城市高層住宅綠色建筑設計方案評價及軟件開發(fā)研究

張 津，王 曉

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430000)

當前我國城市化進程的高速發(fā)展，建筑行業(yè)作為能源消耗大戶，其消耗的能源占我國總能量接近30%。為減少能源消耗以及響應國家綠色環(huán)保政策，在建筑行業(yè)中人們相繼提出了“低碳經(jīng)濟”和綠色建筑設計理念，目前綠色建筑的相關技術和理論研究、行業(yè)標準規(guī)范的制定以及國家制度的鼓勵政策等均有一定的發(fā)展[1-3]。

由于世界各國的經(jīng)濟發(fā)展程度、人們的生活習慣、地域位置以及生態(tài)環(huán)境均不相同，國內(nèi)外學者對綠色建筑方案評價模型常常結(jié)合各國國情進行研究。王洋等[4]以建立建筑成本效益、生態(tài)環(huán)境效益、節(jié)能增量效益和人體健康效益的綠色建筑全生命周期計算模型，利用該綠色建筑評價體系對綠色家園住宅小區(qū)進行綜合效益評價與分析，給出最優(yōu)的方案。鄭振堯[5]針對綠色建筑評價體系在體系標準側(cè)重于指標，而忽略了在實際投資過程中的經(jīng)濟效益，側(cè)重于體系的設計、施工以及運營等階段性的評價指標，而忽視了整個全壽命周期的評價，對于建筑功能和綠色材料分類等分類評價不夠清晰等方面存在的問題進行研究，給出了對應的措施。熊向陽等[6]通過對美國的LEED，英國的BREEAM，加拿大、瑞典等研制的GBTool及日本的CASBEE等外國綠色評價體系與中國綠色建筑評價標準的對比分析，構建出具有五級智能的綠色建筑評價模型。綠色建筑評價體系是發(fā)展綠色建筑的重要環(huán)節(jié)，在不斷完善綠色建筑評價體系的同時需要對體系進行合理有效的評價[7-8]。通過查閱國內(nèi)外相關文獻，已有國內(nèi)外學者運用新技術手段和理論方法對綠色建筑評價體系進行分析與研究。王寶令等[9]以我國北方寒冷地區(qū)的某綠色建筑項目為例，圍繞新技術施工手段、節(jié)能與可再生資源利用、新型材料以及智能化的運行管理等7個主體因素及其對應的22個細化指標因素構建新的評價體系，從而利用最優(yōu)化方法對設計方案進行等級評價。楊朝均等[10]以龍湖滟瀾山住宅建設項目為對象，構建基于業(yè)主、施工單位以及政府等角度和龍湖滟瀾山項目本身所在區(qū)域特點的創(chuàng)新性綜合定量綠色建筑評價指標模型，提出運用網(wǎng)絡層次分析法對構建的建筑評價模型進行計算與分析。鄭嬌等[11]依據(jù)綠色建筑評價標準，選取水資源消耗、新材料的利用以及創(chuàng)新技術等7大綜合指標和22個子因素指標作為影響綠色建筑方案評價體系，運用層次分析法對備選的設計方案進行最優(yōu)化設計與評判。

本文以城市高層住宅綠色建筑為研究對象，通過對影響城市高層住宅綠色建筑設計方案的指標因素進行深入分析，進而建立最優(yōu)的方案評價體系，利用模糊層次分析法對其進行評價與分析；同時構建軟件開發(fā)總體流程圖和軟件模塊化設計與開發(fā)思想，開發(fā)了城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析的軟件，為城市高層住宅綠色建筑設計方案的評價提供理論與實踐方法。

1 建立綠色建筑設計方案評價體系

城市高層住宅綠色建筑方案設計是一個較為復雜的系統(tǒng)，城市高層住宅綠色建筑建設涉及到前期組織與策劃階段、建筑方案預期設計與概念設計階段、方案設計階段、施工設計階段、項目成本投入、建筑項目管理與實施階段等等，是一個非常復雜的過程。在各個階段中，影響城市高層住宅綠色建筑方案設計的因素較多且存在影響因素所占的權重并不相同，因此需要根據(jù)指標體系選用原則與選用方法對影響因素進行分析與研究，從而選出主要指標因素。通過對主要指標因素的屬性進行規(guī)律分析與研究的基礎之上，提出建立城市高層住宅綠色建筑設計方案評價體系，如圖1所示。

