經(jīng)濟性視角下裝配式建筑外墻外保溫材料的比選

顧逸飛 祝連波

蘇州科技大學(xué)江楓校區(qū)土木工程學(xué)院

0 引言

目前越來越多的國家在工程中實施裝配式施工，裝配式建筑工業(yè)化不僅是世界性的大趨勢,同時也是我國國民經(jīng)濟的重要組成部分。從節(jié)能效果看，預(yù)制裝配式建筑不僅可以提高社會效益，對節(jié)約能源、環(huán)境保護也具有重要意義，是未來建筑物發(fā)展的重要方向［1］。據(jù)住建部統(tǒng)計，2020年我國新開工裝配式建筑面積已達6.3億m2，較2019年增長了50%，在新建建筑中占比約為20.5%。雖然我國發(fā)展裝配式建筑還處于初級階段，但通過不斷學(xué)習(xí)并結(jié)合國外建筑業(yè)的成功經(jīng)驗進行開拓創(chuàng)新，未來裝配式建筑在我國一定能大放光彩。近年外墻外保溫材料不合格帶來了巨大的人員和經(jīng)濟損失,據(jù)“新材網(wǎng)”記載，2009 年2 月9 日晚，在建的北京中央電視臺發(fā)生重大火災(zāi)，火災(zāi)致使消防戰(zhàn)士一人死亡多人受傷，造成直接經(jīng)濟損失1.6億元，主要原因是大量使用了EPS、XPS 等有機保溫材料。2010年，上?！?1·15”案件由于違章使用大量聚氨酯泡沫等易燃材料而發(fā)生重大火災(zāi)，致使58 人遇難70多人受傷，經(jīng)濟損失達到了數(shù)億元。2019年5月24日江蘇省南京市金鷹A 座發(fā)生火災(zāi)，據(jù)災(zāi)后調(diào)查主要燃燒物質(zhì)是外墻保溫材料。2020 年元旦重慶市加州花園小區(qū)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)原因是火苗引燃了外墻保溫材料及雨棚，然后火災(zāi)逐漸蔓延了整棟樓。由于連年火災(zāi)不斷，國家領(lǐng)導(dǎo)人都開始了高度重視。根據(jù)“中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng)”報道，2013年習(xí)近平總書記提及一些地方接連發(fā)生特大火災(zāi)造成了大量傷亡和經(jīng)濟損失并強調(diào)我們發(fā)展決不能以犧牲生命為代價。因此，裝配式建筑外墻外保溫材料的正確選取關(guān)系到千家萬戶生產(chǎn)和生活安全，必須引起高度重視。

目前，許多專家老師在保溫材料的選取方面已作出許多研究并提出建議。韓東方［2］結(jié)合對比外國建筑經(jīng)驗分析了我國保溫材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，未來保溫材料的發(fā)展應(yīng)著重耐久性等性能。萬引梅等通過環(huán)境監(jiān)測方法和生命周期評價等探究了不同保溫材料對環(huán)境的影響，以此選出更加綠色節(jié)能的保溫材料［3］。姜濤［4］、蔡曉龍［5］分析了我國建筑保溫材料目前存在的許多問題并給出大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保保溫材料的建議。李洋［6］結(jié)合工程實例闡述了保溫材料使用不當(dāng)?shù)奈ｋU性，提出應(yīng)選擇較強阻燃特性的材料。劉慶利［7］老師結(jié)合材料導(dǎo)熱性及單價提出了一套簡易公式直接比較保溫材料經(jīng)濟性。閆靜茹［8］對不同的保溫材料運用現(xiàn)值法建立經(jīng)濟評價模型以此選擇出最優(yōu)方案。黃仁達［9］、Syed Ali Husain Jafri［10］等通過建立模型計算保溫材料經(jīng)濟厚度來分析不同保溫材料的經(jīng)濟性。李崇文［11］、Koosha Kalhor［12］等通過對建筑外墻保溫材料的類型及優(yōu)缺點進行分析，對如何選擇建筑外墻保溫材料提出了建議。陳現(xiàn)景等人［13］通過評定燃燒速度、蔓延高度比較了不同材料的燃燒性能。Anil Kumar Dixit 等［14］使用軟件計算技術(shù)來建立數(shù)學(xué)模型比較不同性能的保溫材料。Lisa Gabriela 等［15］對比分析建筑保溫材料的熱穩(wěn)定性來比較各類保溫材料。Nima Amani等［16］采用多目標(biāo)優(yōu)化方法建立雙準(zhǔn)則框架以此將保溫材料進行分級。

綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者在保溫材料選擇方面的研究主要還是從保溫材料性能角度比選，卻很少考慮材料的經(jīng)濟性，尤其缺乏從全生命周期經(jīng)濟性視角考慮裝配式建筑外墻外保溫材料的選擇。為此，本文選取目前市場廣泛使用的五種性能較優(yōu)的保溫材料，運用層次分析法從全生命周期經(jīng)濟性視角出發(fā)進行比選，以此為裝配式建筑外墻外保溫材料比選提供一種新思路。

