基于全壽命周期理論的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)

楊 蘇,江影影

(1.安徽建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑經(jīng)濟(jì)與房地產(chǎn)管理研究中心，安徽 合肥 230601)

近年來，我國(guó)建筑業(yè)的飛速發(fā)展加速了環(huán)境資源的消耗，如何降低資源的消耗率、提高資源的利用率，成為人們共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大規(guī)模推廣裝配式建筑成為當(dāng)前關(guān)鍵任務(wù)之一[1]。裝配式建筑指的是預(yù)制的部品部件在工地組裝而成的建筑，該建筑能夠有效節(jié)約資源、縮短工期、節(jié)能環(huán)保，是綠色建筑的典型代表[2]。裝配式建筑綠色度指的是全部的裝配式建筑活動(dòng)對(duì)環(huán)境的友好程度。

在2014年3月16日發(fā)布的《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》(2014～2020)中，明確提出我國(guó)要在“十二五”期間實(shí)現(xiàn)2%到50%的城鎮(zhèn)綠色新增建筑比，其新建的綠色建筑將達(dá)到10億平方米，20%的城鎮(zhèn)建筑要在“十二五”末期達(dá)到綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)。作為未來建筑的發(fā)展方向，裝配式建筑在建筑業(yè)受到越來越多的重視，其綠色水平與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。因此，通過制定合理的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)方法以促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展顯得尤為重要。

國(guó)外對(duì)于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展研究相對(duì)較早，近年來很多國(guó)家在綠色建筑評(píng)估體系研究上都取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。從20世紀(jì)90年代起，世界各國(guó)為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展理念紛紛建立了適用于本國(guó)行情的綠色建筑評(píng)估體系。其中，英國(guó)建立的BREEAM綠色建筑評(píng)估體系[3]、日本建立的CASBEE評(píng)估體系及美國(guó)頒布的LEED體系[4-5]推廣最為普遍，這些體系根據(jù)建筑業(yè)綠色發(fā)展影響因素構(gòu)建相關(guān)指標(biāo)，經(jīng)測(cè)算分析后反應(yīng)建筑的綠色水平，成為其他很多國(guó)家建立評(píng)價(jià)體系的依據(jù)。除系統(tǒng)性的研究評(píng)估體系外，B.G Scott[6]提倡資源的節(jié)約和能源的循環(huán)利用，并通過生態(tài)足跡法對(duì)建筑進(jìn)行綠色評(píng)價(jià)，對(duì)綠色建筑的發(fā)展有一定的促進(jìn)意義；Rouzbeh Shad[7]等通過案例研究提出了綠色建筑綜合評(píng)級(jí)工具，對(duì)以后的環(huán)境效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益有良好的改善作用，為今后相應(yīng)政策的制定提供有價(jià)值的參考。

中國(guó)早在2006年頒布了《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[8]。近幾年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于建筑綠色度的研究也逐漸增多，但大多集中于公共建筑、住宅建筑的研究，很少針對(duì)性地對(duì)裝配式建筑綠色水平進(jìn)行研究。例如胡云亮[9]通過模糊層次分析構(gòu)建了公共建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從經(jīng)濟(jì)性、功能性、生態(tài)性和舒適性4個(gè)方面分析公共建筑的綠色水平；黃璐[10]提出“影響層面-影響范圍-影響階段”3個(gè)層面的公共建筑綠色度評(píng)價(jià)體系；程凱[11]基于全壽命周期理論構(gòu)建了住宅建筑綠色度評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用多種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)并通過案例驗(yàn)證指標(biāo)體系的可行性。在對(duì)裝配式建筑綠色度的研究中，許多學(xué)者對(duì)其綠色度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，如魏明海[12]依據(jù)全壽命周期理論，運(yùn)用AHP和模糊綜合評(píng)價(jià)方法構(gòu)建了裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；朱百峰[13]等運(yùn)用ANP和灰色理論分析法，從環(huán)境層面、經(jīng)濟(jì)層面、管理層面和效益層面4個(gè)維度對(duì)裝配式建筑綠色性進(jìn)行了實(shí)證分析；曹志成[14]基于CRITIC和TOPSIS法對(duì)裝配式建筑綠色度進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。這些方法都較少考慮評(píng)價(jià)過程中出現(xiàn)的不確定性和模糊性，研究將C-OWA算子與熵值法進(jìn)行組合賦權(quán)，將物元理論引入云模型，實(shí)現(xiàn)定性到定量的轉(zhuǎn)換，建立基于云物元理論的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)模型，并以某裝配式建筑為例，驗(yàn)證模型的可行性。

