經(jīng)濟(jì)性視角下裝配式建筑外墻外保溫材料的比選

顧逸飛 祝連波

蘇州科技大學(xué)江楓校區(qū)土木工程學(xué)院

0 引言

目前越來(lái)越多的國(guó)家在工程中實(shí)施裝配式施工，裝配式建筑工業(yè)化不僅是世界性的大趨勢(shì),同時(shí)也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。從節(jié)能效果看，預(yù)制裝配式建筑不僅可以提高社會(huì)效益，對(duì)節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)也具有重要意義，是未來(lái)建筑物發(fā)展的重要方向［1］。據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)新開(kāi)工裝配式建筑面積已達(dá)6.3億m2，較2019年增長(zhǎng)了50%，在新建建筑中占比約為20.5%。雖然我國(guó)發(fā)展裝配式建筑還處于初級(jí)階段，但通過(guò)不斷學(xué)習(xí)并結(jié)合國(guó)外建筑業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)拓創(chuàng)新，未來(lái)裝配式建筑在我國(guó)一定能大放光彩。近年外墻外保溫材料不合格帶來(lái)了巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失,據(jù)“新材網(wǎng)”記載，2009 年2 月9 日晚，在建的北京中央電視臺(tái)發(fā)生重大火災(zāi)，火災(zāi)致使消防戰(zhàn)士一人死亡多人受傷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.6億元，主要原因是大量使用了EPS、XPS 等有機(jī)保溫材料。2010年，上海“11·15”案件由于違章使用大量聚氨酯泡沫等易燃材料而發(fā)生重大火災(zāi)，致使58 人遇難70多人受傷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了數(shù)億元。2019年5月24日江蘇省南京市金鷹A 座發(fā)生火災(zāi)，據(jù)災(zāi)后調(diào)查主要燃燒物質(zhì)是外墻保溫材料。2020 年元旦重慶市加州花園小區(qū)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)原因是火苗引燃了外墻保溫材料及雨棚，然后火災(zāi)逐漸蔓延了整棟樓。由于連年火災(zāi)不斷，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人都開(kāi)始了高度重視。根據(jù)“中國(guó)共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)”報(bào)道，2013年習(xí)近平總書(shū)記提及一些地方接連發(fā)生特大火災(zāi)造成了大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失并強(qiáng)調(diào)我們發(fā)展決不能以犧牲生命為代價(jià)。因此，裝配式建筑外墻外保溫材料的正確選取關(guān)系到千家萬(wàn)戶生產(chǎn)和生活安全，必須引起高度重視。

目前，許多專家老師在保溫材料的選取方面已作出許多研究并提出建議。韓東方［2］結(jié)合對(duì)比外國(guó)建筑經(jīng)驗(yàn)分析了我國(guó)保溫材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)保溫材料的發(fā)展應(yīng)著重耐久性等性能。萬(wàn)引梅等通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法和生命周期評(píng)價(jià)等探究了不同保溫材料對(duì)環(huán)境的影響，以此選出更加綠色節(jié)能的保溫材料［3］。姜濤［4］、蔡曉龍［5］分析了我國(guó)建筑保溫材料目前存在的許多問(wèn)題并給出大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保保溫材料的建議。李洋［6］結(jié)合工程實(shí)例闡述了保溫材料使用不當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，提出應(yīng)選擇較強(qiáng)阻燃特性的材料。劉慶利［7］老師結(jié)合材料導(dǎo)熱性及單價(jià)提出了一套簡(jiǎn)易公式直接比較保溫材料經(jīng)濟(jì)性。閆靜茹［8］對(duì)不同的保溫材料運(yùn)用現(xiàn)值法建立經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型以此選擇出最優(yōu)方案。黃仁達(dá)［9］、Syed Ali Husain Jafri［10］等通過(guò)建立模型計(jì)算保溫材料經(jīng)濟(jì)厚度來(lái)分析不同保溫材料的經(jīng)濟(jì)性。李崇文［11］、Koosha Kalhor［12］等通過(guò)對(duì)建筑外墻保溫材料的類型及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)如何選擇建筑外墻保溫材料提出了建議。陳現(xiàn)景等人［13］通過(guò)評(píng)定燃燒速度、蔓延高度比較了不同材料的燃燒性能。Anil Kumar Dixit 等［14］使用軟件計(jì)算技術(shù)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型比較不同性能的保溫材料。Lisa Gabriela 等［15］對(duì)比分析建筑保溫材料的熱穩(wěn)定性來(lái)比較各類保溫材料。Nima Amani等［16］采用多目標(biāo)優(yōu)化方法建立雙準(zhǔn)則框架以此將保溫材料進(jìn)行分級(jí)。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在保溫材料選擇方面的研究主要還是從保溫材料性能角度比選，卻很少考慮材料的經(jīng)濟(jì)性，尤其缺乏從全生命周期經(jīng)濟(jì)性視角考慮裝配式建筑外墻外保溫材料的選擇。為此，本文選取目前市場(chǎng)廣泛使用的五種性能較優(yōu)的保溫材料，運(yùn)用層次分析法從全生命周期經(jīng)濟(jì)性視角出發(fā)進(jìn)行比選，以此為裝配式建筑外墻外保溫材料比選提供一種新思路。

