基于可拓學的既有公共建筑綜合性能評價研究

王沨楓

中國建筑科學研究院有限公司

0 引言

我國處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的階段，截止2015年，我國既有公共建筑面積已達116億平方米，受不同時代技術(shù)與經(jīng)濟條件的制約，時至今日一批建筑已不能滿足現(xiàn)行標準要求及人們的需求。對我國存量既有公共建筑的性能狀況進行調(diào)研與評價對于未來既有公共建筑改造政策、路線等的制定意義重大。然而，我國針對既有公共建筑性能特別是綜合性能評價的發(fā)展相對滯后，不能滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求。鑒于此，本文梳理現(xiàn)行國家標準、規(guī)范及科研成果，以安全性能、環(huán)境性能、能效性能作為既有公共建筑綜合性能的內(nèi)涵，凝練既有公共建筑綜合性能評價關(guān)鍵指標，基于可拓理論構(gòu)建既有公共建筑安全性能,環(huán)境性能和能效性能可拓評價模型，利用基于博弈論的層次分析法與熵值法相結(jié)合的組合賦權(quán)法確定評價指標權(quán)重，提出既有公共建筑綜合性能分級方法。

1 既有公共建筑綜合性能可拓評價模型

可拓理論由我國學者自主創(chuàng)立，從定性與定量角度解決矛盾問題的方法[1]。可拓理論以式（1）所示的物元為邏輯細胞，以物元可拓性進行定性計算，以關(guān)聯(lián)函數(shù)進行定量計算?；诳赏乩碚摰脑u價方法在多學科領(lǐng)域均有應用[2-4]。

式中：N為事物的名稱，c為特征，v為量值。

1.1 既有公共建筑綜合性能評價指標體系構(gòu)建與分級方法

2006年發(fā)布的《住宅性能評定技術(shù)標準》GB/T 50362-2005，提出從適用性能、環(huán)境性能、經(jīng)濟性能、安全性能、耐久性能5方面“反映住宅綜合性能水平”[5]。2017年發(fā)布的《既有建筑評定與改造技術(shù)規(guī)范》T/CECS 497-2017，評價內(nèi)容包括建筑安全性、適用性、功能性（圍護結(jié)構(gòu)與裝飾、設(shè)備系統(tǒng)、基本功能與環(huán)境品質(zhì)）、耐久性和抵抗偶然作用能力[6]。2016年，王俊對國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目“既有公共建筑綜合性能提升與改造關(guān)鍵技術(shù)”介紹時，提到“能效、環(huán)境、防災綜合性能提升”[7]。

本文在綜合考慮相關(guān)的標準（如表1所示）與文獻[8-9]的基礎(chǔ)上，兼顧評價體系用于調(diào)研摸底時應具有便捷性，提出既有公共建筑綜合性能應涵蓋安全性能、環(huán)境性能、能效性能，其中安全性能包含安全性及抗震性，環(huán)境性能包含室內(nèi)熱濕環(huán)境，聲環(huán)境，光環(huán)境及空氣質(zhì)量，能效性能以能耗為評價指標。指標及其等級劃分如表2所示。需說明，根據(jù)我國相關(guān)鑒定標準建筑安全存在不合格的等級，因此本文建筑安全性能亦設(shè)置不合格等級。

表1 建筑綜合性能評價主要相關(guān)標準

表2 既有公共建筑環(huán)境性能評價指標（以酒店建筑為例）

表3 既有公共建筑安全性能評價指標（以酒店建筑為例）

表4 既有公共建筑能效性能評價指標（以夏熱冬冷地區(qū)三星酒店建筑為例）

對于建筑而言，安全性能相對環(huán)境性能和能效性能要重要，因而建筑綜合性能評定不宜采用將安全性能、環(huán)境性能、能效性能加權(quán)累加的方式。本文提出表5所示的等級劃分方法，既突出安全性能的基礎(chǔ)性、重要性，又兼顧環(huán)境性能和能效性能。

表5 既有公共建筑綜合性能等級劃分

1.2 既有公共建筑綜合性能評價物元模型

以建筑室內(nèi)環(huán)境評價為例，闡述本文可拓評價模型的建立。

1）待評既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境物元矩陣

待評既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境，根據(jù)指標實測值，可構(gòu)建如下物元模型矩陣：

式中：N表示待評室內(nèi)環(huán)境；v為c即既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境評價指標的實測值。

2）經(jīng)典域與節(jié)域

根據(jù)可拓理論，既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境評價經(jīng)典物元模型如式（3）所示：

式中：Rj為第j級（一星級、二星級、三星級）環(huán)境的物元模型；vj為第j級的取值范圍，即等級的經(jīng)典域。

而各指標的允許取值范圍——節(jié)域所形成的物元模型如式（4）所示：

式中：vp為指標的所有取值范圍。

3）關(guān)聯(lián)函數(shù)

