基于模糊主成分方法的綠色施工管理評價體系研究

常瑞璠 王 旭 曲泳頤

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.大連理工大學經濟管理學院，遼寧 大連 116024)

1 概述

隨著我國建筑行業的快速發展和城市城鎮化的快速推進，越來越多的企業以污染環境為代價換取經濟的高速發展，建筑行業出現了低能效，高能耗，高污染，高排放等弊端。為滿足我國可持續發展的迫切需要，響應十九大提出的生態文明體制改革政策，全面推廣綠色建筑成為當前建筑業發展的重要任務之一。可見，建筑業的改革以及行業市場的轉型與綠色施工理念有著密切的關系，為了保證綠色施工有效的實施，必須要建立一套評價體系，為建筑業提供一個科學合理的評價工具。

現階段，國內外研究學者已經重視起了綠色建筑評價體系，并且建立了多種評價體系，BREEAM是英國的綠色建筑認證體系，LEED為美國的綠色建筑認證體系，而BlueAngel是德國以及北歐國家的綠色建筑認證體系等，但由于基本國情不同，其他國家與我國的法律政策，建筑管理方式，施工方式和機具設備有一定的差別，直接套用他國的方案無法直接準確地對我國的綠色施工管理做出評判。

此前對于綠色建筑施工評價的研究主要從某些特定的視角出發，張嬌[1]基于層次分析法對船舶綠色建筑設計方案進行評價；李宏軍等[2]針對綠色建筑的室內外環境以及用戶體驗等方面進行評估，包含了主觀和客觀評價因素；王欣怡等[3]從建筑的采光，耗能，通風，噪聲四個角度著手，提出了基于gbXML的綠色建筑評價標準；劉偉[4]立足于綠色施工的市場環境、生態價值、經濟效益及社會環境四個層面，以SEM為依托，建立綠色建筑發展結構模型，分析綠色建筑的驅動機理并提出相應對策。可以看出來，現今的研究大多從綠色建筑的實際使用，經濟效益，設計方案等方面建立指標，缺少有關與綠色施工密切相關的質量，安全，用地，用材等基本建設目標的考慮。現如今，已經有多種綠色施工評價模型，其中包含了灰色模糊評價法、熵權法、模糊綜合評價法以及層次分析法等[1]。但不同研究方法的使用在評價結果上會存在一定的差異,層次分析法在指標過多時，數據統計量大，權重難以確定；面對一些模糊性的評價對象時可以采用模糊綜合評價法，但如果指標集過大時，就會出現一種超模糊現象；如果想要得出簡單明確的結論，則可以利用聚類分析法，但如果樣本數量超過限制時，就會很難獲取到結論。基于以上研究，本文主要利用主成分分析法，因子分析法和模糊綜合評價法等，在保證評價結果的準確性、全面性與客觀性的基礎上進行綠色施工管理評估，并通過對工程實例的分析得出可行性建議。

2 主成分分析法

主成分分析法，采用線性變化以及降維思維，對變量進行簡化，使其成為數量較少的綜合變量。其中，通過主成分分析處理得到的綜合性指標即為主成分，這些綜合指標能保留原有指標的大部分信息，且互不相關，數量較少，能夠有效避免重復信息的干擾[5，6]，使之達成最優化的目的。主成分分析法主要步驟[7]如下：

步驟1：數據標準化處理。采集原始數據集，對于m個待評價的指標變量，每個指標都有n個評價結果，即樣本數據)，進行標準化處理：

(1)

步驟2：求解相關系數矩陣。設原始變量指標xi與xj的相關系數為rij(i，j=1,2,…,p),由相關系數rij構成的矩陣R稱為相關系數矩陣，則有：

(2)

變量xi與xj(i,j=1,2,…，m)，有rij=rji,形成了相關系數矩陣R。此外，也可以使用標準化的矩陣Z對相關系數矩陣R進行求解：

(3)

步驟4:對累計貢獻率進行計算，第i個主成分Fi的貢獻率可以使用αi來表示，具體計算公式為：

(4)

由于第i個主成分Fi的貢獻率αi隨著特征值λi的變化而同向變化，特征值λi的值隨著i的增大而遞減，因此有α1≥α2≥…≥αm≥0。對于前k個主成分的貢獻值累加后可得出累計貢獻值：

(5)

步驟5:計算主成分載荷。i個主成分Fi(i=1,2,…,k)與j個原變量Xj(j=1,2,…，m),主成分和原變量之間的相關程度被稱為主成分載荷，即原始指標變量Xj在多個主成分Fi上的荷載lij(i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)，荷載lij與特征向量e之間具有如下關系：

(6)

