鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法

李垂帥, 唐貞云*, 張欣偉, 高曉明, 王威, 段智君, 馬華

(1.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室, 北京 100124; 2.中國建筑標準設計研究院, 北京 100048;3.北京工業大學建筑與城市規劃學院, 北京 100124)

近年來,國家對鄉村住宅建設和發展的重視程度不斷增加,2018年,國務院印發的《鄉村振興戰略規劃(2018—2022)》[1]中明確提出要建設生態宜居的美麗鄉村。鄉村住宅耐久性能的提升、使用壽命的延長是推進宜居鄉村建設的具體舉措。中國農村地區占地面積廣,房屋建筑多。截至2020年末,中國村莊住宅實有建筑面積已達266.5億m2[2],是城市居住用地面積的1.5倍。不同的住宅布局、建設方案和建設材料等因素造成鄉村住宅的耐久性能明顯變化。伴隨著鄉村住宅的建設和發展,如何對鄉村住宅的性能進行評價和敏感性分析成為重要問題。

目前,國內已有部分學者針對鄉村住宅的性能和評價方法進行了相關研究。甄蒙等[3]、袁炯炯等[4]和鄭文亨等[5]對鄉村住宅的熱環境進行了研究,總結了不同地區民居的室溫和熱舒適性規律。杜運興等[6]、胡云香等[7]、田易卓等[8]和高源等[9]對鄉村住宅的評價方法進行了相關研究,在安全性、基礎設施適用性、混凝土碳化和低碳化改造等方面提出了相應的評價方法。仇春華等[10]對鄉村住宅的設計方案進行了研究,建立了包括舒適性、經濟性、可用性和美觀性的設計方案指標體系。胡恬等[11]和馮濤等[12]對鄉村住宅的墻體和地面面層等建筑材料進行了相關研究,進一步推動了鄉村住宅向高質量建筑的轉變進程。

鄉村住宅在建造方法、結構類型和建筑材料等方面與城市住宅存在差異,難以對鄉村住宅的性能參數進行數據采集,具有性能難以評定和分析的特點。中國目前針對鄉村住宅的研究主要集中于熱環境、建筑材料和安全性能,缺乏針對耐久性能敏感性分析法的相關研究。對我國既有鄉村住宅的耐久性能進行調研和評價對于未來鄉村住宅的改造和提升意義重大。

鑒于此,基于可拓學提出適用于鄉村住宅的耐久性評價模型和敏感性分析方法,以關聯度計算得到的鄉村住宅耐久性評價級別和級別變量特征值為依據,通過不同層次特征值的橫縱對比,初步篩選出鄉村住宅耐久性能的敏感因素,分析結果可為鄉村住宅未來的規劃、改造和發展提供科學依據。

1 基于可拓評價的敏感性分析方法

與城市住宅相比,鄉村住宅由于缺乏專業設計、建造模式混亂,具有性能難以評定和分析的特點。基于鄉村住宅的特點,現提出一種適用于鄉村住宅耐久性能的評價和敏感性分析方法。下面從模型建立和數據分析兩方面闡述鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法的具體實現。圖1給出了相關技術路線。首先以指標體系和可拓學為基礎,建立鄉村住宅耐久性的評價模型,通過實地調研和專家打分的方式得到指標實測值。其次,將鄉村住宅耐久性評價模型結合指標實測值進行關聯度計算得到鄉村住宅耐久性的評價結果。最后,采用級別變量特征值分析法對鄉村住宅耐久性評價結果進行統計分析,實現單體鄉村住宅和區域鄉村住宅的敏感性分析,得到各指標的敏感性強弱。

圖1 基于可拓學的敏感性分析模型Fig.1 Sensitivity analysis model based on extenics

1.1 鄉村住宅耐久性評價模型的建立

鄉村住宅耐久性評價模型以相關指標體系和可拓學理論為基礎建立。針對鄉村住宅評價的不同性能,選擇相應的指標體系,目前中國可供選擇的評價指標體系有《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378—2019)[13]、《百年住宅建筑設計與評價標準》(T/CECS-CREA 513—2018)[14]等。依據指標體系建立鄉村住宅可拓評價相關物元模型。

經典物元模型[15]為

(1)

