基于層次分析法的建筑群內(nèi)環(huán)境指標體系研究

周 嚴，楊 川，吳爽謙，饒晶晶，黃小明，蔣 杰

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都 610500)

近年來，我國的綠色建筑發(fā)展越來越迅猛。在政府和市場主導制定標準的框架下，我國建筑綠色標準建設工作得到了長足發(fā)展，但是我國的綠色建筑后評價發(fā)展仍然發(fā)展緩慢，甚至部分地區(qū)仍處于停滯不前的情況，為此GB/T50378-2014《綠色建筑評價標準》中明確將綠色建筑評價指標分為設計評價和運行評價兩部分，著重突出了運行評價的重要性[1]。綠色建筑后評價方法成為推進建筑舒適度高質(zhì)量、高要求發(fā)展的主要內(nèi)容。目前國內(nèi)外很多評價指標的設計與評價方法仍存在大量問題。本文旨在建立以區(qū)域為研究對象的綠色建筑后評價指標體系，進行相關(guān)的權(quán)重向量分析研究。為評估建筑的舒適度提供依據(jù)，并對使用后評價較差的建筑項目提供改進意見。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟從粗放型增長方式轉(zhuǎn)向集約型增長方式的過渡時期，加之相關(guān)政策的大力扶持，建筑建設環(huán)境也愈發(fā)綠色高效。但是由于我國建筑環(huán)境研究起點低、起步晚、發(fā)展緩慢，目前的提高仍舊不能滿足綠色建筑評估的相關(guān)指標評價。國內(nèi)林波榮、肖娟[2]通過POE的研究方法對不同地理環(huán)境的11棟建筑進行了研究，表明：綠色建筑在進行綠色技術(shù)的引進時，應進行經(jīng)濟技術(shù)的合理性分析，理性對待；自然通風和自然采光等綠色技術(shù)成本極低，但是收效極好，值得大力推廣；對能耗影響極大的人的行為模式應列為重點考察對象。國外很多國家的學者都針對性地制訂了符合本國環(huán)境標準要求的綠色建筑指標。Hazreena Hussein[3]使用五點Likert 量表對建筑進行調(diào)研，該表覆蓋各種建筑性能標準，其中主要包括了建筑元素、熱舒適、室內(nèi)空氣品質(zhì)、視覺舒適、聲覺舒適和景觀要素方面，研究結(jié)果表明個人主觀知覺和建筑性能標準之間有著積極的聯(lián)系。由此可見，建筑內(nèi)環(huán)境舒適度主要服務于人的主觀感受，建立科學系統(tǒng)的建筑內(nèi)環(huán)境后評價指標可以促進形成良好的內(nèi)環(huán)境，大大減少建筑能源的消耗，為推動我國的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

2 研究思路

本文研究思路在于運用目前越發(fā)成熟的BIM技術(shù)，對一個建筑群內(nèi)的建筑物的室外環(huán)境進行模擬分析，首先建立起比較完整的評價指標體系，針對不同的指標層，利用問卷分析和層次分析法進行權(quán)重分析，然后對建筑群內(nèi)建筑物不同部位的環(huán)境指征進行定義和量化計算。本文為首次研究成果，故只針對一級指標進行研究，更為詳細和深入的研究將在后續(xù)成果中發(fā)布。

3 指標確立

3.1 指標設置因素

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，人們生活和工作的方式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，大部分人一天80 %的時間都會在室內(nèi)，因此人們越來越關(guān)注建筑內(nèi)環(huán)境的舒適度。舒適度是指人們對客觀環(huán)境從生理與心理方面所感受到的滿意程度而進行的綜合評價。舒適度會受各種因素影響，因個體差異而呈現(xiàn)不同結(jié)果。當前國內(nèi)外綠色建筑評價體系，建筑環(huán)境評價指標眾多，例如：視野、空氣質(zhì)量、通風、供暖、水資源、能源等各類因素。本次建筑群內(nèi)環(huán)境評價指標體系的研究，選取的指標應具備以下特點：其一，在室內(nèi)環(huán)境評價中具有代表性；其二，在建筑內(nèi)環(huán)境中，由自然條件產(chǎn)生，有節(jié)能環(huán)保作用，人為不可控因素；其三，是人體能感受，根據(jù)個人感官度量的因素。參考國內(nèi)外綠色建筑評價體系，確定四項一級指標，分別為風環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境。

