基于全壽命周期理論的裝配式建筑綠色度評價

楊 蘇,江影影

(1.安徽建筑大學 經(jīng)濟與管理學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑經(jīng)濟與房地產(chǎn)管理研究中心，安徽 合肥 230601)

近年來，我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展加速了環(huán)境資源的消耗，如何降低資源的消耗率、提高資源的利用率，成為人們共同關注的熱點問題。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大規(guī)模推廣裝配式建筑成為當前關鍵任務之一[1]。裝配式建筑指的是預制的部品部件在工地組裝而成的建筑，該建筑能夠有效節(jié)約資源、縮短工期、節(jié)能環(huán)保，是綠色建筑的典型代表[2]。裝配式建筑綠色度指的是全部的裝配式建筑活動對環(huán)境的友好程度。

在2014年3月16日發(fā)布的《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》(2014～2020)中，明確提出我國要在“十二五”期間實現(xiàn)2%到50%的城鎮(zhèn)綠色新增建筑比，其新建的綠色建筑將達到10億平方米，20%的城鎮(zhèn)建筑要在“十二五”末期達到綠色建筑的標準。作為未來建筑的發(fā)展方向，裝配式建筑在建筑業(yè)受到越來越多的重視，其綠色水平與社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關。因此，通過制定合理的裝配式建筑綠色度評價方法以促進裝配式建筑的發(fā)展顯得尤為重要。

國外對于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展研究相對較早，近年來很多國家在綠色建筑評估體系研究上都取得了不錯的進展。從20世紀90年代起，世界各國為響應可持續(xù)發(fā)展理念紛紛建立了適用于本國行情的綠色建筑評估體系。其中，英國建立的BREEAM綠色建筑評估體系[3]、日本建立的CASBEE評估體系及美國頒布的LEED體系[4-5]推廣最為普遍，這些體系根據(jù)建筑業(yè)綠色發(fā)展影響因素構建相關指標，經(jīng)測算分析后反應建筑的綠色水平，成為其他很多國家建立評價體系的依據(jù)。除系統(tǒng)性的研究評估體系外，B.G Scott[6]提倡資源的節(jié)約和能源的循環(huán)利用，并通過生態(tài)足跡法對建筑進行綠色評價，對綠色建筑的發(fā)展有一定的促進意義；Rouzbeh Shad[7]等通過案例研究提出了綠色建筑綜合評級工具，對以后的環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益有良好的改善作用，為今后相應政策的制定提供有價值的參考。

中國早在2006年頒布了《綠色建筑評價標準》[8]。近幾年來，國內對于建筑綠色度的研究也逐漸增多，但大多集中于公共建筑、住宅建筑的研究，很少針對性地對裝配式建筑綠色水平進行研究。例如胡云亮[9]通過模糊層次分析構建了公共建筑綠色度評價指標體系，從經(jīng)濟性、功能性、生態(tài)性和舒適性4個方面分析公共建筑的綠色水平；黃璐[10]提出“影響層面-影響范圍-影響階段”3個層面的公共建筑綠色度評價體系；程凱[11]基于全壽命周期理論構建了住宅建筑綠色度評價體系，運用多種方法進行評價并通過案例驗證指標體系的可行性。在對裝配式建筑綠色度的研究中，許多學者對其綠色度評價方法進行了研究，如魏明海[12]依據(jù)全壽命周期理論，運用AHP和模糊綜合評價方法構建了裝配式建筑綠色度評價指標體系；朱百峰[13]等運用ANP和灰色理論分析法，從環(huán)境層面、經(jīng)濟層面、管理層面和效益層面4個維度對裝配式建筑綠色性進行了實證分析；曹志成[14]基于CRITIC和TOPSIS法對裝配式建筑綠色度進行評價研究。這些方法都較少考慮評價過程中出現(xiàn)的不確定性和模糊性，研究將C-OWA算子與熵值法進行組合賦權，將物元理論引入云模型，實現(xiàn)定性到定量的轉換，建立基于云物元理論的裝配式建筑綠色度評價模型，并以某裝配式建筑為例，驗證模型的可行性。

1 構建裝配式建筑綠色度評價指標體系

1.1 指標體系的選取

研究通過整理相關文獻，分析已有研究結果中裝配式建筑綠色度影響因素，參考《綠色建筑評價標準》(GBT50378-2014)，依據(jù)全生命周期理論，從設計、生產(chǎn)運輸、施工、使用與維護和報廢與回收5個階段對裝配式建筑綠色度進行評價[15]。由于節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)保等因素在不同的階段都有影響，為簡便計算，研究已忽略這些因素在其他階段的較小的影響。

