基于層次分析法的建筑群內環境指標體系研究

周 嚴，楊 川，吳爽謙，饒晶晶，黃小明，蔣 杰

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都 610500)

近年來，我國的綠色建筑發展越來越迅猛。在政府和市場主導制定標準的框架下，我國建筑綠色標準建設工作得到了長足發展，但是我國的綠色建筑后評價發展仍然發展緩慢，甚至部分地區仍處于停滯不前的情況，為此GB/T50378-2014《綠色建筑評價標準》中明確將綠色建筑評價指標分為設計評價和運行評價兩部分，著重突出了運行評價的重要性[1]。綠色建筑后評價方法成為推進建筑舒適度高質量、高要求發展的主要內容。目前國內外很多評價指標的設計與評價方法仍存在大量問題。本文旨在建立以區域為研究對象的綠色建筑后評價指標體系，進行相關的權重向量分析研究。為評估建筑的舒適度提供依據，并對使用后評價較差的建筑項目提供改進意見。

1 國內外研究現狀

隨著我國經濟從粗放型增長方式轉向集約型增長方式的過渡時期，加之相關政策的大力扶持，建筑建設環境也愈發綠色高效。但是由于我國建筑環境研究起點低、起步晚、發展緩慢，目前的提高仍舊不能滿足綠色建筑評估的相關指標評價。國內林波榮、肖娟[2]通過POE的研究方法對不同地理環境的11棟建筑進行了研究，表明：綠色建筑在進行綠色技術的引進時，應進行經濟技術的合理性分析，理性對待；自然通風和自然采光等綠色技術成本極低，但是收效極好，值得大力推廣；對能耗影響極大的人的行為模式應列為重點考察對象。國外很多國家的學者都針對性地制訂了符合本國環境標準要求的綠色建筑指標。Hazreena Hussein[3]使用五點Likert 量表對建筑進行調研，該表覆蓋各種建筑性能標準，其中主要包括了建筑元素、熱舒適、室內空氣品質、視覺舒適、聲覺舒適和景觀要素方面，研究結果表明個人主觀知覺和建筑性能標準之間有著積極的聯系。由此可見，建筑內環境舒適度主要服務于人的主觀感受，建立科學系統的建筑內環境后評價指標可以促進形成良好的內環境，大大減少建筑能源的消耗，為推動我國的可持續發展作出貢獻。

2 研究思路

本文研究思路在于運用目前越發成熟的BIM技術，對一個建筑群內的建筑物的室外環境進行模擬分析，首先建立起比較完整的評價指標體系，針對不同的指標層，利用問卷分析和層次分析法進行權重分析，然后對建筑群內建筑物不同部位的環境指征進行定義和量化計算。本文為首次研究成果，故只針對一級指標進行研究，更為詳細和深入的研究將在后續成果中發布。

3 指標確立

3.1 指標設置因素

隨著現代社會的不斷發展，人們生活和工作的方式發生巨大轉變，大部分人一天80 %的時間都會在室內，因此人們越來越關注建筑內環境的舒適度。舒適度是指人們對客觀環境從生理與心理方面所感受到的滿意程度而進行的綜合評價。舒適度會受各種因素影響，因個體差異而呈現不同結果。當前國內外綠色建筑評價體系，建筑環境評價指標眾多，例如：視野、空氣質量、通風、供暖、水資源、能源等各類因素。本次建筑群內環境評價指標體系的研究，選取的指標應具備以下特點：其一，在室內環境評價中具有代表性；其二，在建筑內環境中，由自然條件產生，有節能環保作用，人為不可控因素；其三，是人體能感受，根據個人感官度量的因素。參考國內外綠色建筑評價體系，確定四項一級指標，分別為風環境、光環境、熱環境、聲環境。

3.2 風環境

風環境是指室外自然風在城市地形地貌或自然地形地貌影響下形成的受到影響之后的風場。在建筑可持續發展戰略下，發展綠色建筑，充分利用自然能源成為大勢所趨。合理利用自然通風提高人們居住環境舒適度是重要方法之一。 炎熱季節，人們利用自然通風來帶走建筑內部的余熱、余濕，利用大量夜間和清晨的涼風增加建筑圍護結構以及室內家具的蓄冷量。同時，自然通風也帶來新鮮、清潔的空氣，既有利于降低室內污染物及二氧化碳濃度，又能滿足人們接觸自然的心理需要。此外，自然通風的湍動特性更具有自然特征，在同等條件下可以提供更加舒適的室內環境[4]。在國內外綠色建筑評價體系中，室內環境都有提到“空氣質量”，LEED中的控制項和60 %的評分項都是關于室內空氣品質的；而BREEAM中室內空氣品質和光環境的指標數量最多，分別包括1條控制項，評分項的權重各占54 %和23 %[5]。由此可看出風環境在節能中的益處，對人類心情，環境舒適度的影響，以及在綠色建筑評價體系中的重要性。

