基于模糊綜合評判的蘭州屋頂綠化現(xiàn)狀評價方法

劉奔騰, 周玉卿, 王雪平, 劉 起

(1. 蘭州理工大學 設(shè)計藝術(shù)學院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 東南大學 城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室(西北中心), 甘肅 蘭州 730050；3. 蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 4. 西北民族大學 美術(shù)學院, 甘肅 蘭州 730030)

建設(shè)生態(tài)宜居城市是我國“新常態(tài)”經(jīng)濟、社會發(fā)展的基本理念,也是貫徹落實“建設(shè)生態(tài)文明、推進綠色發(fā)展”這一國家基本方略的必然要求[1].在城市高密度發(fā)展的趨勢下,屋頂綠化是增加綠化覆蓋率的有效措施,也是改善城市生態(tài)環(huán)境、建設(shè)海綿城市的重要途徑.因此,越來越多的學者開始關(guān)注屋頂綠化及相關(guān)問題.目前,屋頂綠化評價研究實踐較為豐富,主要集中在針對屋頂綠化自身的綠化類型、植物種類、植物景觀配置、管理維護和生態(tài)效益等方面[2-5],如Kathryn等[6]通過評估自然環(huán)境、社會環(huán)境、交往活動和個體的適應(yīng)性等因素對營造屋頂綠化體驗的影響,對受眾關(guān)于屋頂綠化的感知和心理反應(yīng)進行了討論；閆海燕等[7]從公眾認知度入手,調(diào)研分析了焦作市的屋頂綠化現(xiàn)存的問題并提出了相應(yīng)的對策.除了以上的定性分析研究外,也有一些學者在定量分析方面做出有益的探索.Tachaya等[8]采用層次分析法進行定量評估,總結(jié)了影響泰國屋頂綠化推廣的主要因素；Amir等[9]通過運用改進的模糊德爾菲法,建構(gòu)出屋頂綠化類型和選擇標準之間的因果關(guān)系,為決策者優(yōu)選屋頂綠化類型提供了新的見解；楊程程[10]從生態(tài)性、觀賞性、安全性、功能性、社會性和經(jīng)濟性6個方面建立了屋頂綠化的評價模型.

蘭州作為西北半干旱地區(qū)的典型城市,生態(tài)環(huán)境較為脆弱[11],長期依賴人工生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)以保護和恢復因城市發(fā)展而破壞的自然生態(tài)系統(tǒng)[12].城市建設(shè)的擴張加之河谷地形的限制,使得生態(tài)建設(shè)用地不斷被蠶食和碎片化,出現(xiàn)了“見縫插綠”的綠化建設(shè)局面,導致各類城市生態(tài)風險加劇.屋頂綠化可以改善因不透水地表面積增加而改變城市水循環(huán)過程導致的城市暴雨洪澇和高密度建設(shè)引發(fā)的城市熱島效應(yīng)[13],是優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境的有效措施.

干旱作為制約植物生長的主要逆境因子,是屋頂綠化推廣的限制性因素.針對干旱條件下的屋頂綠化植物選擇、種植基質(zhì)、設(shè)計施工等方面的研究[14-15],以及一些既有建筑(多集中在小區(qū)住宅)的屋頂綠化實踐活動為干旱區(qū)屋頂綠化推廣和建設(shè)提供了現(xiàn)實可能性.對蘭州現(xiàn)有屋頂綠化進行調(diào)研評價分析,有利于發(fā)現(xiàn)和歸納已有實踐中與蘭州地區(qū)相適應(yīng)的技術(shù)和策略.考慮到影響屋頂綠化的因素較多,本文引入模糊綜合評判法[16],以期對干旱地區(qū)城市的屋頂綠化實現(xiàn)定量評價,并對西北城市屋頂綠化建設(shè)提供指導.

1 綜合評價指標體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建思路

屋頂綠化是一個綜合建筑學、植物學和景觀生態(tài)學等專業(yè)的系統(tǒng)工程,涵蓋建筑承重、屋頂防排水、植物生態(tài)特性、種植技巧等很多方面.基于現(xiàn)有屋頂綠化評價研究成果和相關(guān)技術(shù)章程[7,10,17-21],結(jié)合蘭州寒冷、半干旱的氣候地理條件,調(diào)整并預選出具有代表性的評價指標,再采用專家咨詢法訪談專家團隊,將反饋信息按重要性排序并整理和歸類,通過眾數(shù)法選出出現(xiàn)頻率最多的分類標準及指標,最終確定從設(shè)計合理性、成本投入、綠色效益和維護質(zhì)量四個方面建立蘭州市屋頂綠化評價指標體系.