1 保溫材料的選取

當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外裝配式建筑主要的外墻保溫材料包括有機(jī)保溫材料和無(wú)機(jī)保溫材料，無(wú)機(jī)保溫材料有巖棉板、泡沫玻璃板、玻化微珠保溫砂漿和發(fā)泡水泥板等，有機(jī)保溫材料例如聚氨酯保溫板( PU板)、膨脹模塑聚苯乙烯保溫板( EPS板) 、膨脹擠塑聚苯乙烯保溫板(XPS板)等。

1.1 裝配式建筑常用保溫材料

目前在建筑施工中，施工單位一般都是通過(guò)選用良好的保溫材料以此來(lái)保障建筑的保溫性能。通過(guò)中國(guó)保溫網(wǎng)等保溫材料網(wǎng)站數(shù)據(jù)比較及材料市場(chǎng)調(diào)研，在中國(guó)市場(chǎng)上常見(jiàn)的保溫材料有擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）、模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、酚醛泡沫（PF）、聚氨酯泡沫（PU）和巖棉板這五種材料，材料性能見(jiàn)表1。優(yōu)異的保溫性能使這些材料被廣泛應(yīng)用于保溫隔熱工程中。

表1 常用保溫材料名稱及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的建立

保溫材料的經(jīng)濟(jì)性選擇是一個(gè)涉及多方面、多過(guò)程的復(fù)雜性問(wèn)題。從材料的生產(chǎn)階段到材料的報(bào)廢階段，要經(jīng)歷生產(chǎn)、安裝、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等多個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程中材料需要的費(fèi)用是相互影響又相互獨(dú)立的，只有對(duì)材料全生命周期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，才能合理地評(píng)價(jià)材料的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)材料全生命周期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，可以有效避免某些施工方僅片面考慮采購(gòu)保溫材料時(shí)所造成的成本增加，而忽略了保溫材料在運(yùn)輸、施工、維護(hù)等過(guò)程中所產(chǎn)生的費(fèi)用，從而影響了施工整體的成本控制。

本文從保溫材料全生命周期經(jīng)濟(jì)性視角出發(fā)，構(gòu)建保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，包括3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)，具體如下：

1.2.1 采購(gòu)經(jīng)濟(jì)性B1

保溫材料在采購(gòu)管理時(shí)期所體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性。材料生產(chǎn)后施工方進(jìn)行采購(gòu)，采購(gòu)?fù)晷枰蛯Ｈ诉M(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸至工廠后還需進(jìn)行儲(chǔ)存管理。從經(jīng)濟(jì)性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C1保溫材料購(gòu)買費(fèi)/m3、C2保溫材料運(yùn)輸費(fèi)用、C3保溫材料儲(chǔ)管費(fèi)用。

