基于DEA的裝配式建筑環(huán)境績(jī)效評(píng)價(jià)研究

吳雪飛

(合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

裝配式建筑具有施工快捷、資源節(jié)約的優(yōu)點(diǎn),在推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的背景下,已成為建筑業(yè)新一輪升級(jí)的主要發(fā)展方向。2016年,國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》,各地裝配式建筑的建設(shè)達(dá)到新的高潮。然而裝配式建筑在環(huán)境節(jié)約的同時(shí),其施工成本卻較高,現(xiàn)階段裝配式建筑的成本普遍高于現(xiàn)澆基礎(chǔ)。同時(shí),大量的裝配式建筑方案不斷涌現(xiàn),主要包含疊合式、全預(yù)制式等。如何采用較少的建造成本達(dá)到較好的環(huán)境效益應(yīng)是評(píng)價(jià)裝配式建筑環(huán)境績(jī)效的主要考量。

目前裝配式建筑的綜合效益評(píng)價(jià)方法主要為層次分析法[1,2],利用該方法可以確定裝配式建筑物的各指標(biāo)的權(quán)重,綜合評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益指標(biāo)確定裝配式建筑的綜合效應(yīng),但是該方法主觀性強(qiáng),與評(píng)價(jià)人的認(rèn)識(shí)高度相關(guān),各指標(biāo)屬于平行關(guān)系,無(wú)法構(gòu)建不同指標(biāo)之間的價(jià)值鏈關(guān)系。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DATA ENVELOPMENT ANALYSIS,DEA)作為一種效率評(píng)價(jià)方法,因?yàn)槠淠軌蚍从惩度氘a(chǎn)出的多樣性等諸多優(yōu)勢(shì),DEA方法得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。目前,該方法在裝配式建筑乃至建筑領(lǐng)域的應(yīng)用均較少。陳偉等[5]利用DEA方法對(duì)裝配式部件生產(chǎn)基地的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),對(duì)于裝配式建筑的環(huán)境績(jī)效的評(píng)價(jià)罕見(jiàn)。本文通過(guò)DEA方法構(gòu)建了裝配式建筑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與環(huán)境指標(biāo)的價(jià)值鏈,評(píng)價(jià)了不同建造方法的環(huán)境績(jī)效,為決策層對(duì)裝配式建筑的應(yīng)用提供評(píng)價(jià)方法,為裝配式方案的確定及比選提供比較思路。

1 指標(biāo)選取與模型設(shè)計(jì)

1.1 裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

建筑的經(jīng)濟(jì)效益一般指施工單位在生產(chǎn)過(guò)程中的支出與收入的比值,建筑的收入性指標(biāo)主要取決于建筑的功能,與采用何種施工方式的關(guān)聯(lián)性較小。對(duì)于裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)效益通過(guò)支出性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)較為合理,建筑的支出是指在施工過(guò)程的資源耗費(fèi),即人工、材料、資金等。本文選取以下兩個(gè)指標(biāo)作為裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo):①工程造價(jià),②材料用量。以上指標(biāo)均基于裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑的概預(yù)算定額進(jìn)行計(jì)算。

1.2 裝配式建筑的環(huán)境效益指標(biāo)

建筑的環(huán)境效益是對(duì)建筑過(guò)程對(duì)環(huán)境后果的度量,人需要從自然、經(jīng)濟(jì)、人文等多角度對(duì)人類(lèi)活動(dòng)可能導(dǎo)致的環(huán)境變化進(jìn)行綜合評(píng)估和衡量。本文以碳排放、固體廢棄物排放、粉塵排放作為環(huán)境效益的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 碳排放

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)發(fā)布的《2006 IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》是目前常用的碳排放計(jì)算依據(jù)。其中主要包含了三種碳排放量的計(jì)算方法,如表1所示。

表1 IPCC指南碳排放計(jì)算方法表

本文根據(jù)參照構(gòu)件生產(chǎn)碳排放定額,參照方法一進(jìn)行計(jì)算,共計(jì)算了施工過(guò)程的能源消耗產(chǎn)生的碳排放、人工節(jié)碳、照明節(jié)電、節(jié)水碳排放。

1.2.2 固體廢物排放

裝配式建筑可以有效減少施工過(guò)程中的固體排放,混凝土結(jié)構(gòu)建造廢棄物包括鋼材、木材、混凝土塊、砂漿、保溫材料等。在決策階段定量分析裝配式基礎(chǔ)的固體排放的尚少,文獻(xiàn)[6]所述裝配式結(jié)構(gòu)固體廢棄物排放比傳統(tǒng)現(xiàn)澆排放減少了約62%。本文以此基礎(chǔ)量化該指標(biāo),具體量化方式如公式(1)所示。

(1)

