基于ISM的工業化建筑標準體系模塊構建★

王富強 蘇義坤

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

我國的建筑業目前處于從傳統產業向現代產業化轉型升級的階段。作為國民經濟的支柱產業之一，與發達國家相比，中國建筑業仍然以現場施工方式為主，工業化程度較低，導致整個行業建筑效率低下、能源消耗高，主要是由于缺乏健全的標準體系來指導工業化發展的標準化[1]。目前國家投入了大量的人力物力及財力，組織開展了多項工業化建筑重大重點科研項目研究，為推進工業化建筑工程建設標準化工作奠定了堅實的基礎。

在2016年8月，國家制定了“綠色建筑及建筑工業化”重點研發計劃，其中“建筑設計與建筑設備子標準體系研究(2016YFC0701605)”課題旨在構建工業化建筑標準體系，給工業化建筑標準化建設提供規范，從而引導我國工業化建筑的健康發展。

本文運用了一種基于解析結構模型(ISM)的工業化建筑標準體系模塊劃分方法。通過分析標準之間的關聯度，構建標準空間模型，組建原始模塊，然后根據模塊化理論中的高內聚低耦合的原則，對初始模塊進行優化，得到最終合理的模塊[2]。

1 基于ISM的原始模塊規劃

1.1 對標準的關聯性進行分析

解析結構模型方法以矩陣形式描述系統的邏輯關系。首先通過分析標準之間的關聯性，構建標準關聯矩陣，然后通過對標準相關矩陣的變換和計算，把復雜的標準體系分解成簡單的模塊或者子模塊，從而挖掘到模塊之間和模塊內部標準之間的隱含信息，為下一步的模塊劃分奠定基礎。

標準體系中所有標準之間的關聯交互關系組成了標準體系模塊之間的邏輯關系。把標準之間的交互關聯概括為范圍關聯和對象關聯[3]。根據標準體系特點將各關聯關系分為范圍關聯和階段關聯，從而避免了各關聯關系的交叉。范圍關聯即根據結構形式和建筑類型區分標準適用的范圍；階段關聯就是一個模塊的標準在實現一個工程具體某個過程時的規范和引導功能時發揮的相互作用關系。

1.2 構建標準體系量化的ISM關聯矩陣

分析兩個標準之間的關聯性時，需要綜合考慮這兩個標準交互的關聯要點。因為，在標準體系中關聯要點之間的關聯程度存在差異，ISM都是在元素之間映射為二元布爾矩陣的基礎上展開分析，只能表達兩個關聯要點之間的相互作用，無法表達關聯度。

為了達到準確實現標準體系關聯關系的信息化表達，將通用的解析結構模型升級為量化解析結構模型，根據標準之間的關聯特征，將標準之間的關聯強度用相對均衡數值0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0進行刻畫，其分別表示無關系、弱、中、強或不可缺。表1為自定義標準之間的關聯要點。

表1 標準關聯要點強度值定義

對于某一項范圍關聯，可參照某一項范圍要點，用0～1的數值表示兩兩標準之間在此范圍要點上的相關程度，并把此值作為范圍關聯要點強度[4]。對于某一階段關聯，參照階段要點，用0～1的數值表示兩兩標準之間在此范圍要點上的相關程度。

由于工業化建筑標準體系的層次性，所以在進行模塊劃分時需要分步驟劃分，第一層先劃分范圍，主要分為以下四個模塊，鋼筋混凝土結構、鋼結構、木結構、建筑設備。劃分為這四個模塊后再運用解析結構模型劃分下一層模塊，主要劃分為設計、施工、驗收、運行維護和管理。工業化建筑標準體系關聯要點及權重值，詳見表2。

表2 工業化建筑標準關聯要點及其權重值

把任意兩個標準α，β之間各關聯要點的加權平均值rαβ定義為兩個標準的綜合關聯度：

(1)

將標準綜合關聯度構建成ISM關聯矩陣Rn=[rαβ]N×N。

2 形成初始模塊

設N個標準構成標準體系，編號為X={x1,x2,…,xn}，以下是初始模塊形成的步驟：

1)布爾化標準體系關聯矩陣。

先選取截取值ε，然后由式(2)所示：

(2)