1.2 體系建立

按照評價方法一致性、可操作性原則,在篩選指標時,精簡了較難獲得和測度(阻根層、保護層等構(gòu)造指標)及重復冗余的指標(綠化面積、綠化類型等指標),得到蘭州市屋頂綠化評價體系.本文將評價體系劃分為4項一級指標、10項二級指標與19項三級指標,建立3層次結(jié)構(gòu)評價指標體系,如圖1所示.

圖1 蘭州市屋頂綠化綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of roof greening in Lanzhou city

1.3 權(quán)重的確定

建立評價指標后,選擇恰當?shù)姆椒ù_定評價指標權(quán)重是影響評價結(jié)果合理性的關(guān)鍵因素.本研究以層次分析法確定評價指標權(quán)重,為能較客觀真實地反映指標權(quán)重的等級排序,邀請10位屋頂綠化領(lǐng)域?qū)＜野粗匾詮娙鯓硕葘Ω黜椫笜藱?quán)重進行評分,步驟如下：

1) 構(gòu)造判斷矩陣

本研究將總目標分為多級指標.兩兩比較同一層次的各因素關(guān)于上一層中某一因素的重要性,現(xiàn)以“設(shè)計合理性”指標為例,構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n，如表1所示,其中aij常用取值如表2所示.

表1 某專家關(guān)于設(shè)計合理性重要性等級 Tab.1 An expert’s classification of importance of design rationality

表2 標度的含義Tab.2 The meaning of scaling

從相同到絕對強的每兩個等級之間可以依次將其量化為2,4,6,8,即aij取1,2,…,9或它們的倒數(shù),并且滿足：

aij=1,aij=1/aij, 1,2,…,n

(1)

“設(shè)計合理性”所有指標進行兩兩比較后得出一個判斷矩陣A：

(2)

2) 確定指標權(quán)重

在構(gòu)造判斷矩陣A的基礎(chǔ)上,求出其最大特征值λmax帶入對應(yīng)的特征方程AW=λmaxW解出相應(yīng)的特征向量W和相應(yīng)的最大特征向量Wmax,即為同一層次的各因素相對上一層次中某一因素的重要性權(quán)重.用和法計算出各因素權(quán)重A=(0.549 9,0.209 8,0.240 2).用Matlab軟件計算得出該判斷矩陣的最大特征值λmax=1.027 3

3) 一致性檢驗

一致性指標CI：

(3)

式中：n為矩陣階數(shù).

根據(jù)表3可知,3階判斷矩陣的隨機一致性指標RI為0.58,由于一致性比率CR可因下式求得：

表3 平均隨機一致性指標Tab.3 Average random consistency index

(4)

因此該判斷矩陣滿足一致性檢驗要求,該組權(quán)重可以接受.

以上述一位專家關(guān)于“設(shè)計合理性”為例說明計算權(quán)重步驟,因本文聽取10位專家意見,故采用上述判斷矩陣求得權(quán)重后,將10位專家給出的權(quán)重結(jié)果求平均數(shù)后得出指標最終的權(quán)重向量.進而求得各三級指標權(quán)重,即可構(gòu)建蘭州市屋頂綠化綜合評價權(quán)重總匯,如表4所示.

表4 蘭州市屋頂綠化綜合評價權(quán)重總匯Tab.4 Summary of comprehensive evaluation weights for roof greening in Lanzhou city

2 模糊綜合評價

模糊綜合評價方法,是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理,對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法[16].本文采用三個層次的模糊綜合評價模型.現(xiàn)以蘭州中心商業(yè)綜合體屋頂綠化為例進行模糊綜合評價.

2.1 確定評價指標集

根據(jù)蘭州市屋頂綠化綜合評價指標體系,得到評價因素集U如下：

U={U1,U2,U3,U4}={設(shè)計合理性,成本投入,綠色效益,維護質(zhì)量}

其中：U11={U111,U112,U113},U32={U321,U322,U323,U324},U33={U331,U332,U333},U41={U411,U412,U413,U414,U415},U42={U421,U422,U423,U424}.

2.2 確定評語集和數(shù)值集

將蘭州市屋頂綠化優(yōu)劣劃分為4個等級(如表5所示),即V={v1(優(yōu)),v2(良),v3(中),v4(差)},數(shù)量化表示為V=(100,80,60,40)T.