1.2.3 粉塵排放

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。裝配式建筑由于濕作業(yè)的減少,只能有限減少所產(chǎn)生的粉塵污染,現(xiàn)有的粉塵污染定量概算方法尚欠缺,僅有監(jiān)測(cè)手段可以有效量化該指標(biāo),而現(xiàn)有的工程中對(duì)粉塵排放的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)也是較為欠缺的,文獻(xiàn)[7]中表明裝配式結(jié)構(gòu)的PM2.5和PM10顆粒物濃度未明顯降低。本文通過(guò)公式(2)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化處理,裝配式建筑對(duì)粉塵排放的降低約為28%。

(2)

式中:M2為裝配式建筑方案的粉塵排放量與現(xiàn)澆方案的粉塵排放量的比值。

1.3 模型設(shè)計(jì)

本文選取不同裝配式建造方案為研究對(duì)象,構(gòu)建DEA模型的價(jià)值鏈。在裝配式建筑的建造過(guò)程中,由于其生產(chǎn)成本的提高,其投入型經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)不及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),在犧牲經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)帶來(lái)更好的環(huán)境效益。評(píng)價(jià)裝配式建筑環(huán)境績(jī)效的基本價(jià)值關(guān)系即為采用更少的經(jīng)濟(jì)投入取得更高的環(huán)境效益。因此,本文采用單階段的DEA模型,選擇以上兩個(gè)投入型經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)作為模型的投入,選用以上的三個(gè)環(huán)境效益指標(biāo)作為模型的產(chǎn)出,其價(jià)值鏈如圖1所示。值得注意的是,以上的價(jià)值鏈與已有的采用層次分析法顯著不同,層次分析法認(rèn)為經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益是并列的,DEA模型是通過(guò)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析確定各經(jīng)濟(jì)支出對(duì)環(huán)境效益收入的相對(duì)效率。

圖1 裝配式建筑環(huán)境績(jī)效價(jià)值鏈

1.4 數(shù)據(jù)選取

由于已有的建筑碳排放、固體廢棄物排放、粉塵排放的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏,本文選取某單層混凝土廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì),分別對(duì)采用部分預(yù)制、疊合梁柱、全預(yù)制等三種方式的上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行指標(biāo)量化計(jì)算。該結(jié)構(gòu)建筑高度為4.5 m,上部混凝土框架為9 m單跨雙坡,榀間距為6 m,廠房長(zhǎng)度為54 m。

下部基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),各獨(dú)立基礎(chǔ)尺寸為2.4 m×2.4 m,基礎(chǔ)橫向間距為9 m,縱向間距為6 m;獨(dú)立基礎(chǔ)之間布置連梁,基礎(chǔ)柱頂面標(biāo)高為0.3 m,基礎(chǔ)連梁頂面標(biāo)高為-1.2 m,基礎(chǔ)連梁同時(shí)承擔(dān)上部墻體荷載作用。

裝配式設(shè)計(jì)的原則為:①全預(yù)制結(jié)構(gòu)。采用全預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制承臺(tái)代替原本的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),預(yù)制柱之間采用套筒灌漿連接,預(yù)制梁與預(yù)制柱采用預(yù)埋型鋼螺栓連接,并在預(yù)留圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接預(yù)埋件;②疊合梁柱結(jié)構(gòu)。采用疊合梁、疊合柱代替原現(xiàn)澆梁柱,各構(gòu)件之間的連接采用后澆混凝土的方式;③部分預(yù)制。僅柱構(gòu)件以及主梁采用預(yù)制,基礎(chǔ)與次梁不預(yù)制,預(yù)制率在32%;④維護(hù)部品部件不納入計(jì)量的范圍;⑤基礎(chǔ)原本采用錐形基礎(chǔ),現(xiàn)改為階形基礎(chǔ),鋼筋用量無(wú)差異,混凝土用量節(jié)省4.728 m3。最終的各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。為保證DEA計(jì)算模型的可靠性,本文還收集了已有九項(xiàng)裝配式建筑工程的綜合效率相關(guān)數(shù)據(jù)同樣列于表2中。由于碳排放等產(chǎn)出均是非期望產(chǎn)出,因此本文采用線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,由于本文的各指標(biāo)均為無(wú)量綱的數(shù),數(shù)值相差不大,采用線(xiàn)性轉(zhuǎn)換可以對(duì)非期望產(chǎn)出進(jìn)行有效處理。

