基于模糊理論的公共建筑光環(huán)境綜合評(píng)價(jià)*

張 軍， 劉 丹

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

隨著我國社會(huì)的不斷發(fā)展，居民在公共建筑室內(nèi)的生活和工作活動(dòng)日益增加，其中建筑光環(huán)境是影響人們?cè)谑覂?nèi)工作活動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵因素[1-2].公共建筑室內(nèi)的建筑光環(huán)境不同于室外的自然光環(huán)境，當(dāng)一直處于室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境時(shí)，容易產(chǎn)生不安和缺乏舒適度等不良反應(yīng).建筑光環(huán)境是公共建筑總體環(huán)境的重要組成部分，建筑光環(huán)境從生理和心理上都會(huì)對(duì)室內(nèi)人員的活動(dòng)效率和身體狀況產(chǎn)生一定的影響.舒適的建筑光環(huán)境能夠?yàn)榻ㄖ?nèi)人員提供充裕的視覺條件，能夠改善建筑室內(nèi)人員的活動(dòng)工作環(huán)境，降低長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)的不舒適感，使人們活動(dòng)效率和舒適度得到提高，且有利于人們的視力以及身體健康，因此，對(duì)公共建筑光環(huán)境進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)分析，有利于提出改善措施，完善公共建筑的活動(dòng)環(huán)境.

為提高公共建筑光環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從不同的角度提出了建筑光環(huán)境的智能控制方法，文獻(xiàn)[3-4]通過對(duì)建筑窗戶的高度、透光率進(jìn)行合適的規(guī)劃布局，使室內(nèi)的自然光利用率有所增大；文獻(xiàn)[5-6]在建筑的幕墻、天花板或者幕墻等位置安裝合適的反光和透光材料來改善室內(nèi)光環(huán)境.然而，上述研究都是從建筑物的角度采取控制措施，并未發(fā)揮自然光的作用，即沒有從檢測(cè)光評(píng)價(jià)指標(biāo)的角度進(jìn)行分析.本文從自然光角度建立公共建筑光環(huán)境綜合評(píng)價(jià)方法，判斷光環(huán)境是否滿足要求，進(jìn)而為建筑光環(huán)境的智能優(yōu)化控制提出理論依據(jù).本文構(gòu)造了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)因素集，采用模糊理論建立建筑光環(huán)境因素的綜合評(píng)價(jià)模型并對(duì)公共建筑光環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià).

1 模糊綜合評(píng)價(jià)原理

模糊綜合評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，模糊數(shù)學(xué)[7]是研究和處理模糊性現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方法，其基本步驟如下：

1) 構(gòu)建所需評(píng)價(jià)對(duì)象的基本因素集合.記評(píng)價(jià)對(duì)象的基本因素集合為U={u1，u2，，un}，構(gòu)建因素集合也即是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，在評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上以區(qū)間來劃分不同的評(píng)價(jià)指標(biāo).

2) 構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí).記評(píng)價(jià)等級(jí)集合為V={v1，v2，，vn}，匯總評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果，即可構(gòu)成評(píng)價(jià)集合，一般可以取每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均評(píng)價(jià)結(jié)果.

3) 構(gòu)建單因素評(píng)價(jià).建立模糊映射關(guān)系，通過歸一化處理方法可求出模糊關(guān)系為

(1)

U到V的一個(gè)模糊映射可表示為

(2)

式中，rij為U中元素隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)V中元素的程度.

4) 綜合評(píng)價(jià).基本因素集合U的每個(gè)因子具有不同的權(quán)重，需對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行賦權(quán).U上的模糊子集可表示為A={a1，a2，，an}，則可以求出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B=AR

(3)

綜上所述，本文評(píng)價(jià)對(duì)象是建筑光環(huán)境場(chǎng)景，通過構(gòu)建評(píng)價(jià)因素集合U、評(píng)價(jià)等級(jí)集合V以及權(quán)重即可實(shí)現(xiàn)公共建筑光環(huán)境的模糊綜合評(píng)價(jià).

