基于灰色聚類法的裝配式建筑環(huán)境評價

徐福強(qiáng)，陳龍

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

裝配式建筑是指在工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場連接組裝而成的建筑[1]。相較于傳統(tǒng)建筑，裝配式建筑具有施工周期短、節(jié)能、環(huán)保等特點。近年來，我國對綠色建筑發(fā)展大力支持，到2022 年，要求當(dāng)年新建的建筑中綠色建筑面積占比達(dá)到70%[2]。2020 年，我國首次提出“雙碳”目標(biāo)，傳統(tǒng)建筑的碳排放量將不再滿足我國的未來發(fā)展要求，低碳環(huán)保型建筑將是未來建設(shè)的主題。近年來世界各國聚焦環(huán)境問題，宣傳環(huán)保內(nèi)容，人們的環(huán)保意識逐漸提升，對居住環(huán)境的要求也在提高。因此，對裝配式建筑的環(huán)境評價研究有利于裝配式建筑的推廣應(yīng)用。

當(dāng)前的裝配式建筑環(huán)境評價研究多采用經(jīng)濟(jì)化分析、目標(biāo)距離法和專家打分法[3]。其中環(huán)境評價的經(jīng)濟(jì)化分析所需資料較多，計算復(fù)雜，最終的評價結(jié)果可視化較差，而目標(biāo)距離法的評價區(qū)域性針對較好，但普適性較差。同時現(xiàn)有的裝配式建筑環(huán)境評價指標(biāo)的選取多數(shù)只考慮工程清單中的資源消耗量和大氣污染物排放量等影響因素，對居住環(huán)境或居住的舒適性等指標(biāo)考慮較少。因此，建立一個合理的，針對性和可視化較好的環(huán)境評價指標(biāo)體系是具有重要意義的。本文綜合考慮裝配式建筑生命周期的環(huán)境因素，在專家調(diào)查法的基礎(chǔ)上進(jìn)行賦權(quán)，同時考慮到環(huán)境評價等級的界限并非一個具體數(shù)值，故采用灰色聚類理論建立環(huán)境評價模型，對裝配式建筑進(jìn)行環(huán)境評價。

1 裝配式建筑環(huán)境評價指標(biāo)體系的建立

科學(xué)、合理的指標(biāo)體系是對建筑環(huán)境評價的基礎(chǔ)，以針對性、可比性等為原則，根據(jù)裝配式建筑生命周期的特點，對裝配式建筑的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行組建。建立裝配式建筑環(huán)境評價指標(biāo)的目的，是基于建筑結(jié)構(gòu)營造的室內(nèi)外環(huán)境和環(huán)境保護(hù)，控制建筑自身對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部環(huán)境安全、健康、宜居，并與外部區(qū)域環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展[4]。故本文從室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境、環(huán)境保護(hù)三個角度整理了19 個環(huán)境評價指標(biāo)，具體見表1。

表1 裝配式建筑環(huán)境評價指標(biāo)體系

2 裝配式建筑環(huán)境評價模型構(gòu)建

2.1 COWA 理論確定權(quán)重

COWA(combination ordered weighted averaging)方法是對評價因素的專家打分值進(jìn)行重新排序并根據(jù)所處位置進(jìn)行加權(quán)，可在一定程度上減少專家的自身主觀因素對權(quán)重計算的影響，使結(jié)果更加客觀、精準(zhǔn)[5]。具體賦權(quán)步驟如下所述。

（1）邀請n 位專家對同一層次指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分（10 分制），得到指標(biāo)的原始打分?jǐn)?shù)據(jù)集為（a1，a2，…，aj，…，an），將數(shù)據(jù)整理后按分值從大到小排列并從0 開始編號，得到數(shù)列為b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn-1。

（2）將排列后的數(shù)據(jù)bj運用組合數(shù)計算權(quán)重，公式如下：

（3）計算m 個環(huán)境評價指標(biāo)因素的絕對權(quán)重，具體見式（2）：

（4）計算m 個指標(biāo)因素的相對權(quán)重，具體見式（3）：

2.2 灰色聚類理論評價模型

裝配式建筑環(huán)境評價的目標(biāo)是確定建筑環(huán)境等級，但是環(huán)境等級的劃分并未有明確的數(shù)值，而是外延鮮明但內(nèi)涵不清楚的灰色信息，因此在評價等級中用灰色聚類理論對裝配式建筑進(jìn)行環(huán)境評價是合理的。

