基于ELECTRE的建筑设计方案的优化决策

姜荣荣，李希胜

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

在建筑领域，计算机辅助的建筑性能数值模拟分析技术与建筑设计参数化方案优化技术，近年来对建筑设计逐渐产生了重要的影响。但同时也给建筑设计的性能化带来了更多的难题。如何高效、科学、综合地针对建筑性能设计与优化成为了一个意义重要的探索课题[1]。

建设项目设计过程一般划分为方案设计、初步设计和施工图设计三个主要阶段。其中方案设计涉及建筑学、环境学和经济学等学科，施工图设计又牵涉结构力学、流体力学和暖通等学科，可以说建设项目设计阶段是一个综合多学科的系统性生产过程[3]。建筑设计阶段是项目全寿命周期中一个非常重要的环节，它是在前期策划和设计准备阶段的基础上，通过设计文件将项目定义和策划的主要内容予以具体化和明确化，是下阶段建设的具体指导性依据[4]。Wilder对建筑方案设计阶段对建筑性能影响进行了研究，作者应用303项建筑节能技术对67座建筑进行研究，发现其中57％的节能技术措施是在方案设计阶段决策的[5]。事实上，建设工程项目全寿命周期的经济成本和环境成本绝大部分取决于设计阶段[6]。

现阶段主要是基于单目标的设计优化。东南大学的石邢以modeFRONTIER为平台通过调用EnergyPlus来实现单个建筑的墙体保温性能优化[7]；哈佛大学设计学院的Jon Sargent等人[8]主要针对建筑遮阳设施的遮阳效果分析，通过链接Rhino和Energyplus来对模拟入射光能量值与制冷负荷能量值进行比较，提出相对合适的遮阳方案；河北工程大学的张伟捷等人通过CFD建筑热环境模拟进行建筑方案优化设计研究[9]。而本文通过Ecotect进行多目标多方案的优化。进而运用基于ELECTRE算法实现多目标多方案的决策，使性能化建筑设计方法更加的科学、可靠与高效。

1 评价指标与权重

1.1 建立性能化建筑设计方案评价指标

性能化建筑设计方案评价指标是相互关联、相互制约、不同层次的指标群构成的一个有机整体，它能较全面反映建筑设计内涵的基本特征。本文根据Ecotect具备的模拟功能建立性能化建筑设计方案评价指标见表1。

1.2 评价指标权重的确定

依据数据来源不同，评价指标权重的计算方法可以分为主观赋权法和客观赋权法两类。现有评价体系一般在主观赋权方法获得源信息的基础上，利用相应的数学方法进行权重计算。比较有代表性的方法有层次分析法(AHP)和模糊综合评价法。其中AHP方法的指标层是单向递阶层次结构，且各指标之间均假设独立，这与实际是不相符的；因此本文选用模糊综合评价来确定指标权重[10-11]。

模糊综合评判法确定评价指标权重步骤为：

(1)确定模糊综合评价因素集U。U=(U1对人的舒适度的影响程度，U2目前在我国的重要程度，U3数据的科学性，U4对建筑可持续发展影响，U5对建设成本的影响)。

(2)建立综合评价集V。V=(无，轻微，一定程度，较大，非常大)。

(3)进行单因素模糊评判，并求得评判矩阵R。

(4)建立评价模型：B=A×R。其中，A为评价因素的权重，可采用专家打分法确定。B的计算结果转化为分值表示，并对其进行归一化处理，即得到评价指标权重。

小兹维列夫今年21岁。在2018网球男单年终总决赛中，他以2-0的分数力压强手，夺取冠军。这是他职业生涯中，迄今为止最为重要的一个冠军，他不仅是继1995年名将鲍里斯·贝克尔之后又一位拿到总决赛冠军的德国选手，同时也是继2008年德约科维奇之后最年轻的总决赛冠军。

按上述步骤，V用来表示一级指标的重要性程度，在南京林业大学、南京工业大学等单位开展调研，发放问卷调查表80份，回收68份。以A1二级指标为例，得到模糊评矩阵R1及元素权重A1。

A=[0.2，0.1，0.3，0.2，0.2]。

则A1*=A×R1=[0，0，0.140，0.291，0.510]，将评价标准以(1，2，3，4，5)分值表示，则A1=[1，2，3，4，5]×A1*=4.13。分别按此步骤得到A2=5.43，A3=3.49，将A1，A2，A3结果归一化得到各自的权重为：0.32，0.42，0.27。其它指标权重以此类推，具体见表1。

表1 评价指标及权重

2 评价方法

本文属于多方案多属性的评价，而ELECTRE方法是一种广泛公认的优势的记录评估方法，结合定性和定量标准，可以用来促进决策活动。ECELTRE方法通过规范决策矩阵来评价指标基准不同的方案[12-13]。其评价步骤如下。

