基于全寿命周期理论的装配式建筑绿色度评价

杨 苏,江影影

(1.安徽建筑大学 经济与管理学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省建筑经济与房地产管理研究中心，安徽 合肥 230601)

近年来，我国建筑业的飞速发展加速了环境资源的消耗，如何降低资源的消耗率、提高资源的利用率，成为人们共同关注的热点问题。为了实现可持续发展，大规模推广装配式建筑成为当前关键任务之一[1]。装配式建筑指的是预制的部品部件在工地组装而成的建筑，该建筑能够有效节约资源、缩短工期、节能环保，是绿色建筑的典型代表[2]。装配式建筑绿色度指的是全部的装配式建筑活动对环境的友好程度。

在2014年3月16日发布的《国家新型城镇化规划》(2014～2020)中，明确提出我国要在“十二五”期间实现2%到50%的城镇绿色新增建筑比，其新建的绿色建筑将达到10亿平方米，20%的城镇建筑要在“十二五”末期达到绿色建筑的标准。作为未来建筑的发展方向，装配式建筑在建筑业受到越来越多的重视，其绿色水平与社会的可持续发展息息相关。因此，通过制定合理的装配式建筑绿色度评价方法以促进装配式建筑的发展显得尤为重要。

国外对于建筑业的可持续发展研究相对较早，近年来很多国家在绿色建筑评估体系研究上都取得了不错的进展。从20世纪90年代起，世界各国为响应可持续发展理念纷纷建立了适用于本国行情的绿色建筑评估体系。其中，英国建立的BREEAM绿色建筑评估体系[3]、日本建立的CASBEE评估体系及美国颁布的LEED体系[4-5]推广最为普遍，这些体系根据建筑业绿色发展影响因素构建相关指标，经测算分析后反应建筑的绿色水平，成为其他很多国家建立评价体系的依据。除系统性的研究评估体系外，B.G Scott[6]提倡资源的节约和能源的循环利用，并通过生态足迹法对建筑进行绿色评价，对绿色建筑的发展有一定的促进意义；Rouzbeh Shad[7]等通过案例研究提出了绿色建筑综合评级工具，对以后的环境效益、社会效益、经济效益有良好的改善作用，为今后相应政策的制定提供有价值的参考。

中国早在2006年颁布了《绿色建筑评价标准》[8]。近几年来，国内对于建筑绿色度的研究也逐渐增多，但大多集中于公共建筑、住宅建筑的研究，很少针对性地对装配式建筑绿色水平进行研究。例如胡云亮[9]通过模糊层次分析构建了公共建筑绿色度评价指标体系，从经济性、功能性、生态性和舒适性4个方面分析公共建筑的绿色水平；黄璐[10]提出“影响层面-影响范围-影响阶段”3个层面的公共建筑绿色度评价体系；程凯[11]基于全寿命周期理论构建了住宅建筑绿色度评价体系，运用多种方法进行评价并通过案例验证指标体系的可行性。在对装配式建筑绿色度的研究中，许多学者对其绿色度评价方法进行了研究，如魏明海[12]依据全寿命周期理论，运用AHP和模糊综合评价方法构建了装配式建筑绿色度评价指标体系；朱百峰[13]等运用ANP和灰色理论分析法，从环境层面、经济层面、管理层面和效益层面4个维度对装配式建筑绿色性进行了实证分析；曹志成[14]基于CRITIC和TOPSIS法对装配式建筑绿色度进行评价研究。这些方法都较少考虑评价过程中出现的不确定性和模糊性，研究将C-OWA算子与熵值法进行组合赋权，将物元理论引入云模型，实现定性到定量的转换，建立基于云物元理论的装配式建筑绿色度评价模型，并以某装配式建筑为例，验证模型的可行性。

