基于层次分析法的建筑群内环境指标体系研究

周 严，杨 川，吴爽谦，饶晶晶，黄小明，蒋 杰

(西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都 610500)

近年来，我国的绿色建筑发展越来越迅猛。在政府和市场主导制定标准的框架下，我国建筑绿色标准建设工作得到了长足发展，但是我国的绿色建筑后评价发展仍然发展缓慢，甚至部分地区仍处于停滞不前的情况，为此GB/T50378-2014《绿色建筑评价标准》中明确将绿色建筑评价指标分为设计评价和运行评价两部分，着重突出了运行评价的重要性[1]。绿色建筑后评价方法成为推进建筑舒适度高质量、高要求发展的主要内容。目前国内外很多评价指标的设计与评价方法仍存在大量问题。本文旨在建立以区域为研究对象的绿色建筑后评价指标体系，进行相关的权重向量分析研究。为评估建筑的舒适度提供依据，并对使用后评价较差的建筑项目提供改进意见。

1 国内外研究现状

随着我国经济从粗放型增长方式转向集约型增长方式的过渡时期，加之相关政策的大力扶持，建筑建设环境也愈发绿色高效。但是由于我国建筑环境研究起点低、起步晚、发展缓慢，目前的提高仍旧不能满足绿色建筑评估的相关指标评价。国内林波荣、肖娟[2]通过POE的研究方法对不同地理环境的11栋建筑进行了研究，表明：绿色建筑在进行绿色技术的引进时，应进行经济技术的合理性分析，理性对待；自然通风和自然采光等绿色技术成本极低，但是收效极好，值得大力推广；对能耗影响极大的人的行为模式应列为重点考察对象。国外很多国家的学者都针对性地制订了符合本国环境标准要求的绿色建筑指标。Hazreena Hussein[3]使用五点Likert 量表对建筑进行调研，该表覆盖各种建筑性能标准，其中主要包括了建筑元素、热舒适、室内空气品质、视觉舒适、声觉舒适和景观要素方面，研究结果表明个人主观知觉和建筑性能标准之间有着积极的联系。由此可见，建筑内环境舒适度主要服务于人的主观感受，建立科学系统的建筑内环境后评价指标可以促进形成良好的内环境，大大减少建筑能源的消耗，为推动我国的可持续发展作出贡献。

2 研究思路

本文研究思路在于运用目前越发成熟的BIM技术，对一个建筑群内的建筑物的室外环境进行模拟分析，首先建立起比较完整的评价指标体系，针对不同的指标层，利用问卷分析和层次分析法进行权重分析，然后对建筑群内建筑物不同部位的环境指征进行定义和量化计算。本文为首次研究成果，故只针对一级指标进行研究，更为详细和深入的研究将在后续成果中发布。

3 指标确立

3.1 指标设置因素

随着现代社会的不断发展，人们生活和工作的方式发生巨大转变，大部分人一天80 %的时间都会在室内，因此人们越来越关注建筑内环境的舒适度。舒适度是指人们对客观环境从生理与心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价。舒适度会受各种因素影响，因个体差异而呈现不同结果。当前国内外绿色建筑评价体系，建筑环境评价指标众多，例如：视野、空气质量、通风、供暖、水资源、能源等各类因素。本次建筑群内环境评价指标体系的研究，选取的指标应具备以下特点：其一，在室内环境评价中具有代表性；其二，在建筑内环境中，由自然条件产生，有节能环保作用，人为不可控因素；其三，是人体能感受，根据个人感官度量的因素。参考国内外绿色建筑评价体系，确定四项一级指标，分别为风环境、光环境、热环境、声环境。

3.2 风环境

风环境是指室外自然风在城市地形地貌或自然地形地貌影响下形成的受到影响之后的风场。在建筑可持续发展战略下，发展绿色建筑，充分利用自然能源成为大势所趋。合理利用自然通风提高人们居住环境舒适度是重要方法之一。 炎热季节，人们利用自然通风来带走建筑内部的余热、余湿，利用大量夜间和清晨的凉风增加建筑围护结构以及室内家具的蓄冷量。同时，自然通风也带来新鲜、清洁的空气，既有利于降低室内污染物及二氧化碳浓度，又能满足人们接触自然的心理需要。此外，自然通风的湍动特性更具有自然特征，在同等条件下可以提供更加舒适的室内环境[4]。在国内外绿色建筑评价体系中，室内环境都有提到“空气质量”，LEED中的控制项和60 %的评分项都是关于室内空气品质的；而BREEAM中室内空气品质和光环境的指标数量最多，分别包括1条控制项，评分项的权重各占54 %和23 %[5]。由此可看出风环境在节能中的益处，对人类心情，环境舒适度的影响，以及在绿色建筑评价体系中的重要性。

