基于DEA的裝配式建筑環境績效評價研究

吳雪飛

(合肥工業大學 管理學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

裝配式建筑具有施工快捷、資源節約的優點,在推進“雙碳”目標的背景下,已成為建筑業新一輪升級的主要發展方向。2016年,國務院發布《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》,各地裝配式建筑的建設達到新的高潮。然而裝配式建筑在環境節約的同時,其施工成本卻較高,現階段裝配式建筑的成本普遍高于現澆基礎。同時,大量的裝配式建筑方案不斷涌現,主要包含疊合式、全預制式等。如何采用較少的建造成本達到較好的環境效益應是評價裝配式建筑環境績效的主要考量。

目前裝配式建筑的綜合效益評價方法主要為層次分析法[1,2],利用該方法可以確定裝配式建筑物的各指標的權重,綜合評價其經濟效益、環境效益指標確定裝配式建筑的綜合效應,但是該方法主觀性強,與評價人的認識高度相關,各指標屬于平行關系,無法構建不同指標之間的價值鏈關系。

數據包絡分析法(DATA ENVELOPMENT ANALYSIS,DEA)作為一種效率評價方法,因為其能夠反映投入產出的多樣性等諸多優勢,DEA方法得到了廣泛應用[3-4]。目前,該方法在裝配式建筑乃至建筑領域的應用均較少。陳偉等[5]利用DEA方法對裝配式部件生產基地的經濟效益進行了評價,對于裝配式建筑的環境績效的評價罕見。本文通過DEA方法構建了裝配式建筑經濟指標與環境指標的價值鏈,評價了不同建造方法的環境績效,為決策層對裝配式建筑的應用提供評價方法,為裝配式方案的確定及比選提供比較思路。

1 指標選取與模型設計

1.1 裝配式建筑的經濟效益指標

建筑的經濟效益一般指施工單位在生產過程中的支出與收入的比值,建筑的收入性指標主要取決于建筑的功能,與采用何種施工方式的關聯性較小。對于裝配式建筑的經濟效益通過支出性指標來評價較為合理,建筑的支出是指在施工過程的資源耗費,即人工、材料、資金等。本文選取以下兩個指標作為裝配式建筑的經濟效益指標:①工程造價,②材料用量。以上指標均基于裝配式建筑與現澆建筑的概預算定額進行計算。

1.2 裝配式建筑的環境效益指標

建筑的環境效益是對建筑過程對環境后果的度量,人需要從自然、經濟、人文等多角度對人類活動可能導致的環境變化進行綜合評估和衡量。本文以碳排放、固體廢棄物排放、粉塵排放作為環境效益的評價標準。

1.2.1 碳排放

政府間氣候變化專門委員會發布的《2006 IPCC國家溫室氣體清單指南》是目前常用的碳排放計算依據。其中主要包含了三種碳排放量的計算方法,如表1所示。

表1 IPCC指南碳排放計算方法表

本文根據參照構件生產碳排放定額,參照方法一進行計算,共計算了施工過程的能源消耗產生的碳排放、人工節碳、照明節電、節水碳排放。

1.2.2 固體廢物排放

裝配式建筑可以有效減少施工過程中的固體排放,混凝土結構建造廢棄物包括鋼材、木材、混凝土塊、砂漿、保溫材料等。在決策階段定量分析裝配式基礎的固體排放的尚少,文獻[6]所述裝配式結構固體廢棄物排放比傳統現澆排放減少了約62%。本文以此基礎量化該指標,具體量化方式如公式(1)所示。

(1)

1.2.3 粉塵排放

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。裝配式建筑由于濕作業的減少,只能有限減少所產生的粉塵污染,現有的粉塵污染定量概算方法尚欠缺,僅有監測手段可以有效量化該指標,而現有的工程中對粉塵排放的量化評價指標也是較為欠缺的,文獻[7]中表明裝配式結構的PM2.5和PM10顆粒物濃度未明顯降低。本文通過公式(2)對指標進行量化處理,裝配式建筑對粉塵排放的降低約為28%。

(2)

式中:M2為裝配式建筑方案的粉塵排放量與現澆方案的粉塵排放量的比值。

1.3 模型設計

本文選取不同裝配式建造方案為研究對象,構建DEA模型的價值鏈。在裝配式建筑的建造過程中,由于其生產成本的提高,其投入型經濟效益指標不及現澆結構,在犧牲經濟效益的同時帶來更好的環境效益。評價裝配式建筑環境績效的基本價值關系即為采用更少的經濟投入取得更高的環境效益。因此,本文采用單階段的DEA模型,選擇以上兩個投入型經濟效益指標作為模型的投入,選用以上的三個環境效益指標作為模型的產出,其價值鏈如圖1所示。值得注意的是,以上的價值鏈與已有的采用層次分析法顯著不同,層次分析法認為經濟效益與環境效益是并列的,DEA模型是通過數據包絡分析確定各經濟支出對環境效益收入的相對效率。

圖1 裝配式建筑環境績效價值鏈

1.4 數據選取

由于已有的建筑碳排放、固體廢棄物排放、粉塵排放的監測數據缺乏,本文選取某單層混凝土廠房結構進行裝配式設計,分別對采用部分預制、疊合梁柱、全預制等三種方式的上部結構及下部結構進行指標量化計算。該結構建筑高度為4.5 m,上部混凝土框架為9 m單跨雙坡,榀間距為6 m,廠房長度為54 m。