1 构建装配式建筑绿色度评价指标体系

1.1 指标体系的选取

研究通过整理相关文献，分析已有研究结果中装配式建筑绿色度影响因素，参考《绿色建筑评价标准》(GBT50378-2014)，依据全生命周期理论，从设计、生产运输、施工、使用与维护和报废与回收5个阶段对装配式建筑绿色度进行评价[15]。由于节能、节材、节水和环保等因素在不同的阶段都有影响，为简便计算，研究已忽略这些因素在其他阶段的较小的影响。

(1)设计阶段。由于在本阶段，土地设计偏差、技术选取不合理以及与当地文化产生冲突都会引起后续施工过程中的资源浪费，对建筑的绿色性产生一定的影响，所以该阶段注重节地、技术与文化3个因素。

(2)生产运输阶段。在预制件生产运输过程中，资源的不充分使用会造成环境施工过程中的耗能，CO2、SO2排放量及粉尘污染都会对环境产生影响。所以，该阶段注重节材、节能、环保等因素。

(3)施工阶段。该阶段注重室外环境、节水、施工文明程度等。在施工过程中，加强节水器具的使用及水的回收利用、增加绿化面积、减少噪声及建筑垃圾的排放均可在一定程度上增强建筑的绿色性。

(4)使用与维护阶段。在装配式建筑的使用与维护阶段。应注重室内环境、运营管理和评价管理的影响，加强通风和采光、提升管理、加强企业自评和居民反馈。

(5)报废与回收阶段。为加强装配式建筑的绿色性，在最后的回收阶段应注重回收难易程度、建筑物使用寿命及废弃物的处理。

具体指标详见参考文献[12]，装配式建筑绿色度评价指标体系如表1所示(一级指标5个，二级指标14个，三级指标26个)。

1.2 权重的确定

目前关于权重的确定方法有很多，主要分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法三类。主观赋权法主要依据决策者对各指标掌握的主观信息进行赋权，如专家打分法、AHP法、Delphi法、二项系数法等，已较早地被人们所运用，但由于评价结果的主观随意性较强，缺少客观性，因此在应用过程中受到一定的限制。如在运用AHP法对指标进行赋权时，会由于缺乏创造能力而忽视了最好的方案，在指标较多的情况下，矩阵庞大，难以完成数据的统计。客观赋权法相对于主观赋权法来说，具有较强的理论依据和数学依据，主要将原始指标之间的关系通过一定的数学方法来表示，不依靠于人的主观思维判断，其代表方法有熵值法、主成分分析法、CRITIC等，但是忽视指标的实际属性来确定权重，往往会出现得出的结果与实际相悖的情形。例如，熵权法所求得的指标权重存在均衡化分配的缺陷。研究为了实现计算结果的科学、准确，对比分析了主观赋权法和客观赋权法的优劣，采用C-OWA算子和熵权法组合赋权的方式确定各指标的权重，所得结果科学合理。

有序加权平均(Ordered Weighted Averaging,OWA)算子[16]是通过重新排列决策数据，根据数据的不同位置赋予不同的权重，从而大大减少极端值的影响。研究采用的是改进后的OWA算子——基于组合数的有序加权算子(Combination Ordered Weighted Aveaging,C-OWA)，以实现更加科学合理的赋权。但是通过C-OWA算子得出的指标权重仅与其位置有很大联系，结果存在一定偏差，而熵权法具有很强的客观性。基于此，研究综合C-OWA算子确定的权重(αi)及熵权法确定的权重(βi)以确定综合权重(λi)，其主要步骤如下：

(1)C-OWA算子赋权。邀请行业内n位专家根据同一层次指标的重要程度打分，指标C的指标数据集可表示为(a1,a2,…,ai,…,an)，按照从大到小的顺序重新排列数据集，并从0开始标号得到

b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn，

即

(b1,b2,…,bi,…,bn)。

(1)

(2)

式中,m表示指标因素的个数。

(4)计算相对权重。指标Ci的相对权重αi为:

(3)

如果该指标是正向指标，即越高越好，则：

(4)

若该指标是负向指标，即越小越好，则：

(5)