表5 蘭州市屋頂綠化評價標準Tab.5 Evaluation standard of roof greening in Lanzhou city

2.3 初級層次模糊綜合評價

針對蘭州市屋頂綠化綜合評價,邀請10名屋頂綠化專家分別對設(shè)計合理性、成本投入、綠色效益和維護質(zhì)量單元中各評價因子進行等級劃分,其結(jié)果見表6.

根據(jù)式(5)得到指標的判別矩陣

(5)

設(shè)計合理性(U1={U11,U12,U13})模糊綜合評價:

由表6得到“構(gòu)造設(shè)計”判別矩陣：

表6 專家關(guān)于蘭州中心綜合體屋頂綠化的判斷結(jié)果Tab.6 Expert’s judgment on roof greening of Lanzhou central complex

(6)

構(gòu)造設(shè)計(U11={U111,U112,U113})的權(quán)重值為A11=0.536 2,權(quán)向量為A11=(0.253 3,0.298 4,0.448 3)；則構(gòu)造設(shè)計的評判結(jié)果U11=A11·R11=(0.448 3,0.3,0.253 3,0.2),做歸一化處理,得U11=(0.373 1,0.249 7,0.210 8,0.166 4),進而得出設(shè)計合理性的判別矩陣

(7)

又有,A1=(0.536 2,0.213 5,0.250 3),則設(shè)計合理性的判別結(jié)果為U1=A1·R1=(0.448 3,0.3,0.253 3,0.2).

同理,可求得“成本投入”“綠色效益”“維護質(zhì)量”的評判結(jié)果如下：

成本投入的評判結(jié)果為U2=(0,0.333 3,0.666 7,0)

綠色效益的判別結(jié)果為U3=(0.517 3,0.3,0.1,0.092 5)

維護質(zhì)量的判別結(jié)果為U4==(0.309 1,0.431 9,0.235 1,0.103 1)

2.4 總體模糊綜合評價

第一因素集U={U1,U2,U3,U4},其權(quán)重為A=(0.184 2,0.202 6,0.439 4,0.173 8)

令總單因素評判矩陣為

(8)

作總體綜合評判,得

U=A·R(0.439 4,0.3,0.202 6,0.292 5)

作歸一化處理,得

B=(0.355 9,0.243 0,0.164 1,0.236 9)

2.5 計算模糊綜合評價分值

將評判集的等級用百分制數(shù)量化,再將評判結(jié)果進行加權(quán)平均,可得到該樣品綠化屋頂?shù)木C合得分.因此,蘭州中心商業(yè)綜合體屋頂綠化的綜合評價分值F為

(9)

3 結(jié)果與分析

根據(jù)分數(shù)大小對樣本綠化屋頂進行排序,以此作為模糊綜合評價的最終結(jié)果.本文從32個樣本中選取評價總分排名前10位的綠化屋頂(如表7所示)進行重點分析.

表7 評價結(jié)果排名前10的屋頂綠化Tab.7 Top 10 of roof greening evaluation results

3.1 設(shè)計合理性

屋頂綠化的基質(zhì)層主要有三類:自然土壤、改良土壤和人工土壤,重量依次遞減,價格依次遞增.蘭州市屋頂綠化基質(zhì)層采用自然土壤居多,比較經(jīng)濟,有助于屋頂綠化的推廣,且不易被屋頂?shù)乃矔r大風吹走.同時蘭州冬天平均氣溫在0 ℃以下,自然土壤和改良土壤有更強的適應(yīng)性[22],但自然土壤理化特性的指標不高,因此建議推廣使用改良土壤,可參考干旱區(qū)屋頂綠化的保水輕質(zhì)低成本營養(yǎng)基質(zhì)的配制方法[23].

