基于模糊主成分方法的綠色施工管理評(píng)價(jià)體系研究

常瑞璠 王 旭 曲泳頤

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.大連理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116024)

1 概述

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展和城市城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，越來(lái)越多的企業(yè)以污染環(huán)境為代價(jià)換取經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑行業(yè)出現(xiàn)了低能效，高能耗，高污染，高排放等弊端。為滿(mǎn)足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，響應(yīng)十九大提出的生態(tài)文明體制改革政策，全面推廣綠色建筑成為當(dāng)前建筑業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)之一。可見(jiàn)，建筑業(yè)的改革以及行業(yè)市場(chǎng)的轉(zhuǎn)型與綠色施工理念有著密切的關(guān)系，為了保證綠色施工有效的實(shí)施，必須要建立一套評(píng)價(jià)體系，為建筑業(yè)提供一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)工具。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)重視起了綠色建筑評(píng)價(jià)體系，并且建立了多種評(píng)價(jià)體系，BREEAM是英國(guó)的綠色建筑認(rèn)證體系，LEED為美國(guó)的綠色建筑認(rèn)證體系，而B(niǎo)lueAngel是德國(guó)以及北歐國(guó)家的綠色建筑認(rèn)證體系等，但由于基本國(guó)情不同，其他國(guó)家與我國(guó)的法律政策，建筑管理方式，施工方式和機(jī)具設(shè)備有一定的差別，直接套用他國(guó)的方案無(wú)法直接準(zhǔn)確地對(duì)我國(guó)的綠色施工管理做出評(píng)判。

此前對(duì)于綠色建筑施工評(píng)價(jià)的研究主要從某些特定的視角出發(fā)，張嬌[1]基于層次分析法對(duì)船舶綠色建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)；李宏軍等[2]針對(duì)綠色建筑的室內(nèi)外環(huán)境以及用戶(hù)體驗(yàn)等方面進(jìn)行評(píng)估，包含了主觀(guān)和客觀(guān)評(píng)價(jià)因素；王欣怡等[3]從建筑的采光，耗能，通風(fēng)，噪聲四個(gè)角度著手，提出了基于gbXML的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；劉偉[4]立足于綠色施工的市場(chǎng)環(huán)境、生態(tài)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)環(huán)境四個(gè)層面，以SEM為依托，建立綠色建筑發(fā)展結(jié)構(gòu)模型，分析綠色建筑的驅(qū)動(dòng)機(jī)理并提出相應(yīng)對(duì)策?？梢钥闯鰜?lái)，現(xiàn)今的研究大多從綠色建筑的實(shí)際使用，經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)方案等方面建立指標(biāo)，缺少有關(guān)與綠色施工密切相關(guān)的質(zhì)量，安全，用地，用材等基本建設(shè)目標(biāo)的考慮?，F(xiàn)如今，已經(jīng)有多種綠色施工評(píng)價(jià)模型，其中包含了灰色模糊評(píng)價(jià)法、熵權(quán)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法以及層次分析法等[1]。但不同研究方法的使用在評(píng)價(jià)結(jié)果上會(huì)存在一定的差異,層次分析法在指標(biāo)過(guò)多時(shí)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量大，權(quán)重難以確定；面對(duì)一些模糊性的評(píng)價(jià)對(duì)象時(shí)可以采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，但如果指標(biāo)集過(guò)大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一種超模糊現(xiàn)象；如果想要得出簡(jiǎn)單明確的結(jié)論，則可以利用聚類(lèi)分析法，但如果樣本數(shù)量超過(guò)限制時(shí)，就會(huì)很難獲取到結(jié)論?；谝陨涎芯?，本文主要利用主成分分析法，因子分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法等，在保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性、全面性與客觀(guān)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行綠色施工管理評(píng)估，并通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的分析得出可行性建議。

2 主成分分析法

主成分分析法，采用線(xiàn)性變化以及降維思維，對(duì)變量進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其成為數(shù)量較少的綜合變量。其中，通過(guò)主成分分析處理得到的綜合性指標(biāo)即為主成分，這些綜合指標(biāo)能保留原有指標(biāo)的大部分信息，且互不相關(guān)，數(shù)量較少，能夠有效避免重復(fù)信息的干擾[5，6]，使之達(dá)成最優(yōu)化的目的。主成分分析法主要步驟[7]如下：

步驟1：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。采集原始數(shù)據(jù)集，對(duì)于m個(gè)待評(píng)價(jià)的指標(biāo)變量，每個(gè)指標(biāo)都有n個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果，即樣本數(shù)據(jù))，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

步驟2：求解相關(guān)系數(shù)矩陣。設(shè)原始變量指標(biāo)xi與xj的相關(guān)系數(shù)為rij(i，j=1,2,…,p),由相關(guān)系數(shù)rij構(gòu)成的矩陣R稱(chēng)為相關(guān)系數(shù)矩陣，則有：

