采用模糊TOPSIS法的裝配式建筑成本評(píng)價(jià)方法

吳智明，祁 皚

(1. 莆田學(xué)院土木工程學(xué)院, 福建 莆田 351100； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引 言

傳統(tǒng)建筑的濕作業(yè)生產(chǎn)模式已不適應(yīng)國家提倡的“四節(jié)一環(huán)保”的綠色建筑發(fā)展理念, 目前，全國各大城市正積極推廣裝配式建筑，相關(guān)的理論研究也得以積極推進(jìn). 文獻(xiàn)[1]建立了裝配式建筑部品供應(yīng)商評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并用基于改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)裝配式建筑部品的供應(yīng)商進(jìn)行選擇. 文獻(xiàn)[2]采用內(nèi)容分析法對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的中央政府級(jí)裝配式建筑政策文本中所使用的工具進(jìn)行計(jì)量與分析，得出相應(yīng)結(jié)論并給出建議. 文獻(xiàn)[3]將精益與并行工程理論及方法引入裝配式建筑，通過建造過程主線，結(jié)合BIM技術(shù)，研發(fā)了裝配式建造計(jì)劃與控制系統(tǒng). 文獻(xiàn)[4]介紹了裝配式建筑綜合效益的內(nèi)容，并以具體的工程實(shí)例分析研究了裝配式建筑的綜合效益. 文獻(xiàn)[5]應(yīng)用AHP及灰色聚類法構(gòu)建裝配式建筑施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析影響安全的因素并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施. 文獻(xiàn)[6]運(yùn)用對(duì)策計(jì)劃表系統(tǒng)歸納分析PC構(gòu)件生產(chǎn)成本控制存在的主要問題并提出控制措施. 文獻(xiàn)[7]提出一種基于熵的TOPSIS法，用于多因素的建筑能源性能基準(zhǔn)測(cè)試，提升了建筑能耗評(píng)價(jià)的可靠性. 文獻(xiàn)[8]介紹了影響裝配式建筑的風(fēng)險(xiǎn)因素，并利用模糊層次分析法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序. 文獻(xiàn)[9]通過定性研究和定量研究，得出采用裝配式施工，可以降低總成本、 時(shí)間、 人力和建筑垃圾. 文獻(xiàn)[10]通過對(duì)比傳統(tǒng)建筑與裝配式建筑對(duì)環(huán)境效益的影響，得出裝配式建筑可以較大程度減少建筑垃圾和材料浪費(fèi).

由此可見，目前對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目的成本評(píng)價(jià)方法研究還比較少, 部分有涉及到成本研究的文獻(xiàn)主要是關(guān)于影響裝配式建筑成本的因素和權(quán)重方面的討論, 對(duì)于各裝配式建筑項(xiàng)目之間的成本評(píng)價(jià)方面的研究還很少. 模糊TOPSIS法能充分反應(yīng)各個(gè)方案間的差距，具有直觀、 真實(shí)、 可靠的優(yōu)點(diǎn). 所以，本研究擬采用模糊TOPSIS法對(duì)四個(gè)位于福建省內(nèi)的裝配式高層建筑進(jìn)行成本評(píng)價(jià)，對(duì)各項(xiàng)目距離最優(yōu)成本的貼進(jìn)度進(jìn)行排序，將結(jié)果進(jìn)行分析并提出建議.

1 裝配式建筑成本影響指標(biāo)體系構(gòu)建

裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)建筑的成本組成差異主要在于預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)成本、 生產(chǎn)成本、 運(yùn)輸成本及安裝成本. 文獻(xiàn)[6]通過研究得出預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)及安裝成本對(duì)裝配式建筑工程土建工程造價(jià)的影響最大，而預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本和安裝成本之間的比例為84%∶16%. 因此, 研究影響預(yù)制構(gòu)件成本的因素對(duì)于降低裝配式建筑的成本具有較大意義. 本研究主要討論裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、 運(yùn)輸及安裝三個(gè)階段的成本影響指標(biāo)因素.

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件成本影響指標(biāo)選取合理與否直接影響到裝配式建筑成本評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以應(yīng)滿足5個(gè)原則: 層次性； 科學(xué)合理性; 全面性; 可比性; 動(dòng)態(tài)性. 本研究構(gòu)建了以層次分析法為分析基礎(chǔ)的裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體分為以下三個(gè)層次.

1) 目標(biāo)層. 裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系A(chǔ).

2) 準(zhǔn)則層. 預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)階段影響因素B1、 運(yùn)輸階段影響因素B2、 安裝階段影響因素B3.