2 建筑光環(huán)境評(píng)價(jià)因素集

2.1 評(píng)價(jià)主體

公共建筑光環(huán)境的評(píng)價(jià)結(jié)果由主觀的人體感受以及客觀的環(huán)境條件綜合決定，因此，首先通過人體主觀感覺來評(píng)價(jià)建筑光環(huán)境的舒適度.為保證評(píng)價(jià)主體具備一定的完備性，應(yīng)確保主體樣本保持相應(yīng)的獨(dú)立性，避免出現(xiàn)冗余的結(jié)果.對(duì)于評(píng)價(jià)主體的選擇可以從以下幾方面考慮：1)性別方面，男性和女性各占一半的比例；2)年齡方面，評(píng)價(jià)主體應(yīng)是從小到大的不同年齡段，且具有均衡的比例；3)職業(yè)背景方面，盡量選擇不同職業(yè)的主體.考慮上述3方面因素的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果更接近于實(shí)際情況.

文中受客觀條件限制，選擇的主體數(shù)量是60名，皆是來自不同的年齡段和不同的職業(yè)背景，其中男性主體和女性主體各30名.具體的建筑光環(huán)境評(píng)價(jià)主體信息如表1所示.

表1 建筑光環(huán)境評(píng)價(jià)主體信息Tab.1 Object information for light environment evaluation in buildings

評(píng)價(jià)主體需對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行一段時(shí)間的感受和訓(xùn)練學(xué)習(xí)，避免自己的感受觀點(diǎn)對(duì)其他評(píng)價(jià)人員造成干擾，要求各評(píng)價(jià)主體分別進(jìn)行獨(dú)立的判斷和評(píng)價(jià).

2.2 評(píng)價(jià)因素集

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2013》，選取影響建筑光環(huán)境的4個(gè)指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度和顯色指數(shù)組成評(píng)價(jià)因素集.以公共建筑的普通辦公室作為典型場(chǎng)景進(jìn)行分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，普通辦公室的自然光環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)取值如表2所示.

表2 光環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Tab.2 Standard values of light environmental parameters

依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)理論，構(gòu)建的評(píng)價(jià)因素集合應(yīng)能夠全面反映每一個(gè)評(píng)價(jià)因素的影響才能使評(píng)價(jià)的結(jié)果具有一定的代表性.同時(shí)，根據(jù)公共建筑普通辦公室光環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，分別設(shè)定偏離標(biāo)準(zhǔn)值上、下的不同檔次來反映實(shí)際光環(huán)境的差異性.因素集低于參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的分別記為“略低”、“較低”、“低”，且分別用“3”、“2”、“1”表示；同理，因素集高于參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的分別記為“略高”、“較高”、“高”，分別用“5”、“6”、“7”表示.分別事先設(shè)定和評(píng)價(jià)4個(gè)指標(biāo)的取值，并做出一定的調(diào)整，因此，可以得出標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度和顯色指數(shù)等指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)量表如表3所示.

表3 模糊評(píng)價(jià)量表Tab.3 Scale table for fuzzy evaluation

3 建筑光環(huán)境模糊綜合評(píng)價(jià)

本節(jié)在建筑光環(huán)境評(píng)價(jià)因素集的基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，具體包括平均值分析、相關(guān)性分析、權(quán)重分析以及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果.

3.1 平均值分析

根據(jù)60位相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)者的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果可知公共建筑普通辦公室的評(píng)價(jià)平均值如表4所示，分段和簡(jiǎn)化后的建筑光環(huán)境因素集合的評(píng)價(jià)量如表5所示.

表4 評(píng)價(jià)結(jié)果平均值Tab.4 Average values of evaluation results

表5 評(píng)價(jià)量的分段Tab.5 Segmentation of evaluation scales

3.2 相關(guān)性分析

將表4光環(huán)境評(píng)價(jià)平均值結(jié)果轉(zhuǎn)化成4×4的矩陣，可表示為

(4)

式中，xij為第i項(xiàng)和第j項(xiàng)相關(guān)性系數(shù).由式(4)能夠計(jì)算出第i項(xiàng)和第j項(xiàng)之間的相關(guān)系數(shù).結(jié)合表4的公共建筑評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值以及SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件[8]，能夠求出建筑光環(huán)境4個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù).基于SPSS的相關(guān)性分析主要是通過繪制散點(diǎn)圖來計(jì)算兩元素之間的相關(guān)系數(shù)，從而來有效揭示不同元素之間相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱程度.在散點(diǎn)圖上，若2個(gè)元素的關(guān)系可近似看作1條直線，則稱兩元素線性相關(guān)；若2個(gè)元素之間的關(guān)系近似為1條曲線，則稱兩元素為非線性相關(guān)；若2個(gè)元素的分布十分分散，兩者之間沒有任何規(guī)律，則稱2個(gè)元素之間無相關(guān)關(guān)系.一般而言，相關(guān)系數(shù)的大小能夠反映不同元素之間的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)弱程度，若相關(guān)系數(shù)的范圍為(0，1)，則表示元素之間是正相關(guān)關(guān)系；若相關(guān)系數(shù)的范圍為(-1，0)，則表示元素之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系；相關(guān)系數(shù)為1表示的是元素之間完全正相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為-1表示元素之間完全負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0表示元素之間不相關(guān).本文得出具體的相關(guān)系數(shù)如表6所示.