步驟6:主成分因子分析。根據所選定的主成分分析其主成分載荷值，選取主要控制因子作為模糊綜合評價的評價因子。根據特征值λ的大小選取前k個主成分F1,F2，…,Fk,對比各變量在Fi上的因子荷載li1，li2，…,lim,一般情況下，去頂第i個主成分中|lij|較大的變量作為影響主成分Fi的主要因素。

步驟7:確定權重針對上文求得的主要指標確定其權重值ω，并通過對主成分荷載lij與貢獻率αi進行分析，計算出關鍵變量的權重ω：

(7)

其中，r為選取關鍵指標數;ωj為第j個關鍵指標的權重值。

3 模糊綜合評價法

模糊數學還有另一種叫法，其也被叫做Fuzzy數學，能夠對模糊性現象做出處理和研究。此外，以模糊數學為基礎所建立的模糊綜合評價法，能夠對模糊性事務進行有效的綜合性評價，面對復雜性問題時其擁有非常的使用價值。模糊綜合評價模型的詳細計算步驟為以下：

步驟1:建立因素集與評語集。根據主成分分析所確定的r個主要指標建立評價對象的因素論域U={u1,u2,…,ur}；評價者對于評價對象的所有評價結果的集合構成了評語集V={v1,v2,…,vp}；若P=5，則評語集為：V={不合格，合格，中等，良好，優秀}。

步驟2：確定指標的隸屬向量。針對評價體系中的指標，發放問卷進行打分，第i個指標在各個等級的評價人數與總人數之比即為此指標的隸屬度，對第i個指標的隸屬向量進行確定，則為(ai1,ai2,ai3,ai4,ai5)。

步驟3：構建模糊關系矩陣。將r個主要指標放入到五個等級當中，通過隸屬向量構建出模糊關系矩陣A。

(8)

步驟4:確定指標的權向量。根據主成分載荷lij與方差貢獻率αi計算出的權重ω即為指標的權重值，所有主要因素的權重向量W=(ω1,ω2，…,ωr)。

步驟5：綜合評價。選用合適的模糊算子將權重向量W與模糊關系矩陣A合成運算，得到項目綠色施工管理的模糊綜合評價結果B：

(9)

對評價結果單值化處理，評價對象的最終得分B*為：

(10)

4 工程實例

東北地區某高校公寓樓建設項目，總用地面積7 744.1 m2，總建筑面積26 246 m2，其中地上建筑面積22 450 m2，地下建筑面積3 796 m2，容積率2.90，建筑密度20%，綠地率37%，建筑限高54 m，工程計劃開工日期為2020年7月20日，完工日期為2022年4月6日，工期共計625 d。

該工程地處高校校園，周圍存在大量建筑物與構筑物，且周圍人口密集，干擾因素較多，施工環境較為復雜，因而對環境有較高要求。為響應國家對環境保護的號召，該工程為高質量和綠色施工為首要要求，在滿足施工管理基本要求的基礎上力求全面實現節材、節水、節能、節地與環保的重要目標。安全綠色施工的管理難度較大，因此，根據該教學樓建設項目的具體施工情況和施工要求，構建出綠色施工管理評價指標體系，并對具體評估結果進行總結分析，確定施工過程的改善方向是十分必要的。

4.1 影響因素分析

在建筑施工周期當中，綠色施工是極其重要的一部分，通過合理的管理方式可以達到綠色施工的目的。施工啟動階段應針對整體施工要求和周圍環境制定一份切實可行的綠色施工管理體系，并制定相應的管理制度和管理目標，包括在規定期限內對現場施工人員進行綠色施工培訓，增強員工的綠色施工意識。施工方可參考相關的評價指標，結合工程施工具體情況，對現有的綠色施工的效果進行自評，并委派專家對施工過程中采用的環保技術，環保設備和新材料等進行綜合評估，以便施工方對存在的問題和不完善的技術措施進行及時地修正，為下階段綠色施工的順利開展提供經驗和教訓。

環境保護是實現綠色施工的首要措施，施工過程中可能出現的環境污染包括現場揚塵，地下水污染，噪聲污染等多個方面。基于該工程施工場地的特殊性，該項目施工過程中對現場及周圍的環境保護尤為重要。工業污水如果未經處理就擅自排放，會污染校園生活用水，增加地下水負荷。揚塵現象如果沒有及時處理會污染校園環境，危害師生和施工人員的生命健康。噪聲污染主要來自于不合理的施工進度安排以及大量的施工設備，長期的噪聲干擾會影響睡眠質量，損害聽力。可見，保護環境是實現綠色施工的一項重要內容。

節材與材料資源利用。節材與材料資源利用要求健全機械保養，建筑垃圾再生利用等制度，選取綠色環保的施工材料，優化建筑材料運輸流程，優化鋼筋連接辦法，合理安排施工順序，從全施工過程的角度建立健全材料選用情況。