圖1 構建綠色建筑設計方案評價體系流程圖

根據(jù)圖1所示的城市高層住宅綠色建筑設計方案評價體系建立的流程圖，評價體系建立的主要步驟如下：

1)建立影響綠色建筑方案評價的指標因素集合。為了建立影響城市綠色建筑方案評價體系的因素集合，根據(jù)前文對城市高層住宅綠色建筑設計方案評價的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、城市高層住宅綠色建筑設計與實施過程特點以及建筑方案指標體系選型原則等研究，將建筑方案體系分為目標層、因素層和子因素層；同時初步選取建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境、水資源利用、高層住宅整體風格、節(jié)材與材料資源利用、住宅室內(nèi)環(huán)境等作為體系的指標因素集合。為了對所給出的各指標因素以及其對應的指標子因素進行反復的論證，從而選取最合理的指標因素數(shù)目以及各指標因素對應的指標子因素集合。

2)初步建立評價指標體系。由于建立了影響綠色建筑方案評價的建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境等5個指標因素集合，但是綠色建筑方案評價的5個指標因素之間不僅具有不同的特點，而且每個因素本身并不是有某一個特定屬性或者指標決定，因此需要對屬性特點按照歸屬于不同的層次進行分類整理，從而建立城市高層住宅綠色建筑設計方案評價體系的目標層、因素層和子因素層的不同層次指標因素構架，從而形成統(tǒng)一的評價體系。

3)確定新的指標體系。為了對所初步建立的建筑設計方案評價體系進行進一步優(yōu)化與完善，可以借助專家咨詢法階段、體系中指標因素的統(tǒng)計和調(diào)整完善階段以及體系反饋階段等三個主要階段構成。在專家咨詢法階段，其主要實施方式是將初步制定的筑設計方案評價體系提供給專業(yè)的建筑設計者、建筑施工管理者、建筑銷售主管者以及綠色建筑標準研究者等，通過對建筑行業(yè)內(nèi)的專家采用問卷調(diào)查形式給出評價和建議；在指標體系中指標因素的統(tǒng)計和調(diào)整完善階段，其主要是對調(diào)查的結(jié)果進行統(tǒng)計和深入分析的基礎之上，對城市建筑設計方案評價的體系進行修改與完善；在體系反饋階段，其主要是將調(diào)整和修改后的體系提供給專家進行核對。

根據(jù)圖1所示的構建綠色建筑設計方案評價體系流程圖和上述體系建立的三個步驟，可以建立圖2所示的城市高層住宅綠色建筑設計方案評價的模型。

圖2 城市高層住宅綠色建筑設計方案評價的模型

根據(jù)圖2所示的城市高層住宅綠色建筑設計方案評價技術指標體系，對目標層、因素層和子因素層進行闡述。

1)在目標層，在前文對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和綠色建筑設計方案評價體系的建立等研究的基礎之上，通過計算選型的方式選取最合理的綠色建筑設計方案，因此將建筑設計方案作為該體系的目標層。

2)在因素層，根據(jù)城市高層住宅綠色建筑設計方案評價體系技術指標因素選取7大原則以及在工程實際應用過程中綠色建筑方案設計對建筑項目的結(jié)構圖設計和施工圖設計的設計階段、項目投資成本、項目施工階段以及項目實施與管理等均有一定的影響，因此選取建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境、高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性、高層住宅綠色建筑水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、住宅室內(nèi)環(huán)境等作為建筑方案評價技術體系的因素層。

3)在子因素層，對因素層中所選取的指標因素進行進一步補充，其中：因素層中的建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境的子因素集合是由建筑土地合理利用率和住宅小區(qū)生態(tài)環(huán)境兩個子指標因素構成；因素層中的高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性子因素集合是由高層住宅整體風格和項目實施總投入兩個子指標因素構成；因素層中高層住宅綠色建筑水資源利用的子因素集合由給排水系統(tǒng)合理設計和節(jié)水系統(tǒng)兩個子指標因素構成；因素層中節(jié)材與材料資源利用的子因素集合由節(jié)材設計和綠色材料選用兩個子指標因素構成；因素層中住宅室內(nèi)環(huán)境的子因素集合由室內(nèi)采光環(huán)境、室內(nèi)熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣質(zhì)量三個指標子因素構成。

