基于變權(quán)法的裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)

溫海燕，劉 靜，祁 騫，馬維珍

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，我國(guó)現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)化迅速崛起，以裝配式為代表的建筑在我國(guó)迅速發(fā)展。裝配式建筑是將預(yù)制的結(jié)構(gòu)部件在現(xiàn)場(chǎng)裝配而成的建筑體系[1]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑適用于低層、多層、高層、超高層建筑和部分工業(yè)建筑[2]，且裝配式鋼結(jié)構(gòu)因自重輕、造價(jià)低、安裝容易、周期短且抗震性能好及施工污染小等綜合優(yōu)勢(shì)被譽(yù)為綠色建筑[3]。綠色建筑是在建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、實(shí)用等全壽命周期階段，要求達(dá)到節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)人和環(huán)保的要求。隨著建筑可持續(xù)化發(fā)展理論和“綠色化”的不斷深入，綠色建筑成了新思潮和新方向。因此，推進(jìn)節(jié)約、環(huán)保、低碳的綠色建筑是環(huán)境友好、資源節(jié)約和推進(jìn)行業(yè)社會(huì)發(fā)展的必然選擇[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)裝配式建筑的綠色度評(píng)價(jià)做出了部分研究。國(guó)外，Yuya Kajikawa[5]認(rèn)為，綠色建筑為環(huán)境和諧的一種設(shè)計(jì)實(shí)踐，從不同方向、不同學(xué)科交叉組合，更好地增進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)施等。Assad 等[6]從經(jīng)濟(jì)、文化、生態(tài)等方面對(duì)建筑綠色化進(jìn)行綜合研究。國(guó)內(nèi)，曹志成[7]從經(jīng)濟(jì)綠色度、機(jī)制運(yùn)行度、環(huán)境平衡度、效益協(xié)調(diào)度4 個(gè)方面構(gòu)建裝配式建筑綠色度評(píng)價(jià)體系，并基于TOPSIS 評(píng)價(jià)模型計(jì)算指標(biāo)的貼進(jìn)度，對(duì)裝配式建筑綠色度進(jìn)行評(píng)估研究。龍姍等[8]從建筑全壽命周期角度分析裝配式建筑綠色度，從5 個(gè)階段分析構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用云物元模型進(jìn)行裝配式建筑綠色等級(jí)評(píng)價(jià)。程灝等[9]從技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境治理、安全防護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)影響、能源與資源利用6 個(gè)方面構(gòu)建裝配式建筑綠色施工評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用獨(dú)立性權(quán)法與灰色系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)模型有效解決了綠色施工信息獲取不正確及指標(biāo)相關(guān)性誤差所造成的問題。裝配式建筑作為當(dāng)今社會(huì)一種低碳節(jié)能的建造模式，對(duì)其進(jìn)行有效的綠色度評(píng)價(jià)，能進(jìn)一步指導(dǎo)和提高其低碳效益，使其更加環(huán)保節(jié)能。目前對(duì)綠色度的評(píng)價(jià)大多集中在傳統(tǒng)建筑上，關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度狀況評(píng)價(jià)的研究卻寥寥無幾。

本文參考綠色施工相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，首先從建筑的材料選取、環(huán)境、安全和實(shí)用功能等方面進(jìn)行考慮，全面構(gòu)建裝配式鋼結(jié)構(gòu)的綠色度狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其次在常權(quán)法和變權(quán)法的基礎(chǔ)上確定各指標(biāo)權(quán)重，利用組合賦權(quán)法將主、客觀權(quán)重進(jìn)行融合，并引入木桶理論求得裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度綜合指標(biāo)得分，進(jìn)而對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑綠色度等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。最后以甘肅省蘭州新區(qū)某裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，驗(yàn)證此評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性，以為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的綠色度評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)一定的參考價(jià)值。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)方法

