基于模糊主成分方法的绿色施工管理评价体系研究

常瑞璠 王 旭 曲泳颐

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.大连理工大学经济管理学院，辽宁 大连 116024)

1 概述

随着我国建筑行业的快速发展和城市城镇化的快速推进，越来越多的企业以污染环境为代价换取经济的高速发展，建筑行业出现了低能效，高能耗，高污染，高排放等弊端。为满足我国可持续发展的迫切需要，响应十九大提出的生态文明体制改革政策，全面推广绿色建筑成为当前建筑业发展的重要任务之一。可见，建筑业的改革以及行业市场的转型与绿色施工理念有着密切的关系，为了保证绿色施工有效的实施，必须要建立一套评价体系，为建筑业提供一个科学合理的评价工具。

现阶段，国内外研究学者已经重视起了绿色建筑评价体系，并且建立了多种评价体系，BREEAM是英国的绿色建筑认证体系，LEED为美国的绿色建筑认证体系，而BlueAngel是德国以及北欧国家的绿色建筑认证体系等，但由于基本国情不同，其他国家与我国的法律政策，建筑管理方式，施工方式和机具设备有一定的差别，直接套用他国的方案无法直接准确地对我国的绿色施工管理做出评判。

此前对于绿色建筑施工评价的研究主要从某些特定的视角出发，张娇[1]基于层次分析法对船舶绿色建筑设计方案进行评价；李宏军等[2]针对绿色建筑的室内外环境以及用户体验等方面进行评估，包含了主观和客观评价因素；王欣怡等[3]从建筑的采光，耗能，通风，噪声四个角度着手，提出了基于gbXML的绿色建筑评价标准；刘伟[4]立足于绿色施工的市场环境、生态价值、经济效益及社会环境四个层面，以SEM为依托，建立绿色建筑发展结构模型，分析绿色建筑的驱动机理并提出相应对策。可以看出来，现今的研究大多从绿色建筑的实际使用，经济效益，设计方案等方面建立指标，缺少有关与绿色施工密切相关的质量，安全，用地，用材等基本建设目标的考虑。现如今，已经有多种绿色施工评价模型，其中包含了灰色模糊评价法、熵权法、模糊综合评价法以及层次分析法等[1]。但不同研究方法的使用在评价结果上会存在一定的差异,层次分析法在指标过多时，数据统计量大，权重难以确定；面对一些模糊性的评价对象时可以采用模糊综合评价法，但如果指标集过大时，就会出现一种超模糊现象；如果想要得出简单明确的结论，则可以利用聚类分析法，但如果样本数量超过限制时，就会很难获取到结论。基于以上研究，本文主要利用主成分分析法，因子分析法和模糊综合评价法等，在保证评价结果的准确性、全面性与客观性的基础上进行绿色施工管理评估，并通过对工程实例的分析得出可行性建议。

2 主成分分析法

主成分分析法，采用线性变化以及降维思维，对变量进行简化，使其成为数量较少的综合变量。其中，通过主成分分析处理得到的综合性指标即为主成分，这些综合指标能保留原有指标的大部分信息，且互不相关，数量较少，能够有效避免重复信息的干扰[5，6]，使之达成最优化的目的。主成分分析法主要步骤[7]如下：

步骤1：数据标准化处理。采集原始数据集，对于m个待评价的指标变量，每个指标都有n个评价结果，即样本数据)，进行标准化处理：

(1)

步骤2：求解相关系数矩阵。设原始变量指标xi与xj的相关系数为rij(i，j=1,2,…,p),由相关系数rij构成的矩阵R称为相关系数矩阵，则有：

(2)

变量xi与xj(i,j=1,2,…，m)，有rij=rji,形成了相关系数矩阵R。此外，也可以使用标准化的矩阵Z对相关系数矩阵R进行求解：

(3)

步骤4:对累计贡献率进行计算，第i个主成分Fi的贡献率可以使用αi来表示，具体计算公式为：

(4)

由于第i个主成分Fi的贡献率αi随着特征值λi的变化而同向变化，特征值λi的值随着i的增大而递减，因此有α1≥α2≥…≥αm≥0。对于前k个主成分的贡献值累加后可得出累计贡献值：

(5)

步骤5:计算主成分载荷。i个主成分Fi(i=1,2,…,k)与j个原变量Xj(j=1,2,…，m),主成分和原变量之间的相关程度被称为主成分载荷，即原始指标变量Xj在多个主成分Fi上的荷载lij(i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)，荷载lij与特征向量e之间具有如下关系：

(6)