根據(jù)可拓理論，評價指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)計算可由式（5）～（7）描述：

式中：Kj為指標與第j等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

可拓理論對于指標劃分存在多個取值區(qū)間情況下關(guān)聯(lián)函數(shù)值的求解并無說明，本文利用如式（8）所示的調(diào)和平均求解該種情況下的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

本文分別利用層次分析法與熵值法確定既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境性能與安全性能各評價指標的權(quán)重。層次分析法與熵值法原理可參考文獻[10-11]。

4）確定待評事物（室內(nèi)環(huán)境、熱濕環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣質(zhì)量）等級關(guān)聯(lián)度。

通過式（9）計算待評事物的等級關(guān)聯(lián)度。

5）等級評定

若

則待評事物屬于等級j。

2 既有公共建筑綜合性能評價與分析

本文對某酒店建筑進行實測，利用構(gòu)建的可拓評價模型進行評價分級與分析。則表6～12所示為實測數(shù)據(jù)。

表6 既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)實測值

表7 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（框架梁）

表8 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（次梁）

表9 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（框架柱）

表10 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（板）

表11 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（圍護結(jié)構(gòu)）

表12 既有公共建筑安全性能參數(shù)實測值（側(cè)移和基礎(chǔ)）

根據(jù)回收的15份專家意見，采用層次分析法計算得到的室內(nèi)環(huán)境性能各指標權(quán)重如表13所示。采用熵值法算得的安全性能指標權(quán)重如表14～19所示。

表13 既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境評價指標權(quán)重

表14 既有公共建筑安全性能評價指標權(quán)重

表15 上部承重結(jié)構(gòu)評價指標權(quán)重

表16 梁、板、柱評價指標權(quán)重

表17 圍護結(jié)構(gòu)評價指標權(quán)重

表18 地基評價指標權(quán)重

表19 基礎(chǔ)評價指標權(quán)重

表20～25所示分別為所調(diào)研既有公共建筑的室內(nèi)熱濕環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣質(zhì)量、室內(nèi)環(huán)境、上部承重結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、安全性能等級關(guān)聯(lián)度。從表中可看出，該建筑室內(nèi)環(huán)境性能歸屬于二星級，熱濕環(huán)境、聲環(huán)境、空氣品質(zhì)為二星及以上等級，但光環(huán)境為一星級，因而是室內(nèi)環(huán)境的薄弱點。安全性能為二星級，安全性能中上部承重結(jié)構(gòu)為改造提升的潛力點。建筑實際能耗為191 kWh/(m2a)，因此能效性能評定為一星級。根據(jù)本文提出的綜合性能等級劃分方法，該酒店建筑綜合性能為二星級。若欲通過改造提升該建筑綜合性能等級，則安全性能、環(huán)境性能、能效性能均應提升一級，重點改造提升的內(nèi)容為上部承重結(jié)構(gòu)、室內(nèi)光環(huán)境。

表20 熱濕環(huán)境等級關(guān)聯(lián)度

表21 聲環(huán)境等級關(guān)聯(lián)度

表22 光環(huán)境等級關(guān)聯(lián)度

表23 空氣質(zhì)量等級關(guān)聯(lián)度

表24 既有公共建筑室內(nèi)環(huán)境性能等級關(guān)聯(lián)度

表25 既有公共建筑安全性能等級關(guān)聯(lián)度

表26所示為按現(xiàn)行《民用建筑可靠性鑒定標準》GB 50292進行鑒定的結(jié)果，與本文提出的可拓理論模型得出的結(jié)果一致，證明了所提出模型的合理性。

表26 民用建筑規(guī)范可靠性評價結(jié)果

3 結(jié)語

梳理現(xiàn)行國家標準規(guī)范等，凝練了既有公共建筑綜合性能關(guān)鍵指標，確定了指標等級劃分區(qū)間，建立了基于可拓學的既有公共建筑安全性能，環(huán)境性能和能效性能評價模型，并提出綜合性能分級方法。對于指標等級存在多取值區(qū)間的情形采用調(diào)和平均法求解關(guān)聯(lián)函數(shù)值。將模型評價結(jié)果與現(xiàn)行《民用建筑可靠性鑒定標準》GB 50292鑒定結(jié)果對比，結(jié)果一致，證明了本文提出的評價模型的合理性。

對某酒店建筑進行實測和評價分析，發(fā)現(xiàn)綜合改造與提升應重點圍繞室內(nèi)光環(huán)境、上部承重結(jié)構(gòu)、能效進行。建立的評價模型方基于關(guān)鍵指標實測值進行定量計算，簡便易行，且能明確建筑綜合性能提升的方向。