3.3 光環境

光環境是由光(照度水平和分布、照明的形式和顏色)、顏色(色調、色飽和度、室內顏色分布、顏色顯現)在室內建立的同房間形狀有關的生理和心理環境。人從外界獲取的信息主要依靠人體的視覺、聽覺、嗅覺、味覺等等，其中約有80 %的信息來自光和視覺，所以無論白天或黑夜，人類的生活時時刻刻都需要光[6]。光環境對人的精神狀態和心理感受也產生積極的影響。例如對于工作和學習的場所，良好的光環境能振奮精神和提高效率；對于休息、娛樂的公共場所，適宜的光環境能創造舒適、優雅、活潑生動或莊重嚴肅的氣氛。在20世紀70年代，經歷第一次能源危機后，許多發達國家意識到能源的重要性，“綠色照明”運動因此興起[7]。國內外綠色建筑指標體系中，也多次提到照明、視野、太陽光照射等相關指標項。室內光環境若極大限度地使用自然采光，這樣就可以充分節約能源，降低溫室效應，對建筑光環境質量的提高也有重要意義。從人類生活、環境保護上看，光環境是重要評價指標。

3.4 熱環境

熱環境是指影響人體冷熱感覺的環境因素。這些因素主要指室內空氣溫度、室內濕度、氣流速度和環境輻射溫度。室內熱環境舒適度是人對建筑環境最基本的要求之一[8]。據研究表明，室內熱環境的好壞會直接影響人們的舒適程度。例如，熱舒適的室內環境有助于人的身心健康，進而提高學習、工作效率；而過冷、過熱的環境中，則會感覺不適，影響健康，引起疾病甚至危及生命。縱觀國內外熱環境設計，大多都是通過供暖、通風和空調來維持建筑內環境溫度、濕度。在熱環境設計上，更加鼓勵通過地形選址，圍護結構材料特性等進行采暖、制冷。建筑室內環境不僅關系到人體的舒適度和健康，更關系到建筑能耗和污染物排放，影響城市、國家的可持續發展，所以熱環境舒適度的評價十分必要。

3.5 聲環境

在建筑中聲環境主要是噪音。從物理意義來說，噪聲是各種不同頻率和強度的聲音雜亂組合。隨著社會迅速發展，人們生活質量的不斷提高，工業噪音、交通噪音無時不在。建筑施工、車輛行駛，不可避免地會出現噪音污染，如若不采取有效措施，人們的正常學習、生活和工作，甚至身體健康都會受到不同程度的影響。人類長期地處于噪音環境中，不僅會在一定程度上損害聽力，還可能會誘發一系列的相關疾病[9]，如職業性聽力損失等。我國聲環境質量標準對一、二類聲環境功能區環境噪聲限值有明確規定。

4 問卷分析過程

本次項目主要采用線上與線下問卷兩種形式開展，共收集問卷3 368份，線上收集問卷3 028份，線下問卷340份。線上問卷主要采用網絡推送數據，能夠收集大量的數據，但是存在覆蓋范圍較大，數據可靠性較低的問題；線下問卷主要采用紙質文檔分發，實地分析數據有更好的可靠性，能夠科學真實地分析數據，但數據的基數小，收集困難。兩種問卷的數據需要互相借鑒來進行修正，調查問卷詢問了調查者對于四種建筑環境的重要性程度的認知，分別按照1～9分進行了打分，由此得出環境類型-分值如下表1。

表1 環境類型對應打分結果統計

其中對比問卷數據分析可知，在各類建筑室內環境中，風環境的問卷參與者有856人認為其重要性程度為分值7，占總數的25.42 %；光環境條件下，有928人認為其重要性程度為分值7，占總數的27.55 %；熱環境中，有784人認為其重要性程度為分值6，占總數的21.14 %；有1 056人認為聲環境的重要性程度為分值9，占總數的31.35 %。數據中可見，建筑室內環境各類影響因素最大占比分值分布如下表2。

5 層次分析法

5.1 層次分析法可行性分析

由于對建筑群內環境進行指標體系研究本就是一個十分龐大的問題，其中包含各類多層級的指標標準，如何將各層級的指標標準統一，綜合考量，是利用指標在評價建筑內環境所要面臨的首要問題。本研究將建筑室內環境評價指標體系劃分成三個主要層級，再對其進行詳細分析和整理。