2 綠色建筑設計方案評價計算與分析

本文以武漢市聯(lián)投置業(yè)武漢楊春湖地塊項目為對象進行城市高層住宅綠色建設設計方案研究。武漢楊春湖地塊項目位于湖北省武漢市主中心城區(qū)之一的洪山區(qū)，毗鄰武漢最美東湖風景區(qū)、嚴西湖自然生態(tài)區(qū)和長江天興洲。該項目所處的周邊環(huán)資源環(huán)境有武漢歡樂谷、青山公園和武漢東湖濕地等眾多景觀資源；其所處的地塊特點是具有地塊內(nèi)無拆遷、地塊周邊有武漢三環(huán)線、武漢地鐵4號線和武漢高鐵站等交通設施，同時地塊附近的商業(yè)購物區(qū)、商業(yè)寫字樓等設施正在處于進一步完善過程中，如圖3所示。

圖3 超高層綠色建筑設計方案A的總平面圖

本文根據(jù)聯(lián)投置業(yè)武漢市楊春湖地塊項目，建立由建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境B1、高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性B2、高層住宅綠色建筑水資源利用B3、節(jié)材與材料資源利用B4和住宅室內(nèi)環(huán)境B5等五個指標因素構成的因素層集合B中的各指標因素Bi對目標層的城市高層住宅綠色建筑設計方案A的判斷矩陣。運用模糊層次分析法，可以得到如表1所示的因素層的指標因素Bi對目標A的判斷矩陣及權重向量。

表1 因素層的指標因素Bi對目標A的判斷矩陣及權重向量

經(jīng)過計算表1所示的聯(lián)投置業(yè)武漢市楊春湖地塊項目的因素層的指標因素Bi對目標A的判斷矩陣及權重向量可知：在聯(lián)投置業(yè)武漢市楊春湖地塊項目的因素層集合中因素Bi對目標A的判斷矩陣的最大特征值為λmax=5.432；一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1)=0.108和一致性比例CR=CI/RI=0.096，其中隨機一致性指標RI如表2所示；由于CR=0.096<0.1，認為構建聯(lián)投置業(yè)武漢市楊春湖地塊項目的因素層集合中因素Bi對目標A的判斷矩陣的賦值合理。

表2 隨機一致性指標RI

通過上述聯(lián)投置業(yè)武漢市楊春湖地塊項目的因素層的指標因素Bi對目標A的判斷矩陣的計算與分析過程，同理可以建立子因素層中建筑土地合理利用率C11和住宅小區(qū)生態(tài)環(huán)境C12兩個子指標因素對因素層中指標因素建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境B1；可以建立子因素層中高層住宅整體風格C21和項目實施總投入C22兩個子指標因素對因素層中指標因素高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性B2；可以建立子因素層中給排水系統(tǒng)合理設計C31和節(jié)水系統(tǒng)C32兩個子指標因素對因素層中指標因素高層住宅綠色建筑水資源利用B3；可以建立子因素層中節(jié)材設計C41和綠色材料選用C42兩個子指標因素對因素層中指標因素節(jié)材與材料資源利用B4；可以建立子因素層中室內(nèi)采光環(huán)境C51、室內(nèi)熱濕環(huán)境C52和室內(nèi)空氣質(zhì)量C53三個子指標因素對因素層中指標因素住宅室內(nèi)環(huán)境B5。經(jīng)過計算與分析可以得到如表3所示的建筑土地合理利用率C11和住宅小區(qū)生態(tài)環(huán)境C12對建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境B1的判斷矩陣及權重向量、表4所示的高層住宅整體風格C21和項目實施總投入C22對高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性B2的判斷矩陣及權重向量、表5所示的給排水系統(tǒng)合理設計C31和節(jié)水系統(tǒng)C32對高層住宅綠色建筑水資源利用B3的判斷矩陣及權重向量、表6所示的節(jié)材設計C41和綠色材料選用C42對節(jié)材與材料資源利用B4的判斷矩陣及權重向量和表7所示的室內(nèi)采光環(huán)境C51、室內(nèi)熱濕環(huán)境C52和室內(nèi)空氣質(zhì)量C53對住宅室內(nèi)環(huán)境B5的判斷矩陣及權重向量。