下部基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎,各獨立基礎尺寸為2.4 m×2.4 m,基礎橫向間距為9 m,縱向間距為6 m;獨立基礎之間布置連梁,基礎柱頂面標高為0.3 m,基礎連梁頂面標高為-1.2 m,基礎連梁同時承擔上部墻體荷載作用。

裝配式設計的原則為:①全預制結構。采用全預制柱、預制梁、預制承臺代替原本的現澆結構,預制柱之間采用套筒灌漿連接,預制梁與預制柱采用預埋型鋼螺栓連接,并在預留圍護結構的連接預埋件;②疊合梁柱結構。采用疊合梁、疊合柱代替原現澆梁柱,各構件之間的連接采用后澆混凝土的方式;③部分預制。僅柱構件以及主梁采用預制,基礎與次梁不預制,預制率在32%;④維護部品部件不納入計量的范圍;⑤基礎原本采用錐形基礎,現改為階形基礎,鋼筋用量無差異,混凝土用量節省4.728 m3。最終的各指標計算結果如表2所示。為保證DEA計算模型的可靠性,本文還收集了已有九項裝配式建筑工程的綜合效率相關數據同樣列于表2中。由于碳排放等產出均是非期望產出,因此本文采用線性函數進行轉換,由于本文的各指標均為無量綱的數,數值相差不大,采用線性轉換可以對非期望產出進行有效處理。

表2 數據選取及計算結構

2 計算結果與分析

本文采用規模可變的單階段DEA模型進行分析,分別得出了15種不同方案的綜合效率、技術效率以及規模效率。在15種方案中前6種方案為本文通過概預算的方法對某廠房結構進行了裝配化設計,此6種裝配式設計方案中采用全預制裝配式方案的上部結構和下部結構,其效率均達到了1。這是由于單層混凝土框架結構相較于其他結構形式,結構簡單,連接節點少,且單層樓板施工簡單,現有裝配式結構成本已被控制得很少,采用裝配式方案造成的成本增加不明顯,而環境效益的好處是可觀的。采用疊合式的框架較全預制框架甚至更低,這表明對于低層的框架結構,特別是形如工業廠房、電力設備室等單層結構,采用全預制裝配式結構是有意義的。

方案7、方案8分別為昆明市五華區某辦公樓的現澆方案和裝配式方案,該裝配式環境績效是有限的,在成本和材料用量大幅度提升的情況下,僅取得了25.6%的裝配率,大部分結構依然采用現澆,碳排放、粉塵排放的下降量是有限的。其綜合效率相較于原本現澆方案變化不大,此外規模效率也是相對較低的,這再次表明其成本的增加對環境指標的改善有限。

方案9、方案10、方案11、方案12為某學校初步設計階段時的4種預選裝配式建筑設計方案比選,采用DEA方法對各方案的環境績效進行評價不難發現各方案的差別。其中方案9、方案12相較于其他方案效率明顯提高,采用該方法可以對裝配式結構的方案進行比選。此外,注意到這4種方案的綜合效率均達到了較高的水平,這是由于其碳排放的減少是顯著的,相對于其他裝配式項目碳排放減少最大為30%左右,其碳排放減少了一半,這可能也與統計的方式、方法相關。

方案13、方案14為預制裝配式住宅的現澆方案與裝配式方案。該裝配式住宅采用剪力墻結構,其結構形式相對復雜,裝配式剪力墻結構的預制構件包含預制空心隔墻板、預制鋼筋混凝土外墻、預制鋼筋混凝土內墻、預制鋼筋混凝土疊合樓板,預制鋼筋混凝土陽臺及樓梯。但是該項目的成本控制良好,裝配式方案的效率明顯高于現澆結構,其綜合效率為0.787。方案15為地鐵惠生新城項目,同樣采用裝配式剪力墻結構,該項目的效率也與方案14相同。這表明現有的裝配式剪力墻住宅結構體系的建造技術已經達到了較為成熟的水平,規模效應的產生讓其相對成本增加有限。

總的來說,采用裝配式建筑目前的環境績效均達到了顯著的水平,但是筆者在統計數據時也發現這些相關指標的統計標準也是有差異的,部分數據的記錄比較模糊,國內也需建立標準的碳排放計算定額,以便環境指標的統計。

3 結論與展望

本文提出了一種基于DEA模型的裝配式建筑環境績效評價方法,建立了建筑經濟效益與環境效益的價值鏈,以結構的工程造價及材料用量評價結構的投入型經濟效益,采用碳排放、固體廢棄物排放以及粉塵排放作為環境效益指標,并且提供了各指標的計算方法,對難以統計的指標提出了模糊估算方式。計算結果表明,該方法可以反映各經濟支出對環境效益收入的相對效率。

本文針對某廠房的上部、下部結構的裝配式設計進行評價,并且收集了9個裝配式項目的經濟效益與環境效益數據,共同比對。該方法可以有限地對不同裝配式方案環境績效進行評估,為裝配式建筑的推廣提供參考。

目前,建筑物經濟效益、環境效益的相關評價較少,鮮有相關數據庫的建立,不同工程的環境效益計算方法尚不統一,相關數據庫的建立對規范評價裝配式建筑生產拼裝至關重要。此外,裝配式建筑的水電用量、工期乃至社會效益等也與現澆建筑不同,更加全面的DEA價值評價體系也有待建立,而這些指標統計難度進一步加大,尚待解決。