1.2.2 施工安裝經(jīng)濟(jì)性B2

保溫材料是施工安裝時(shí)期所體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性。在此時(shí)期的多個(gè)階段都會(huì)因施工產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性影響，施工安裝是否便捷與經(jīng)濟(jì)性高低密切相關(guān)，施工簡(jiǎn)易會(huì)節(jié)省大量人力及加快施工周期，除此以外施工方還需支付安裝保溫材料所需的人工、措施以及機(jī)械費(fèi)用等。從經(jīng)濟(jì)性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C4保溫材料施工便捷性，C5保溫材料施工人工費(fèi)用，C6保溫材料施工機(jī)械費(fèi)用，C7保溫材料施工措施費(fèi)用，C8保溫材料施工其他費(fèi)用。

1.2.3 運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性B3

保溫材料運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性。在此階段保溫材料能節(jié)省大量效益。例如通過(guò)能耗分析與使用普通材料的傳統(tǒng)建筑對(duì)比計(jì)算出使用保溫材料后裝配式建筑在節(jié)能方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，材料的耐久性越好也就是使用壽命越長(zhǎng)其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也就越高，以及在保溫材料報(bào)廢后的回收階段同樣能產(chǎn)生大量經(jīng)濟(jì)效益。從經(jīng)濟(jì)性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C9使用后能耗節(jié)約效益，C10保溫材料維護(hù)費(fèi)用，C11保溫材料使用壽命，保溫材料的耐久性最直觀的體現(xiàn)為其使用壽命，C12保溫材料回收殘值。

綜上所述，建立保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系層次模型如圖1所示。

2 層次分析法（AHP）模型的構(gòu)建

2.1 層次分析法（AHP）的定義及應(yīng)用

本文采用層次分析法確定了與經(jīng)濟(jì)相關(guān)的主要影響因素的權(quán)重。用AHP 分析問(wèn)題大致分為五個(gè)步驟：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。

（3）確定各因素所占權(quán)重。

（4）層次排序。

（5）一致性檢驗(yàn)。檢查判斷矩陣的一致性，并按以下公式計(jì)算：

式（1）中, CR(consistency ratio)為一致性比例。當(dāng)CR＜0.10 時(shí),認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)修正。CI (consistency index)為一致性指標(biāo)，按式（2）計(jì)算:

式（2）中,λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——成對(duì)比較因子的個(gè)數(shù)；

RI(random index)——隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表確定，見(jiàn)表2。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 值

2.2 各要素權(quán)重的確立及分析

在上述保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)內(nèi)容中，從材料全生命周期出發(fā)，涉及材料的采購(gòu)、施工安裝、運(yùn)營(yíng)與維護(hù)共三大類一級(jí)指標(biāo)，各一級(jí)指標(biāo)中又存在著互有聯(lián)系的二級(jí)指標(biāo)。

2.2.1 構(gòu)建比較判斷矩陣并賦值

專家調(diào)查法是在指標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后，將其設(shè)計(jì)成調(diào)查問(wèn)卷送給選擇的專家，由每位專家根據(jù)個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)填寫調(diào)查問(wèn)卷。對(duì)各個(gè)層次構(gòu)建好的兩兩比較的矩陣，本文使用專家調(diào)查法，向70 位相關(guān)領(lǐng)域的專家老師發(fā)放問(wèn)卷收到49份有效問(wèn)卷，經(jīng)過(guò)整理歸納，按照“1～9 標(biāo)度法”進(jìn)行評(píng)分，綜合專家意見(jiàn)共構(gòu)建了4 個(gè)判斷矩陣，其中第一準(zhǔn)則層的判斷矩陣A 及第二準(zhǔn)則層的判斷矩陣B1、B2、B3分別為：

針對(duì)各判斷矩陣，利用方根法計(jì)算歸一化權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)因子問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2.2 判斷矩陣特征值及一次性檢驗(yàn)

判斷矩陣特征值及一次性檢驗(yàn)見(jiàn)表4。

表4 判斷矩陣特征值及一致性檢驗(yàn)