步骤6:主成分因子分析。根据所选定的主成分分析其主成分载荷值，选取主要控制因子作为模糊综合评价的评价因子。根据特征值λ的大小选取前k个主成分F1,F2，…,Fk,对比各变量在Fi上的因子荷载li1，li2，…,lim,一般情况下，去顶第i个主成分中|lij|较大的变量作为影响主成分Fi的主要因素。

步骤7:确定权重针对上文求得的主要指标确定其权重值ω，并通过对主成分荷载lij与贡献率αi进行分析，计算出关键变量的权重ω：

(7)

其中，r为选取关键指标数;ωj为第j个关键指标的权重值。

3 模糊综合评价法

模糊数学还有另一种叫法，其也被叫做Fuzzy数学，能够对模糊性现象做出处理和研究。此外，以模糊数学为基础所建立的模糊综合评价法，能够对模糊性事务进行有效的综合性评价，面对复杂性问题时其拥有非常的使用价值。模糊综合评价模型的详细计算步骤为以下：

步骤1:建立因素集与评语集。根据主成分分析所确定的r个主要指标建立评价对象的因素论域U={u1,u2,…,ur}；评价者对于评价对象的所有评价结果的集合构成了评语集V={v1,v2,…,vp}；若P=5，则评语集为：V={不合格，合格，中等，良好，优秀}。

步骤2：确定指标的隶属向量。针对评价体系中的指标，发放问卷进行打分，第i个指标在各个等级的评价人数与总人数之比即为此指标的隶属度，对第i个指标的隶属向量进行确定，则为(ai1,ai2,ai3,ai4,ai5)。

步骤3：构建模糊关系矩阵。将r个主要指标放入到五个等级当中，通过隶属向量构建出模糊关系矩阵A。

(8)

步骤4:确定指标的权向量。根据主成分载荷lij与方差贡献率αi计算出的权重ω即为指标的权重值，所有主要因素的权重向量W=(ω1,ω2，…,ωr)。

步骤5：综合评价。选用合适的模糊算子将权重向量W与模糊关系矩阵A合成运算，得到项目绿色施工管理的模糊综合评价结果B：

(9)

对评价结果单值化处理，评价对象的最终得分B*为：

(10)

4 工程实例

东北地区某高校公寓楼建设项目，总用地面积7 744.1 m2，总建筑面积26 246 m2，其中地上建筑面积22 450 m2，地下建筑面积3 796 m2，容积率2.90，建筑密度20%，绿地率37%，建筑限高54 m，工程计划开工日期为2020年7月20日，完工日期为2022年4月6日，工期共计625 d。

该工程地处高校校园，周围存在大量建筑物与构筑物，且周围人口密集，干扰因素较多，施工环境较为复杂，因而对环境有较高要求。为响应国家对环境保护的号召，该工程为高质量和绿色施工为首要要求，在满足施工管理基本要求的基础上力求全面实现节材、节水、节能、节地与环保的重要目标。安全绿色施工的管理难度较大，因此，根据该教学楼建设项目的具体施工情况和施工要求，构建出绿色施工管理评价指标体系，并对具体评估结果进行总结分析，确定施工过程的改善方向是十分必要的。

4.1 影响因素分析

在建筑施工周期当中，绿色施工是极其重要的一部分，通过合理的管理方式可以达到绿色施工的目的。施工启动阶段应针对整体施工要求和周围环境制定一份切实可行的绿色施工管理体系，并制定相应的管理制度和管理目标，包括在规定期限内对现场施工人员进行绿色施工培训，增强员工的绿色施工意识。施工方可参考相关的评价指标，结合工程施工具体情况，对现有的绿色施工的效果进行自评，并委派专家对施工过程中采用的环保技术，环保设备和新材料等进行综合评估，以便施工方对存在的问题和不完善的技术措施进行及时地修正，为下阶段绿色施工的顺利开展提供经验和教训。

环境保护是实现绿色施工的首要措施，施工过程中可能出现的环境污染包括现场扬尘，地下水污染，噪声污染等多个方面。基于该工程施工场地的特殊性，该项目施工过程中对现场及周围的环境保护尤为重要。工业污水如果未经处理就擅自排放，会污染校园生活用水，增加地下水负荷。扬尘现象如果没有及时处理会污染校园环境，危害师生和施工人员的生命健康。噪声污染主要来自于不合理的施工进度安排以及大量的施工设备，长期的噪声干扰会影响睡眠质量，损害听力。可见，保护环境是实现绿色施工的一项重要内容。

节材与材料资源利用。节材与材料资源利用要求健全机械保养，建筑垃圾再生利用等制度，选取绿色环保的施工材料，优化建筑材料运输流程，优化钢筋连接办法，合理安排施工顺序，从全施工过程的角度建立健全材料选用情况。