布爾化解析結構模型關聯矩陣得布爾矩陣A=[aαβ]。如果aαβ=1，則得出標準α對標準β有直接影響；反之aαβ=0，則得出標準α對標準β無直接影響。

2)依據關聯矩陣布爾化后求得可達矩陣。

設Aj=(I∪A)j(其中，A為單元矩陣)，當j>n0時，如果有Aj=Aj+1=…=An，那么可達矩陣Qe=Aj+1。其中算子∪是邏輯和，即a∪b=max{a,b}。

4)初始模塊的形成。

以強連通子集合中的標準編號為依據，劃分得到一個標準的集合模塊，剩余的其他標準劃分為一個集合模塊，從而形成初始模塊。

3 標準體系模塊的優化重組

數學模型。模塊劃分一般有內聚度和耦合度兩個評價指標，一個高效而全面的標準體系一定是具備高耦合和低內聚的，耦合度低說明模塊具有較高的獨立性，模塊之間存在很小的影響，能夠給模塊的修改和重組提供條件，內聚度高說明模塊內部的標準相互聯系，具備較高的聚合度，給模塊內部各標準的緊密結合提供條件，因此模塊能夠獨立地發揮指導、約束作用。ISM分解是以模塊內聚度最大、模塊耦合度最小作為最終的優化目標,建立起模塊化分解數學模型[5]。

設Q為標準體系的抽象模型，把Q分解為P個獨立的標準，則Q的標準空間集合為Q={t1,t2,…,tk}；同時把標準體系Q分解成L個標準模塊W1，W2，…,WL，則Q=W1∪W2∪…∪Wl∪…∪WL；第l個模塊的標準數是Dl，那么模塊l的標準空間集合是Ml={t1,t2,…,tDl}。

設X=[xαβ]P×L，

其中,

(3)

模塊內標準關系的緊密程度是衡量模塊內部內聚度的主要依據，根據標準的關聯度劃分標準體系模塊，標準關聯度大的歸到同一模塊，定義第l個模塊的聚合指數：

(4)

其中，rmax為關聯矩陣Rn中的最大值。

標準體系所有模塊的內聚度為：

(5)

根據一模塊內的標準與另一模塊內的標準之間的關聯度獲得模塊耦合度。定義兩模塊r,δ間的相對耦合指數。

(6)

其中，rmax為關聯矩陣Rn中的最大值。

標準體系模塊間的耦合度為：

(7)

對WC和WS進行數據處理，增加了指標值的可比性，結合標準體系模塊的聚合度、耦合度，把WC和WS進行線性加權作為目標函數得到優化數學模型及其約束：

maxF+mCWC+mS(1-WS)

(8)

(9)

(10)

xαl=1or0,α=1,2,…,Q,l=1,2,…,L

(11)

ML≤K≤MU

(12)

mC+mS=1

(13)

其中，ML為最小模塊數，取值為2；MU為最大模塊數；mC為WC的權重;mS為WS的權重。

4 結語

本文運用以ISM為基礎的工業化建筑標準體系模塊劃分方法，通過分析標準之間的關聯度，對標準進行優化重組，形成初始模塊，通過給出內聚度、耦合度的計算公式，提供模塊優化的評價途徑。通過本文所述方法的運用，能夠將工業化建筑標準體系劃分為較為合理的模塊，同時，各模塊滿足高內聚低耦合的原則。

參考文獻:

[1] James T.Standardization Strategy for Modular Industrial Plants[J].American Society of Civil Engineers,2015,141(9):04015026.

[2] MuGamad faiz musa.Industrialised Building System Modular System (IBSMS)[J].Procedia-Social and BeGavioral Sciences,2016：222.

[3] 程賢福,陳 誠.基于設計關聯矩陣與可拓聚類的產品模塊劃分方法[J].機械設計,2012,29(1):5-9.

[4] 丁力平,譚建榮.基于解析結構模型的產品模塊構建及其優化[J].計算機集成制造系統,2008(6):1070-1077.

[5] 劉晉飛,陳 明.基于多Agent的產品模塊化協同設計策略[J].計算機集成制造系統,2011,17(3):560-570.