2.2.1 環(huán)境測度及評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》[6]（GB/T 50378—2019），將裝配式建筑的環(huán)境評價劃分為5 個等級(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級)。設(shè)定環(huán)境測度取值范圍為[0，10]，則各等級環(huán)境測度的具體界定如表2 所示。

表2 環(huán)境測度等級界定

2.2.2 灰類的確定及對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)的確定

結(jié)合表2 環(huán)境等級劃分界限，建立灰類評估的灰數(shù)與對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)，故中心點向量為U=（9，7，5，3，1）。建立的各灰類對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)如表3 所示。

表3 環(huán)境等級灰類及對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)

表中：Cij為環(huán)境評價指標(biāo)的現(xiàn)場實測值。

2.2.3 灰色聚類評估步驟

（1）建立評價矩陣：根據(jù)現(xiàn)場實測值對環(huán)境評價指標(biāo)Eij賦值，由于實測值之間的單位和數(shù)值大小存在不統(tǒng)一，故對環(huán)境評價指標(biāo)實測值進(jìn)行無量綱化處理[7]。本文中的少部分指標(biāo)為正向指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越大，對環(huán)境影響越大，如溫室氣體排放量等。還有部分負(fù)向指標(biāo)，與正向指標(biāo)的規(guī)律相反，如建材回收率等。

結(jié)合環(huán)境等級分類，無量綱化處理公式為：

式中：Cij為無量綱化處理生成值；為評價指標(biāo)實測值；Cijmax為評價指標(biāo)或?qū)崪y值最大有限值；Cijmin為評價指標(biāo)或?qū)崪y值最小值。

（2）灰色聚類權(quán)矩陣的建立：環(huán)境評價指標(biāo)屬于第q 個灰類的聚類系數(shù)值為Xijq=fq[Cij]，進(jìn)一步計算總的聚類系數(shù)為，進(jìn)一步處理rijq=Xijq/Xij，則環(huán)境評價指標(biāo)Eij對于各個灰類的評價權(quán)向量為rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5),建立的灰色聚類權(quán)矩陣Ri為式（5）:

（3）合成綜合聚類評價矩陣：把環(huán)境指標(biāo)中二級指標(biāo)的權(quán)重向量與其灰色聚類權(quán)矩陣合成運算，見式（6）：

在此基礎(chǔ)上建立一級指標(biāo)的評估矩陣Z0=[Z1,Z2,…，Zn]T，與二級指標(biāo)評估相同，得到綜合聚類評價向量為式（7）：

（4）計算各級指標(biāo)綜合環(huán)境評價值：將綜合聚類評價向量M與環(huán)境測度閾值U進(jìn)行合成，得到環(huán)境綜合評價為式（8）：

最后，根據(jù)計算結(jié)果對環(huán)境等級進(jìn)行劃分。

3 實例分析

以蘭州新區(qū)某保障性住房4#樓為例進(jìn)行分析。該樓結(jié)構(gòu)為冷彎矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁框架，4#住宅樓由地下2 層、地上11 層組成。該住宅總建筑面積8073.13m2，總高度35.2m，單層建筑面積612.01m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m，裝配率不低于60%。通過實地調(diào)研與勘察收集了該工程的實測值，結(jié)合規(guī)范《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[8]（GB 50033—2013）、《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB 3095—2012）、《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]（GB 3096—2008）確定各等級環(huán)境指標(biāo)數(shù)值區(qū)間，具體數(shù)據(jù)參看表4 。

表4 裝配式建筑環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)特征值

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

通過對4# 住宅樓設(shè)計和施工階段的調(diào)研、統(tǒng)計，可以確定住宅環(huán)境的基本數(shù)值，對于運行階段的環(huán)境數(shù)值，采用居住地的環(huán)境質(zhì)量檢測指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，對于住戶的室內(nèi)環(huán)境檢測，則采用同區(qū)域已使用的住宅進(jìn)行檢測，具體環(huán)境評價指標(biāo)的確定邀請了7 位專家打分，按從大到小順序?qū)＜业拇蚍种颠M(jìn)行排列，由式（1）—式（3）對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算。具體指標(biāo)打分值和權(quán)重見表5 和表6 。