1 構(gòu)建裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系的選取

研究通過整理相關(guān)文獻(xiàn)，分析已有研究結(jié)果中裝配式建筑綠色度影響因素，參考《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50378-2014)，依據(jù)全生命周期理論，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)輸、施工、使用與維護(hù)和報(bào)廢與回收5個(gè)階段對(duì)裝配式建筑綠色度進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。由于節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)保等因素在不同的階段都有影響，為簡(jiǎn)便計(jì)算，研究已忽略這些因素在其他階段的較小的影響。

(1)設(shè)計(jì)階段。由于在本階段，土地設(shè)計(jì)偏差、技術(shù)選取不合理以及與當(dāng)?shù)匚幕a(chǎn)生沖突都會(huì)引起后續(xù)施工過程中的資源浪費(fèi)，對(duì)建筑的綠色性產(chǎn)生一定的影響，所以該階段注重節(jié)地、技術(shù)與文化3個(gè)因素。

(2)生產(chǎn)運(yùn)輸階段。在預(yù)制件生產(chǎn)運(yùn)輸過程中，資源的不充分使用會(huì)造成環(huán)境施工過程中的耗能，CO2、SO2排放量及粉塵污染都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。所以，該階段注重節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保等因素。

(3)施工階段。該階段注重室外環(huán)境、節(jié)水、施工文明程度等。在施工過程中，加強(qiáng)節(jié)水器具的使用及水的回收利用、增加綠化面積、減少噪聲及建筑垃圾的排放均可在一定程度上增強(qiáng)建筑的綠色性。

(4)使用與維護(hù)階段。在裝配式建筑的使用與維護(hù)階段。應(yīng)注重室內(nèi)環(huán)境、運(yùn)營(yíng)管理和評(píng)價(jià)管理的影響，加強(qiáng)通風(fēng)和采光、提升管理、加強(qiáng)企業(yè)自評(píng)和居民反饋。

(5)報(bào)廢與回收階段。為加強(qiáng)裝配式建筑的綠色性，在最后的回收階段應(yīng)注重回收難易程度、建筑物使用壽命及廢棄物的處理。

具體指標(biāo)詳見參考文獻(xiàn)[12]，裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示(一級(jí)指標(biāo)5個(gè)，二級(jí)指標(biāo)14個(gè)，三級(jí)指標(biāo)26個(gè))。

1.2 權(quán)重的確定

目前關(guān)于權(quán)重的確定方法有很多，主要分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三類。主觀賦權(quán)法主要依據(jù)決策者對(duì)各指標(biāo)掌握的主觀信息進(jìn)行賦權(quán)，如專家打分法、AHP法、Delphi法、二項(xiàng)系數(shù)法等，已較早地被人們所運(yùn)用，但由于評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀隨意性較強(qiáng)，缺少客觀性，因此在應(yīng)用過程中受到一定的限制。如在運(yùn)用AHP法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)時(shí)，會(huì)由于缺乏創(chuàng)造能力而忽視了最好的方案，在指標(biāo)較多的情況下，矩陣龐大，難以完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。客觀賦權(quán)法相對(duì)于主觀賦權(quán)法來說，具有較強(qiáng)的理論依據(jù)和數(shù)學(xué)依據(jù)，主要將原始指標(biāo)之間的關(guān)系通過一定的數(shù)學(xué)方法來表示，不依靠于人的主觀思維判斷，其代表方法有熵值法、主成分分析法、CRITIC等，但是忽視指標(biāo)的實(shí)際屬性來確定權(quán)重，往往會(huì)出現(xiàn)得出的結(jié)果與實(shí)際相悖的情形。例如，熵權(quán)法所求得的指標(biāo)權(quán)重存在均衡化分配的缺陷。研究為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確，對(duì)比分析了主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的優(yōu)劣，采用C-OWA算子和熵權(quán)法組合賦權(quán)的方式確定各指標(biāo)的權(quán)重，所得結(jié)果科學(xué)合理。

有序加權(quán)平均(Ordered Weighted Averaging,OWA)算子[16]是通過重新排列決策數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同位置賦予不同的權(quán)重，從而大大減少極端值的影響。研究采用的是改進(jìn)后的OWA算子——基于組合數(shù)的有序加權(quán)算子(Combination Ordered Weighted Aveaging,C-OWA)，以實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)合理的賦權(quán)。但是通過C-OWA算子得出的指標(biāo)權(quán)重僅與其位置有很大聯(lián)系，結(jié)果存在一定偏差，而熵權(quán)法具有很強(qiáng)的客觀性。基于此，研究綜合C-OWA算子確定的權(quán)重(αi)及熵權(quán)法確定的權(quán)重(βi)以確定綜合權(quán)重(λi)，其主要步驟如下：

(1)C-OWA算子賦權(quán)。邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)n位專家根據(jù)同一層次指標(biāo)的重要程度打分，指標(biāo)C的指標(biāo)數(shù)據(jù)集可表示為(a1,a2,…,ai,…,an)，按照從大到小的順序重新排列數(shù)據(jù)集，并從0開始標(biāo)號(hào)得到

b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn，

即

(b1,b2,…,bi,…,bn)。

(1)