3.3 光环境

光环境是由光(照度水平和分布、照明的形式和颜色)、颜色(色调、色饱和度、室内颜色分布、颜色显现)在室内建立的同房间形状有关的生理和心理环境。人从外界获取的信息主要依靠人体的视觉、听觉、嗅觉、味觉等等，其中约有80 %的信息来自光和视觉，所以无论白天或黑夜，人类的生活时时刻刻都需要光[6]。光环境对人的精神状态和心理感受也产生积极的影响。例如对于工作和学习的场所，良好的光环境能振奋精神和提高效率；对于休息、娱乐的公共场所，适宜的光环境能创造舒适、优雅、活泼生动或庄重严肃的气氛。在20世纪70年代，经历第一次能源危机后，许多发达国家意识到能源的重要性，“绿色照明”运动因此兴起[7]。国内外绿色建筑指标体系中，也多次提到照明、视野、太阳光照射等相关指标项。室内光环境若极大限度地使用自然采光，这样就可以充分节约能源，降低温室效应，对建筑光环境质量的提高也有重要意义。从人类生活、环境保护上看，光环境是重要评价指标。

3.4 热环境

热环境是指影响人体冷热感觉的环境因素。这些因素主要指室内空气温度、室内湿度、气流速度和环境辐射温度。室内热环境舒适度是人对建筑环境最基本的要求之一[8]。据研究表明，室内热环境的好坏会直接影响人们的舒适程度。例如，热舒适的室内环境有助于人的身心健康，进而提高学习、工作效率；而过冷、过热的环境中，则会感觉不适，影响健康，引起疾病甚至危及生命。纵观国内外热环境设计，大多都是通过供暖、通风和空调来维持建筑内环境温度、湿度。在热环境设计上，更加鼓励通过地形选址，围护结构材料特性等进行采暖、制冷。建筑室内环境不仅关系到人体的舒适度和健康，更关系到建筑能耗和污染物排放，影响城市、国家的可持续发展，所以热环境舒适度的评价十分必要。

3.5 声环境

在建筑中声环境主要是噪音。从物理意义来说，噪声是各种不同频率和强度的声音杂乱组合。随着社会迅速发展，人们生活质量的不断提高，工业噪音、交通噪音无时不在。建筑施工、车辆行驶，不可避免地会出现噪音污染，如若不采取有效措施，人们的正常学习、生活和工作，甚至身体健康都会受到不同程度的影响。人类长期地处于噪音环境中，不仅会在一定程度上损害听力，还可能会诱发一系列的相关疾病[9]，如职业性听力损失等。我国声环境质量标准对一、二类声环境功能区环境噪声限值有明确规定。

4 问卷分析过程

本次项目主要采用线上与线下问卷两种形式开展，共收集问卷3 368份，线上收集问卷3 028份，线下问卷340份。线上问卷主要采用网络推送数据，能够收集大量的数据，但是存在覆盖范围较大，数据可靠性较低的问题；线下问卷主要采用纸质文档分发，实地分析数据有更好的可靠性，能够科学真实地分析数据，但数据的基数小，收集困难。两种问卷的数据需要互相借鉴来进行修正，调查问卷询问了调查者对于四种建筑环境的重要性程度的认知，分别按照1～9分进行了打分，由此得出环境类型-分值如下表1。

表1 环境类型对应打分结果统计

其中对比问卷数据分析可知，在各类建筑室内环境中，风环境的问卷参与者有856人认为其重要性程度为分值7，占总数的25.42 %；光环境条件下，有928人认为其重要性程度为分值7，占总数的27.55 %；热环境中，有784人认为其重要性程度为分值6，占总数的21.14 %；有1 056人认为声环境的重要性程度为分值9，占总数的31.35 %。数据中可见，建筑室内环境各类影响因素最大占比分值分布如下表2。

5 层次分析法

5.1 层次分析法可行性分析

由于对建筑群内环境进行指标体系研究本就是一个十分庞大的问题，其中包含各类多层级的指标标准，如何将各层级的指标标准统一，综合考量，是利用指标在评价建筑内环境所要面临的首要问题。本研究将建筑室内环境评价指标体系划分成三个主要层级，再对其进行详细分析和整理。