(2)

變量xi與xj(i,j=1,2,…，m)，有rij=rji,形成了相關(guān)系數(shù)矩陣R。此外，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣Z對(duì)相關(guān)系數(shù)矩陣R進(jìn)行求解：

(3)

步驟4:對(duì)累計(jì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，第i個(gè)主成分Fi的貢獻(xiàn)率可以使用αi來(lái)表示，具體計(jì)算公式為：

(4)

由于第i個(gè)主成分Fi的貢獻(xiàn)率αi隨著特征值λi的變化而同向變化，特征值λi的值隨著i的增大而遞減，因此有α1≥α2≥…≥αm≥0。對(duì)于前k個(gè)主成分的貢獻(xiàn)值累加后可得出累計(jì)貢獻(xiàn)值：

(5)

步驟5:計(jì)算主成分載荷。i個(gè)主成分Fi(i=1,2,…,k)與j個(gè)原變量Xj(j=1,2,…，m),主成分和原變量之間的相關(guān)程度被稱(chēng)為主成分載荷，即原始指標(biāo)變量Xj在多個(gè)主成分Fi上的荷載lij(i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)，荷載lij與特征向量e之間具有如下關(guān)系：

(6)

步驟6:主成分因子分析。根據(jù)所選定的主成分分析其主成分載荷值，選取主要控制因子作為模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子。根據(jù)特征值λ的大小選取前k個(gè)主成分F1,F2，…,Fk,對(duì)比各變量在Fi上的因子荷載li1，li2，…,lim,一般情況下，去頂?shù)趇個(gè)主成分中|lij|較大的變量作為影響主成分Fi的主要因素。

步驟7:確定權(quán)重針對(duì)上文求得的主要指標(biāo)確定其權(quán)重值ω，并通過(guò)對(duì)主成分荷載lij與貢獻(xiàn)率αi進(jìn)行分析，計(jì)算出關(guān)鍵變量的權(quán)重ω：

(7)

其中，r為選取關(guān)鍵指標(biāo)數(shù);ωj為第j個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的權(quán)重值。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊數(shù)學(xué)還有另一種叫法，其也被叫做Fuzzy數(shù)學(xué)，能夠?qū)δ：袁F(xiàn)象做出處理和研究。此外，以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)所建立的模糊綜合評(píng)價(jià)法，能夠?qū)δ：允聞?wù)進(jìn)行有效的綜合性評(píng)價(jià)，面對(duì)復(fù)雜性問(wèn)題時(shí)其擁有非常的使用價(jià)值。模糊綜合評(píng)價(jià)模型的詳細(xì)計(jì)算步驟為以下：

步驟1:建立因素集與評(píng)語(yǔ)集。根據(jù)主成分分析所確定的r個(gè)主要指標(biāo)建立評(píng)價(jià)對(duì)象的因素論域U={u1,u2,…,ur}；評(píng)價(jià)者對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的所有評(píng)價(jià)結(jié)果的集合構(gòu)成了評(píng)語(yǔ)集V={v1,v2,…,vp}；若P=5，則評(píng)語(yǔ)集為：V={不合格，合格，中等，良好，優(yōu)秀}。

步驟2：確定指標(biāo)的隸屬向量。針對(duì)評(píng)價(jià)體系中的指標(biāo)，發(fā)放問(wèn)卷進(jìn)行打分，第i個(gè)指標(biāo)在各個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)人數(shù)與總?cè)藬?shù)之比即為此指標(biāo)的隸屬度，對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的隸屬向量進(jìn)行確定，則為(ai1,ai2,ai3,ai4,ai5)。

步驟3：構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣。將r個(gè)主要指標(biāo)放入到五個(gè)等級(jí)當(dāng)中，通過(guò)隸屬向量構(gòu)建出模糊關(guān)系矩陣A。

(8)

步驟4:確定指標(biāo)的權(quán)向量。根據(jù)主成分載荷lij與方差貢獻(xiàn)率αi計(jì)算出的權(quán)重ω即為指標(biāo)的權(quán)重值，所有主要因素的權(quán)重向量W=(ω1,ω2，…,ωr)。

步驟5：綜合評(píng)價(jià)。選用合適的模糊算子將權(quán)重向量W與模糊關(guān)系矩陣A合成運(yùn)算，得到項(xiàng)目綠色施工管理的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B：

(9)

對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果單值化處理，評(píng)價(jià)對(duì)象的最終得分B*為：

(10)

4 工程實(shí)例

東北地區(qū)某高校公寓樓建設(shè)項(xiàng)目，總用地面積7 744.1 m2，總建筑面積26 246 m2，其中地上建筑面積22 450 m2，地下建筑面積3 796 m2，容積率2.90，建筑密度20%，綠地率37%，建筑限高54 m，工程計(jì)劃開(kāi)工日期為2020年7月20日，完工日期為2022年4月6日，工期共計(jì)625 d。