選取建筑設計專家、建筑施工管理專家、建筑銷售主管者以及綠色建筑標準研究專家和用戶專家等20人，利用專家咨詢法確定其對影響城市高層住宅綠色建筑方案設計的子因素層指標因素依次對其對應的因素層指標因素的評語集合和因素層的指標因素對目標層的城市高層住宅綠色建筑方案設計選型的評語集合，其中評語集合為S=(s1，s2，s3，s4，s5)=(好，較好，一般，較差，差)。本文選取的楊春湖地塊項目住宅140 m內(nèi)的超高層綠色建筑設計方案A和楊春湖地塊項目住宅170 m內(nèi)的超高層綠色建筑設計方案B作為目標層集合。針對目標集合中的住宅140 m內(nèi)的超高層綠色建筑設計方案A和楊春湖地塊項目住宅170 m內(nèi)的超高層綠色建筑設計方案B，建立方案A和方案B兩種城市綠色建筑方案設計的各子因素層對因素層的評價矩陣，如表8所示。

表3 建筑土地合理利用率C11和住宅小區(qū)生態(tài)環(huán)境C12 對建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境B1的判斷矩陣及權重向量

表4 高層住宅整體風格C21和項目實施總投入C22對 高層住宅綠色建筑經(jīng)濟性B2的判斷矩陣及權重向量

表5 給排水系統(tǒng)合理設計C31和節(jié)水系統(tǒng)C32對高層 住宅綠色建筑水資源利用B3的判斷矩陣及權重向量

表6 節(jié)材設計C41和綠色材料選用C42對節(jié)材 與材料資源利用B4的判斷矩陣及權重向量

表7 室內(nèi)采光環(huán)境C51、室內(nèi)熱濕環(huán)境C52和室內(nèi)空氣質(zhì) 量C53對住宅室內(nèi)環(huán)境B5的判斷矩陣及權重向量

表8 楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計的子因素層對因素層的評價矩陣

根據(jù)表8所示的楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計A和綠色建筑方案設計B的因素層對目標層的評價矩陣與表1所示的因素層的因素Bi對目標A的判斷矩陣及權重向量，經(jīng)過同理計算可以得到楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計A和綠色建筑方案設計B的目標層評價矩陣：

綠色建筑方案設計A：

綠色建筑方案設計B：

建立專家評語集并對于評語指標按照百分制分別賦值，則有專家評語集S=(s1，s2，s3，s4，s5)=(好，較好，一般，較差，差)=(95，80，65，45，30)，不同等級給與不同的分值；根據(jù)不同等級對應的分值集合和楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計A和綠色建筑方案設計B的目標層評價矩陣，經(jīng)過計算可以得到楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計A和綠色建筑方案設計B的評價得分：

綠色建筑方案設計A：

Q1=0.275×95+0.411×80+0.259×65+0.059×45+0=78.078

綠色建筑方案設計B：

Q2=0.368×95+0.384×80+0.232×65+0.016×45+0=81.493

通過目標層的楊春湖地塊項目綠色建筑方案設計A和綠色建筑方案設計B的評價得分可知，楊春湖地塊項目住宅170 m內(nèi)的超高層建筑設計方案B優(yōu)于楊春湖地塊項目住宅140 m內(nèi)的超高層建筑設計方案A。

3 綠色建筑設計方案評價的軟件開發(fā)

本文將該選型計算與分析軟件分為城市高層住宅綠色建筑設計參數(shù)輸入、建立城市高層住宅綠色建筑方案設計指標體系、基于模糊層次分析法的選型計算與分析、城市高層住宅綠色建筑方案設計的選型計算結(jié)果圖表顯示以及計算選型分析報告的輸出等5個階段組成。通過對上述階段的特點進行分析與研究，利用Visual Basic 6.0軟件和Matlab軟件采用模塊化編程設計的思想，對城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析進行軟件開發(fā)與設計。