(1)設計階段。由于在本階段，土地設計偏差、技術選取不合理以及與當?shù)匚幕a(chǎn)生沖突都會引起后續(xù)施工過程中的資源浪費，對建筑的綠色性產(chǎn)生一定的影響，所以該階段注重節(jié)地、技術與文化3個因素。

(2)生產(chǎn)運輸階段。在預制件生產(chǎn)運輸過程中，資源的不充分使用會造成環(huán)境施工過程中的耗能，CO2、SO2排放量及粉塵污染都會對環(huán)境產(chǎn)生影響。所以，該階段注重節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保等因素。

(3)施工階段。該階段注重室外環(huán)境、節(jié)水、施工文明程度等。在施工過程中，加強節(jié)水器具的使用及水的回收利用、增加綠化面積、減少噪聲及建筑垃圾的排放均可在一定程度上增強建筑的綠色性。

(4)使用與維護階段。在裝配式建筑的使用與維護階段。應注重室內環(huán)境、運營管理和評價管理的影響，加強通風和采光、提升管理、加強企業(yè)自評和居民反饋。

(5)報廢與回收階段。為加強裝配式建筑的綠色性，在最后的回收階段應注重回收難易程度、建筑物使用壽命及廢棄物的處理。

具體指標詳見參考文獻[12]，裝配式建筑綠色度評價指標體系如表1所示(一級指標5個，二級指標14個，三級指標26個)。

1.2 權重的確定

目前關于權重的確定方法有很多，主要分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法三類。主觀賦權法主要依據(jù)決策者對各指標掌握的主觀信息進行賦權，如專家打分法、AHP法、Delphi法、二項系數(shù)法等，已較早地被人們所運用，但由于評價結果的主觀隨意性較強，缺少客觀性，因此在應用過程中受到一定的限制。如在運用AHP法對指標進行賦權時，會由于缺乏創(chuàng)造能力而忽視了最好的方案，在指標較多的情況下，矩陣龐大，難以完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。客觀賦權法相對于主觀賦權法來說，具有較強的理論依據(jù)和數(shù)學依據(jù)，主要將原始指標之間的關系通過一定的數(shù)學方法來表示，不依靠于人的主觀思維判斷，其代表方法有熵值法、主成分分析法、CRITIC等，但是忽視指標的實際屬性來確定權重，往往會出現(xiàn)得出的結果與實際相悖的情形。例如，熵權法所求得的指標權重存在均衡化分配的缺陷。研究為了實現(xiàn)計算結果的科學、準確，對比分析了主觀賦權法和客觀賦權法的優(yōu)劣，采用C-OWA算子和熵權法組合賦權的方式確定各指標的權重，所得結果科學合理。

有序加權平均(Ordered Weighted Averaging,OWA)算子[16]是通過重新排列決策數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同位置賦予不同的權重，從而大大減少極端值的影響。研究采用的是改進后的OWA算子——基于組合數(shù)的有序加權算子(Combination Ordered Weighted Aveaging,C-OWA)，以實現(xiàn)更加科學合理的賦權。但是通過C-OWA算子得出的指標權重僅與其位置有很大聯(lián)系，結果存在一定偏差，而熵權法具有很強的客觀性?；诖耍芯烤C合C-OWA算子確定的權重(αi)及熵權法確定的權重(βi)以確定綜合權重(λi)，其主要步驟如下：

(1)C-OWA算子賦權。邀請行業(yè)內n位專家根據(jù)同一層次指標的重要程度打分，指標C的指標數(shù)據(jù)集可表示為(a1,a2,…,ai,…,an)，按照從大到小的順序重新排列數(shù)據(jù)集，并從0開始標號得到

b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn，

即

(b1,b2,…,bi,…,bn)。

(1)

(2)

式中,m表示指標因素的個數(shù)。

(4)計算相對權重。指標Ci的相對權重αi為:

(3)

如果該指標是正向指標，即越高越好，則：

(4)

若該指標是負向指標，即越小越好，則：

(5)

計算第i個指標的熵值ei為：

(6)

對于第i個指標，rxi的差異越大，熵值就越小。令gi=1-ei，則gi越大指標越重要。計算第i個指標的熵權βi為：

(7)