節水與水資源利用。節水可以從提高水資源利用效率入手，包括優化施工現場供水網管設計，配置節水器具，采用節水施工工藝等。也可以合理利用水資源，包括對雨水進行收集利用，設立循環用水裝置，采用污水凈化處理及再利用裝置等方法，高效合理利用水資源，達到節水的效果。

節能與能源利用。在建筑的全壽命周期內都伴隨著能源的耗用，節能和提高能源利用率是實現綠色施工的因素。節能主要包括降低電能消耗和提高能源利用率。如合理配備臨時用電設施，施工機具資源共享，合理利用自然采光、通風，縮短建筑材料運輸距離等。

節地與土地資源利用。在該方面，施工中主要存在的問題是不合理的現場土地規劃。施工方應按照審批用地范圍布置施工用地，根據現場條件，合理設計場內交通道路。不合理的設備放置和道路規劃會造成施工現場安排雜亂，不利于現場動態管理模式的實施。

基于以上分析，選取包括進度、成本、質量、技術、安全、衛生、信息、環保、節材、節水、節能、節地等目標的47個指標進行評價。

4.2 工程綠色施工管理評價

1)使用SPSS軟件對指標的主成分以及因子做出分析，評估出綠色施工指標。由于各個樣本的變量得分采用5分制，所以無需進行變量的標準化處理，直接進行結構效度分析。為判斷因子分析法對本評分數據的可用性，在案例分析前需通過KMO和巴特利特檢驗對設定的47個管理指標進行相關性檢驗，以此來判斷該組數據是否可使用因子分析法進行分析。KMO和巴特利特檢驗情況如表1所示。

表1 KMO和巴特利特檢驗

利用SPSS軟件進行計算，最終顯示KMO值為0.788，大于臨界值0.5，Sig.=0，小于顯著性水平值0.05，測算結果表明該組數據適用于因子分析且相關矩陣為顯著相關的正向矩陣，如此一來，在擁有較高的變量相關性后，采用因子分析法對數據進行研究分析。

2)利用SPSS 17.0軟件對主成分進行研究分析，計算出相應的累計方差貢獻率以及特征值，如表2所示。

表2 總方差解釋

選擇出特征值大于1，還要保證累計貢獻率約達到85%的公因子，將其作為主成分，根據表2中特征值與累積方差貢獻率選取前3個成分作為綠色施工管理評價的主成分，對各個指標變量進行計算，選擇出前3個主成分，確認各載荷值。

3)對3個主成分進行旋轉，得出成分得分系數矩陣，如表3所示。

表3 成分得分系數矩陣

從表3可以看出，可以通過成分得分系數矩陣對不同因素影響下3個因子的差異化得分，然后采用回歸分析計算出各項主成分的具體得分，具體表達式為以下：

F1=-0.054x1+0.231x2-0.282x3+0.201x4-0.166x5+0.014x6-0.093x7-0.232x8+0.094x9-0.070x10-0.250x11+0.300x12-0.079x13。

F2=0.218x1-0.082x2+0.151x3-0.064x4-0.015x5+0.194x6+0.307x7-0.002x8-0.265x9+0.171x10+0.078x11+0.014x12+0.330x13。

F3=0.013x1+0.005x2+0.013 1x3+0.023x4+0.021x5-0.554x6-0.130x7+0.614x8+0.003x9+0.113x10+0.036x11-0.349x12-0.174x13。

其中，(F1,F2,F3)為主成分，將其方差貢獻率在總方差貢獻率當中的比例實現加權平均，得出綜合指標得分公式：

F=(0.65F1+0.12F2+0.08F3)/0.85。

計算各個指標變量在所選取的3個指標上的載荷值，可得出綠色施工管理指標體系與指標權重。通過對各主成分回歸分析處理，計算綜合指標得分，計算模糊隸屬向量，可得評價結果等級為良好。

5 結語

使用主成分分析法既能在保留原始信息的同時消除指標間的相關影響，對降維處理后的指標體系進行模糊綜合評價也能有效避免指標過多產生的超模糊現象，對評價向量進行回歸分析并對主成分進行加權計算，進一步消除誤差。此方法充分發揮主成分分析與模糊綜合評價的優點，保證了評價的科學有效，具有創新價值。

東北地區某高校公寓樓項目的綜合評價結果等級良好，對其進行結果分析，此工程在綠色施工專項方案的編制、施工過程中動態管理、施工總平面圖布置的合理性與質量檢查制度的管理等方面評分較高，在噪聲控制、材料選擇、信息化施工與綠色施工創新性技術的使用情況等方面評分較低，這也是本項目的改進方向。