表2 建筑物环境影响重要程度分值表

因此运用层次分析法可以有效地对各个层级指标进行定义和分析。

5.2 评估流程

本次评估要从主观和客观两方面入手进行研究，通过层次分析法对定性问题定量化，建立起相应的评估体系，并对绿色居住建筑给予评估。

5.3 构造判断矩阵

层次分析法的基础在于人们对每一层次各元素的相互重要性给出的判断，这些判断用数值表示成矩阵形式，即判断矩阵。判断矩阵是层次分析法的出发点，构造判断矩阵是层次分析法的关键一步。

可以令四个指标室内通风，室内采光，保温隔热，噪音依次为B1，B2，B3，B4。由于准则层指标Bi(i=1，2，3，4)是对目标层A有影响，构造判断矩阵如下形式所示：

AB1B2B3B4B1b11b12b13b14B2b21b22b23b24B3b31b32b33b34B4b41b42b43b44

式中：bij=1/bji，bij表示对于A而言，bi相对于bj重要性的数值表现形式。利用Saaty于1980年根据一般人的认知习惯和判断能力给出的元素间相对重要性等级表，目标重要性判断矩阵中的元素bij∈[1，9]且bij∈N。

结合问卷调查的数据处理结果，以及本项目实际研究的成都地区，不同区域的实际情况。本研究项目为分析声、光、风、热四个指标对建筑内环境目标层的权重影响，利用层次分析法，得到四个指标两两之间重要性的比较矩阵，将指标所得分数两两相互作差，然后将差值与AHP标度从低到高相对应得到如下所示的判断矩阵。

5.4 层次单排序

所谓层次单排序指的是根据判断矩阵计算对于上一层某元素而言，本层次与之有联系的元素的重要性次序的权值。它表示某层次所有元素针对上一层次而言的重要性进行排序的基础。因此，根据判断矩阵如何求得各因素Bi(i=1，2，3，4)对于目标层A的相对排序权重的过程称为层次单排序。

5.4.1 层次单排序原理

5.4.2 计算方法

正如5.4.1所述，层次分析法的计算根本问题是如何计算矩阵最大特征根及其对应特征向量。判断矩阵是人为主观判断的客观定量描述，求解判断矩阵要求保证其精度。本文在结合计算机在实践中的应用，采用幂法[10]计算特征根，使得利用Matlab工具可以得到任意精确度的最大特征根及其对应的特征向量。这一方法的计算步骤为：

(1)任取与判断矩阵B同阶正规化的初值向量W0。

5.5 一致性检验分析

对于层次分析法的判断矩阵，需要进行一致性检验后才可以确认其数据可靠性。所谓一致性，即判断矩阵B有如下关系：

为了度量不同判断矩阵是否具有满意一致性，需要引入判断矩阵的平均随机一致性指标RI值。对于本文涉及的4阶判断矩阵，其RI值为0.89。

5.6 结果分析

从此可以看出，对于问卷所覆盖地区的民众而言，最为看重的建筑物环境因素为声环境，也即人们对于安静的居住环境抱有最大的期望；而对通风和光照条件的重视程度是相同的；对于室内保温散热方面的重视程度是最低的。

6 结论与讨论

本文对建筑群内环境评估的同时，融入了人的主观感受，并在指标建立前期进行实地调研分析建筑内环境指标的主要影响因素，建立以人为本的绿色建筑舒适度环境指标体系；结合相关标准和地方性法规规范客观的评价，形成客观和主观结合的评价指标。可以看出由于本项目地点在素有天府之国之称的成都地区，这里拥有全国其他地区难以企及的气候条件，所以人们对于热环境的重视程度反而是最低的，大家更希望在喧闹的城市中获得一个安静的生活休息场所。这也就对建筑项目在选址和设计上建立了一个明确的目的。由此可以看出本文中的指标体系研究具有的现实意义。

(1)可以让项目规划和设计有更为明确的目的性，在成都地区，我们可以建议项目投资者应重点考虑建筑群落内的隔音设计，在建筑物节能设计中可以适当放宽对于保温隔热的要求。全国各地可以据此分别建立适用于本地区特色的环境指标体系，作为工程规划设计的指导。

(2)此类环境指标分析可以做到个性化定制和需求推荐，我们可以设计出一个简便的程序，只需要个人回答相关问题，即可快速分析其个性化需求，并为其推荐建筑物中适应于这一需求的房间位置。