计算第i个指标的熵值ei为：

(6)

对于第i个指标，rxi的差异越大，熵值就越小。令gi=1-ei，则gi越大指标越重要。计算第i个指标的熵权βi为：

(7)

(6)结合C-OWA算子和熵权法，计算综合权重为：

(8)

2 基于云物元理论装配式建筑绿色度评价模型

2.1 云物元理论

云模型是定性与定量之间的不确定性转换模型[17]，并把不确定性集成在一起，形成一种定性与定量的映射。其分布形态表现为：正态云、梯形云、三角云等，由于正态分布的普遍使用，所以正态云的应用最为广泛。正态云可用Ex、En、He3个数字特征分别表示期望、熵和超熵。其中，期望Ex是最能代表定性概念的点值，即最能描述装配式建筑绿色度等级的点值。正态云及数字特征图如图1所示。熵En揭示了随机性和模糊性之间的关联性，既体现了装配式建筑绿色度评价指标的随机性，又反映出装配式建筑绿色度等级界限的模糊性。超熵He即熵的熵，体现出熵的模糊性和随机性，表示装配式建筑绿色度评价指标数据样本的离散程度。

图1 正态云及数字特征(Ex=0,En=1,He=0.1)

物元分析理论由我国学者蔡文提出，是思维科学、系统科学与数学三者的交叉边缘学科[18]。物元理论通过将事物、事物的特征以及表现事物特征的值统一起来，组成事物的基本元，体现事物定性与定量之间的关系，一般用R=(N,C,V)表示，如果事物的特征有多种，则用式(9)表示：

(9)

式中,V表示事物特征的值，其值具有模糊性和随机性，既可由数值表示，又可以是区间值。

研究采用的云物元模型结合了云模型处理不确定性的优点，弥补了物元理论中的不足之处，实现了定性到定量的转换。云物元模型将式(9)中的V用(Ex,En,He)表示，表达式可改进为：

(10)

2.2 装配式建筑绿色度等级评价指标的界限

研究所用的装配式建筑绿色度评价指标如表1所示，根据《绿色建筑评价标准》(GBT50378-2014)，当装配式建筑绿色度综合得分达到50分、60分、80分时，其绿色度等级分别为一星级、二星级和三星级。评价所得星级越高，装配式建筑绿色度程度越强。研究通过询问专家意见，整理相关研究成果并结合相关标准，得到表2所示的各评价指标的等级界限。其中大量指标如C2、C3、C4、C5、C6、C8、C13、C16、C17、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26均无法通过数据测得，研究参考《绿色建筑评价标准》评分规则，将这些指标的等级界限按照得分50分、60分、80分定界。

表2 装配式建筑绿色度等级评价指标界限

2.3 装配式建筑绿色度等级评价标准云模型

首先将上述装配式建筑绿色度等级评价指标区间数值用标准云模型参数表示，区间数值可以看做一个双约束的空间[Cmin,Cmax]，云模型的参数值(Ex,En,He)可通过式(11)转换得到[19]。

(11)

(12)

He=s,

(13)

式中,s为常数，其值可根据实际情况进行调整。

由表2数据和式(11)、式(12)计算可得装配式建筑绿色度等级评价指标界限标准云模型的参数Ex、En，具体结果如表3所示。

表3 装配式建筑绿色度等级评价标准云模型

2.4 装配式建筑绿色度评价指标的关联度向量

(14)

根据表(3)中的标准云模型的参数，得到关联度矩阵K。

(15)

式中,n=26表示装配式建筑绿色度评价指标数。

评价向量B=λK，其中λ=(λ1,λ2,…,λm)为装配式建筑绿色度评价指标权重向量。

3 案例分析

3.1 基于C-OWA算子和熵权法确定指标权重

以某市装配式建筑项目为例，其主体采用装配式剪力墙结构，预制率达到50.9%。通过收集相关资料及专家意见，确定各评价指标值，基于C-OWA算子和熵权法共同确定该指标权重，具体指标值及权重如表4所示。根据式(1)～式(8)，因篇幅有限，以一级指标为例，6位相关专家采用十分制打分值如表5所示。