1 保溫材料的選取

當(dāng)下，國內(nèi)外裝配式建筑主要的外墻保溫材料包括有機保溫材料和無機保溫材料，無機保溫材料有巖棉板、泡沫玻璃板、?；⒅楸厣皾{和發(fā)泡水泥板等，有機保溫材料例如聚氨酯保溫板( PU板)、膨脹模塑聚苯乙烯保溫板( EPS板) 、膨脹擠塑聚苯乙烯保溫板(XPS板)等。

1.1 裝配式建筑常用保溫材料

目前在建筑施工中，施工單位一般都是通過選用良好的保溫材料以此來保障建筑的保溫性能。通過中國保溫網(wǎng)等保溫材料網(wǎng)站數(shù)據(jù)比較及材料市場調(diào)研，在中國市場上常見的保溫材料有擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）、模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、酚醛泡沫（PF）、聚氨酯泡沫（PU）和巖棉板這五種材料，材料性能見表1。優(yōu)異的保溫性能使這些材料被廣泛應(yīng)用于保溫隔熱工程中。

表1 常用保溫材料名稱及其優(yōu)缺點

1.2 保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系的建立

保溫材料的經(jīng)濟性選擇是一個涉及多方面、多過程的復(fù)雜性問題。從材料的生產(chǎn)階段到材料的報廢階段，要經(jīng)歷生產(chǎn)、安裝、運營維護等多個過程，每個過程中材料需要的費用是相互影響又相互獨立的，只有對材料全生命周期進行經(jīng)濟性評價，才能合理地評價材料的經(jīng)濟效益。

對材料全生命周期進行經(jīng)濟性評價，可以有效避免某些施工方僅片面考慮采購保溫材料時所造成的成本增加，而忽略了保溫材料在運輸、施工、維護等過程中所產(chǎn)生的費用，從而影響了施工整體的成本控制。

本文從保溫材料全生命周期經(jīng)濟性視角出發(fā)，構(gòu)建保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系，包括3 個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)，具體如下：

1.2.1 采購經(jīng)濟性B1

保溫材料在采購管理時期所體現(xiàn)的經(jīng)濟性。材料生產(chǎn)后施工方進行采購，采購?fù)晷枰蛯Ｈ诉M行運輸，運輸至工廠后還需進行儲存管理。從經(jīng)濟性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C1保溫材料購買費/m3、C2保溫材料運輸費用、C3保溫材料儲管費用。

1.2.2 施工安裝經(jīng)濟性B2

保溫材料是施工安裝時期所體現(xiàn)的經(jīng)濟性。在此時期的多個階段都會因施工產(chǎn)生經(jīng)濟性影響，施工安裝是否便捷與經(jīng)濟性高低密切相關(guān)，施工簡易會節(jié)省大量人力及加快施工周期，除此以外施工方還需支付安裝保溫材料所需的人工、措施以及機械費用等。從經(jīng)濟性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C4保溫材料施工便捷性，C5保溫材料施工人工費用，C6保溫材料施工機械費用，C7保溫材料施工措施費用，C8保溫材料施工其他費用。

1.2.3 運維經(jīng)濟性B3

保溫材料運營維護過程中體現(xiàn)的經(jīng)濟性。在此階段保溫材料能節(jié)省大量效益。例如通過能耗分析與使用普通材料的傳統(tǒng)建筑對比計算出使用保溫材料后裝配式建筑在節(jié)能方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，材料的耐久性越好也就是使用壽命越長其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也就越高，以及在保溫材料報廢后的回收階段同樣能產(chǎn)生大量經(jīng)濟效益。從經(jīng)濟性角度分析子指標(biāo)選取應(yīng)為：C9使用后能耗節(jié)約效益，C10保溫材料維護費用，C11保溫材料使用壽命，保溫材料的耐久性最直觀的體現(xiàn)為其使用壽命，C12保溫材料回收殘值。

綜上所述，建立保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系層次模型如圖1所示。

2 層次分析法（AHP）模型的構(gòu)建

2.1 層次分析法（AHP）的定義及應(yīng)用

本文采用層次分析法確定了與經(jīng)濟相關(guān)的主要影響因素的權(quán)重。用AHP 分析問題大致分為五個步驟：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。

（3）確定各因素所占權(quán)重。

（4）層次排序。

（5）一致性檢驗。檢查判斷矩陣的一致性，并按以下公式計算：

式（1）中, CR(consistency ratio)為一致性比例。當(dāng)CR＜0.10 時,認為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。CI (consistency index)為一致性指標(biāo)，按式（2）計算:

式（2）中,λmax——判斷矩陣的最大特征根；

n——成對比較因子的個數(shù)；

RI(random index)——隨機一致性指標(biāo)，可查表確定，見表2。

表2 隨機一致性指標(biāo)RI 值

2.2 各要素權(quán)重的確立及分析

在上述保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價內(nèi)容中，從材料全生命周期出發(fā)，涉及材料的采購、施工安裝、運營與維護共三大類一級指標(biāo)，各一級指標(biāo)中又存在著互有聯(lián)系的二級指標(biāo)。

2.2.1 構(gòu)建比較判斷矩陣并賦值

專家調(diào)查法是在指標(biāo)層評價指標(biāo)確定后，將其設(shè)計成調(diào)查問卷送給選擇的專家，由每位專家根據(jù)個人標(biāo)準(zhǔn)填寫調(diào)查問卷。對各個層次構(gòu)建好的兩兩比較的矩陣，本文使用專家調(diào)查法，向70 位相關(guān)領(lǐng)域的專家老師發(fā)放問卷收到49份有效問卷，經(jīng)過整理歸納，按照“1～9 標(biāo)度法”進行評分，綜合專家意見共構(gòu)建了4 個判斷矩陣，其中第一準(zhǔn)則層的判斷矩陣A 及第二準(zhǔn)則層的判斷矩陣B1、B2、B3分別為：

針對各判斷矩陣，利用方根法計算歸一化權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 評價因子問卷統(tǒng)計分析結(jié)果

2.2.2 判斷矩陣特征值及一次性檢驗

判斷矩陣特征值及一次性檢驗見表4。

表4 判斷矩陣特征值及一致性檢驗

由表4 可知各項CR＜0.1，通過了一致性檢驗，證明保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)比選體系判斷矩陣的設(shè)置較為合理。

2.2.3 結(jié)論及組合權(quán)重的確定

保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系見表5。

表5 保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系

由表5 可見，對于一級指標(biāo)，采購經(jīng)濟性權(quán)重為0.539 是最主要的評價，之后為權(quán)重是0.297 的運維經(jīng)濟性，而權(quán)重為0.164 的施工安裝經(jīng)濟性是較不重要的指標(biāo)；對二級指標(biāo)的排序進行分析，可以發(fā)現(xiàn)對于經(jīng)濟性視角下保溫材料的選擇及評價的最核心因素組合權(quán)重最高為0.291的保溫材料購買費，其次是保溫材料使用壽命、保溫材料運輸費用、保溫材料儲管費用、保溫材料施工便捷性及保溫材料維護費用，最后分別是保溫材料施工人工費用、使用后能耗節(jié)約效益、保溫材料施工機械費用、保溫材料回收殘值、保溫材料施工措施費用及權(quán)重最低為0.010的保溫材料施工其他費用。

2.3 目標(biāo)層與方案層的聯(lián)系

選取目前市場最常用的五種保溫材料，有EPS、XPS、PU、PF、巖棉。隨后，將每個指標(biāo)的滿分設(shè)為100 分，所有指標(biāo)都由專家組成的評審組根據(jù)各保溫材料實際情況進行打分，這樣就獲得了5 個保溫材料各項評定指標(biāo)的評分，將獲得的評分代入已經(jīng)建立的評價體系，可得到各保溫材料的得分。最后，將保溫材料的得分結(jié)果排序，對保溫材料的選擇評價提供支持。其得分匯總結(jié)果見表6。

表6 保溫材料得分匯總表

根據(jù)本文所給出的保溫材料選擇評價體系，五個保溫材料的最后總得分為：EPS 獲得的分?jǐn)?shù)為89.150分；XPS獲得的分?jǐn)?shù)為91.435分；PU獲得的分?jǐn)?shù)是86.510 分；PF 獲得的分?jǐn)?shù)是88.360 分：巖棉獲得的分?jǐn)?shù)是92.585 分。因此從經(jīng)濟性視角出發(fā)選擇巖棉應(yīng)是最合理的選擇。

3 結(jié)語

由于保溫材料自身的復(fù)雜性，在選擇保溫材料時很難保證材料各項性能都趨于滿分，使得施工方在建筑施工中需要做很多調(diào)查才能選出適宜的保溫材料。經(jīng)濟性是選擇保溫材料時的重要考量，本文從經(jīng)濟性視角出發(fā)分析了保溫材料全生命周期的成本，從生產(chǎn)期經(jīng)濟性、保溫材料性能、施工安裝經(jīng)濟性、運維經(jīng)濟性四個方面選取保溫材料購買費/m3、保溫材料運輸費用、保溫材料儲管費用、保溫材料施工便捷性、保溫材料施工人工費用、施工機械費用、施工措施費用、保溫材料施工其他費用、使用后能耗節(jié)約效益、保溫材料維護費用、保溫材料使用壽命、保溫材料回收殘值等12項因素構(gòu)建了保溫材料經(jīng)濟性指標(biāo)評價體系，通過使用層次分析法有效地避免了權(quán)重確定過程中的不確定性和模糊性并提升了結(jié)果的合理性，為市場、施工方選擇保溫材料提供了新思路。