(6)結合C-OWA算子和熵權法，計算綜合權重為：

(8)

2 基于云物元理論裝配式建筑綠色度評價模型

2.1 云物元理論

云模型是定性與定量之間的不確定性轉換模型[17]，并把不確定性集成在一起，形成一種定性與定量的映射。其分布形態(tài)表現(xiàn)為：正態(tài)云、梯形云、三角云等，由于正態(tài)分布的普遍使用，所以正態(tài)云的應用最為廣泛。正態(tài)云可用Ex、En、He3個數(shù)字特征分別表示期望、熵和超熵。其中，期望Ex是最能代表定性概念的點值，即最能描述裝配式建筑綠色度等級的點值。正態(tài)云及數(shù)字特征圖如圖1所示。熵En揭示了隨機性和模糊性之間的關聯(lián)性，既體現(xiàn)了裝配式建筑綠色度評價指標的隨機性，又反映出裝配式建筑綠色度等級界限的模糊性。超熵He即熵的熵，體現(xiàn)出熵的模糊性和隨機性，表示裝配式建筑綠色度評價指標數(shù)據(jù)樣本的離散程度。

圖1 正態(tài)云及數(shù)字特征(Ex=0,En=1,He=0.1)

物元分析理論由我國學者蔡文提出，是思維科學、系統(tǒng)科學與數(shù)學三者的交叉邊緣學科[18]。物元理論通過將事物、事物的特征以及表現(xiàn)事物特征的值統(tǒng)一起來，組成事物的基本元，體現(xiàn)事物定性與定量之間的關系，一般用R=(N,C,V)表示，如果事物的特征有多種，則用式(9)表示：

(9)

式中,V表示事物特征的值，其值具有模糊性和隨機性，既可由數(shù)值表示，又可以是區(qū)間值。

研究采用的云物元模型結合了云模型處理不確定性的優(yōu)點，彌補了物元理論中的不足之處，實現(xiàn)了定性到定量的轉換。云物元模型將式(9)中的V用(Ex,En,He)表示，表達式可改進為：

(10)

2.2 裝配式建筑綠色度等級評價指標的界限

研究所用的裝配式建筑綠色度評價指標如表1所示，根據(jù)《綠色建筑評價標準》(GBT50378-2014)，當裝配式建筑綠色度綜合得分達到50分、60分、80分時，其綠色度等級分別為一星級、二星級和三星級。評價所得星級越高，裝配式建筑綠色度程度越強。研究通過詢問專家意見，整理相關研究成果并結合相關標準，得到表2所示的各評價指標的等級界限。其中大量指標如C2、C3、C4、C5、C6、C8、C13、C16、C17、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26均無法通過數(shù)據(jù)測得，研究參考《綠色建筑評價標準》評分規(guī)則，將這些指標的等級界限按照得分50分、60分、80分定界。

表2 裝配式建筑綠色度等級評價指標界限

2.3 裝配式建筑綠色度等級評價標準云模型

首先將上述裝配式建筑綠色度等級評價指標區(qū)間數(shù)值用標準云模型參數(shù)表示，區(qū)間數(shù)值可以看做一個雙約束的空間[Cmin,Cmax]，云模型的參數(shù)值(Ex,En,He)可通過式(11)轉換得到[19]。

(11)

(12)

He=s,

(13)

式中,s為常數(shù)，其值可根據(jù)實際情況進行調整。

由表2數(shù)據(jù)和式(11)、式(12)計算可得裝配式建筑綠色度等級評價指標界限標準云模型的參數(shù)Ex、En，具體結果如表3所示。

表3 裝配式建筑綠色度等級評價標準云模型

2.4 裝配式建筑綠色度評價指標的關聯(lián)度向量

(14)

根據(jù)表(3)中的標準云模型的參數(shù)，得到關聯(lián)度矩陣K。

(15)

式中,n=26表示裝配式建筑綠色度評價指標數(shù)。

評價向量B=λK，其中λ=(λ1,λ2,…,λm)為裝配式建筑綠色度評價指標權重向量。

3 案例分析

3.1 基于C-OWA算子和熵權法確定指標權重

以某市裝配式建筑項目為例，其主體采用裝配式剪力墻結構，預制率達到50.9%。通過收集相關資料及專家意見，確定各評價指標值，基于C-OWA算子和熵權法共同確定該指標權重，具體指標值及權重如表4所示。根據(jù)式(1)～式(8)，因篇幅有限，以一級指標為例，6位相關專家采用十分制打分值如表5所示。