3.2 風環(huán)境

風環(huán)境是指室外自然風在城市地形地貌或自然地形地貌影響下形成的受到影響之后的風場。在建筑可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下，發(fā)展綠色建筑，充分利用自然能源成為大勢所趨。合理利用自然通風提高人們居住環(huán)境舒適度是重要方法之一。 炎熱季節(jié)，人們利用自然通風來帶走建筑內(nèi)部的余熱、余濕，利用大量夜間和清晨的涼風增加建筑圍護結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)家具的蓄冷量。同時，自然通風也帶來新鮮、清潔的空氣，既有利于降低室內(nèi)污染物及二氧化碳濃度，又能滿足人們接觸自然的心理需要。此外，自然通風的湍動特性更具有自然特征，在同等條件下可以提供更加舒適的室內(nèi)環(huán)境[4]。在國內(nèi)外綠色建筑評價體系中，室內(nèi)環(huán)境都有提到“空氣質(zhì)量”，LEED中的控制項和60 %的評分項都是關(guān)于室內(nèi)空氣品質(zhì)的；而BREEAM中室內(nèi)空氣品質(zhì)和光環(huán)境的指標數(shù)量最多，分別包括1條控制項，評分項的權(quán)重各占54 %和23 %[5]。由此可看出風環(huán)境在節(jié)能中的益處，對人類心情，環(huán)境舒適度的影響，以及在綠色建筑評價體系中的重要性。

3.3 光環(huán)境

光環(huán)境是由光(照度水平和分布、照明的形式和顏色)、顏色(色調(diào)、色飽和度、室內(nèi)顏色分布、顏色顯現(xiàn))在室內(nèi)建立的同房間形狀有關(guān)的生理和心理環(huán)境。人從外界獲取的信息主要依靠人體的視覺、聽覺、嗅覺、味覺等等，其中約有80 %的信息來自光和視覺，所以無論白天或黑夜，人類的生活時時刻刻都需要光[6]。光環(huán)境對人的精神狀態(tài)和心理感受也產(chǎn)生積極的影響。例如對于工作和學習的場所，良好的光環(huán)境能振奮精神和提高效率；對于休息、娛樂的公共場所，適宜的光環(huán)境能創(chuàng)造舒適、優(yōu)雅、活潑生動或莊重嚴肅的氣氛。在20世紀70年代，經(jīng)歷第一次能源危機后，許多發(fā)達國家意識到能源的重要性，“綠色照明”運動因此興起[7]。國內(nèi)外綠色建筑指標體系中，也多次提到照明、視野、太陽光照射等相關(guān)指標項。室內(nèi)光環(huán)境若極大限度地使用自然采光，這樣就可以充分節(jié)約能源，降低溫室效應，對建筑光環(huán)境質(zhì)量的提高也有重要意義。從人類生活、環(huán)境保護上看，光環(huán)境是重要評價指標。

3.4 熱環(huán)境

熱環(huán)境是指影響人體冷熱感覺的環(huán)境因素。這些因素主要指室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)濕度、氣流速度和環(huán)境輻射溫度。室內(nèi)熱環(huán)境舒適度是人對建筑環(huán)境最基本的要求之一[8]。據(jù)研究表明，室內(nèi)熱環(huán)境的好壞會直接影響人們的舒適程度。例如，熱舒適的室內(nèi)環(huán)境有助于人的身心健康，進而提高學習、工作效率；而過冷、過熱的環(huán)境中，則會感覺不適，影響健康，引起疾病甚至危及生命?？v觀國內(nèi)外熱環(huán)境設計，大多都是通過供暖、通風和空調(diào)來維持建筑內(nèi)環(huán)境溫度、濕度。在熱環(huán)境設計上，更加鼓勵通過地形選址，圍護結(jié)構(gòu)材料特性等進行采暖、制冷。建筑室內(nèi)環(huán)境不僅關(guān)系到人體的舒適度和健康，更關(guān)系到建筑能耗和污染物排放，影響城市、國家的可持續(xù)發(fā)展，所以熱環(huán)境舒適度的評價十分必要。