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

裝配式建筑建造原理是基于預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行的系統(tǒng)集成，以實(shí)現(xiàn)建筑功能。在系統(tǒng)集成過程中，各系統(tǒng)之間的交叉和相互影響非常復(fù)雜。相比一般建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑綠色度是尋找傳統(tǒng)施工方式、生態(tài)環(huán)境和項(xiàng)目效益三者的協(xié)調(diào)性，在國(guó)家政策的規(guī)范下，講究環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益、資源節(jié)約、工期、成本、社會(huì)效益與質(zhì)量等傳統(tǒng)指標(biāo)的共贏[10]，因此要從裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑原材料的生產(chǎn)、環(huán)境和諧度、安全、節(jié)能、社會(huì)功能匹配度、裝配式技術(shù)水平和使用功能7 個(gè)方面建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

綠色建造過程中必須考慮裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在前期準(zhǔn)備過程中需考慮生產(chǎn)設(shè)備的的效益如何，在生產(chǎn)材料過程中排出的污染物對(duì)環(huán)境的傷害程度，建筑對(duì)周圍自然環(huán)境破壞是否嚴(yán)重，能否合理利用周圍已有的公共設(shè)施環(huán)境。同時(shí)在施工過程中是否節(jié)約使用施工用水和生活用水，建造過程中對(duì)建筑材料節(jié)約能力如何，廢舊材料是否可以重復(fù)利用，對(duì)施工人員安全管理教育，考量裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化程度等。在后期使用過程中，考慮其向社會(huì)公眾對(duì)容積率、綠地率的開放程度，維護(hù)費(fèi)用的高低，場(chǎng)地處于建筑陰影處的廣場(chǎng)等活動(dòng)區(qū)遮蔭面積比例如何，是否良好地利用了附近的熱源以降低建筑供熱空調(diào)的能耗。

通過以上分析，本文以7 個(gè)一級(jí)指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)一步選出18 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，確定了裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見表1。

表1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 權(quán)重確定模型

1.2.1 向量夾角余弦-常權(quán)權(quán)重

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)值向量S*和最次向量s*[11]

（2）構(gòu)造各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)向量值和最次向量值的相對(duì)偏差矩陣R 和Δ：

（3）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)向量夾角余弦權(quán)重值：

1.2.2 客觀變權(quán)法

客觀變權(quán)權(quán)重是在傳統(tǒng)賦權(quán)方法的基礎(chǔ)上，考慮其他因素在實(shí)際工程施工中的動(dòng)態(tài)變化來確定的權(quán)重。確定變權(quán)權(quán)重是通過構(gòu)建均衡函數(shù)，對(duì)強(qiáng)勢(shì)指標(biāo)進(jìn)行激勵(lì)，使權(quán)重變大，對(duì)劣勢(shì)指標(biāo)進(jìn)行抵制并縮小其權(quán)重。根據(jù)變權(quán)模型，可得出因素變量為：X=（x1，x2，…xn），可得出狀態(tài)變權(quán)變量為：S（X）=（S1（X），S2（X），…Sn（X）），則變權(quán)向量為：W（X）=（W1（X），W2（X），…Wn（X）），可用W0和S（X）的歸一化表示，即：

1.2.3 組合賦權(quán)法

裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)評(píng)價(jià)過程。主觀賦權(quán)易被決策者主觀判斷價(jià)值差異性影響使得權(quán)數(shù)產(chǎn)生差異，而客觀賦權(quán)法是以數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行，與指標(biāo)的實(shí)際情況不符。為避免單一賦權(quán)方法的局限性，提高權(quán)重可靠性，采用以下兩類方法將主、客觀賦權(quán)所得權(quán)重進(jìn)行組合。

在權(quán)重融合時(shí)需對(duì)各賦權(quán)法所得權(quán)重先進(jìn)行一致性的檢驗(yàn)，避免不同賦權(quán)法所得權(quán)重會(huì)相互矛盾。當(dāng)有兩種賦權(quán)方法進(jìn)行融合時(shí)，利用距離函數(shù)d（u（1）u（2））刻畫一致性程度，當(dāng)0≤d（u（1）u（2））≤1 時(shí)，兩種賦權(quán)法所得權(quán)重通過一致性檢驗(yàn)[12]。