樣品中不對外開放的屋頂綠化構(gòu)造設(shè)計標準相對較高,如橋門大廈,其“構(gòu)造設(shè)計”指標的隸屬度評判向量為(0.489 2,0.181 3,0.181 3,0.148 1),屬于“優(yōu)”的程度較高,為0.489 2,歸因于其采用了3道防水層.對外開放的屋頂綠化構(gòu)造設(shè)計則相對靈活,有些標準較低,但滿足使用要求,個別樣本(如甘肅省科技館)“構(gòu)造設(shè)計”指標的隸屬度評判向量為(0.417 6,0.167 0,0.167 0,0.248 3),其中屬于“差”的程度較高,為0.248 3,歸因于無排水層導致屋面積水嚴重.再有,大部分屋頂綠化無蓄水層,近年來隨著蘭州雨季降水量成上升趨勢,且極端降雨天氣明顯增多,城市內(nèi)澇時有發(fā)生,屋頂綠化作為城市雨洪調(diào)節(jié)的有效手段,蓄水層起關(guān)鍵作用,因此,從城市可持續(xù)發(fā)展的角度,建議政府應(yīng)該給出相應(yīng)的鼓勵政策,將蓄水層構(gòu)造引入設(shè)計中.

3.2 成本投入

調(diào)研結(jié)果表明,植物品種、基質(zhì)的類型以及灌溉方式的選擇是影響建設(shè)成本的重要因素.蘭州屋頂綠化普遍采用鄉(xiāng)土植物、自然土壤和人工灌溉方式,各項價格較低,再加上未對蓄水層進行投入,因此整體造價大多比標準費用低10%～20%,除部分進入“良”水平的屋頂綠化,其余樣品成本投入指標的隸屬度評判向量均為(0,0,0,0.666 7),屬于“差”等級.

灌溉用水的價格由低到高分為中水、綠化用水和生活用水,用水的種類和屋頂綠化的植物類型是影響植物養(yǎng)護成本的關(guān)鍵因素.蘭州市屋頂綠化對維護管理的投入普遍不高,一些屋頂綠化只對用水進行投入,對施肥、打藥、修剪和清理等費用幾乎沒有投入,嚴重影響屋頂綠化的品質(zhì)和綠色效益的發(fā)揮.

3.3 綠色效益

在4個一級指標中綠色效益指標的權(quán)重最高,其下的二級指標中生態(tài)適應(yīng)性的權(quán)重最高，為0.517 3,該指標值對綜合評價結(jié)果影響較大.因此排名前10名的屋頂綠化都表現(xiàn)出良好的生態(tài)適應(yīng)性.蘭州市的屋頂綠化采用了大量的鄉(xiāng)土植物,既有良好的生態(tài)適應(yīng)性,又可以降低灌溉、防寒和防病蟲害等維護成本,但鄉(xiāng)土植物的品種過于單一,無明顯季相變化,因此觀賞價值不高.除了景觀植物外,也有種植蔬菜的屋頂綠化(如靜安大廈和王府井百貨),且多為一年生草本植物.草本植物的根系形態(tài)多為須根,輕量、矮小和淺根的特質(zhì)符合屋頂綠化的要求.其帶來的直接經(jīng)濟效益也能激發(fā)公眾對屋頂綠化建設(shè)和維護管理的積極性.在小區(qū)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有前院的住戶普遍存在數(shù)量、規(guī)模不等的農(nóng)業(yè)種植活動,說明農(nóng)業(yè)活動的實踐在城市中有一定基礎(chǔ),訪問中72%的市民表示若無產(chǎn)權(quán)歸屬問題和不干擾正常生活的前提下,愿意在屋頂從事農(nóng)業(yè)活動.

隨著光照強度的增強,植物的光合速率也會加快,進而使植物能更好地發(fā)揮固碳釋氧效益.調(diào)研中發(fā)現(xiàn),部分屋頂平臺的采光被建筑突出部分遮擋(如裙房屋頂平臺被塔樓遮擋),削弱了光照強度,降低了植物的固碳釋氧效益.種植植物的類型直接決定基質(zhì)層的厚度,樣本中以地被植物為主的屋頂綠化基質(zhì)層普遍較淺,約20 cm,灌喬木為主的屋頂綠化基質(zhì)層約40～50 cm(大喬木基質(zhì)層厚約為120 cm).不同厚度的基質(zhì)層涵養(yǎng)水源的能力存在較大差異,建議在荷載允許的條件下適當增厚基質(zhì)層,既可增強屋頂綠化的涵養(yǎng)水源能力,又可滿足更多植物品種的種植.

在對屋頂綠化的認可度方面,公眾評價普遍較高,屋頂綠化在一定程度上提供了休閑娛樂的空間,提升了街道形象.大多數(shù)綠化將屋頂50%以上的空間覆蓋,很大程度上補償了城市綠地.