3.5 聲環(huán)境

在建筑中聲環(huán)境主要是噪音。從物理意義來說，噪聲是各種不同頻率和強度的聲音雜亂組合。隨著社會迅速發(fā)展，人們生活質(zhì)量的不斷提高，工業(yè)噪音、交通噪音無時不在。建筑施工、車輛行駛，不可避免地會出現(xiàn)噪音污染，如若不采取有效措施，人們的正常學習、生活和工作，甚至身體健康都會受到不同程度的影響。人類長期地處于噪音環(huán)境中，不僅會在一定程度上損害聽力，還可能會誘發(fā)一系列的相關(guān)疾病[9]，如職業(yè)性聽力損失等。我國聲環(huán)境質(zhì)量標準對一、二類聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲限值有明確規(guī)定。

4 問卷分析過程

本次項目主要采用線上與線下問卷兩種形式開展，共收集問卷3 368份，線上收集問卷3 028份，線下問卷340份。線上問卷主要采用網(wǎng)絡推送數(shù)據(jù)，能夠收集大量的數(shù)據(jù)，但是存在覆蓋范圍較大，數(shù)據(jù)可靠性較低的問題；線下問卷主要采用紙質(zhì)文檔分發(fā)，實地分析數(shù)據(jù)有更好的可靠性，能夠科學真實地分析數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)的基數(shù)小，收集困難。兩種問卷的數(shù)據(jù)需要互相借鑒來進行修正，調(diào)查問卷詢問了調(diào)查者對于四種建筑環(huán)境的重要性程度的認知，分別按照1～9分進行了打分，由此得出環(huán)境類型-分值如下表1。

表1 環(huán)境類型對應打分結(jié)果統(tǒng)計

其中對比問卷數(shù)據(jù)分析可知，在各類建筑室內(nèi)環(huán)境中，風環(huán)境的問卷參與者有856人認為其重要性程度為分值7，占總數(shù)的25.42 %；光環(huán)境條件下，有928人認為其重要性程度為分值7，占總數(shù)的27.55 %；熱環(huán)境中，有784人認為其重要性程度為分值6，占總數(shù)的21.14 %；有1 056人認為聲環(huán)境的重要性程度為分值9，占總數(shù)的31.35 %。數(shù)據(jù)中可見，建筑室內(nèi)環(huán)境各類影響因素最大占比分值分布如下表2。

5 層次分析法

5.1 層次分析法可行性分析

由于對建筑群內(nèi)環(huán)境進行指標體系研究本就是一個十分龐大的問題，其中包含各類多層級的指標標準，如何將各層級的指標標準統(tǒng)一，綜合考量，是利用指標在評價建筑內(nèi)環(huán)境所要面臨的首要問題。本研究將建筑室內(nèi)環(huán)境評價指標體系劃分成三個主要層級，再對其進行詳細分析和整理。

表2 建筑物環(huán)境影響重要程度分值表

因此運用層次分析法可以有效地對各個層級指標進行定義和分析。

5.2 評估流程

本次評估要從主觀和客觀兩方面入手進行研究，通過層次分析法對定性問題定量化，建立起相應的評估體系，并對綠色居住建筑給予評估。

5.3 構(gòu)造判斷矩陣

層次分析法的基礎在于人們對每一層次各元素的相互重要性給出的判斷，這些判斷用數(shù)值表示成矩陣形式，即判斷矩陣。判斷矩陣是層次分析法的出發(fā)點，構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵一步。

可以令四個指標室內(nèi)通風，室內(nèi)采光，保溫隔熱，噪音依次為B1，B2，B3，B4。由于準則層指標Bi(i=1，2，3，4)是對目標層A有影響，構(gòu)造判斷矩陣如下形式所示：