表2 建筑物環境影響重要程度分值表

因此運用層次分析法可以有效地對各個層級指標進行定義和分析。

5.2 評估流程

本次評估要從主觀和客觀兩方面入手進行研究，通過層次分析法對定性問題定量化，建立起相應的評估體系，并對綠色居住建筑給予評估。

5.3 構造判斷矩陣

層次分析法的基礎在于人們對每一層次各元素的相互重要性給出的判斷，這些判斷用數值表示成矩陣形式，即判斷矩陣。判斷矩陣是層次分析法的出發點，構造判斷矩陣是層次分析法的關鍵一步。

可以令四個指標室內通風，室內采光，保溫隔熱，噪音依次為B1，B2，B3，B4。由于準則層指標Bi(i=1，2，3，4)是對目標層A有影響，構造判斷矩陣如下形式所示：

AB1B2B3B4B1b11b12b13b14B2b21b22b23b24B3b31b32b33b34B4b41b42b43b44

式中：bij=1/bji，bij表示對于A而言，bi相對于bj重要性的數值表現形式。利用Saaty于1980年根據一般人的認知習慣和判斷能力給出的元素間相對重要性等級表，目標重要性判斷矩陣中的元素bij∈[1，9]且bij∈N。

結合問卷調查的數據處理結果，以及本項目實際研究的成都地區，不同區域的實際情況。本研究項目為分析聲、光、風、熱四個指標對建筑內環境目標層的權重影響，利用層次分析法，得到四個指標兩兩之間重要性的比較矩陣，將指標所得分數兩兩相互作差，然后將差值與AHP標度從低到高相對應得到如下所示的判斷矩陣。

5.4 層次單排序

所謂層次單排序指的是根據判斷矩陣計算對于上一層某元素而言，本層次與之有聯系的元素的重要性次序的權值。它表示某層次所有元素針對上一層次而言的重要性進行排序的基礎。因此，根據判斷矩陣如何求得各因素Bi(i=1，2，3，4)對于目標層A的相對排序權重的過程稱為層次單排序。

5.4.1 層次單排序原理

5.4.2 計算方法

正如5.4.1所述，層次分析法的計算根本問題是如何計算矩陣最大特征根及其對應特征向量。判斷矩陣是人為主觀判斷的客觀定量描述，求解判斷矩陣要求保證其精度。本文在結合計算機在實踐中的應用，采用冪法[10]計算特征根，使得利用Matlab工具可以得到任意精確度的最大特征根及其對應的特征向量。這一方法的計算步驟為：

(1)任取與判斷矩陣B同階正規化的初值向量W0。

5.5 一致性檢驗分析

對于層次分析法的判斷矩陣，需要進行一致性檢驗后才可以確認其數據可靠性。所謂一致性，即判斷矩陣B有如下關系：

為了度量不同判斷矩陣是否具有滿意一致性，需要引入判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI值。對于本文涉及的4階判斷矩陣，其RI值為0.89。

5.6 結果分析

從此可以看出，對于問卷所覆蓋地區的民眾而言，最為看重的建筑物環境因素為聲環境，也即人們對于安靜的居住環境抱有最大的期望；而對通風和光照條件的重視程度是相同的；對于室內保溫散熱方面的重視程度是最低的。

6 結論與討論

本文對建筑群內環境評估的同時，融入了人的主觀感受，并在指標建立前期進行實地調研分析建筑內環境指標的主要影響因素，建立以人為本的綠色建筑舒適度環境指標體系；結合相關標準和地方性法規規范客觀的評價，形成客觀和主觀結合的評價指標?？梢钥闯鲇捎诒卷椖康攸c在素有天府之國之稱的成都地區，這里擁有全國其他地區難以企及的氣候條件，所以人們對于熱環境的重視程度反而是最低的，大家更希望在喧鬧的城市中獲得一個安靜的生活休息場所。這也就對建筑項目在選址和設計上建立了一個明確的目的。由此可以看出本文中的指標體系研究具有的現實意義。

(1)可以讓項目規劃和設計有更為明確的目的性，在成都地區，我們可以建議項目投資者應重點考慮建筑群落內的隔音設計，在建筑物節能設計中可以適當放寬對于保溫隔熱的要求。全國各地可以據此分別建立適用于本地區特色的環境指標體系，作為工程規劃設計的指導。

(2)此類環境指標分析可以做到個性化定制和需求推薦，我們可以設計出一個簡便的程序，只需要個人回答相關問題，即可快速分析其個性化需求，并為其推薦建筑物中適應于這一需求的房間位置。