式(1)中:Rj為第j級環境的物元模型;Pj為所劃分的第j個性能等級,例如:指標體系的分級從低到高依次為1A 級、2A 級、3A 級,則j=1表示待評物元為“1A 級”,j=2表示待評物元為“2A級”,j=3表示待評物元為“3A 級”;c1～cn分別為可拓評價指標體系的n項指標;vj為cj在第j級的取值范圍,即經典域,aj和bj分別為vj的上、下限。

各指標的量值范圍,即節域形成的物元模型為

(2)

式(2)中:P為耐久性評價與敏感性分析的對象;vp為指標c的量值范圍;ap和bp分別為vp的上、下限,vp的取值范圍應該包括vj不同性能等級的量值范圍。

1.2 指標實測值的評定

鄉村住宅耐久性評價指標的實測值通過實地調研和專家打分的方法進行評定。第一步,實地調研:針對鄉村住宅耐久性評價的指標內容,由專業工程技術人員進行實地調研,對鄉村住宅進行檢驗和檢測,并查閱相關設計文件、檢測報告、維修報告等資料,得到評價指標的基本性能現狀。第二步,專家打分:邀請x位專家通過聽取匯報、查閱調研資料和現場檢查等程序,對照相應的指標體系評定標準,對鄉村住宅的n項指標進行評分。假設x位專家同等重要,則最終實測值為x位專家打分的平均分。第三步依據指標體系和實測值建立如式(3)所示實測值物元矩陣。

(3)

式(3)中:v1～vn依次為指標體系的n項指標的實測值。

1.3 鄉村住宅耐久性的敏感因素分析

1.3.1 關聯度計算判定評價等級

鄉村住宅耐久性評價結果依據評價指標與評價類別的關聯度,按照最大隸屬度原則得出。關聯度的相關計算如下。

(1)計算關聯函數。

(4)

(5)

(6)

式中:Kj(vk)為關聯函數,表示待評價事物的指標ck關于類別j的歸屬度;|vjk|為區間[ajk,bjkajk,bjk]的長度,即bjk-ajk;ρ(vk,vjk)ρ(vk,vjk)為點vk與區間vjk的距;ρ(vk,vpk)為點vk與區間vpk的距。

(2)計算關聯度。

(7)

式(7)中:Kj(P)為在考慮指標權重下,待評價事物各指標ck關于類別j的關聯度的組合值;λk為各個指標的權重。

(3)確定評價等級。根據最大隸屬度原則,按式(8)評定P屬于類別j0。

Kj0(P)=maxKj(P),j=1,2,…,m

(8)

1.3.2 級別變量特征值敏感性分析

敏感性分析以指標的級別變量特征值為依據,級別變量特征值j*計算公式為

(9)

(10)

級別變量特征值j*的取值范圍為(1,m),級別變量特征值j*可以反映評價等級的偏向,實現了評級的連續化[16],例如:指標體系的分級從低到高依次為1A 級、2A 級、3A 級,則級別變量特征值j*的取值范圍為(1,3),若指標c1的評價級別為2A 級,級別變量特征值j*為2.6,則表明指標c1雖評價級別為2A 級,但有偏向3A 級的趨勢。

鄉村住宅耐久性的指標敏感性強弱通過指標級別變量特征值的橫向、縱向對比得到,級別變量特征值越高,則敏感度越低,反之,則敏感度越高,橫向對比分析同級指標間耐久性的薄弱環節,縱向對比分析不同級指標間耐久性的薄弱環節。

2 單體鄉村住宅耐久性的敏感性分析

2.1 單體鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法

單體鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法分為選取指標體系、專家打分、可拓評價和敏感性分析4部分。首先,依據鄉村住宅的特點和評價內容,選取適用于鄉村住宅耐久性能評價的指標體系,建立式(1)～式(2)的物元矩陣;其次,對鄉村住宅進行耐久性能現狀調研,并根據指標體系的評分標準進行專家打分,得到指標實測值,確定式(3)的物元矩陣;按照式(4)～式(8)對鄉村住宅的耐久性進行可拓評價,得到各級指標的評價結果;最后,按照式(9)和式(10)計算各級指標的級別變量特征值,對耐久性指標的級別變量特征值橫向、縱向對比,按照從低到高的順序進行排序,得到指標間敏感性的強弱,從而確定單體鄉村住宅耐久性的薄弱環節,便于進行針對性的加固改造。