(2)

式中,m表示指標(biāo)因素的個(gè)數(shù)。

(4)計(jì)算相對(duì)權(quán)重。指標(biāo)Ci的相對(duì)權(quán)重αi為:

(3)

如果該指標(biāo)是正向指標(biāo)，即越高越好，則：

(4)

若該指標(biāo)是負(fù)向指標(biāo)，即越小越好，則：

(5)

計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵值ei為：

(6)

對(duì)于第i個(gè)指標(biāo)，rxi的差異越大，熵值就越小。令gi=1-ei，則gi越大指標(biāo)越重要。計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)βi為：

(7)

(6)結(jié)合C-OWA算子和熵權(quán)法，計(jì)算綜合權(quán)重為：

(8)

2 基于云物元理論裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)模型

2.1 云物元理論

云模型是定性與定量之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型[17]，并把不確定性集成在一起，形成一種定性與定量的映射。其分布形態(tài)表現(xiàn)為：正態(tài)云、梯形云、三角云等，由于正態(tài)分布的普遍使用，所以正態(tài)云的應(yīng)用最為廣泛。正態(tài)云可用Ex、En、He3個(gè)數(shù)字特征分別表示期望、熵和超熵。其中，期望Ex是最能代表定性概念的點(diǎn)值，即最能描述裝配式建筑綠色度等級(jí)的點(diǎn)值。正態(tài)云及數(shù)字特征圖如圖1所示。熵En揭示了隨機(jī)性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)性，既體現(xiàn)了裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性，又反映出裝配式建筑綠色度等級(jí)界限的模糊性。超熵He即熵的熵，體現(xiàn)出熵的模糊性和隨機(jī)性，表示裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)樣本的離散程度。

圖1 正態(tài)云及數(shù)字特征(Ex=0,En=1,He=0.1)

物元分析理論由我國(guó)學(xué)者蔡文提出，是思維科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)三者的交叉邊緣學(xué)科[18]。物元理論通過將事物、事物的特征以及表現(xiàn)事物特征的值統(tǒng)一起來，組成事物的基本元，體現(xiàn)事物定性與定量之間的關(guān)系，一般用R=(N,C,V)表示，如果事物的特征有多種，則用式(9)表示：

(9)

式中,V表示事物特征的值，其值具有模糊性和隨機(jī)性，既可由數(shù)值表示，又可以是區(qū)間值。

研究采用的云物元模型結(jié)合了云模型處理不確定性的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了物元理論中的不足之處，實(shí)現(xiàn)了定性到定量的轉(zhuǎn)換。云物元模型將式(9)中的V用(Ex,En,He)表示，表達(dá)式可改進(jìn)為：

(10)

2.2 裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的界限

研究所用的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50378-2014)，當(dāng)裝配式建筑綠色度綜合得分達(dá)到50分、60分、80分時(shí)，其綠色度等級(jí)分別為一星級(jí)、二星級(jí)和三星級(jí)。評(píng)價(jià)所得星級(jí)越高，裝配式建筑綠色度程度越強(qiáng)。研究通過詢問專家意見，整理相關(guān)研究成果并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到表2所示的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)界限。其中大量指標(biāo)如C2、C3、C4、C5、C6、C8、C13、C16、C17、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26均無法通過數(shù)據(jù)測(cè)得，研究參考《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)分規(guī)則，將這些指標(biāo)的等級(jí)界限按照得分50分、60分、80分定界。

表2 裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)界限

2.3 裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型

首先將上述裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)間數(shù)值用標(biāo)準(zhǔn)云模型參數(shù)表示，區(qū)間數(shù)值可以看做一個(gè)雙約束的空間[Cmin,Cmax]，云模型的參數(shù)值(Ex,En,He)可通過式(11)轉(zhuǎn)換得到[19]。

(11)

(12)

He=s,

(13)

式中,s為常數(shù)，其值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

由表2數(shù)據(jù)和式(11)、式(12)計(jì)算可得裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)界限標(biāo)準(zhǔn)云模型的參數(shù)Ex、En，具體結(jié)果如表3所示。

表3 裝配式建筑綠色度等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型

2.4 裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度向量

(14)

根據(jù)表(3)中的標(biāo)準(zhǔn)云模型的參數(shù)，得到關(guān)聯(lián)度矩陣K。

(15)

式中,n=26表示裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

評(píng)價(jià)向量B=λK，其中λ=(λ1,λ2,…,λm)為裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量。

