基于灰色系統(tǒng)理論的低碳建筑評價(jià)

楊海紅，劉夢穎，李金瑾

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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基于灰色系統(tǒng)理論的低碳建筑評價(jià)

楊海紅，劉夢穎，李金瑾

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要：低碳建筑是建筑業(yè)應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境問題新的發(fā)展趨勢，而對其進(jìn)行評價(jià)則是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。首先，從全壽命周期的角度建立了低碳建筑評價(jià)體系；然后，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)所需信息的不確切性和不完全性，選用灰色系統(tǒng)理論，構(gòu)建了多層次灰色評價(jià)模型，最后，結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了該評價(jià)方法在建筑低碳效果評價(jià)領(lǐng)域的可行性，為低碳建筑的評價(jià)研究引進(jìn)一種新的評價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：低碳建筑；全壽命周期；層次分析；灰色評價(jià)

近年來世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，能源危機(jī)和環(huán)境問題卻日趨嚴(yán)重，低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展成了影響人類發(fā)展的全局性問題。建筑業(yè)是耗能大戶，其耗能約占社會能源消耗總量的30%以上，主要原因是由于建筑在施工、運(yùn)營管理和拆除報(bào)廢的過程中會排放大量的溫室氣體，預(yù)計(jì)到2030年全社會所產(chǎn)生的溫室氣體有25%來自建筑業(yè)[1]。國家“十二五”規(guī)劃中，明確提出控制建筑等領(lǐng)域溫室氣體排放[2]。為了減輕能源與環(huán)境壓力，需要把開發(fā)低碳建筑放在首要位置。

近年來，低碳建筑逐漸成為建筑業(yè)的主流趨勢，并且在我國也越來越受到重視。而我國低碳建筑的研究才剛剛起步，關(guān)于低碳建筑的許多評價(jià)指標(biāo)是定性的，所以很難對其進(jìn)行整體評價(jià)，因而在一定程度上限制了低碳建筑的發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀， 筆者采用了灰色系統(tǒng)理論對建筑低碳效果進(jìn)行評價(jià)，并建立了多層次灰色評價(jià)模型。

1低碳建筑評價(jià)指標(biāo)體系

由于在建筑工程實(shí)施的各個過程中都會排放大量的溫室氣體，因此，要實(shí)現(xiàn)建筑物真正的低碳化，應(yīng)該從建筑物壽命周期的角度來降低碳排放量[3]，并需要在建筑物壽命周期各階段分別采取有針對性的技術(shù)和措施。 筆者從全壽命周期的角度出發(fā)，參考相關(guān)文獻(xiàn)，并基于綠色建筑的評價(jià)指標(biāo)體系，以節(jié)能減排為宗旨，分析每個階段與碳排放相關(guān)的指標(biāo)，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、實(shí)用性、可比性、繼承與創(chuàng)新等指標(biāo)體系構(gòu)建原則，分別從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營維護(hù)階段及拆除報(bào)廢階段選取評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建低碳建筑評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1　低碳建筑評價(jià)指標(biāo)體系

2低碳建筑多層次灰色評價(jià)模型

2.1多層次灰色評價(jià)模型的建立

2.1.1確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

表2　評判標(biāo)度表

2.1.2制定評價(jià)指標(biāo)的評分等級

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)達(dá)到低碳效果的程度， 筆者把評價(jià)指標(biāo)優(yōu)劣性劃分為“好”、“較好”、“一般”、“較差”和“差”5個等級，然后把這些評價(jià)等級分別賦值為5、4、3、2、1[5]，從而把定性指標(biāo)定量化，達(dá)到評價(jià)的需要。

2.1.3確定評價(jià)樣本矩陣

假設(shè)有p個專家對低碳建筑評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，且第k個專家對評價(jià)指標(biāo)Vij的打分為dijk，則評價(jià)樣本的矩陣可以表示為:

2.1.4確定評價(jià)灰類

確定評價(jià)灰類，就是確定評價(jià)灰類的等級數(shù)、灰類的灰數(shù)及灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)[6]。根據(jù)評分等級，可設(shè)定5個評價(jià)灰類，灰類序號為e(e=1,2,3,4,5)，其相應(yīng)的灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)分別如下所示。

第1灰類“好”(e=1)，灰數(shù)?1∈(5,∞)，白化權(quán)函數(shù)為:

第2灰類“較好”(e=2)，灰數(shù)?2∈[0,4,8]，白化權(quán)函數(shù)為:

第3灰類“一般”(e=3)，灰數(shù)?3∈[0,3,6]，白化權(quán)函數(shù)為:

第4灰類“較差”(e=4)，灰數(shù)?4∈[0,2,4]，白化權(quán)函數(shù)為:

第5灰類“差”(e=5)，灰數(shù)?5∈[0,1,2]，白化權(quán)函數(shù)為:

2.1.5計(jì)算灰色評價(jià)系數(shù)

對于評價(jià)指標(biāo)Bij，評價(jià)項(xiàng)目屬于第e類評價(jià)灰類的白化權(quán)分為fe(dij1),fe(dij2),…,fe(dijp)，其中，dijp為專家的打分。將評價(jià)項(xiàng)目屬于第e個評價(jià)灰類的灰色評價(jià)系數(shù)記為xije，則有:

2.1.6計(jì)算灰色評價(jià)權(quán)向量和權(quán)矩陣

記所有評價(jià)專家就評價(jià)指標(biāo)Bij對于受評項(xiàng)目主張第e個灰類的灰色評價(jià)權(quán)為rije，則有rije=xije/xij，e=(1,2,3,4,5)。因此，評價(jià)指標(biāo)Bij對于各灰類的灰色評價(jià)權(quán)向量rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5)，從而得到Bi所屬指標(biāo)Bij的灰色評價(jià)權(quán)矩陣：

2.1.7對Bi進(jìn)行綜合評價(jià)

對評價(jià)項(xiàng)目中的Bi進(jìn)行綜合評價(jià),將其綜合評價(jià)結(jié)果記為Ci，則有Ci=Ai·Ri=(bi1,bi2，bi3，bi4，bi5)。

2.1.8對B進(jìn)行綜合評價(jià)

記Bi對于各評價(jià)灰類的灰色評價(jià)權(quán)矩陣為R，R=(B1,B2,…,Bm)T。將評價(jià)項(xiàng)目的灰色綜合評價(jià)結(jié)果記為C，則有C=A·R=(b1,b2,b3,b4,b5)，其反映了項(xiàng)目低碳效果屬于每個評價(jià)灰類的程度，按照最大權(quán)原則[7]確定建筑低碳效果所屬的灰類，Ce取得最大值時(shí)即為該項(xiàng)目的綜合評價(jià)等級。

2.2案例應(yīng)用

2.2.1案例基本情況

某市一住宅項(xiàng)目，位于市區(qū)中部，該項(xiàng)目總用地面積為28.04萬m2,其中地上建筑面積為21.75萬m2，容積率為2.38。該項(xiàng)目是某地產(chǎn)公司推出的首個綠色地產(chǎn)產(chǎn)品，該項(xiàng)目在實(shí)踐過程中采用了一系列的節(jié)能、環(huán)保措施，以減少對環(huán)境的破壞[8]。

2.2.2灰色系統(tǒng)理論評價(jià)

(1)確定指標(biāo)權(quán)重。按照各指標(biāo)與低碳建筑的重要性，將一級指標(biāo)的4個元素進(jìn)行兩兩比較，得到一級指標(biāo)的判斷矩陣W:

同樣的方法，獲得二級指標(biāo)的判斷矩陣:

求出上述判斷矩陣的特征值和特征向量，計(jì)算出各級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

A=(0.472 3,0.169 4,0.285 4,0.072 5)

A1=(0.219 3,0.354 2,0.055 3,0.195 3,0.068 4,0.107 5)

A2=(0.164 4,0.445 7,0.105 1,0.284 9)

A3=(0.500 0,0.500 0)

A4=(0.333 3,0.666 7)

(2)邀請5位專家，對所有影響因素進(jìn)行打分，可得評價(jià)矩陣D：

用同樣的方法算出其他各評價(jià)指標(biāo)的灰色評價(jià)權(quán)向量，從而得出該項(xiàng)目低碳效果有關(guān)指標(biāo)的評價(jià)權(quán)矩陣Ri(i=1,2,3,4,5)，這里僅以R1為例。

(4)綜合評價(jià)。根據(jù)Ci=Ai×Ri求得評價(jià)結(jié)果為：

C1=(0.365 0,0.367 8,0.240 5,0.026 4,0.000 0)

C2=(0.335 1,0.327 3,0.242 1,0.095 6,0.000 0)