該工程地處高校校園，周?chē)嬖诖罅拷ㄖ锱c構(gòu)筑物，且周?chē)丝诿芗?，干擾因素較多，施工環(huán)境較為復(fù)雜，因而對(duì)環(huán)境有較高要求。為響應(yīng)國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的號(hào)召，該工程為高質(zhì)量和綠色施工為首要要求，在滿(mǎn)足施工管理基本要求的基礎(chǔ)上力求全面實(shí)現(xiàn)節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地與環(huán)保的重要目標(biāo)。安全綠色施工的管理難度較大，因此，根據(jù)該教學(xué)樓建設(shè)項(xiàng)目的具體施工情況和施工要求，構(gòu)建出綠色施工管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)具體評(píng)估結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，確定施工過(guò)程的改善方向是十分必要的。

4.1 影響因素分析

在建筑施工周期當(dāng)中，綠色施工是極其重要的一部分，通過(guò)合理的管理方式可以達(dá)到綠色施工的目的。施工啟動(dòng)階段應(yīng)針對(duì)整體施工要求和周?chē)h(huán)境制定一份切實(shí)可行的綠色施工管理體系，并制定相應(yīng)的管理制度和管理目標(biāo)，包括在規(guī)定期限內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行綠色施工培訓(xùn)，增強(qiáng)員工的綠色施工意識(shí)。施工方可參考相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合工程施工具體情況，對(duì)現(xiàn)有的綠色施工的效果進(jìn)行自評(píng)，并委派專(zhuān)家對(duì)施工過(guò)程中采用的環(huán)保技術(shù)，環(huán)保設(shè)備和新材料等進(jìn)行綜合評(píng)估，以便施工方對(duì)存在的問(wèn)題和不完善的技術(shù)措施進(jìn)行及時(shí)地修正，為下階段綠色施工的順利開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

環(huán)境保護(hù)是實(shí)現(xiàn)綠色施工的首要措施，施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的環(huán)境污染包括現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵，地下水污染，噪聲污染等多個(gè)方面。基于該工程施工場(chǎng)地的特殊性，該項(xiàng)目施工過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及周?chē)沫h(huán)境保護(hù)尤為重要。工業(yè)污水如果未經(jīng)處理就擅自排放，會(huì)污染校園生活用水，增加地下水負(fù)荷。揚(yáng)塵現(xiàn)象如果沒(méi)有及時(shí)處理會(huì)污染校園環(huán)境，危害師生和施工人員的生命健康。噪聲污染主要來(lái)自于不合理的施工進(jìn)度安排以及大量的施工設(shè)備，長(zhǎng)期的噪聲干擾會(huì)影響睡眠質(zhì)量，損害聽(tīng)力?？梢?jiàn)，保護(hù)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)綠色施工的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

節(jié)材與材料資源利用。節(jié)材與材料資源利用要求健全機(jī)械保養(yǎng)，建筑垃圾再生利用等制度，選取綠色環(huán)保的施工材料，優(yōu)化建筑材料運(yùn)輸流程，優(yōu)化鋼筋連接辦法，合理安排施工順序，從全施工過(guò)程的角度建立健全材料選用情況。

節(jié)水與水資源利用。節(jié)水可以從提高水資源利用效率入手，包括優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)供水網(wǎng)管設(shè)計(jì)，配置節(jié)水器具，采用節(jié)水施工工藝等。也可以合理利用水資源，包括對(duì)雨水進(jìn)行收集利用，設(shè)立循環(huán)用水裝置，采用污水凈化處理及再利用裝置等方法，高效合理利用水資源，達(dá)到節(jié)水的效果。

節(jié)能與能源利用。在建筑的全壽命周期內(nèi)都伴隨著能源的耗用，節(jié)能和提高能源利用率是實(shí)現(xiàn)綠色施工的因素。節(jié)能主要包括降低電能消耗和提高能源利用率。如合理配備臨時(shí)用電設(shè)施，施工機(jī)具資源共享，合理利用自然采光、通風(fēng)，縮短建筑材料運(yùn)輸距離等。

節(jié)地與土地資源利用。在該方面，施工中主要存在的問(wèn)題是不合理的現(xiàn)場(chǎng)土地規(guī)劃。施工方應(yīng)按照審批用地范圍布置施工用地，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，合理設(shè)計(jì)場(chǎng)內(nèi)交通道路。不合理的設(shè)備放置和道路規(guī)劃會(huì)造成施工現(xiàn)場(chǎng)安排雜亂，不利于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)管理模式的實(shí)施。