表5 準(zhǔn)則層環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)及權(quán)重

表6 指標(biāo)層環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)及權(quán)重

3.2 項目環(huán)境評價

根據(jù)表4 中裝配式建筑的環(huán)境影響指標(biāo)無量綱化處理值，建立環(huán)境評價指標(biāo)的灰色聚類權(quán)矩陣如下：

由式（6）對環(huán)境評價指標(biāo)的權(quán)重向量Wi和灰色聚類矩陣Ri計算，得到灰色聚類評價矩陣Zi為：

同時，根據(jù)一級指標(biāo)的聚類評價，由式（7）可得綜合聚類評價向量為：

結(jié)合式（8），得環(huán)境評價值為：

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)綜合權(quán)重指標(biāo)排序可得：E2＞E3＞E1?？梢钥闯?，室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)較為重要，即用戶及社會滿意度應(yīng)放在首位；同時，環(huán)境保護(hù)指標(biāo)的權(quán)重與室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)相差值為0.0162，說明這兩個因素的重要性接近，與以往研究結(jié)果不同，突出了室內(nèi)環(huán)境因素的重要性。根據(jù)環(huán)境影響綜合評價值為6.8544，確定其為環(huán)境評價等級中的第Ⅱ等級，說明該建筑結(jié)構(gòu)的綜合環(huán)境評價良好，這與項目的實際環(huán)境情況基本一致，也體現(xiàn)了裝配式建筑的特點。

結(jié)合項目的實際情況發(fā)現(xiàn)，該項目在土地占用方面表現(xiàn)優(yōu)秀，項目施工現(xiàn)場較為整潔，材料器械占用空間較少，土地利用合理。鋼結(jié)構(gòu)住宅對于鋼材的消耗量較大，前期投入高，但后期拆除階段鋼材的回收率為90%，具有避免資源浪費和減少建材生產(chǎn)的環(huán)境污染的優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)隔音降噪效果較差，主要是由于內(nèi)部墻板收縮造成與鋼梁相接處、墻板轉(zhuǎn)角接口處出現(xiàn)裂縫，同時工人的不規(guī)范施工和缺乏經(jīng)驗也會導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)保溫性能受損。

上述問題與項目環(huán)境指標(biāo)得分?jǐn)?shù)值反映基本一致，評價結(jié)果與現(xiàn)場實際相符，說明了上述環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)和評價模型能夠反映裝配式建筑的環(huán)境等級，具有一定的可行性。

3.4 裝配式建筑的發(fā)展對策建議

（1）政府給予裝配式建筑一定的鼓勵扶持和引導(dǎo)：近年來，我國出臺了一系列裝配式建筑政策，但企業(yè)因裝配式建筑前期投入過大、成本高，對裝配式建筑的建設(shè)熱情不高。政府應(yīng)給予企業(yè)一定的引導(dǎo)和扶持，提升企業(yè)發(fā)展的信心和動力，同時向消費者積極宣傳裝配式建筑的優(yōu)勢特點，使其正確認(rèn)識裝配式建筑所帶來的綜合效益。

（2）建立完整的裝配式建筑供應(yīng)鏈體系：裝配式建筑供應(yīng)鏈上下游企業(yè)間的信息協(xié)同優(yōu)化應(yīng)以行業(yè)規(guī)范為基礎(chǔ)，構(gòu)建裝配式建筑供應(yīng)鏈信息共享平臺，實時共享項目動態(tài)信息，保證裝配式建筑的設(shè)計-生產(chǎn)-運輸-安裝-運維一體化發(fā)展，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)主體間連接性、密閉性等技術(shù)問題快速處理，減少建材浪費，提升建設(shè)效率，推動裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（3）培養(yǎng)高水平專業(yè)技術(shù)人才：當(dāng)前裝配式建筑在我國的發(fā)展仍處于初級階段，相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員的能力不足，企業(yè)和高?？砷_展進(jìn)修培養(yǎng)計劃，開展專業(yè)知識授課和施工操作教學(xué)，提高技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)和操作水平。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合裝配式建筑特點與生命周期理論，從室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境、環(huán)境保護(hù)三個角度建立裝配式建筑環(huán)境評價指標(biāo)體系，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)建立了評價標(biāo)準(zhǔn)和評價等級。

（2）COWA 算子確定了環(huán)境評價指標(biāo)的權(quán)重，減弱了專家因主觀評價帶來數(shù)值的極端性。同時，將灰色聚類理論與環(huán)境評價體系相結(jié)合，解決了環(huán)境分類界定范圍的灰色性，可對建筑的環(huán)境等級做出判斷，結(jié)合現(xiàn)場實際情況證明，運用該模型對裝配式建筑環(huán)境評價是可行的。

（3）裝配式建筑的環(huán)境評價體系有利于發(fā)現(xiàn)建筑存在的環(huán)境問題，及時采取處理措施，有助于我國的裝配式建筑走向成熟。