(1)计算规范化决策矩阵：

(2)计算加权规范化矩阵：规范矩阵加权化，V=[vij]=[wirij]。

(3)确定和谐集与不和谐集：对于方案集中的每一对方案Ak和Al，属性集J={1,2,3…n}被划分成两个不相交的子集Ckl和Dkl，前者由Ak不劣于Al的属性组成，称为和谐集；后者由Ak劣于Al的属性组成，称为不和谐集。即Ckl={j|xki≥xli}，Dkl={j|xki

C=[ckl]，k≠l。

(5)确定和谐性支配矩阵F与不和谐性支配矩阵G。

(6)确定综合性支配矩阵E：该矩阵是和谐性支配矩阵F与不和谐性支配矩阵G的交。其矩阵元素被定义为：ekl=fkl*gkl。

(7)剔除不利方案：综合性支配矩阵E给出了方案之间的偏序关系。如果ekl=1，则无论从和谐性的角度还是不和谐性的角度来看，方案Ak均优先于Al。

3 实例分析

由于二级指标繁琐，本文仅对权重值相对大的指标用Ecotect进行模拟。针对南京某住宅用房实际情况，本文提出两种朝向，两种窗墙比，两种材料搭配，综合分析全年各搭配情况下的采光空间、能耗以及温室气体排放量。所选取的各因素的数值具体见表2。

表2 分析情况陈述表

说明：202.5°是根据气象工具Weather Tool得到的南京市最佳朝向值，0.7是国家规范中围护结构窗墙比的上限值；表中，M1、M2分别Ecotect中两种不同的材料。

将以上各因素相互搭配，得到8种不同的分析情况组合，见表3。

表3 各种情况具体分类表

运用Ecotect进行模拟得到不同方案的数据，见表4。

表4 不同方案模拟数据

说明：由表格中的采光空间的数据可知均满足《建筑采光设计标准》的要求。

由步骤(2)计算加权得矩阵：

根据步骤(3)、(4)构造和谐与不和谐矩阵：

由ekl=fkl*gkl可得判断矩阵E：

由步骤(7)可以得到方案8最好，方案6次之。

4 结束语

根据Ecotect功能建立建筑设计方案评价指标体系，用Ecotect软件模拟建筑的光环境、热环境和环境影响等方面的建筑性能，使建筑建成前了解其综合性能状况成为可能。将Ecotect引入建筑方案设计阶段各建筑设计要素对建筑综合性能的分析中，有效地提高了模拟工具在方案设计阶段的实用性、快捷性和准确性。运用ELECTRE进行方案的决策，保证所选方案科学、准确。本文的工作还只是一些初步的尝试，有些建筑性能分析需要借助其它软件；当设计方案种类多时，本文选用的决策方法计算量比较大。因此，需要改进的地方还有很多，在以后的工作中将进行深入的研究其它相关软件，完善决策方法。

【参 考 文 献】

[1]杨文杰.性能化建筑方案优化设计的概念、目标和技术[J].南方建筑，2013(1)：62-67.

[2]王广斌，向乃姗.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用[J].东南大学学报，2010，40(S2)：235-240.

[3]刘维彬，紫 媛，彭宏业.山地城市特色塑造与规划控制[J].森林工程，2012，28(6)：91-93.

[4]丁士昭.工程项目管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[5]Shi X.Design optimization of insulation usage and space conditioning load using energy simulation and genetic algorithm[J].Energy，2011，36：1659-1667.

[6]Flager F，Aadya A，Haymaker J.AEC multidisciplinary design optimization：impact of high performance computing[D].USA：Center for Integrate Facility Engineering，2009.

[7]Niemasz J，Reinhart C F.SHADERADE：combining rhinoceros and energyplus for the design of static exterior shading devices[R].Building Simulation 2011，Cambridge：Harvard University，2011.

[8]de Wilde P.Compunational support for selection of energy saving building[D].Netherlands：Delft University of Technology，2004.

[9]张伟捷，晋 文.基于CFD建筑热环境模拟的建筑方案优化设计研究[J].暖通空调 HV&AC，2010，40(3)：93-97.

[10]李希胜，陈 健，徐蓉蓉.绿色住宅规划设计阶段评价指标权重分析[J].建筑经济，2012(10)：64-67.

[11]杜 栋，庞庆华，吴 炎.现代综合评价方法与案例精选[M].北京：清华大学出版社，2008：46-49.

[12]Huang W，Chen C.Using the ELECTRE II method to applyand analyse the differentiation theory [A].Proceedings of the Eastern Asia Society for Transportation Studies[C]，2005，5：2237-2249.

[13]左 军.多目标决策分[M].杭州：浙江大学出版社，1991.