AB1B2B3B4B1b11b12b13b14B2b21b22b23b24B3b31b32b33b34B4b41b42b43b44

式中：bij=1/bji，bij表示對于A而言，bi相對于bj重要性的數(shù)值表現(xiàn)形式。利用Saaty于1980年根據(jù)一般人的認知習慣和判斷能力給出的元素間相對重要性等級表，目標重要性判斷矩陣中的元素bij∈[1，9]且bij∈N。

結(jié)合問卷調(diào)查的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，以及本項目實際研究的成都地區(qū)，不同區(qū)域的實際情況。本研究項目為分析聲、光、風、熱四個指標對建筑內(nèi)環(huán)境目標層的權(quán)重影響，利用層次分析法，得到四個指標兩兩之間重要性的比較矩陣，將指標所得分數(shù)兩兩相互作差，然后將差值與AHP標度從低到高相對應得到如下所示的判斷矩陣。

5.4 層次單排序

所謂層次單排序指的是根據(jù)判斷矩陣計算對于上一層某元素而言，本層次與之有聯(lián)系的元素的重要性次序的權(quán)值。它表示某層次所有元素針對上一層次而言的重要性進行排序的基礎。因此，根據(jù)判斷矩陣如何求得各因素Bi(i=1，2，3，4)對于目標層A的相對排序權(quán)重的過程稱為層次單排序。

5.4.1 層次單排序原理

5.4.2 計算方法

正如5.4.1所述，層次分析法的計算根本問題是如何計算矩陣最大特征根及其對應特征向量。判斷矩陣是人為主觀判斷的客觀定量描述，求解判斷矩陣要求保證其精度。本文在結(jié)合計算機在實踐中的應用，采用冪法[10]計算特征根，使得利用Matlab工具可以得到任意精確度的最大特征根及其對應的特征向量。這一方法的計算步驟為：

(1)任取與判斷矩陣B同階正規(guī)化的初值向量W0。

5.5 一致性檢驗分析

對于層次分析法的判斷矩陣，需要進行一致性檢驗后才可以確認其數(shù)據(jù)可靠性。所謂一致性，即判斷矩陣B有如下關(guān)系：

為了度量不同判斷矩陣是否具有滿意一致性，需要引入判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI值。對于本文涉及的4階判斷矩陣，其RI值為0.89。

5.6 結(jié)果分析

從此可以看出，對于問卷所覆蓋地區(qū)的民眾而言，最為看重的建筑物環(huán)境因素為聲環(huán)境，也即人們對于安靜的居住環(huán)境抱有最大的期望；而對通風和光照條件的重視程度是相同的；對于室內(nèi)保溫散熱方面的重視程度是最低的。

6 結(jié)論與討論

本文對建筑群內(nèi)環(huán)境評估的同時，融入了人的主觀感受，并在指標建立前期進行實地調(diào)研分析建筑內(nèi)環(huán)境指標的主要影響因素，建立以人為本的綠色建筑舒適度環(huán)境指標體系；結(jié)合相關(guān)標準和地方性法規(guī)規(guī)范客觀的評價，形成客觀和主觀結(jié)合的評價指標?？梢钥闯鲇捎诒卷椖康攸c在素有天府之國之稱的成都地區(qū)，這里擁有全國其他地區(qū)難以企及的氣候條件，所以人們對于熱環(huán)境的重視程度反而是最低的，大家更希望在喧鬧的城市中獲得一個安靜的生活休息場所。這也就對建筑項目在選址和設計上建立了一個明確的目的。由此可以看出本文中的指標體系研究具有的現(xiàn)實意義。

(1)可以讓項目規(guī)劃和設計有更為明確的目的性，在成都地區(qū)，我們可以建議項目投資者應重點考慮建筑群落內(nèi)的隔音設計，在建筑物節(jié)能設計中可以適當放寬對于保溫隔熱的要求。全國各地可以據(jù)此分別建立適用于本地區(qū)特色的環(huán)境指標體系，作為工程規(guī)劃設計的指導。

(2)此類環(huán)境指標分析可以做到個性化定制和需求推薦，我們可以設計出一個簡便的程序，只需要個人回答相關(guān)問題，即可快速分析其個性化需求，并為其推薦建筑物中適應于這一需求的房間位置。