由表4 可知各項(xiàng)CR＜0.1，通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，證明保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比選體系判斷矩陣的設(shè)置較為合理。

2.2.3 結(jié)論及組合權(quán)重的確定

保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表5。

表5 保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

由表5 可見(jiàn)，對(duì)于一級(jí)指標(biāo)，采購(gòu)經(jīng)濟(jì)性權(quán)重為0.539 是最主要的評(píng)價(jià)，之后為權(quán)重是0.297 的運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，而權(quán)重為0.164 的施工安裝經(jīng)濟(jì)性是較不重要的指標(biāo)；對(duì)二級(jí)指標(biāo)的排序進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于經(jīng)濟(jì)性視角下保溫材料的選擇及評(píng)價(jià)的最核心因素組合權(quán)重最高為0.291的保溫材料購(gòu)買費(fèi)，其次是保溫材料使用壽命、保溫材料運(yùn)輸費(fèi)用、保溫材料儲(chǔ)管費(fèi)用、保溫材料施工便捷性及保溫材料維護(hù)費(fèi)用，最后分別是保溫材料施工人工費(fèi)用、使用后能耗節(jié)約效益、保溫材料施工機(jī)械費(fèi)用、保溫材料回收殘值、保溫材料施工措施費(fèi)用及權(quán)重最低為0.010的保溫材料施工其他費(fèi)用。

2.3 目標(biāo)層與方案層的聯(lián)系

選取目前市場(chǎng)最常用的五種保溫材料，有EPS、XPS、PU、PF、巖棉。隨后，將每個(gè)指標(biāo)的滿分設(shè)為100 分，所有指標(biāo)都由專家組成的評(píng)審組根據(jù)各保溫材料實(shí)際情況進(jìn)行打分，這樣就獲得了5 個(gè)保溫材料各項(xiàng)評(píng)定指標(biāo)的評(píng)分，將獲得的評(píng)分代入已經(jīng)建立的評(píng)價(jià)體系，可得到各保溫材料的得分。最后，將保溫材料的得分結(jié)果排序，對(duì)保溫材料的選擇評(píng)價(jià)提供支持。其得分匯總結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 保溫材料得分匯總表

根據(jù)本文所給出的保溫材料選擇評(píng)價(jià)體系，五個(gè)保溫材料的最后總得分為：EPS 獲得的分?jǐn)?shù)為89.150分；XPS獲得的分?jǐn)?shù)為91.435分；PU獲得的分?jǐn)?shù)是86.510 分；PF 獲得的分?jǐn)?shù)是88.360 分：巖棉獲得的分?jǐn)?shù)是92.585 分。因此從經(jīng)濟(jì)性視角出發(fā)選擇巖棉應(yīng)是最合理的選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

由于保溫材料自身的復(fù)雜性，在選擇保溫材料時(shí)很難保證材料各項(xiàng)性能都趨于滿分，使得施工方在建筑施工中需要做很多調(diào)查才能選出適宜的保溫材料。經(jīng)濟(jì)性是選擇保溫材料時(shí)的重要考量，本文從經(jīng)濟(jì)性視角出發(fā)分析了保溫材料全生命周期的成本，從生產(chǎn)期經(jīng)濟(jì)性、保溫材料性能、施工安裝經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面選取保溫材料購(gòu)買費(fèi)/m3、保溫材料運(yùn)輸費(fèi)用、保溫材料儲(chǔ)管費(fèi)用、保溫材料施工便捷性、保溫材料施工人工費(fèi)用、施工機(jī)械費(fèi)用、施工措施費(fèi)用、保溫材料施工其他費(fèi)用、使用后能耗節(jié)約效益、保溫材料維護(hù)費(fèi)用、保溫材料使用壽命、保溫材料回收殘值等12項(xiàng)因素構(gòu)建了保溫材料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)使用層次分析法有效地避免了權(quán)重確定過(guò)程中的不確定性和模糊性并提升了結(jié)果的合理性，為市場(chǎng)、施工方選擇保溫材料提供了新思路。