基于以上分析，選取包括進(jìn)度、成本、質(zhì)量、技術(shù)、安全、衛(wèi)生、信息、環(huán)保、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地等目標(biāo)的47個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2 工程綠色施工管理評(píng)價(jià)

1)使用SPSS軟件對(duì)指標(biāo)的主成分以及因子做出分析，評(píng)估出綠色施工指標(biāo)。由于各個(gè)樣本的變量得分采用5分制，所以無(wú)需進(jìn)行變量的標(biāo)準(zhǔn)化處理，直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)效度分析。為判斷因子分析法對(duì)本評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)的可用性，在案例分析前需通過(guò)KMO和巴特利特檢驗(yàn)對(duì)設(shè)定的47個(gè)管理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，以此來(lái)判斷該組數(shù)據(jù)是否可使用因子分析法進(jìn)行分析。KMO和巴特利特檢驗(yàn)情況如表1所示。

表1 KMO和巴特利特檢驗(yàn)

利用SPSS軟件進(jìn)行計(jì)算，最終顯示KMO值為0.788，大于臨界值0.5，Sig.=0，小于顯著性水平值0.05，測(cè)算結(jié)果表明該組數(shù)據(jù)適用于因子分析且相關(guān)矩陣為顯著相關(guān)的正向矩陣，如此一來(lái)，在擁有較高的變量相關(guān)性后，采用因子分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。

2)利用SPSS 17.0軟件對(duì)主成分進(jìn)行研究分析，計(jì)算出相應(yīng)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率以及特征值，如表2所示。

表2 總方差解釋

選擇出特征值大于1，還要保證累計(jì)貢獻(xiàn)率約達(dá)到85%的公因子，將其作為主成分，根據(jù)表2中特征值與累積方差貢獻(xiàn)率選取前3個(gè)成分作為綠色施工管理評(píng)價(jià)的主成分，對(duì)各個(gè)指標(biāo)變量進(jìn)行計(jì)算，選擇出前3個(gè)主成分，確認(rèn)各載荷值。

3)對(duì)3個(gè)主成分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得出成分得分系數(shù)矩陣，如表3所示。

表3 成分得分系數(shù)矩陣

從表3可以看出，可以通過(guò)成分得分系數(shù)矩陣對(duì)不同因素影響下3個(gè)因子的差異化得分，然后采用回歸分析計(jì)算出各項(xiàng)主成分的具體得分，具體表達(dá)式為以下：

F1=-0.054x1+0.231x2-0.282x3+0.201x4-0.166x5+0.014x6-0.093x7-0.232x8+0.094x9-0.070x10-0.250x11+0.300x12-0.079x13。

F2=0.218x1-0.082x2+0.151x3-0.064x4-0.015x5+0.194x6+0.307x7-0.002x8-0.265x9+0.171x10+0.078x11+0.014x12+0.330x13。

F3=0.013x1+0.005x2+0.013 1x3+0.023x4+0.021x5-0.554x6-0.130x7+0.614x8+0.003x9+0.113x10+0.036x11-0.349x12-0.174x13。

其中，(F1,F2,F3)為主成分，將其方差貢獻(xiàn)率在總方差貢獻(xiàn)率當(dāng)中的比例實(shí)現(xiàn)加權(quán)平均，得出綜合指標(biāo)得分公式：

F=(0.65F1+0.12F2+0.08F3)/0.85。

計(jì)算各個(gè)指標(biāo)變量在所選取的3個(gè)指標(biāo)上的載荷值，可得出綠色施工管理指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重。通過(guò)對(duì)各主成分回歸分析處理，計(jì)算綜合指標(biāo)得分，計(jì)算模糊隸屬向量，可得評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)為良好。

5 結(jié)語(yǔ)

使用主成分分析法既能在保留原始信息的同時(shí)消除指標(biāo)間的相關(guān)影響，對(duì)降維處理后的指標(biāo)體系進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)也能有效避免指標(biāo)過(guò)多產(chǎn)生的超模糊現(xiàn)象，對(duì)評(píng)價(jià)向量進(jìn)行回歸分析并對(duì)主成分進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，進(jìn)一步消除誤差。此方法充分發(fā)揮主成分分析與模糊綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，保證了評(píng)價(jià)的科學(xué)有效，具有創(chuàng)新價(jià)值。

東北地區(qū)某高校公寓樓項(xiàng)目的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)良好，對(duì)其進(jìn)行結(jié)果分析，此工程在綠色施工專(zhuān)項(xiàng)方案的編制、施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)管理、施工總平面圖布置的合理性與質(zhì)量檢查制度的管理等方面評(píng)分較高，在噪聲控制、材料選擇、信息化施工與綠色施工創(chuàng)新性技術(shù)的使用情況等方面評(píng)分較低，這也是本項(xiàng)目的改進(jìn)方向。