本等；D0表示最初的工程投資成本，包含地皮成本，設計成本，施工成本等。

4.2全壽命周期估算模型

根據上述的模糊識別方法和蒙特羅卡方法，綠色建筑全壽命周期成本的估算模型為：

參考文獻

［1］仇保興.中國綠色建筑行動綱要［J］.綠色建筑，2011（3）：4-5

［2］張巍，呂鵬，王英.影響綠色建筑推廣的因素：來自建筑業的實證研究［J］.建筑經濟，2008（2）：26-30

［3］洪江，高鵬.模糊識別在工程造價估算中的運用［J］.價值工程，2008，27（9）：126-129

［4］孫慧香，韓曉暉，楊文星.談模糊聚類分析在工程造價估算中的運用［J］.建筑經濟，2008（S2）：41-43

［5］汪培莊.模糊集合論及其應用［M］.上海：上海科學技術出版社，1984

基于CC1110芯片構建的無線煙—溫復合式高層建筑火災自動報警系統原理框圖如圖1所示。

2.1數據采集終端

數據采集終端包括無線通信模塊及其他外圍電路、電源模塊、傳感器模塊，晶振模塊。同時，本研究選用煙霧、溫度兩種傳感器來設計本報警系統的數據采集終端［6］。

2.1.1溫度探測傳感器本系統溫度傳感器采用的是SHT10溫濕度傳感器，該傳感器采用溫濕一體傳感結構，由相對濕度傳感器、溫度傳感器、校準存儲器、14位A/D傳感器、信號放大器和I2C總線接口構成。具有體積微小，功耗低，可靠性與穩定性高的特點。本系統傳感器數據采集節點的設計框圖如圖2所示。

圖1　新型無線報警系統框圖Fig.1 Neotype wireless alarm system

圖2　溫度傳感終端電路框圖Fig.2 Circuit of a temperature sensor terminal

2.1.2煙霧探測傳感器由于煙霧探測和氣體探測的原理和結構相同，本系統采用的是MQ2氣體傳感器適當改進替代煙霧傳感器。煙霧傳感器的加熱電壓為5 V，采用該電壓對MQ2供電。煙霧傳感器MQ2將數據送到CC1110中進行轉換后，通過天線發送出去。煙霧傳感器終端電路框圖如圖3所示。

2.2分站接入節點

分站接入節點由RS232串口模塊、無線通信模塊及其他外圍電路、電源模塊組成（圖4）。

圖3　煙霧傳感終端電路框圖Fig.3 Circuit of smog sensor terminal

圖4　分站接入節點結構框圖Fig.4 Structure of various modules

3　高層建筑無線火災報警系統軟件設計

3.1系統工作流程

設計采用模塊化編程，通信協議為自定義。軟件設計包括初始化模塊、傳感器模塊、無線通信模塊三部分。系統軟件流程圖如圖5所示：

圖5　系統流程圖Fig.5 The structure of the system

3.2系統信號處理

本系統的節點引入信息傳輸差錯控制技術，以確保數據傳輸的可靠性。本系統CC1110模塊前向糾錯方案采用卷積碼結合交織技術，以減少在靈敏度極限操作時所產生的總的比特誤差率（BER），即在較低的SNR（信噪比）時也可以有正確的接收，從而使得系統的傳輸范圍擴大。

3.3基于SVR的火災報警算法研究

在采用信道編碼技術保證系統數據傳輸可靠性的同時，針對傳統火災報警算法在較復雜環境（如蒸汽、粉塵等）中，多種傳感器復合的火災信息（如煙—溫復合火災探測）處理時容易產生誤報（誤判）、漏報的問題［7］。本研究引入支持向量機回歸機（SVR）智能火災報警算法，進行火災報警系統中報警算法（即信息處理算法）的改進。

SVR建模的原理：SVR的建模思路與SVM分類相似，只需引入損失函數理論。損失函數是模型對學習誤差的一種度量。標準SVR通常采用?-不靈敏度損失函數，如式（1）所示。