3) 指標(biāo)層. 生產(chǎn)階段指標(biāo)：預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度B11、 生產(chǎn)規(guī)模化程度B12、 生產(chǎn)人員的技術(shù)水平B13、 模具周轉(zhuǎn)率B14； 運(yùn)輸階段指標(biāo)：運(yùn)輸距離B21、 運(yùn)輸工具選擇B22、 裝載方案B23、 構(gòu)件需求計(jì)劃B24； 安裝階段指標(biāo)：管理與安裝人員的水平B31、 安裝方案及質(zhì)量B32、 安裝的機(jī)械化程度B33、 預(yù)制率B34.

本研究所構(gòu)建的裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示.

圖1 裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Cost evaluation index system of prefabricated building

2 裝配式建筑成本評(píng)價(jià)方法

裝配式建筑成本評(píng)價(jià)內(nèi)容中，涉及預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、 運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝等三大類影響因子集Bi(i=1, 2, 3)； 各類影響因子又存在各自影響指標(biāo)(Bi1,Bi2,Bi3,Bi4)，且各指標(biāo)之間相互影響，存在著大量的模糊現(xiàn)象. 基于此，本研究采用模糊TOPSIS法對(duì)這些影響因素進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)各裝配式建筑距離最優(yōu)成本的貼進(jìn)度進(jìn)行排序.

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

采用多層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)權(quán)重. AHP法是美國運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty教授于20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法[11-12].

首先構(gòu)建判斷矩陣. Saaty教授提出同層級(jí)所有指標(biāo)皆可量化對(duì)比，并給出1～9標(biāo)度法，如表1所示.

表1 1～9標(biāo)度法及其含義Tab.1 1～9 scale method and its meaning

邀請(qǐng)裝配式建筑方面的專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，并采用德爾菲法和專家調(diào)查法建立裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣，如下式所示：

(1)

式中：(bij)n×n表示i指標(biāo)對(duì)j指標(biāo)的影響標(biāo)度值, 然后對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)，最后進(jìn)行層次總排序.

2.2 模糊TOPSIS評(píng)價(jià)方法

TOPSIS法是C. L. Hwang和K. Yoon于1981年提出的一種多屬性決策方法，是一種逼近于理想解的排序法，根據(jù)待評(píng)價(jià)目標(biāo)與理想化目標(biāo)的接近度進(jìn)行排序[13-15].

2.2.1確定指標(biāo)集和評(píng)語集

指標(biāo)集為B={B11，B12，B13，B14，B21，B22，B23，B24，B31，B32，B33，B34}. 假設(shè)12個(gè)指標(biāo)的評(píng)語分別為好、 較好、 中、 較差、 差五個(gè)等級(jí)，則指標(biāo)因子對(duì)應(yīng)的評(píng)語集為V={V1，V2，V3，V4，V5}={好，較好，中，較差，差}.

2.2.2構(gòu)造權(quán)重規(guī)范化模糊矩陣

1) 邀請(qǐng)裝配式建筑生產(chǎn)一線專家及部分高校學(xué)者對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)(包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo))進(jìn)行打分，將打分結(jié)果表示成初始模糊矩陣，如下式：

(2)

式中：rij表示指標(biāo)Bij對(duì)評(píng)語Vj的隸屬度.

2) 對(duì)式(2)進(jìn)行規(guī)范化，得到規(guī)范化模糊矩陣：

(3)

3) 構(gòu)造權(quán)重規(guī)范化模糊矩陣

Vij=WjZij(i=1, 2, …,m;j=1, 2, …,n)

(4)

式中：Wj是第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，由前文AHP法計(jì)算得到的指標(biāo)綜合權(quán)重.

2.2.3確定正理想解和負(fù)理想解

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2.4計(jì)算歐幾里得距離

(9)

(10)

2.2.5計(jì)算理想解的貼近度

(11)

3 工程案例分析

3.1 工程概況

選取四個(gè)位于福建省內(nèi)的裝配式高層建筑項(xiàng)目A1、A2、A3、A4為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)本研究所列舉的成本影響指標(biāo)對(duì)于四個(gè)項(xiàng)目距離理想目標(biāo)的貼進(jìn)度，并進(jìn)行排序. 四個(gè)項(xiàng)目的信息匯總?cè)绫?所示.

表2 項(xiàng)目信息匯總Tab.2 Project information summary

3.2 確定指標(biāo)的綜合權(quán)重

邀請(qǐng)20位在裝配式建筑方面有相關(guān)研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中包括8位高校學(xué)者，9位具有豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)工程師，3位預(yù)制構(gòu)件廠的技術(shù)專家. 根據(jù)層次分析法對(duì)各項(xiàng)目的成本影響指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行打分，確定各指標(biāo)的權(quán)重.

因此，目標(biāo)層與準(zhǔn)則層(A-B)之間的成本影響指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重如表3所示. 同理，可求得安裝階段成本影響指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重(見表4)、 運(yùn)輸階段成本影響指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重(見表5)、 以及生產(chǎn)階段成本影響指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重(見表6). 綜合以上分析可以得到裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重(詳見表7).