表4 某市裝配式建筑綠色度評價指標值及其權重

表5 一級指標初始分數(shù)值

以A1為例，用C-OWA算子和熵權法分別賦權：

(1)將6位對A1指標打分值按從大到小排序得：b=(7.5，7.5，7，7，7，6.5)，n=6，根據(jù)式(1)得到加權向量為(0.031 25，0.156 25，0.312 5，0.312 5，0.156 25，0.031 25)。

(2)由式(2)得到指標絕對權重為：

[7.5,7.5,7,7,7,6.5]T=7.078 1，

同理可得

(3)由式(3)可得絕對權重

(α1,α2,α3,α4,α5)=(0.186 8,0.223 9,0.212 8,.0191 8,0.184 7)。

(4)根據(jù)式(4)～式(7)得到熵權法賦權結果為：

(β1,β2,β3,β4,β5)=(0.160 9,0.276 9,0.272 1,0.174 2,0.115 9)。

3.2 計算各指標關聯(lián)度

運用軟件Matlab計算各個指標值相對于綠色度評價等級的關聯(lián)度，結果如表6所示。根據(jù)各指標權重和關聯(lián)度，由評價向量公式B=λK可得到該項目評價向量B=(0.021 5，0.190 8，0.093 0)，根據(jù)隸屬度最大原則，可知該項目評價等級為二星級。

4 結論

傳統(tǒng)建筑施工消耗大量資源，帶來嚴重的環(huán)境污染。在提倡可持續(xù)發(fā)展的大背景下，積極發(fā)展裝配式建筑刻不容緩，精準衡量裝配式建筑綠色水平對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。裝配式建筑相比于傳統(tǒng)建筑的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在某一階段，而應該綜合全生命周期各個方面來考慮，系統(tǒng)地評價裝配式建筑的綠色水平。研究基于全壽命周期理論，建立裝配式建筑綠色度評價，得出以下結論：

裝配式建筑在生產(chǎn)運輸階段和施工階段表現(xiàn)出來的綠色性優(yōu)于其他階段。裝配式建筑大部分的生產(chǎn)構件都由工廠預制而成，提高了產(chǎn)品質量，大大減少了原始的現(xiàn)場現(xiàn)澆工作成本，避免了氣候原因造成的停工損失；在施工階段，充分展現(xiàn)了“四節(jié)一環(huán)保”的優(yōu)勢，降低了現(xiàn)場施工的噪音及建筑垃圾的排放，大部分的作業(yè)都是由起重吊裝而成，減少了工人工作強度，實現(xiàn)了文明施工，有利于環(huán)境的保護。由于裝配式建筑要求在設計階段就考慮好各方案，與傳統(tǒng)的建筑相差甚大，往往會由于設計不合理造成資源的浪費，工人在使用和維護過程中缺乏專業(yè)的指導，效率低下，造成不必要的浪費，影響了其在設計階段、使用和維護階段、報廢和回收階段表現(xiàn)出來的綠色性。因此，應健全裝配式建筑市場發(fā)展機制，進一步發(fā)展裝配式建筑在其他階段的綠色性以提高裝配式建筑整體綠色性。

研究從生命周期的各個階段對裝配式建筑進行綜合評價，有助于各階段問題的提出及改正。在確定權重時，采用C-OWA算子和熵權法綜合賦權，不僅減少了極端值的影響，還有效解決了單一賦權的偏好問題，在一定程度上縮小了誤差。在構建模型時，對比分析了多種評價模型的優(yōu)缺點，最終采用物元理論與云模型結合，較好地解決了評估過程中的不確定性，實現(xiàn)了裝配式建筑綠色度評價問題從定性到定量的轉變，為以后的裝配式建筑綠色度評價提供了較好的參考。最后，將建立的基于全壽命周期理論的裝配式建筑綠色度評價指標體系運用于實際案例中，通過對具體項目的評價，證明了所建立的模型能夠準確評價裝配式建筑的綠色水平。

此外，建議在對裝配式建筑綠色度進行評價時，應根據(jù)不同地區(qū)的特點選擇與之相適應的評價指標，充分考慮南北地區(qū)氣候、設計等方面的差異，進一步完善裝配式建筑綠色度評價指標體系，使得評價結果更具現(xiàn)實意義。

表6 裝配式建筑綠色度評價指標的關聯(lián)度