基于云物元模型的深基坑綠色施工等級評價研究

高志國，陳為公,2,*，楊慧迎

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

深基坑建設工程作為發展高層和超高層的基礎工程，可以有效緩解城市空間緊缺的狀況。但大規模的深基坑工程存在環境污染嚴重、重復利用率低、資源消耗量大的弊端，嚴重背離了我國的可持續發展戰略，因此對深基坑工程進行綠色施工刻不容緩。在此背景下為使深基坑綠色施工健康持續發展，對深基坑綠色施工等級進行研究具有重要實踐意義。

綠色施工是指工程建設中，在保證質量、安全等基本要求的前提下，通過科學管理和技術進步，最大限度地節約資源并減少對環境負面影響，實現“四節一環保”的工程施工活動[1]。國外學者CHARLES J Kibert[2]開啟了綠色施工研究的先河，他提出用可持續發展理念指導項目的各個過程，從而實現節約資源和保護環境的目的。WELL Landa和WELL Robet在“聯合國環境發展大會”上首次提出“綠色建筑”，此后綠色施工成為施工階段的主流發展方向[3]。隨著綠色施工熱度的增加，國內也開啟了對綠色施工的研究，研究主要集中在施工技術和施工評價方法兩方面。在綠色施工技術上，王慰佳等將關鍵施工技術和綠色施工標準規范相結合，對施工過程做出具體指導[4]；劉衛未等從施工的部署、措施及新技術等角度分析，得出先進的技術和管理經驗可以有效解決綠色施工過程存在的問題[5]；馬中軍等將BIM引入到施工工藝中，有效避免了施工破壞環境和浪費資源的現狀[6]。在綠色施工評價上，又可將其細分為定性評價[7]和定量評價[8-11]，但定性的方法往往主觀色彩太強而使評價結果不準確，同時在層次分析法、模糊評價法、灰色聚類法等以往的定量評價方法中，其本身方法的缺陷也限制了評價結果的準確性。

上述研究對綠色施工進行了深入透徹的分析，但在深基坑綠色施工評價方面卻寥若星辰。在現有的深基坑綠色施工評價中，丁克勝等[12]依據現場數據和模擬數據綜合分析深基坑施工的綠色效應，為深基坑施工提出改進建議，但該法會受深基坑施工環境的不確定性和復雜性的影響。王建波等[13]利用PSR框架模型和改進Vague相似匯總法對深基坑施工進行研究，研究結果表明模型具有科學合理性，但該模型的缺陷是無法判別指標發展的趨勢。以上對深基坑綠色施工的研究雖在一定程度上加快了發展進程，但在指標選取和方法契合性上仍存在不足之處。鑒于此，本文將深基坑施工的特點、扎根理論及行業標準相結合，建立了深基坑綠色施工等級評價指標體系；在此基礎上，采用熵權法和AHP法確定指標的組合權重，引入云理論和物元理論相結合的云物元模型構建深基坑綠色施工評估模型，以期科學合理地評價深基坑綠色施工評價等級，為進一步優化綠色施工提出針對性改善建議。

1 深基坑綠色施工評價指標體系的構建

本研究采取“確定影響因素清單—選取關鍵指標—形成指標體系”的流程構建指標體系。首先運用扎根理論來確保指標的完備性，繼而針對住房和城鄉建設部頒發的綠色標準及技術規范進行篩選，最終形成指標體系的框架，具體流程如圖1所示。

圖1 深基坑綠色施工等級評價指標體系設計流程

1.1 深基坑綠色施工影響因素清單的確定

深基坑工程綠色施工涉及環境、人員等諸多因素，因素間縱橫交錯，但我國尚未有理論指導深基坑工程綠色施工影響因素的選取。扎根理論是一種對原始資料進行經驗分析、概念提煉，自下而上提升到系統的理論，通常按照“深度調研—收集數據—濃縮歸納—形成指標”的程序進行[14]。從扎根理論的內涵看，用扎根理論確定深基坑綠色施工影響因素清單，可以保證指標體系構建的完備性，具體過程如下：

1)采集原始數據。運用專家訪談和實地調查的方式，對影響深基坑工程綠色施工的人員進行調研，具體調研對象見表1，得到了156條訪談資料語句；同時，為了使評價指標更加全面，對綠色施工的政策文件和文獻進行分析，得到了97條文本資料語句。訪談資料語句和文本資料語句構成了深基坑綠色施工影響因素清單。