1.2.3.1 乘法合成組合賦權(quán)

乘法合成是將常權(quán)及變權(quán)法所得的權(quán)重進(jìn)行折中。由于各賦權(quán)法所求權(quán)重具有相似重要性，將各賦權(quán)方法所得某指標(biāo)權(quán)數(shù)用主、客觀賦權(quán)法進(jìn)行相乘，再歸一化求得組合權(quán)重[13]。計(jì)算如下

1.2.3.2 博弈論組合賦權(quán)

博弈論是運(yùn)籌學(xué)的重要分支學(xué)科，不同于傳統(tǒng)簡(jiǎn)單線性組合賦權(quán)，研究競(jìng)爭(zhēng)事物之間的相互影響，分析多個(gè)決策主體間相互影響時(shí)理性的行為，均衡主、客觀權(quán)重問題。博弈思想各方依據(jù)“協(xié)調(diào)沖突，利益最大化”進(jìn)行決策，需各方協(xié)調(diào)統(tǒng)一去尋找共同利益的最大均衡組合，即需要組合權(quán)重和各權(quán)重間離差最小化[14]。基于博弈論思想的權(quán)重融合步驟如下：

（1）通過m 種賦權(quán)方法求取指標(biāo)權(quán)重，并綜合。

構(gòu)造基本權(quán)重集Q={q1，q2，…，qm}，將這m 個(gè)向量任意進(jìn)行線性組合構(gòu)成一種可能的權(quán)重集。

式中：ak為權(quán)重系數(shù)；q 為權(quán)重向量集的一種可能權(quán)重向量。

（2）為使q 與各qk之間的離差最小化，根據(jù)決策模型，尋找最優(yōu)權(quán)重系數(shù)ak，并基于博弈思想在向量集中尋找最滿意的q*，即：

根據(jù)矩陣微分轉(zhuǎn)換性質(zhì)，得到式（10）最優(yōu)一階導(dǎo)數(shù)：

式（12）為轉(zhuǎn)化的線性方程組：

（3）求出（a1，a2，…，am），并對(duì)其歸一化處理：

最后得到組合權(quán)重為：

1.3 基于木桶理論的綜合指數(shù)法

木桶理論也稱短板效應(yīng)，指的是一只木桶盛水量的多少取決于組成該桶最短的木板。只有所有的木板全部足夠高時(shí)，才會(huì)使木桶盛滿水。所以，要提高木桶的盛水量，必須補(bǔ)長(zhǎng)最短的木板[15]。將木桶理論用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)時(shí)，將組成木桶的木板量當(dāng)作所建指標(biāo)體系中的準(zhǔn)則數(shù)或指標(biāo)數(shù)，將各木板的寬比成準(zhǔn)則或者指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)，并以木板高比為準(zhǔn)則或指標(biāo)所得分，即相應(yīng)的綠色度狀況。裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)中，傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法只是進(jìn)行簡(jiǎn)單加權(quán)，未使短板效應(yīng)體現(xiàn)到最終評(píng)價(jià)結(jié)果上。本研究基于木桶理論綜合指數(shù)法，應(yīng)用對(duì)數(shù)函數(shù)原理將乘法轉(zhuǎn)成加法，使系統(tǒng)某準(zhǔn)則或指標(biāo)崩潰時(shí)表現(xiàn)其短板效應(yīng)，讓結(jié)果更加真實(shí)。該方法的計(jì)算公式如下：

式中：PGIc為基于木桶理論的裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指數(shù)；Ii為第i 項(xiàng)指標(biāo)得分；ui為第i 項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)結(jié)果為非綠色、淺綠色、深綠色、高綠色4 個(gè)等級(jí)，將5 分制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用log5進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到以下等價(jià)劃分表（見表2）。

表2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)