表4 某市装配式建筑绿色度评价指标值及其权重

表5 一级指标初始分数值

以A1为例，用C-OWA算子和熵权法分别赋权：

(1)将6位对A1指标打分值按从大到小排序得：b=(7.5，7.5，7，7，7，6.5)，n=6，根据式(1)得到加权向量为(0.031 25，0.156 25，0.312 5，0.312 5，0.156 25，0.031 25)。

(2)由式(2)得到指标绝对权重为：

[7.5,7.5,7,7,7,6.5]T=7.078 1，

同理可得

(3)由式(3)可得绝对权重

(α1,α2,α3,α4,α5)=(0.186 8,0.223 9,0.212 8,.0191 8,0.184 7)。

(4)根据式(4)～式(7)得到熵权法赋权结果为：

(β1,β2,β3,β4,β5)=(0.160 9,0.276 9,0.272 1,0.174 2,0.115 9)。

3.2 计算各指标关联度

运用软件Matlab计算各个指标值相对于绿色度评价等级的关联度，结果如表6所示。根据各指标权重和关联度，由评价向量公式B=λK可得到该项目评价向量B=(0.021 5，0.190 8，0.093 0)，根据隶属度最大原则，可知该项目评价等级为二星级。

4 结论

传统建筑施工消耗大量资源，带来严重的环境污染。在提倡可持续发展的大背景下，积极发展装配式建筑刻不容缓，精准衡量装配式建筑绿色水平对实现可持续发展意义重大。装配式建筑相比于传统建筑的优势不仅仅体现在某一阶段，而应该综合全生命周期各个方面来考虑，系统地评价装配式建筑的绿色水平。研究基于全寿命周期理论，建立装配式建筑绿色度评价，得出以下结论：

装配式建筑在生产运输阶段和施工阶段表现出来的绿色性优于其他阶段。装配式建筑大部分的生产构件都由工厂预制而成，提高了产品质量，大大减少了原始的现场现浇工作成本，避免了气候原因造成的停工损失；在施工阶段，充分展现了“四节一环保”的优势，降低了现场施工的噪音及建筑垃圾的排放，大部分的作业都是由起重吊装而成，减少了工人工作强度，实现了文明施工，有利于环境的保护。由于装配式建筑要求在设计阶段就考虑好各方案，与传统的建筑相差甚大，往往会由于设计不合理造成资源的浪费，工人在使用和维护过程中缺乏专业的指导，效率低下，造成不必要的浪费，影响了其在设计阶段、使用和维护阶段、报废和回收阶段表现出来的绿色性。因此，应健全装配式建筑市场发展机制，进一步发展装配式建筑在其他阶段的绿色性以提高装配式建筑整体绿色性。

研究从生命周期的各个阶段对装配式建筑进行综合评价，有助于各阶段问题的提出及改正。在确定权重时，采用C-OWA算子和熵权法综合赋权，不仅减少了极端值的影响，还有效解决了单一赋权的偏好问题，在一定程度上缩小了误差。在构建模型时，对比分析了多种评价模型的优缺点，最终采用物元理论与云模型结合，较好地解决了评估过程中的不确定性，实现了装配式建筑绿色度评价问题从定性到定量的转变，为以后的装配式建筑绿色度评价提供了较好的参考。最后，将建立的基于全寿命周期理论的装配式建筑绿色度评价指标体系运用于实际案例中，通过对具体项目的评价，证明了所建立的模型能够准确评价装配式建筑的绿色水平。

此外，建议在对装配式建筑绿色度进行评价时，应根据不同地区的特点选择与之相适应的评价指标，充分考虑南北地区气候、设计等方面的差异，进一步完善装配式建筑绿色度评价指标体系，使得评价结果更具现实意义。

表6 装配式建筑绿色度评价指标的关联度