基于模糊理论的公共建筑光环境综合评价*

张 军， 刘 丹

(东北林业大学 土木工程学院， 哈尔滨 150040)

随着我国社会的不断发展，居民在公共建筑室内的生活和工作活动日益增加，其中建筑光环境是影响人们在室内工作活动的一个关键因素[1-2].公共建筑室内的建筑光环境不同于室外的自然光环境，当一直处于室内活动环境时，容易产生不安和缺乏舒适度等不良反应.建筑光环境是公共建筑总体环境的重要组成部分，建筑光环境从生理和心理上都会对室内人员的活动效率和身体状况产生一定的影响.舒适的建筑光环境能够为建筑内人员提供充裕的视觉条件，能够改善建筑室内人员的活动工作环境，降低长时间活动的不舒适感，使人们活动效率和舒适度得到提高，且有利于人们的视力以及身体健康，因此，对公共建筑光环境进行一定的评价分析，有利于提出改善措施，完善公共建筑的活动环境.

为提高公共建筑光环境，国内外学者已经从不同的角度提出了建筑光环境的智能控制方法，文献[3-4]通过对建筑窗户的高度、透光率进行合适的规划布局，使室内的自然光利用率有所增大；文献[5-6]在建筑的幕墙、天花板或者幕墙等位置安装合适的反光和透光材料来改善室内光环境.然而，上述研究都是从建筑物的角度采取控制措施，并未发挥自然光的作用，即没有从检测光评价指标的角度进行分析.本文从自然光角度建立公共建筑光环境综合评价方法，判断光环境是否满足要求，进而为建筑光环境的智能优化控制提出理论依据.本文构造了评价指标体系和评价因素集，采用模糊理论建立建筑光环境因素的综合评价模型并对公共建筑光环境进行评价.

1 模糊综合评价原理

模糊综合评价的理论基础是模糊数学，模糊数学[7]是研究和处理模糊性现象的数学方法，其基本步骤如下：

1) 构建所需评价对象的基本因素集合.记评价对象的基本因素集合为U={u1，u2，，un}，构建因素集合也即是确定评价指标，在评价指标的基础上以区间来划分不同的评价指标.

2) 构建评价等级.记评价等级集合为V={v1，v2，，vn}，汇总评价对象的评价结果，即可构成评价集合，一般可以取每个评价指标的平均评价结果.

3) 构建单因素评价.建立模糊映射关系，通过归一化处理方法可求出模糊关系为

(1)

U到V的一个模糊映射可表示为

(2)

式中，rij为U中元素隶属于评价等级V中元素的程度.

4) 综合评价.基本因素集合U的每个因子具有不同的权重，需对每个因子进行赋权.U上的模糊子集可表示为A={a1，a2，，an}，则可以求出综合评价结果为

B=AR

(3)

综上所述，本文评价对象是建筑光环境场景，通过构建评价因素集合U、评价等级集合V以及权重即可实现公共建筑光环境的模糊综合评价.

2 建筑光环境评价因素集

2.1 评价主体

公共建筑光环境的评价结果由主观的人体感受以及客观的环境条件综合决定，因此，首先通过人体主观感觉来评价建筑光环境的舒适度.为保证评价主体具备一定的完备性，应确保主体样本保持相应的独立性，避免出现冗余的结果.对于评价主体的选择可以从以下几方面考虑：1)性别方面，男性和女性各占一半的比例；2)年龄方面，评价主体应是从小到大的不同年龄段，且具有均衡的比例；3)职业背景方面，尽量选择不同职业的主体.考虑上述3方面因素的主观评价结果更接近于实际情况.

文中受客观条件限制，选择的主体数量是60名，皆是来自不同的年龄段和不同的职业背景，其中男性主体和女性主体各30名.具体的建筑光环境评价主体信息如表1所示.

表1 建筑光环境评价主体信息Tab.1 Object information for light environment evaluation in buildings

评价主体需对评价内容进行一段时间的感受和训练学习，避免自己的感受观点对其他评价人员造成干扰，要求各评价主体分别进行独立的判断和评价.

2.2 评价因素集

根据《建筑照明设计标准GB50034-2013》，选取影响建筑光环境的4个指标：标准照度值、标准眩光值、照度均匀度和显色指数组成评价因素集.以公共建筑的普通办公室作为典型场景进行分析，根据标准要求，普通办公室的自然光环境参数的标准取值如表2所示.

表2 光环境参数标准值Tab.2 Standard values of light environmental parameters

依据模糊综合评价理论，构建的评价因素集合应能够全面反映每一个评价因素的影响才能使评价的结果具有一定的代表性.同时，根据公共建筑普通办公室光环境参数标准值，分别设定偏离标准值上、下的不同档次来反映实际光环境的差异性.因素集低于参数标准值的分别记为“略低”、“较低”、“低”，且分别用“3”、“2”、“1”表示；同理，因素集高于参数标准值的分别记为“略高”、“较高”、“高”，分别用“5”、“6”、“7”表示.分别事先设定和评价4个指标的取值，并做出一定的调整，因此，可以得出标准照度值、标准眩光值、照度均匀度和显色指数等指标的模糊评价量表如表3所示.