节水与水资源利用。节水可以从提高水资源利用效率入手，包括优化施工现场供水网管设计，配置节水器具，采用节水施工工艺等。也可以合理利用水资源，包括对雨水进行收集利用，设立循环用水装置，采用污水净化处理及再利用装置等方法，高效合理利用水资源，达到节水的效果。

节能与能源利用。在建筑的全寿命周期内都伴随着能源的耗用，节能和提高能源利用率是实现绿色施工的因素。节能主要包括降低电能消耗和提高能源利用率。如合理配备临时用电设施，施工机具资源共享，合理利用自然采光、通风，缩短建筑材料运输距离等。

节地与土地资源利用。在该方面，施工中主要存在的问题是不合理的现场土地规划。施工方应按照审批用地范围布置施工用地，根据现场条件，合理设计场内交通道路。不合理的设备放置和道路规划会造成施工现场安排杂乱，不利于现场动态管理模式的实施。

基于以上分析，选取包括进度、成本、质量、技术、安全、卫生、信息、环保、节材、节水、节能、节地等目标的47个指标进行评价。

4.2 工程绿色施工管理评价

1)使用SPSS软件对指标的主成分以及因子做出分析，评估出绿色施工指标。由于各个样本的变量得分采用5分制，所以无需进行变量的标准化处理，直接进行结构效度分析。为判断因子分析法对本评分数据的可用性，在案例分析前需通过KMO和巴特利特检验对设定的47个管理指标进行相关性检验，以此来判断该组数据是否可使用因子分析法进行分析。KMO和巴特利特检验情况如表1所示。

表1 KMO和巴特利特检验

利用SPSS软件进行计算，最终显示KMO值为0.788，大于临界值0.5，Sig.=0，小于显著性水平值0.05，测算结果表明该组数据适用于因子分析且相关矩阵为显著相关的正向矩阵，如此一来，在拥有较高的变量相关性后，采用因子分析法对数据进行研究分析。

2)利用SPSS 17.0软件对主成分进行研究分析，计算出相应的累计方差贡献率以及特征值，如表2所示。

表2 总方差解释

选择出特征值大于1，还要保证累计贡献率约达到85%的公因子，将其作为主成分，根据表2中特征值与累积方差贡献率选取前3个成分作为绿色施工管理评价的主成分，对各个指标变量进行计算，选择出前3个主成分，确认各载荷值。

3)对3个主成分进行旋转，得出成分得分系数矩阵，如表3所示。

表3 成分得分系数矩阵

从表3可以看出，可以通过成分得分系数矩阵对不同因素影响下3个因子的差异化得分，然后采用回归分析计算出各项主成分的具体得分，具体表达式为以下：

F1=-0.054x1+0.231x2-0.282x3+0.201x4-0.166x5+0.014x6-0.093x7-0.232x8+0.094x9-0.070x10-0.250x11+0.300x12-0.079x13。

F2=0.218x1-0.082x2+0.151x3-0.064x4-0.015x5+0.194x6+0.307x7-0.002x8-0.265x9+0.171x10+0.078x11+0.014x12+0.330x13。

F3=0.013x1+0.005x2+0.013 1x3+0.023x4+0.021x5-0.554x6-0.130x7+0.614x8+0.003x9+0.113x10+0.036x11-0.349x12-0.174x13。

其中，(F1,F2,F3)为主成分，将其方差贡献率在总方差贡献率当中的比例实现加权平均，得出综合指标得分公式：

F=(0.65F1+0.12F2+0.08F3)/0.85。

计算各个指标变量在所选取的3个指标上的载荷值，可得出绿色施工管理指标体系与指标权重。通过对各主成分回归分析处理，计算综合指标得分，计算模糊隶属向量，可得评价结果等级为良好。

5 结语

使用主成分分析法既能在保留原始信息的同时消除指标间的相关影响，对降维处理后的指标体系进行模糊综合评价也能有效避免指标过多产生的超模糊现象，对评价向量进行回归分析并对主成分进行加权计算，进一步消除误差。此方法充分发挥主成分分析与模糊综合评价的优点，保证了评价的科学有效，具有创新价值。

东北地区某高校公寓楼项目的综合评价结果等级良好，对其进行结果分析，此工程在绿色施工专项方案的编制、施工过程中动态管理、施工总平面图布置的合理性与质量检查制度的管理等方面评分较高，在噪声控制、材料选择、信息化施工与绿色施工创新性技术的使用情况等方面评分较低，这也是本项目的改进方向。