表1 調研對象

2)編碼原始數據。對原始數據進行開放式編碼，剔除原始數據中相互矛盾和頻率小于2的數據，然后將處理后的數據進行歸納總結，形成初級類屬，即為指標層；對指標層進行軸式編碼，即對指標層進一步歸納總結，形成中級類屬和高級類屬，即為2級準則層和1級準則層。以編號1為例，可根據編號1的原始數據歸納為初級類屬“就地取材率”，就地取材率又可進一步歸納為中級類屬“材料節約利用”，材料節約利用最終歸納為高級類屬“能源節約利用”。具體數據編碼見表2。

表2 數據編碼

3)進行飽和度檢驗。隨機收集若干新數據，檢驗是否有新類屬產生，若有，則繼續收集新數據，若無則通過飽和度檢驗。最終形成的初選深基坑綠色施工影響因素清單見表3。

表3 初選深基坑綠色施工影響因素清單

1.2 深基坑綠色施工等級評價指標體系的確定

根據住房和城鄉建設部頒發的《綠色施工導則》([2007]223號)、《綠色建筑評價標準》(GB/T 50604—2010)以及《建筑深基坑工程施工安全技術規范》(JGJ 311—2013)，從環境、能源及管理等方面對初選的指標體系進行進一步的篩選歸納，最終確定基于扎根理論和行業標準的深基坑綠色施工等級評價指標體系，如圖2所示。

圖2 深基坑工程綠色施工等級評價指標體系

2 深基坑施工綠色等級評估模型的建立

2.1 深基坑綠色施工等級評價指標權重的確定

在深基坑綠色施工等級評價體系中同時存在定性和定量指標，單一方法難以保證賦權的科學性，因此本文采用客觀賦權法——熵權法和主觀賦權法——AHP法結合的組合賦權法確定權重。組合賦權法不僅考慮了評價指標的客觀信息，而且排除了個人主觀色彩的影響，因此可使評級指標的權重具有科學合理性。組合賦權法步驟如下：

1)計算指標客觀權重Wa。由各評價指標的客觀值組成的數據庫確定各深基坑綠色施工等級評價指標權重wai，從而得到指標的客觀權重Wa。即

Wa=(wai)1×n

(1)

2)計算指標主觀權重Wb。根據專家對指標重要性的兩兩比較，構造比較判斷矩陣，求解權向量得出各指標權重wbi，從而得到指標的主觀權重Wb。即

Wb=(wbi)1×n

(2)

3)確定指標組合權重W。將客觀權重Wa和主觀權重Wb采用線性加權的方法確定組合權重W。

W=αWa+βWb

(3)

其中，α為客觀偏好系數，β為主觀偏好系數，且α+β=1。α，β的數值可根據具體情況進行調整，本文為充分將指標的客觀值和專家偏好相結合，取α=0.6，β=0.4。

2.2 基于云物元模型的深基坑綠色施工等級評估模型

2.2.1 云物元理論

深基坑施工涉及多個因素的事物特征，且由于施工環境的復雜性和不確定性，事物特征值也往往不能用一個具體的數值來表示，因此深基坑施工的上述特征往往使得單一的方法不能實現對深基坑綠色施工等級的科學評價。本文將云理論和物元理論相結合構建的云物元模型引入到深基坑綠色施工等級評價中，以改進單一方法的不足，科學合理地評價深基坑綠色施工等級。

物元理論[15]是將有序三元組(事物M、事物特征C、事物特征值V)統一起來，構成描述事物的基本元，表示為R=(M,C,V)。在深基坑施工中，是以事物M表示深基坑綠色施工過程，事物特征Cn表示深基坑綠色施工等級的各個評價指標(影響因素)，事物特征值Vn表示深基坑綠色施工等級評價指標的數值，因此深基坑施工的基本元R為

(4)