C3=(0.361 7,0.352 0,0.244 7,0.041 6,0.000 0)

C4=(0.343 0,0.352 2,0.257 0,0.047 7,0.000 0)

則該工程項(xiàng)目低碳度的總灰色評價(jià)權(quán)矩陣R=(C1,C2,C3,C4,C5)T，最終得出該項(xiàng)目的低碳度綜合評價(jià)權(quán)向量為：C=A×R=(0.357 3,0.355 2,0.243 1,0.044 0,0.000 0)

(5)算出綜合評價(jià)值，判定該項(xiàng)目的低碳效果。由上述賦值，可得灰類等級值化向量為?=(5,4,3,2,1)，該項(xiàng)目低碳效果綜合評價(jià)值Y=C×?T=4.024 6，則該項(xiàng)目低碳效果等級為“較好”。

3結(jié)論與建議

筆者將灰色系統(tǒng)理論引進(jìn)建筑低碳效果評價(jià)領(lǐng)域，建立了低碳建筑多層次灰色分析模型。通過案例應(yīng)用驗(yàn)證了筆者所建低碳建筑評價(jià)體系和所選評價(jià)方法的有效性。該評價(jià)方法能夠最大可能地利用所有數(shù)據(jù)，避免了在評價(jià)過程中遺漏有用的信息而造成評價(jià)不準(zhǔn)確的情況。該方法不但能夠獲得綜合評價(jià)結(jié)果，還能對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序。此外，通過研究還可得出以下啟示：

(1)注重場址選擇與節(jié)能設(shè)計(jì)。在建筑選址時(shí)，要考慮所處的地形地貌條件，方便施工且有利于后期的使用與維護(hù)；選址時(shí)還要考慮出行方便，能夠充分利用公共交通網(wǎng)絡(luò)。在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，要充分利用自然環(huán)境，如冬季利用陽光、夏季利用自然風(fēng)，減少建筑使用能耗，以降低碳的排放量。同時(shí)還要綜合考慮建筑朝向、建筑間距等方面來實(shí)現(xiàn)低碳的目的。

(2)促進(jìn)低碳建筑技術(shù)發(fā)展。由于我國低碳建筑技術(shù)的研究起步較晚，在施工階段所需降低CO2排放的新材料、新技術(shù)都比較欠缺，致使許多低碳設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)。政府應(yīng)當(dāng)增加投入，大力倡導(dǎo)低碳建筑技術(shù)的研發(fā)，盡快降低低碳建筑的開發(fā)成本，并且還要盡快建立低碳檢測系統(tǒng)。

(3)加強(qiáng)宣傳教育并建立激勵機(jī)制。低碳建筑的發(fā)展是個漫長的過程，為了更好地發(fā)展低碳建筑，可通過宣傳教育，使人們對低碳建筑節(jié)能減排有更深入的了解。由于現(xiàn)階段國家有關(guān)低碳建筑的機(jī)制尚不健全，政府對CO2排放多的建筑企業(yè)沒有相應(yīng)的制約措施，同時(shí)也缺乏對CO2排放低的建筑企業(yè)缺乏相應(yīng)的激勵措施。這就會使得建筑企業(yè)缺乏開發(fā)低碳建筑的動力，阻礙低碳建筑的發(fā)展。

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YANG Haihong:Assoc. Prof.;School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，China.

文章編號：2095-3852(2016)02-0210-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-10-29.

作者簡介：楊海紅(1972- )，女，湖北武漢人，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授.

中圖分類號：TU023

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.02.016

An Evaluation of the Low-carbon Building Based on Gray System Theory

YANGHaihong,LIUMengying,LIJinjin

Abstract：The low-carbon building is a new trend of the construction to face energy crisis and environmental issues. And assessment of low-carbon building is complex system engineering. In order to measure the low-carbon effect of a building, we need to evaluation methods to achieve evaluation. This paper establishes the low-carbon buildings evaluation system based on the perspective of the whole life, then, in accordance with inaccurate and incomplete of the information of evaluation, establishing a multi-level gray evaluation model with gray system theory. Finally, with an engineering example, it verifies the evaluation method is practical and feasible in the field of the low-carbon effects evaluation of the construction, and introduces a new evaluation method for the evaluation of low-carbon buildings.

Key words：low carbon building; life-cycle; analytic hierarchy; gray evaluation