表3 準(zhǔn)則層數(shù)據(jù)Tab.3 Data of criterion layer

表4 安裝階段數(shù)據(jù)Tab.4 Data of installation phase

表5 運(yùn)輸階段數(shù)據(jù)Tab.5 Data of transportation stage

表6 生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)

表7 裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重Tab.7 The comprehensive weight of prefabricated building cost evaluation index

3.3 構(gòu)造權(quán)重規(guī)范化模糊矩陣

專家們根據(jù)本研究給出的成本影響指標(biāo)及評(píng)價(jià)集對(duì)四個(gè)裝配式高層建筑的成本評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分. 其中，評(píng)價(jià)集V={好、 較好、 中、 較差、 差}對(duì)應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為{V1≥90、 80≤V2<90、 70≤V3<80、 60≤V4<70、V5<60}. 打分結(jié)果見表8, 根據(jù)公式(3)對(duì)打分結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化，得到規(guī)范化后的結(jié)果見表9, 最后根據(jù)公式(4)對(duì)規(guī)范化后的結(jié)果進(jìn)一步權(quán)重規(guī)范化，權(quán)重規(guī)范化結(jié)果見表10. 綜合表8～10可得各項(xiàng)目的成本評(píng)價(jià)指標(biāo)距離最優(yōu)目標(biāo)的貼進(jìn)度(詳見表11).

表8 專家打分表Tab.8 Expert scoring table

表9 規(guī)范化后的打分結(jié)果Tab.9 Standardized scoring results

表10 權(quán)重規(guī)范化后的打分結(jié)果Tab.10 Scoring results after weight normalization

表11 各項(xiàng)目的成本指標(biāo)距離理想解的貼近度Tab.11 The closeness of the cost index distance of each project to the ideal solution

3.4 結(jié)果分析及建議

1) 從上文計(jì)算結(jié)果可知：① 對(duì)于準(zhǔn)則層，生產(chǎn)階段對(duì)裝配式建筑的成本影響最大(權(quán)重為0.633)，其次是安裝階段(權(quán)重為0.261)，最后是運(yùn)輸階段(權(quán)重為0.106)； ② 對(duì)于指標(biāo)層，生產(chǎn)階段的四個(gè)指標(biāo)對(duì)裝配式建筑成本的影響最大(權(quán)重分別為0.336、 0.118、 0.118、 0.061)，安裝階段的管理與安裝人員的水平、 安裝方案及質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)對(duì)裝配式建筑成本的影響也比較大(均為0.097).

3) 通過咨詢與實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),A3和A4項(xiàng)目所在城市的專業(yè)施工技術(shù)人才少、 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)相互配合不緊密、 技術(shù)與管理水平總體較低、 有效監(jiān)督手段缺失、 裝配式建筑PC生產(chǎn)基地較少、 扶持政策不完善、 推廣不足等問題. 因此，A3、A4項(xiàng)目所在城市的政府部門要加強(qiáng)資金和政策扶持力度，大力推廣新信息技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用，推進(jìn)部品認(rèn)證，總結(jié)裝配式建筑施工技術(shù)和質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)； 創(chuàng)新施工組織方法，推行綠色建筑和節(jié)能措施； 加大裝配式建筑工人的培訓(xùn)和管理考核，擴(kuò)大宣傳力度； 鼓勵(lì)相關(guān)高校及企業(yè)開展科研合作，增加科研投入，創(chuàng)新研發(fā)設(shè)計(jì)方法； 建議相關(guān)高校開設(shè)裝配式建筑相關(guān)專業(yè)，提供人才保障； 加大該城市裝配式建筑PC構(gòu)件生產(chǎn)基地建設(shè)力度，完善物流體系.

4 結(jié)語

目前，全國大部分城市都在積極出臺(tái)裝配式建筑建設(shè)的相關(guān)政策文件，鼓勵(lì)各個(gè)企業(yè)積極推進(jìn)裝配式建筑建設(shè). 但是，昂貴的建造成本讓很多企業(yè)駐足觀望. 歐美等發(fā)達(dá)國家的裝配式建筑已推廣較長時(shí)間，理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都比較成熟，其裝配式建筑的單位成本較傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)建筑低. 因此，有必要研究學(xué)習(xí)歐美發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)建設(shè)理念、 技術(shù)及管理水平，只有把裝配式建筑的單位成本降下來，才可能將其推廣出去，企業(yè)才會(huì)主動(dòng)使用裝配式技術(shù).

本研究首先基于AHP法確定裝配式建筑成本評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從總體上看，運(yùn)用基于模糊TOPSIS法進(jìn)行裝配式建筑成本評(píng)價(jià)具有一定的科學(xué)性和適用性，能夠?yàn)槠渌b配式建筑項(xiàng)目的成本評(píng)價(jià)提供借鑒.