物元理論雖解決了深基坑施工中的多因素問題，但沒有考慮事物往往帶有不確定性和模糊性，不能用具體數值來表示事物特征的缺陷。云模型是由我國學者李德毅提出可以實現定性定量轉換的模型[16]，該模型可以呈現研究對象的不確定性和模糊性，鑒于這一特性，將云模型與物元理論相結合應用于深基坑施工中，可以有效彌補物元理論不能呈現深基坑施工不確定性和模糊性的缺陷。當前比較成熟的云模型包括正態云、三角形云、梯形云等類型，其中正態云可以反映事物的模糊性和隨機性，因此受到廣泛應用。正態云通常用(Ex，En，He)表示，其中期望Ex表示云的重心位置，是最能代表深基坑綠色施工等級分類概念的點；熵En表示施工等級的不確定性程度，即施工等級界限的不確定性越大，熵值越大，說明指標的不確定性和等級界限的模糊性越大；超熵He是熵的熵，超熵越大，說明熵En的不確定性和模糊性越大，體現了深基坑綠色施工等級評價指標的隨機性。

基于以上分析，可將云理論和物元理論相結合構建云物元模型，即將物元模型中的具體數值V用正態云模型的(Ex，En，He)來替代，則云物元模型表示為

(5)

式中：M為深基坑綠色施工過程；Cn為深基坑綠色施工等級的各個評價指標；(Ex,En,He)為評價指標的不確定特征值。

2.2.2 深基坑工程綠色施工等級標準云的確定

1) 參照2007年頒發的《綠色建筑評價標識管理辦法》，將深基坑綠色施工等級劃分為一星級、二星級和三星級，等級越高，評價星級越高。根據行業標準和專家意見確定指標等級界限，見表4。

表4 深基坑綠色施工等級評價指標界限

2)將深基坑綠色施工等級的界限當作一個經典域[Cmax,Cmin]，由于經典域界限的不確定性，因此可進行適度擴展，再由區間界限值和云模型的轉化關系[17]計算Ex，En。

(6)

(7)

He=s

(8)

式中：s為常數，可根據具體情況作出調整。

根據式(6)—(8)，可計算得出深基坑綠色施工等級評價指標的等級界限云模型，見表5。

表5 深基坑工程施工綠色等級評價標準云模型

2.2.3 關聯度的計算及判定等級的確定

由于云物元模型是兩種理論的融合，傳統關聯度的計算不再適用于云物元模型，因此用指標值相對于云模型的隸屬度來表示關聯度。將深基坑綠色施工的各個評級指標視為一個云滴，生成的正態隨機數E′n由期望Ex，標準差He共同決定，則各指標值xi與綠色等級云模型k(xi)的關聯度計算公式[18]為

(9)

計算各指標的關聯度，得到綜合判斷矩陣D：

(10)

2.2.4 綜合關聯度的計算及評定等級的確定

1) 準則層對綠色施工等級的關聯度計算。利用式(9)可得出指標層A對于綠色施工等級的關聯度，將關聯度與式(3)計算的組合權重W結合，可以得到準則層對綠色施工等級的關聯度。

(11)

式中：zj(ai)為準則層A中第i個指標對應第j個等級的關聯度，本文中i=1,2,3,4；j=1,2,3；zj(ci)為第i個指標層中的第ci個指標對應第j個等級的關聯度；wij表示對應的指標權重。

2)目標層對綠色施工等級的關聯度計算。利用zj(ai)計算目標層相對于綠色等級的關聯度。

(12)

式中：zj(a)為目標層綠色等級關聯度；zj(ai)為指標層綠色等級關聯度。

3)綠色施工等級的確定。根據最大隸屬度原則，即maxzj(a)對應的等級j即為深基坑綠色施工等級。

3 算例分析

為驗證構建的云物元模型的科學性和合理性，本文選取青島市某深基坑工程進行實例驗證。該深基坑工程位于鬧市區，基坑開挖深度8.55～19.45 m，基坑支護周長534 m，屬于典型的深基坑項目。

3.1 評價指標值和權重的確定

根據該工程的資料、檢測報告以及專家意見確定各評價指標值。其中，就地取材率、材料重復利用率、生活垃圾處理率、衛生防疫達標率、生活垃圾處理率等定量指標通過工程資料、圖紙、實地調研等得到；噪聲、光污染等通過現場調查得到；剩余其他定性指標由專家打分得到。根據式(1)—(3)計算各個指標的組合權重，結果見表6。