式中，?為不敏感系數，用于控制擬合精度。

在使用?-SVR進行建模中，需要確定的關鍵參數包括：懲罰系數C，不敏感損失函數參數?和核函數參數g。懲罰系數C的選擇應盡量降低算法的復雜度，避免過度擬合。只有選擇恰當的核函數參數g，才有可能得到推廣能力最佳的SVM學習機，即得到推廣能力最好的分類超平面。此外，研究發現，參數g的大小對支持向量的個數影響不大。同時，為取得函數泛化能力和擬合精度之間的平衡，?通常取一個較小的正值。

3.4基于SVR的高層建筑火災報警模型研究

本研究基于建立的高層建筑復合式火災報警系統軟硬件平臺，嘗試采用SVR算法，通過對高層建筑煙霧探測信息、煙霧上升速率探測信息、溫度探測信息、溫度上升速率探測信息四種信息的綜合處理，準確給出其火災發生的概率，進而及時判決其火災是否已經發生［8］。

利用SVR建模進行高層建筑火災報警的基本原理，即將煙感探測信號、溫感探測信號作為支持向量回歸機的輸入，將明火發生概率、陰燃火發生概率分別作為支持向量回歸機的輸出，構建一個多輸入、單輸出的高層建筑火災SVR報警算法模型。建模的基本思路：將信號輸入值xi（i=1，2，...，n），映射到一個高維特征空間φ（xi）。將原非線性模型轉化為特征空間的線性回歸模型，如式（2）所示：

式中，ω，b為待定參數。對式（2）中的參數進行處理，結果如式（3）所示

為便于求解，將式（4）轉化為其對偶問題，則可得非線性函數f（x）：

式中：αi和α*i為支持向量參數，是核函數。本研究選用徑向基核函數：

將式（6）代入式（5）中，經過等價交換可得到式（7）：

式中：SV為支持向量集，f（x）為輸出向量集。

其中，懲罰系數C，不敏感損失函數參數?和核函數參數g的選擇見SVR參數選擇部分。

4　系統測試

本文設計開發的基于CC1110芯片的高層建筑新型無線火災自動報警系統，在工作頻率433 MHz下進行實驗。系統測試時，制作2個溫度傳感器和2個煙霧傳感器作為數據采集終端，1個分站接入節點匯聚網絡數據，1臺便攜式電腦。在正常工作環境下和模擬火災環境下，分別觀察測試結果。

經過測試，系統傳感器、分站接入節點和上位機軟件均工作正常，在無障礙物的情況下，系統報警距離約100 m，火災報警時延2～3 s，報警時延小，符合設計要求。本系統的設計主要功能有：

（1）火情探測功能。在實際使用中，用戶可根據不同的防火場所，選用溫度探測、煙霧探測中的一種或兩種組成復合火災探測傳感器，對火情進行實時的監測。

（2）無線數傳功能。當有火情、系統故障等異常情況發生時，各探測傳感器能將采集的信號處理后及時發送到分站接入節點，分站接入節點再通過RS232串口或無線傳輸將數據送至軟件服務器，軟件服務器對收到數據進行存儲、識別、判決和報警。

（3）聲光報警功能。當確定有火情產生、故障等異常情況發生時，報警器可進行聲光報警。當處于火災報警狀態時，火警指示燈點亮。

5　報警系統實驗分析

5.1實驗平臺的搭建

以50 cm×50 cm×50 cm的箱子模擬高層建筑中的一個普通房間，房間（箱子）前方設置一個房間門，兩側設有窗口，做實驗的時候關閉門和窗。在下一次實驗前，打開門和窗進行通風，使箱體內部環境與周圍環境一致，以免前后實驗間的互相影響。實驗前，將易燃的木材刨花從房間門放入房間（箱子）底部中央，四個火災探測器安裝到房間（箱子）頂部，并均勻布置。火災探測器向監控平臺傳輸數據，通過人機交互界面，上位機可以實時監測并顯示該房間的火情情況。

圖6　實驗平臺Fig.6 Experimental platform

5.2系統實驗

實驗在室內環境進行，實驗過程中，首先在標準環境下對系統再次進行靈敏度校驗。系統檢測室溫結果為20℃，與實際建筑室內溫度一致。為了保證實驗結果的準確性，實驗前進行30 min的開窗通風，系統監測的空氣中煙霧顆粒濃度為50 ppm左右，監測結果與用專用檢測儀監測的實際環境情況一致。隨機選取煙、溫傳感器各一個，導出系統正常工作環境下的30組監測數據。