3.4 維護質(zhì)量

植物養(yǎng)護方面.在對公眾開放的屋頂綠化中,可達性越好,使用人數(shù)越多則管理維護相對越好,例如同樣是種植了蔓延性強的藤本植物,桃海學生公寓的枝葉修剪和除草得當,其“植物養(yǎng)護”指標的隸屬度評判向量為(0.433 4,0.257 4,0.206 1,0.103 1),其中屬于“優(yōu)”、“良”、“中”的程度較高.靜安大廈則幾乎處于自然蔓延狀態(tài),枯死枝也未清除,其“植物養(yǎng)護”指標的隸屬度評判向量為(0.375 5,0.178 5,0.223 0,0.223 0),其中屬于“中”、“差”的程度較高.再有,植物采用的灌溉方式多為人工,面積較大的屋頂綠化會采用噴灌的方式,若屋頂綠化有局部起坡或平面采用不規(guī)則設(shè)計使得出現(xiàn)“噴灌盲區(qū)”,應(yīng)需要人工輔助灌溉.

設(shè)施維護方面.調(diào)研發(fā)現(xiàn)屋頂綠化的防寒措施包括防寒布、風障、涂白劑和纏繞包裹等,其中喬木以纏繞包裹為防寒措施的效果最優(yōu).防風設(shè)施普遍較差,多數(shù)屋頂綠化無防風措施,如桃海學生公寓采用自制簡易繩索套拉在建筑墻壁上,存在安全隱患.部分屋頂綠化對其他相關(guān)設(shè)施的維護不夠重視,典型的有王府井百貨,其關(guān)于“其他設(shè)施”的專家判別矩陣為(0,0,0.1,0.9),水景、亭子和鋪裝等均未得到維護,嚴重影響正常使用.

4 結(jié)論

本文依據(jù)現(xiàn)有研究文獻,在建立蘭州市屋頂綠化評價指標體系基礎(chǔ)上,采用層次分析法確定指標權(quán)重,以32個樣本屋頂綠化數(shù)據(jù)為依據(jù)進行了評價研究,結(jié)果表明32個樣本在4個評價等級中無一進入“優(yōu)”行列,5個屋頂綠化處“良”水平,16個處于“中”水平,11個處于“差”水平,說明蘭州市屋頂綠化綜合評價整體水平不高.

其中,低水平屋頂綠化多集中在小區(qū)住宅,且多為個體自發(fā)的營建活動,在具體實施過程中,往往由于行為主體對構(gòu)成屋頂綠化的各個要素缺乏系統(tǒng)性的認識,加之建造成本的現(xiàn)實問題,未能滿足相關(guān)技術(shù)標準的要求,導致屋頂綠化出現(xiàn)不同程度的缺陷，存在基質(zhì)理化特性不高、基礎(chǔ)構(gòu)造不完整、配套設(shè)施不健全等問題,導致評價結(jié)果不高.但同時,此類屋頂綠化類型以草坪式為主,種植荷載小(上人屋面活荷載為2 kN/m2,草坪式屋頂綠化荷載要求不小于1 kN/m2)，易于在既有建筑屋頂建設(shè),多以耐旱低養(yǎng)護的景天科植物為主,所調(diào)研的對象生長狀況均良好,表明在半干旱城市存在較強的可實施性和適應(yīng)性,因此,蘭州市既有建筑的草坪式屋頂綠化改造具有較大的推廣發(fā)展?jié)摿?此外,城市存量發(fā)展建設(shè)轉(zhuǎn)型的背景下,優(yōu)化基質(zhì)(如采用適于干旱區(qū)屋頂綠化的保水輕質(zhì)低成本營養(yǎng)基質(zhì)的配制方法[23])并滿足相關(guān)屋頂綠化技術(shù)規(guī)程的基本建設(shè)標準,是屋頂綠化成為海綿城市建設(shè)重要手段的必要條件.

相比濕潤地區(qū),蘭州市屋頂綠化存在建設(shè)成本高,綠化難度大等現(xiàn)實問題.基于西北半干旱地區(qū)的氣候特征建構(gòu)屋頂綠化評價體系,能較為客觀的表征半干旱地區(qū)屋頂綠化的各方面因素,并凸顯與地區(qū)特征關(guān)聯(lián)度較高的指標權(quán)重的重要程度(如成本投入、生態(tài)適宜性、補水灌溉、防寒措施等指標),評價結(jié)果具有實踐應(yīng)用價值.該評價體系可為其他干旱半干旱地區(qū)城市屋頂綠化評價研究提供參考.