2.2 單體鄉村住宅耐久性的敏感性分析實例

以張欣偉等[17]建立的鄉村住宅耐久性指標體系為例對內蒙古六合嘎查村進行單體鄉村住宅耐久性的敏感性分析,指標體系如圖2所示,包含4項一級指標和10項二級指標,評價等級劃分為B級、1A級、2A級、3A級。

圖2 本文選用的鄉村住宅耐久性指標體系Fig.2 The durability index system of rural houses selected in this work

根據六合嘎查村的調研報告,對六合嘎查村的各項鄉村住宅耐久性評價指標進行專家打分,得到指標實測值,依據指標體系和實測值建立的物元矩陣按式(4)～式(8)進行關聯度計算,判定村莊住宅耐久性評價等級,評價結果如表1所示,六合嘎查村最終耐久性評價等級為3A 級,進一步計算得,六合嘎查村(目標層)最終級別變量特征值為3.3。

為實現評價等級的連續化,對六合嘎查村的住宅耐久性進行敏感因素分析,按式(9)和式(10)計算評價指標的級別變量特征值,一級指標評價結果如圖3所示。通過一級指標的評價結果和級別變量特征值橫向對比得到,六合嘎查村的耐久性維護性能最差,特征值為3.1,屬于敏感性因素;對一級指標和目標層的特征值進行縱向對比,耐久性維護性能的特征值低于目標層的特征值,因此,耐久性維護性為縱向對比的敏感性因素。通過橫向和縱向對比分析得,耐久性維護性是六合嘎查村的一級指標敏感性因素。因此,若要提高六合嘎查村的住宅耐久性,可將資金、人力、物力等向耐久性維護方面傾斜,著重提高六合嘎查村的耐久性維護水平。

為進一步分析六合嘎查村耐久性能的內在限制因素,需要對指標體系的二級指標進行級別變量特征值的計算和對比,計算結果如圖4所示。橫向、縱向對比發現,設備管線、長期維護性和維護便捷性三項二級指標的特征值最低,且均低于目標層的特征值3.3,因此,設備管線、長期維護性和維護便捷性的耐久性水平相對較低,屬于村莊耐久性的二級指標限制因素,需要著重進行改善,敏感性強弱依次為長期維護性>維護便捷性>設備管線。

表1 六合嘎查村住宅耐久性評價結果

圖3 六合嘎查村一級指標評價結果Fig.3 Evaluation results of first-level index for the village of Liuhegacha

圖4 六合嘎查村二級指標評價結果Fig.4 Evaluation results of secondary index for the village of Liuhegacha

3 群體鄉村住宅耐久性的敏感性分析

3.1 群體鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法

單體鄉村住宅的耐久性分析可以得到某個村莊的耐久性限制因素,但是,若要得到某個區域內鄉村住宅的限制因素,分析不同區域間鄉村住宅的耐久性分布差異,并對區域鄉村住宅的耐久性分布規律進行總結,往往還需要對區域鄉村住宅的耐久性進行研究。然而,目前尚沒有針對區域鄉村住宅的耐久性能的敏感性分析方法,鑒于此,本文研究在單體鄉村住宅耐久性能評價的基礎上提出了一種適用于區域鄉村住宅耐久性能的敏感性分析方法。由于對區域內各單體鄉村住宅耐久性進行研究時,選用的指標體系一致、分析方法一致、敏感性分析指標一致,在對區域內的各單體鄉村住宅進行耐久性評價,得到一定量的單體鄉村住宅耐久性的各級指標級別變量特征值后,通過對單體鄉村住宅的各級指標的級別變量特征值取平均值的方法,得到群體鄉村住宅耐久性指標的級別變量特征值。群體鄉村住宅耐久性的指標級別變量特征值反映了該區域內鄉村住宅的整體耐久性能,橫向、縱向對比各級指標的區域級別變量特征值,則可得到區域內鄉村住宅耐久性各級指標的敏感性強弱,進行群體鄉村住宅耐久性的特點和規律分析。

3.2 群體鄉村住宅耐久性的敏感性分析實例

為了解中國鄉村住宅的耐久性現狀,分析當前鄉村住宅耐久性能的限制因素,對中國22 省市的122個村莊進行了實地調研或相關文獻調研[18-21],鄉村住宅的調研分布情況如圖5所示。依據調研資料進行專家打分得出鄉村住宅耐久性指標實測值,通過本文創建的單體鄉村住宅耐久性評價模型對各鄉村住宅進行耐久性評價,得到各鄉村住宅的耐久性評價結果和級別變量特征值,進而通過取均值的方法得到全國鄉村住宅的級別變量特征值來分析全國鄉村住宅的敏感性因素。