在系統的Option選項中，預先設定當系統判定該建筑室內環境發生火災異常的可能性大于50%時，系統自動進行聲光報警。系統的監測結果如圖7和圖8所示。

圖7　溫度變化系統監測結果Fig.7 Resultsofsystemicdetectionfortemperaturevariation

圖8　煙霧濃度變化系統監測結果Fig.8 Resultsofsystemic detectionforsmogconcentrations

從圖7和圖8的監測結果可以發現，如果采用單一的煙感或溫感探測器進行報警，存在明顯的不足。例如，以圖8溫度變化系統監測結果為例，燃燒已經進行了約20 s，但室內環境溫度依然較低，系統并不會發出報警，因此，如果實際火災中，若等到系統發出報警，可能火災早已大面積蔓延開了。而如果采用單一煙感探測器進行報警，以圖8煙霧變化系統監測結果為例，由于燃燒比較充分，40 s后煙霧濃度明顯降低，系統報警解除，但實際上火情可能并沒有得到完全控制。

實驗結果表明，本研究所設計開發的基于SVR算法的高層建筑無線復合式火災報警系統，實驗數據采集實時正確，報警及時準確。

6　討論

本研究開發的高層建筑火災風險未確知綜合評價系統，實現了高層建筑火災的預防性。但是，如何在本研究所設計開發的新型無線高層建筑火災報警系統基礎上，進一步設計開發其無線消防聯動控制系統，實現高層建筑火災無線自動報警及消防聯動系統一體化，是有待進一步研究的另外一個課題。

7　結論

本研究設計開發了一種基于無線通信的新型煙—溫復合式高層建筑火災自動報警系統，并引入了前向糾錯信道編碼技術和基于支持向量回歸機（SVR）的智能火災報警算法，實現了對高層建筑火災的實時監測和準確報警。通過系統測試和實驗分析，驗證了該系統的可靠性，以及對高層建筑火災監測和報警的適用性。

［1］吳劍豪.某高層建筑火災自動報警系統設計［J］.智能建筑與城市信息，2011，173（4）：88-91

［2］Derbel F. Reliable wireless communication for fire detection system in commercial and residential areas［J］. Wireless Communications and Networking，2003（1）：654-659

［3］張鍵.基于神經網絡算法的火災探測系統的研究［J］.數字技術與應用，2013，10：130-132

［4］牛躍林.高層建筑火災風險評價及評價軟件開發應用研究［D］.淮南：江西理工大學，2007

［5］段彥頻.無線煙霧探測及自動報警傳感器設計［J］.中外建筑，2006（2）：95-96

［6］楊鵬云，你云峰，宋學青，等.基于CC1110的點對多點無線通信系統［J］.云南大學學報：自然科學版，2009，31（S2）：304-307

［7］Gottuk DT，Peatross MJ，Robv RJ. Advanced Fire Detection Using Multi-signature Alarm Algorithms［J］. Fire Safety Journa1，2002，37（4）：381-394

［8］楊玫，劉瑜，孔波.SVR模型參數選擇方法的研究［J］.計算機時代，2009（11）：53-55

The Cost Estimation for Eco-friendly Buildings in Life Cycle

HE Xiang-tong

Zhejiang College of Construction，Hangzhou 311231，China

Abstract：An eco-friendly building is a popular construction style to pay attention to the combination with building，environment and society，therefore it is important to estimate the cost of building. This paper firstly analyzed the components of eco-friendly building and their function with the principal component analysis and then established the cost estimation model of eco-friendly building in life cycle with the methods of fuzzy recognition and Monte Roca Law in order to provide a basis for investors when they were making decision of eco-friendly building.

Keywords：Eco-friendly building；life cycle；cost estimation

中圖法分類號：［TU-9］；F224.5

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0456-04

收稿日期：2015-02-20修回日期：2015-04-02

作者簡介：何向彤（1964-），女，碩士，實訓部主任、副教授.研究方向為建筑經濟管理、教育教學管理. E-mail：zjjyhxt@126.com