表6 指標(biāo)間的相關(guān)性Tab.6 Correlationship among indexes

3.3 權(quán)重分析

通過SPSS軟件對(duì)所調(diào)查的歷史數(shù)據(jù)分析計(jì)算，建筑光環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度和顯色指數(shù)4個(gè)指標(biāo)可以劃分為兩個(gè)影響因子集，其中標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度3個(gè)指標(biāo)記為功能性影響因子F1，顯色指數(shù)標(biāo)記為舒適性影響因子F2，這樣分類能夠均衡主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的比例，使得確定權(quán)重具有一定的客觀性.

通過SPSS軟件能夠計(jì)算功能性影響因子F1和舒適性影響因子F2之間的平均重要得分，并得到兩者的重要性次序等級(jí)，如表7所示.

表7 重要性得分統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of importance score

依據(jù)權(quán)重計(jì)算原則，F(xiàn)1和F2的權(quán)重與其次序等級(jí)成反比，因此可求得F1和F2的權(quán)重分別為0.75、0.25，采用同樣的方法可以求得功能性影響因子F1中標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.313、0.176、0.176，舒適性影響因子F2中顯色指數(shù)指標(biāo)的權(quán)重為0.144.因此，光環(huán)境評(píng)價(jià)因素集的權(quán)重分別為：標(biāo)準(zhǔn)照度值：0.75×0.313=0.235；標(biāo)準(zhǔn)眩光值：0.75×0.176=0.132；照度均勻度：0.75×0.176=0.132；顯色指數(shù)：0.25×0.144=0.036，因此，建筑自然光環(huán)境評(píng)價(jià)因素的綜合評(píng)價(jià)權(quán)向量為A=(0.235，0.132，0.132，0.036).

3.4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

60位評(píng)價(jià)人員對(duì)建筑光環(huán)境不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)(每個(gè)指標(biāo)所占的人數(shù)量)如表8所示.

表8 光環(huán)境評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)Tab.8 Statistics of light environment evaluation

對(duì)上述主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行歸一化計(jì)算，可以得到U到V的一個(gè)模糊映射為

(5)

則綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B=(0.235，0.132，0.132，0.036)×

(0，0.063 9，0.109 2，0.164 8，0.158 3，0.040 7，0)

(6)

對(duì)B進(jìn)行歸一化之后可得

(7)

為充分利用綜合評(píng)價(jià)的信息，評(píng)價(jià)結(jié)果可由評(píng)價(jià)向量與等級(jí)向量進(jìn)行乘積計(jì)算求得，即

G=(0，0.119 1，0.203 4，0.306 9，0.294 8，0.075 8，0)×

(1，2，3，4，5，6，7)T=4.004 6

(8)

由式(8)可以看出，公共建筑光環(huán)境的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是4.004 6，根據(jù)表5的評(píng)價(jià)量分段等級(jí)可知，本文所測(cè)試的公共建筑普通辦公室的自然光因素評(píng)價(jià)結(jié)果處于標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，結(jié)果符合該建筑光環(huán)境的實(shí)際情況.

4 結(jié) 論

本文采用基于模糊理論的評(píng)價(jià)方法對(duì)公共建筑光環(huán)境進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，介紹了模糊理論的基本原理，并確定了較為客觀、全面的評(píng)價(jià)主體，從標(biāo)準(zhǔn)照度值、標(biāo)準(zhǔn)眩光值、照度均勻度和顯色指數(shù)4個(gè)方面建立全面的評(píng)價(jià)因素集合.根據(jù)主體分析確立了評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，得出模糊綜合評(píng)價(jià)模型，最終得出評(píng)價(jià)結(jié)果.通過實(shí)例驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況，表明本文所建立的模糊綜合評(píng)價(jià)方法具有一定的適用性.