根據調研村莊的住宅耐久性評價計算結果,全國鄉村住宅(目標層)的級別變量特征值為3.1,說明中國的鄉村住宅整體已完全滿足2A 級水準,且評為2.1A 級更合理。全國鄉村住宅耐久性一級指標評價結果如圖6所示,橫向對比發現,物理耐久性和耐久性維護的級別變量特征值低于功能耐久性和安全耐久性,縱向對比發現,物理耐久性和耐久性維護的級別變量特征值低于目標層特征值3.1,這表明物理耐久性和耐久性維護的耐久性水平在全國鄉村住宅整體耐久性中處于劣勢,屬于敏感性因素,在經濟和其他條件允許的情況下,可以對其進行適當的改進。

為對全國鄉村住宅耐久性能的內在限制因素進一步分析,需要對二級指標的級別變量特征值進行計算,評價結果如圖7所示,全國鄉村住宅耐久性的二級指標級別變量特征值均位于2.7～3.4,表明我國鄉村住宅的二級指標均屬于2A 級耐久性水平;橫向、縱向對比得出,連接設計、設備管線、戶型設計、維護便捷性和結構工程的級別變量特征值均低于目標層特征值3.1,耐久性水平較低,屬于全國鄉村住宅結構耐久性的敏感因素,敏感性指標從強到弱依次為結構工程>維護便捷性>戶型設計=連接設計=設備管線,應該著重對這些指標進行改進,進而提升鄉村住宅整體耐久性水平。

圖5 本文鄉村住宅調研分布圖Fig.5 This article rural houses survey distribution map

圖6 全國鄉村住宅耐久性一級指標評價結果Fig.6 Evaluation results of durability index of national rural houses

圖7 全國鄉村住宅耐久性二級指標評價結果Fig.7 Evaluation results of second-grade durability index of national rural houses

4 鄉村住宅耐久性分布規律

因中國不同區域間經濟、文化和氣候等因素的差異,各區域鄉村住宅的耐久性能存在一定的區別,對比不同區域間鄉村住宅耐久性的差異,可以對中國鄉村住宅的耐久性能分布規律進行總結。根據中國不同地區近幾年新建或改造的新型鄉村住宅的調研資料,進行專家打分和耐久性計算,在對不同地區的單體鄉村住宅進行耐久性評價后,通過對區域內單體鄉村住宅的級別變量特征值取平均值的方法得到該區域的耐久性評價結果,通過不同地區間的耐久性評價結果對比,對中國不同區域鄉村住宅的耐久性水平進行分析。不同區域的鄉村住宅耐久性評價結果如圖8所示,從圖8中可以看出,西北地區鄉村住宅的耐久性水平高于全國平均水平,華中地區和西南地區鄉村住宅的耐久性水平低于全國平均水平。不同地區一級指標評價結果如圖9所示,各地區的安全耐久性水平普遍較高,其原因為現代村莊結構形式多為磚混結構或混凝土結構,安全性良好;物理耐久性水平普遍較差,其原因為村莊的建造方式多為當地工匠自行建造,在基礎勘察和構造措施等方面與施工單位的水平仍有一定差距;東北地區和華南地區四項一級指標的耐久性能比較均衡;與其他地區相比,西南地區的功能耐久性和耐久性維護水平相對較差。

圖8 不同地區鄉村住宅耐久性評價結果Fig.8 Durability evaluation results of rural houses in different areas

為進一步分析不同地區鄉村住宅的耐久性差異,總結鄉村住宅耐久性的分布規律,本文對不同地區鄉村住宅耐久性的二級指標評價結果進行了對比分析。鄉村住宅作為村民日常生活的場所,其功能是否完備會影響村民的生活質量和居住體驗,為分析不同地區鄉村住宅的內隔墻拆裝、結構體系開放性和功能分區等性能,對不同地區鄉村住宅的功能耐久性內在指標進行計算,如圖10所示,中國鄉村住宅的院落布局水平普遍較高,現代村莊在建造前進行了合理的規劃和設計,空間布局合理,功能設置齊全;華北地區、華南地區、華東地區和東北地區的功能耐久性分布規律接近,均為院落布局水平較高,戶型設計和設備管線水平接近,且低于院落布局;與其他區域相比,東北地區的院落布局水平最優,西北地區的設備管線水平最優,西南地區的戶型設計和設備管線水平最差。