3 案例分析

3.1 基于C-OWA算子和熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

以某市裝配式建筑項(xiàng)目為例，其主體采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制率達(dá)到50.9%。通過收集相關(guān)資料及專家意見，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，基于C-OWA算子和熵權(quán)法共同確定該指標(biāo)權(quán)重，具體指標(biāo)值及權(quán)重如表4所示。根據(jù)式(1)～式(8)，因篇幅有限，以一級(jí)指標(biāo)為例，6位相關(guān)專家采用十分制打分值如表5所示。

表4 某市裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)值及其權(quán)重

表5 一級(jí)指標(biāo)初始分?jǐn)?shù)值

以A1為例，用C-OWA算子和熵權(quán)法分別賦權(quán)：

(1)將6位對(duì)A1指標(biāo)打分值按從大到小排序得：b=(7.5，7.5，7，7，7，6.5)，n=6，根據(jù)式(1)得到加權(quán)向量為(0.031 25，0.156 25，0.312 5，0.312 5，0.156 25，0.031 25)。

(2)由式(2)得到指標(biāo)絕對(duì)權(quán)重為：

[7.5,7.5,7,7,7,6.5]T=7.078 1，

同理可得

(3)由式(3)可得絕對(duì)權(quán)重

(α1,α2,α3,α4,α5)=(0.186 8,0.223 9,0.212 8,.0191 8,0.184 7)。

(4)根據(jù)式(4)～式(7)得到熵權(quán)法賦權(quán)結(jié)果為：

(β1,β2,β3,β4,β5)=(0.160 9,0.276 9,0.272 1,0.174 2,0.115 9)。

3.2 計(jì)算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

運(yùn)用軟件Matlab計(jì)算各個(gè)指標(biāo)值相對(duì)于綠色度評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表6所示。根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重和關(guān)聯(lián)度，由評(píng)價(jià)向量公式B=λK可得到該項(xiàng)目評(píng)價(jià)向量B=(0.021 5，0.190 8，0.093 0)，根據(jù)隸屬度最大原則，可知該項(xiàng)目評(píng)價(jià)等級(jí)為二星級(jí)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)建筑施工消耗大量資源，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。在提倡可持續(xù)發(fā)展的大背景下，積極發(fā)展裝配式建筑刻不容緩，精準(zhǔn)衡量裝配式建筑綠色水平對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。裝配式建筑相比于傳統(tǒng)建筑的優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在某一階段，而應(yīng)該綜合全生命周期各個(gè)方面來考慮，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)裝配式建筑的綠色水平。研究基于全壽命周期理論，建立裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

裝配式建筑在生產(chǎn)運(yùn)輸階段和施工階段表現(xiàn)出來的綠色性優(yōu)于其他階段。裝配式建筑大部分的生產(chǎn)構(gòu)件都由工廠預(yù)制而成，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，大大減少了原始的現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆工作成本，避免了氣候原因造成的停工損失；在施工階段，充分展現(xiàn)了“四節(jié)一環(huán)保”的優(yōu)勢(shì)，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工的噪音及建筑垃圾的排放，大部分的作業(yè)都是由起重吊裝而成，減少了工人工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了文明施工，有利于環(huán)境的保護(hù)。由于裝配式建筑要求在設(shè)計(jì)階段就考慮好各方案，與傳統(tǒng)的建筑相差甚大，往往會(huì)由于設(shè)計(jì)不合理造成資源的浪費(fèi)，工人在使用和維護(hù)過程中缺乏專業(yè)的指導(dǎo)，效率低下，造成不必要的浪費(fèi)，影響了其在設(shè)計(jì)階段、使用和維護(hù)階段、報(bào)廢和回收階段表現(xiàn)出來的綠色性。因此，應(yīng)健全裝配式建筑市場(chǎng)發(fā)展機(jī)制，進(jìn)一步發(fā)展裝配式建筑在其他階段的綠色性以提高裝配式建筑整體綠色性。

研究從生命周期的各個(gè)階段對(duì)裝配式建筑進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有助于各階段問題的提出及改正。在確定權(quán)重時(shí)，采用C-OWA算子和熵權(quán)法綜合賦權(quán)，不僅減少了極端值的影響，還有效解決了單一賦權(quán)的偏好問題，在一定程度上縮小了誤差。在構(gòu)建模型時(shí)，對(duì)比分析了多種評(píng)價(jià)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用物元理論與云模型結(jié)合，較好地解決了評(píng)估過程中的不確定性，實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)問題從定性到定量的轉(zhuǎn)變，為以后的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)提供了較好的參考。最后，將建立的基于全壽命周期理論的裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系運(yùn)用于實(shí)際案例中，通過對(duì)具體項(xiàng)目的評(píng)價(jià)，證明了所建立的模型能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)裝配式建筑的綠色水平。

此外，建議在對(duì)裝配式建筑綠色度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)選擇與之相適應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，充分考慮南北地區(qū)氣候、設(shè)計(jì)等方面的差異，進(jìn)一步完善裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具現(xiàn)實(shí)意義。

表6 裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度