圖4 城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析軟件開發(fā)流程圖

根據(jù)圖4所示的城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析軟件開發(fā)流程圖，可以將該軟件分為如下幾個部分進行詳細設計與開發(fā)：

1)軟件界面設計與開發(fā)。軟件界面是建筑設計者或者其他軟件使用者可以通過界面進行直接的溝通與交流，完成相關參數(shù)的輸入、信息查閱以及顯示各功能信息等，在軟件設計與開發(fā)過程中具有十分重要的意義。由于Visual Basic 6.0具有較強的圖形界面開發(fā)功能，在進行城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析軟件界面設計與開發(fā)，可以通過GUI Design Studio的界面設計功能對該軟件的界面進行最合理的優(yōu)化布局。在軟件界面優(yōu)化布局的基礎之上，本著以建筑設計者或者其他軟件使用者為中心的原則，通過軟件界面，從而對所開發(fā)的軟件界面進行修改與固化，從而形成如圖5所示的構建城市高層住宅綠色建筑方案設計評價體系的軟件界面。

2)計算模塊的軟件設計與開發(fā)。本文對于構建城市高層住宅綠色建筑方案設計的選型計算與分析方法是在所建立的綠色建筑方案設計評價體系的基礎之上，運用模糊層次分析法對其進行理論計算與分析。在計算模塊的軟件設計與開發(fā)的過程中，利用Visual Basic 6.0軟件進行程序編寫可以完成數(shù)據(jù)的傳輸；但是在設計程序進行求解運算時，雖然Visual Basic 6.0軟件通過程序編寫也可以實現(xiàn)模糊層次分析法，但是程序編寫較為復雜且程序代碼量較大。由于Matlab軟件具有非常強大的求解計算功能；同時Matlab軟件利用編寫完成的程序可以生成Visual Basic 6.0軟件“.dll”，因此本文提出運用Visual Basic 6.0軟件與Matlab軟件進行混合編程的方式可以簡化程序編寫與設計時間，提高設計效率。在設計過程中，利用Visual Basic 6.0軟件程序完成參數(shù)的輸入與計算結(jié)果的提取工作；而利用Matlab軟件利用編寫的程序完成指標因素判斷矩陣和評價矩陣的求解計算工作。如圖6所示的城市高層住宅綠色建筑方案設計評價指標權重計算的界面。

圖5 構建城市高層住宅綠色建筑方案 設計評價體系的軟件界面

圖6 城市高層住宅綠色建筑方案設計評價 指標權重計算的界面

3)數(shù)據(jù)的存儲與讀取。在運行城市高層住宅綠色建筑方案設計選型計算軟件時，從綠色建筑參數(shù)輸入、指標因素庫、指標因素權重的計算與分析、計算結(jié)果的輸出顯示以及計算報告與分析報告的輸出等過程中均存在有數(shù)據(jù)的臨時存儲、文件保存和讀取等，因此本文提出運用SQL Server數(shù)據(jù)庫對軟件運行過程中的數(shù)據(jù)進行實時管理。

4 結(jié)論

1)通過對不同類型的城市高層住宅自身特點和對影響城市高層住宅綠色建筑設計方案的指標因素進行深入分析，選取了建筑土地利用與生態(tài)環(huán)境和高層住宅整體風格等五個主體指標因素以及高層住宅小區(qū)生態(tài)環(huán)境和建筑土地合理利用率等11個子因素。

2)建立一整套具有科學合理性、層次性、簡單可行性和易于進行量化評價的城市高層住宅綠色建筑設計方案評價體系。運用模糊層次分析法對因素層指標因素及其對應的子因素層指標因素進行定量分析，從而通過計算與分析選取最合理的城市高層住宅綠色建筑設計方案，為綠色建筑設計方案的最合理選型提供了理論指導意義。

3)提出以Visual Basic 6.0軟件為開發(fā)平臺和Matlab軟件程序生成的.dll動態(tài)鏈接庫相結(jié)合的混合編程方式進行軟件設計與開發(fā)，從而得到了具有高效性、簡單易操作性和通用性的城市高層住宅綠色建筑方案設計評價選型計算與分析的軟件。