為衡量不同地區鄉村住宅的建筑材料耐久、設計使用年限和裝飾壽命等物理性能,需要對物理耐久性內在指標進行分析計算,計算如圖11所示,中國鄉村住宅的結構工程水平普遍較差,當地工匠施工水平有限,設計使用年限較短,耐久性提高措施不足等;管線工程的耐久性水平普遍較高,現代新型鄉村住宅多對管線布局進行了相應的設計,采用了雨污分流等管線措施;外圍護工程的耐久性能比較均衡,級別變量特征值均在3.0左右;華中地區的三項指標的耐久性能差異明顯。

圖9 不同地區鄉村住宅的一級指標耐久性Fig.9 Durability of the first index of rural houses in different areas

圖10 不同地區的鄉村住宅功能耐久性Fig.10 Functional durability of rural houses in different areas

鄉村住宅因結構類型和建造方式等原因,其抵御地震等自然災害的能力通常較差,鄉村住宅的安全性急需加強,而安全性是綠色宜居的鄉村住宅中不可或缺的一部分。為衡量近年建造的新型鄉村住宅的體系安全、節點連接和抗震能力的可靠性,需要對不同區域鄉村住宅的安全耐久性進行分析,計算結果如圖12所示,中國新型鄉村住宅的抗震防災設計性能普遍較高,新型鄉村住宅多采用抗震能力較好的磚混結構或混凝土結構,部分條件較好的村莊采用鋼結構;連接設計性能普遍較差,主體結構與圍護結構的連接方式和施工水平等仍需要進行改進。

圖11 不同地區鄉村住宅的物理耐久性Fig.11 Physical durability of rural houses in different areas

圖12 不同地區鄉村住宅的安全耐久性Fig.12 Safety durability of rural houses in different areas

結構耐久性和使用壽命,離不開使用階段的檢測、維護和修理,在使用過程中注重維修加固是提高村鎮住宅耐久性的重要措施[22],因此,對鄉村住宅的改造、拆除和維護等性能進行評價和分析是一份十分必要的工作。對不同地區鄉村住宅耐久性維護性能的計算結果如圖13所示,中國鄉村住宅的維護便捷性普遍較差,鄉村住宅部件多為傳統建筑材料,更新便捷性較差;長期維護性能普遍優于維護便捷性能,多數村莊具備當地的建筑工匠且成立村民小組,負責對村莊的長期維修和維護,與其他地區相比,西南地區的長期維護性略差。

圖13 不同地區鄉村住宅的耐久性維護性能Fig.13 Durability maintenance performance of rural houses in different areas

5 結論

對鄉村住宅耐久性的敏感性分析方法進行研究,并應用于單體鄉村住宅和群體鄉村住宅實例,最后對22個省份122個新型村莊的住宅耐久性能進行分析,得到鄉村住宅耐久性分布規律。得出如下結論。

(1)針對鄉村住宅耐久性問題,結合級別變量特征值提出了一種新型的敏感性分析方法。該方法基于可拓學建立鄉村住宅耐久性評價模型,并依據鄉村住宅耐久性評價等級和級別變量特征值的橫向、縱向對比分析得到鄉村住宅耐久性的限制因素。該方法可用于單體鄉村住宅和區域鄉村住宅,且無需采用專業設備對住宅的性能參數進行測量,針對鄉村住宅具有普適性,基于該方法能準確評價單體鄉村住宅和群體鄉村住宅耐久性指標的敏感性,為鄉村住宅耐久性未來的規劃、改造和發展提供了科學依據。

(2)中國新型鄉村住宅在建造前經過了合理的規劃和設計,結構形式多采用磚混結構或混凝土結構,在正常使用和維護的條件下,具備抵御自然環境及老化的能力,滿足日常的建筑功能與性能的要求,耐久性能良好;鄉村住宅的功能靈活性和空間更新性等可持續居住性能仍需改善和提高。

(3)在鄉村住宅耐久性能的區域分布方面,不同地區的鄉村住宅耐久性能略有差異,西北地區的鄉村住宅耐久性能高于全國平均水平,華中地區和西南地區的鄉村住宅耐久性能低于全國平均水平。