表3 模糊评价量表Tab.3 Scale table for fuzzy evaluation

3 建筑光环境模糊综合评价

本节在建筑光环境评价因素集的基础上进行模糊综合评价，具体包括平均值分析、相关性分析、权重分析以及综合评价结果.

3.1 平均值分析

根据60位相互独立的评价者的主观评价结果可知公共建筑普通办公室的评价平均值如表4所示，分段和简化后的建筑光环境因素集合的评价量如表5所示.

表4 评价结果平均值Tab.4 Average values of evaluation results

表5 评价量的分段Tab.5 Segmentation of evaluation scales

3.2 相关性分析

将表4光环境评价平均值结果转化成4×4的矩阵，可表示为

(4)

式中，xij为第i项和第j项相关性系数.由式(4)能够计算出第i项和第j项之间的相关系数.结合表4的公共建筑评价结果的平均值以及SPSS统计学软件[8]，能够求出建筑光环境4个指标的相关系数.基于SPSS的相关性分析主要是通过绘制散点图来计算两元素之间的相关系数，从而来有效揭示不同元素之间相关关系的强弱程度.在散点图上，若2个元素的关系可近似看作1条直线，则称两元素线性相关；若2个元素之间的关系近似为1条曲线，则称两元素为非线性相关；若2个元素的分布十分分散，两者之间没有任何规律，则称2个元素之间无相关关系.一般而言，相关系数的大小能够反映不同元素之间的相关关系强弱程度，若相关系数的范围为(0，1)，则表示元素之间是正相关关系；若相关系数的范围为(-1，0)，则表示元素之间是负相关关系；相关系数为1表示的是元素之间完全正相关；相关系数为-1表示元素之间完全负相关，相关系数为0表示元素之间不相关.本文得出具体的相关系数如表6所示.

表6 指标间的相关性Tab.6 Correlationship among indexes

3.3 权重分析

通过SPSS软件对所调查的历史数据分析计算，建筑光环境的标准照度值、标准眩光值、照度均匀度和显色指数4个指标可以划分为两个影响因子集，其中标准照度值、标准眩光值、照度均匀度3个指标记为功能性影响因子F1，显色指数标记为舒适性影响因子F2，这样分类能够均衡主观权重和客观权重的比例，使得确定权重具有一定的客观性.

通过SPSS软件能够计算功能性影响因子F1和舒适性影响因子F2之间的平均重要得分，并得到两者的重要性次序等级，如表7所示.

表7 重要性得分统计Tab.7 Statistics of importance score

依据权重计算原则，F1和F2的权重与其次序等级成反比，因此可求得F1和F2的权重分别为0.75、0.25，采用同样的方法可以求得功能性影响因子F1中标准照度值、标准眩光值、照度均匀度3个指标的权重分别为0.313、0.176、0.176，舒适性影响因子F2中显色指数指标的权重为0.144.因此，光环境评价因素集的权重分别为：标准照度值：0.75×0.313=0.235；标准眩光值：0.75×0.176=0.132；照度均匀度：0.75×0.176=0.132；显色指数：0.25×0.144=0.036，因此，建筑自然光环境评价因素的综合评价权向量为A=(0.235，0.132，0.132，0.036).

3.4 综合评价结果

60位评价人员对建筑光环境不同指标的评价结果统计(每个指标所占的人数量)如表8所示.

表8 光环境评价统计Tab.8 Statistics of light environment evaluation

对上述主观评价结果进行归一化计算，可以得到U到V的一个模糊映射为

(5)

则综合评价结果为

B=(0.235，0.132，0.132，0.036)×

(0，0.063 9，0.109 2，0.164 8，0.158 3，0.040 7，0)

(6)

对B进行归一化之后可得

(7)

为充分利用综合评价的信息，评价结果可由评价向量与等级向量进行乘积计算求得，即

G=(0，0.119 1，0.203 4，0.306 9，0.294 8，0.075 8，0)×

(1，2，3，4，5，6，7)T=4.004 6

(8)

由式(8)可以看出，公共建筑光环境的模糊综合评价结果是4.004 6，根据表5的评价量分段等级可知，本文所测试的公共建筑普通办公室的自然光因素评价结果处于标准等级，结果符合该建筑光环境的实际情况.

4 结 论

本文采用基于模糊理论的评价方法对公共建筑光环境进行了综合评价，介绍了模糊理论的基本原理，并确定了较为客观、全面的评价主体，从标准照度值、标准眩光值、照度均匀度和显色指数4个方面建立全面的评价因素集合.根据主体分析确立了评价因素的权重，得出模糊综合评价模型，最终得出评价结果.通过实例验证评价结果符合实际情况，表明本文所建立的模糊综合评价方法具有一定的适用性.