表6 評價指標值和權重

3.2 綠色施工等級關聯度的確定

根據指標層中的指標權重和數值，根據式(9)，運用Matlab2018計算指標屬于不同綠色施工等級的關聯度，見表7。

表7 指標層屬于不同綠色施工等級的關聯度

3.3 綠色施工等級的確定

根據表5、表6和式(11)計算準則層指標對綠色等級的關聯度。

資源節約利用A1的綠色施工等級：

同理可得施工人員活動A2的綠色施工等級：zj(a2)=(0.0000,0.0721,0.0004)。

環境污染與破壞A3的綠色施工等級：zj(a3)=(0.0018,0.1025,0.0009)。

綠色施工管理A4的綠色施工等級：zj(a4)=(0.0000,0.0292,0.0001)。

由表4和式(12)計算目標層對綠色施工等級的關聯度：

綜上，各準則層及目標層指標對于各綠色施工等級的關聯度見表8，同時根據最大隸屬度原則可以得到青島市某深基坑綠色施工等級。

表8 某深基坑工程綜合關聯度和綠色施工等級

由表8可以得到，青島市某深基坑綠色施工等級與“二星級”的關聯度最大，因此該工程的綠色施工等級是“二星級”，但與“三星級”的關聯度大于“一星級”的關聯度，因此綠色施工等級在“三星級”發展。對準則層A進一步分析可得到：

1) 施工人員活動A2和綠色施工管理A4均是“二星級”，但有向“三星級”發展的趨勢。由表5對指標層進一步分析可以得到，在施工人員活動中，應重點關注安全防護措施和生活垃圾處理率等方面。在綠色施工管理中，應重點提高綠色施工組織設計的合理性和綠色管理文化的宣傳度。

2) 環境污染與破壞A3的綠色施工等級為“二星級”，但有向“一星級”發展的趨勢。在環境污染與破壞中，應重點對作業車輛尾氣排放、施工現場粉塵污染、基坑的周邊沉降破壞及管道破壞做出改進方案。

3) 資源節約利用A1的綠色施工等級為“三星級”，綠色施工等級較高。但是材料重復利用率、施工場地規劃、施工及生活用水規劃均有向“二星級”發展的趨勢，因此應著重關注。

通過數據資料《青島市某基坑支護設計與監測研究》《建筑工程事故應急預案》以及工程資料庫和實地調研得到該項目施工的具體情況，得到該項目的綠色施工等級為二星級，該深基坑工程的施工人員活動、綠色施工管理及資源節約利用水平較高，但在環境污染與破壞方面存在較大的問題，這與本文模型得到的結果基本一致。

3.4 結果分析與討論

以往對綠色施工等級評價的研究多采用模糊綜合法、灰色聚類法、層次分析法，為了驗證本文評價模型的科學性、實用性，運用上述三種方法對此案例進行試算，并將試算結果與文中結果做橫向分析。試算結果見表9。

表9 不同評價方法比較

由表9可知，模糊綜合法和層次分析法的評價結果均為“一星級”，與實際偏差較大，主要是因為上述方法采用了主觀性較強的專家打分法，從而出現與實際不相符的評價結果；灰色聚類法的評價結果與實際結果一致，但該法只是粗略地描述綠色施工等級，不能對下層指標進行精確量化，因此該法仍存在缺陷；在云物元評價法中，不僅考慮了指標的模糊性、不確定性，實現了定性和定量指標間的相互轉化，而且可以對下層指標進行精確量化，因此相對于上述三種方法更為科學、實用。由表6可知，A2，A3，A4均是“二星級”，趨向于“三星級”，關聯度分別為0.0004，0.0009，0.0016，因此A4向“三星級”發展的趨勢最大，綠色水平最高，其次是A2，A3，其中A3向“一星級”發展的趨勢超過向“三星級”的趨勢，說明A3的綠色施工等級有下降的趨勢，因此應重點關注。

4 結論

1) 將扎根理論和綠色標準相結合用于建立評價指標體系。采用“確定影響因素清單—選取關鍵指標—形成指標體系”的流程對指標進行選取，不僅可以保證指標選取的完備性，而且保證了指標選取的科學性。

2) 采用主客觀相結合的組合賦權法確定權重。組合賦權法不僅考慮了評價指標的客觀信息，而且排除了個人主觀色彩的影響，因此可使評級指標的權重具有科學合理性。

3) 構建的云物元評估模型不僅考慮了深基坑施工中的多因素問題，而且解決了因素帶有不確定性和模糊性難題，實現了定性概念和定量數值的科學轉化；同時，模型評價結果不僅可以得出深基坑工程的綠色施工等級，而且可以為進一步優化綠色施工提出有針對性的改善建議。