表2 數(shù)據(jù)選取及計(jì)算結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本文采用規(guī)?？勺兊膯坞A段DEA模型進(jìn)行分析,分別得出了15種不同方案的綜合效率、技術(shù)效率以及規(guī)模效率。在15種方案中前6種方案為本文通過(guò)概預(yù)算的方法對(duì)某廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裝配化設(shè)計(jì),此6種裝配式設(shè)計(jì)方案中采用全預(yù)制裝配式方案的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu),其效率均達(dá)到了1。這是由于單層混凝土框架結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,連接節(jié)點(diǎn)少,且單層樓板施工簡(jiǎn)單,現(xiàn)有裝配式結(jié)構(gòu)成本已被控制得很少,采用裝配式方案造成的成本增加不明顯,而環(huán)境效益的好處是可觀的。采用疊合式的框架較全預(yù)制框架甚至更低,這表明對(duì)于低層的框架結(jié)構(gòu),特別是形如工業(yè)廠房、電力設(shè)備室等單層結(jié)構(gòu),采用全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是有意義的。

方案7、方案8分別為昆明市五華區(qū)某辦公樓的現(xiàn)澆方案和裝配式方案,該裝配式環(huán)境績(jī)效是有限的,在成本和材料用量大幅度提升的情況下,僅取得了25.6%的裝配率,大部分結(jié)構(gòu)依然采用現(xiàn)澆,碳排放、粉塵排放的下降量是有限的。其綜合效率相較于原本現(xiàn)澆方案變化不大,此外規(guī)模效率也是相對(duì)較低的,這再次表明其成本的增加對(duì)環(huán)境指標(biāo)的改善有限。

方案9、方案10、方案11、方案12為某學(xué)校初步設(shè)計(jì)階段時(shí)的4種預(yù)選裝配式建筑設(shè)計(jì)方案比選,采用DEA方法對(duì)各方案的環(huán)境績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)不難發(fā)現(xiàn)各方案的差別。其中方案9、方案12相較于其他方案效率明顯提高,采用該方法可以對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行比選。此外,注意到這4種方案的綜合效率均達(dá)到了較高的水平,這是由于其碳排放的減少是顯著的,相對(duì)于其他裝配式項(xiàng)目碳排放減少最大為30%左右,其碳排放減少了一半,這可能也與統(tǒng)計(jì)的方式、方法相關(guān)。

方案13、方案14為預(yù)制裝配式住宅的現(xiàn)澆方案與裝配式方案。該裝配式住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜,裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件包含預(yù)制空心隔墻板、預(yù)制鋼筋混凝土外墻、預(yù)制鋼筋混凝土內(nèi)墻、預(yù)制鋼筋混凝土疊合樓板,預(yù)制鋼筋混凝土陽(yáng)臺(tái)及樓梯。但是該項(xiàng)目的成本控制良好,裝配式方案的效率明顯高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),其綜合效率為0.787。方案15為地鐵惠生新城項(xiàng)目,同樣采用裝配式剪力墻結(jié)構(gòu),該項(xiàng)目的效率也與方案14相同。這表明現(xiàn)有的裝配式剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系的建造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較為成熟的水平,規(guī)模效應(yīng)的產(chǎn)生讓其相對(duì)成本增加有限。

總的來(lái)說(shuō),采用裝配式建筑目前的環(huán)境績(jī)效均達(dá)到了顯著的水平,但是筆者在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)也發(fā)現(xiàn)這些相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也是有差異的,部分?jǐn)?shù)據(jù)的記錄比較模糊,國(guó)內(nèi)也需建立標(biāo)準(zhǔn)的碳排放計(jì)算定額,以便環(huán)境指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于DEA模型的裝配式建筑環(huán)境績(jī)效評(píng)價(jià)方法,建立了建筑經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的價(jià)值鏈,以結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)及材料用量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的投入型經(jīng)濟(jì)效益,采用碳排放、固體廢棄物排放以及粉塵排放作為環(huán)境效益指標(biāo),并且提供了各指標(biāo)的計(jì)算方法,對(duì)難以統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)提出了模糊估算方式。計(jì)算結(jié)果表明,該方法可以反映各經(jīng)濟(jì)支出對(duì)環(huán)境效益收入的相對(duì)效率。

本文針對(duì)某廠房的上部、下部結(jié)構(gòu)的裝配式設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià),并且收集了9個(gè)裝配式項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益數(shù)據(jù),共同比對(duì)。該方法可以有限地對(duì)不同裝配式方案環(huán)境績(jī)效進(jìn)行評(píng)估,為裝配式建筑的推廣提供參考。

目前,建筑物經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益的相關(guān)評(píng)價(jià)較少,鮮有相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,不同工程的環(huán)境效益計(jì)算方法尚不統(tǒng)一,相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立對(duì)規(guī)范評(píng)價(jià)裝配式建筑生產(chǎn)拼裝至關(guān)重要。此外,裝配式建筑的水電用量、工期乃至社會(huì)效益等也與現(xiàn)澆建筑不同,更加全面的DEA價(jià)值評(píng)價(jià)體系也有待建立,而這些指標(biāo)統(tǒng)計(jì)難度進(jìn)一步加大,尚待解決。