2.1 項(xiàng)目概況

目前甘肅省大力推廣裝配式鋼結(jié)構(gòu)的住宅產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本文以甘肅省蘭州新區(qū)某出城入園項(xiàng)目D 地塊建設(shè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化示范小區(qū)為例，本工程主要由二類高層住宅、配套商業(yè)和地下一層機(jī)動(dòng)車停車庫共同組成?？偨ㄔO(shè)用地面積37 789.1 m2，建筑面積101 734.67 m2，其中住宅建筑面積61 700.11 m2，安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑耐火等級(jí)為2 級(jí)，抗震設(shè)防烈度為七度。建設(shè)項(xiàng)目使用的部品部件均為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝減少了濕作業(yè)的量，也減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，同時(shí)建設(shè)單位也建立了全面的綠色施工管理制度。其4#、6#、8# 住宅采用H 型鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其他住宅樓和商鋪結(jié)構(gòu)類型均為冷彎矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁框架。為了更好地對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)選取該示范小區(qū)4#、7#、8# 的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 權(quán)重計(jì)算

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，邀請(qǐng)6 位專家依據(jù)1～9 分制打分法建立裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)分值表，具體分值見表3。再依據(jù)式（1）～式（6）確定其常權(quán)權(quán)重和變權(quán)權(quán)重（見表4）。

表4 變權(quán)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.3 綠色度指數(shù)計(jì)算

根據(jù)表3、表4 所示的指標(biāo)得分及賦權(quán)結(jié)果，利用式（15）計(jì)算不同賦權(quán)法下裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度狀況指數(shù)PGIc，結(jié)果見表5。表6 給出了裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度狀況指數(shù)。

表5 各賦權(quán)方法權(quán)重計(jì)算結(jié)果及裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 裝配式鋼結(jié)構(gòu)各準(zhǔn)則綠色度狀況

通過表6 可知，裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)PGIc處于[0.828 3，0.853 7]范圍內(nèi)，參考裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度等級(jí)劃分表，可確定產(chǎn)業(yè)化示范小區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的綠色等級(jí)為深綠色，其綠色度達(dá)到國(guó)內(nèi)頂尖水平。而從表6 分析裝配式鋼結(jié)構(gòu)各準(zhǔn)則綠色度狀況可得材料生產(chǎn)、安全、節(jié)能、社會(huì)功能匹配度、裝配式技術(shù)水平、環(huán)境和諧度和使用功能綠色度狀況等級(jí)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色等級(jí)相同，為深綠色，但是環(huán)境和諧度和使用功能綠色度狀況分值較低。

因此，為使裝配式鋼結(jié)構(gòu)的綠色度狀況向更好的趨勢(shì)發(fā)展，應(yīng)該提升環(huán)境和諧度和使用功能這兩個(gè)準(zhǔn)則的綠色度分值，同時(shí)維持其他5 個(gè)準(zhǔn)則綠色度狀況。在建設(shè)前期階段提前衡量此建筑與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境及經(jīng)濟(jì)文化程度的融合性，同時(shí)考慮在后期使用時(shí)建筑的使用功能是否良好地利用了附近熱源，熱導(dǎo)強(qiáng)度是否降低等，使各準(zhǔn)則綠色度狀況同產(chǎn)業(yè)化示范小區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度狀況保持一致，即裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度等級(jí)處于高綠色狀況。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑深入的分析和研究，結(jié)合其施工特點(diǎn)，建立了裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并基于常權(quán)權(quán)重和變權(quán)權(quán)重將主、客觀權(quán)重進(jìn)行組合相融，減少單一賦權(quán)法的局限性，同時(shí)應(yīng)用木桶理論的綜合指數(shù)法優(yōu)化評(píng)價(jià)區(qū)間，使得裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)結(jié)果更加精準(zhǔn)、科學(xué)。

（2）由表6 可知，裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)PGIc位于[0.828 3，0.853 7]，即裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色度為深綠色。將裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑與綠色建筑的發(fā)展相結(jié)合，保證建筑質(zhì)量、使用壽命和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，盡可能做到節(jié)能與減排，給人們創(chuàng)建安全與健康、實(shí)用且美觀的生活環(huán)境。