基于云物元模型的深基坑绿色施工等级评价研究

2021-11-09高志国陈为公杨慧迎

青岛理工大学学报 2021年5期

高志国，陈为公,2,*，杨慧迎

(1.青岛理工大学管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

深基坑建设工程作为发展高层和超高层的基础工程，可以有效缓解城市空间紧缺的状况。但大规模的深基坑工程存在环境污染严重、重复利用率低、资源消耗量大的弊端，严重背离了我国的可持续发展战略，因此对深基坑工程进行绿色施工刻不容缓。在此背景下为使深基坑绿色施工健康持续发展，对深基坑绿色施工等级进行研究具有重要实践意义。

绿色施工是指工程建设中，在保证质量、安全等基本要求的前提下，通过科学管理和技术进步，最大限度地节约资源并减少对环境负面影响，实现“四节一环保”的工程施工活动[1]。国外学者CHARLES J Kibert[2]开启了绿色施工研究的先河，他提出用可持续发展理念指导项目的各个过程，从而实现节约资源和保护环境的目的。WELL Landa和WELL Robet在“联合国环境发展大会”上首次提出“绿色建筑”，此后绿色施工成为施工阶段的主流发展方向[3]。随着绿色施工热度的增加，国内也开启了对绿色施工的研究，研究主要集中在施工技术和施工评价方法两方面。在绿色施工技术上，王慰佳等将关键施工技术和绿色施工标准规范相结合，对施工过程做出具体指导[4]；刘卫未等从施工的部署、措施及新技术等角度分析，得出先进的技术和管理经验可以有效解决绿色施工过程存在的问题[5]；马中军等将BIM引入到施工工艺中，有效避免了施工破坏环境和浪费资源的现状[6]。在绿色施工评价上，又可将其细分为定性评价[7]和定量评价[8-11]，但定性的方法往往主观色彩太强而使评价结果不准确，同时在层次分析法、模糊评价法、灰色聚类法等以往的定量评价方法中，其本身方法的缺陷也限制了评价结果的准确性。

上述研究对绿色施工进行了深入透彻的分析，但在深基坑绿色施工评价方面却寥若星辰。在现有的深基坑绿色施工评价中，丁克胜等[12]依据现场数据和模拟数据综合分析深基坑施工的绿色效应，为深基坑施工提出改进建议，但该法会受深基坑施工环境的不确定性和复杂性的影响。王建波等[13]利用PSR框架模型和改进Vague相似汇总法对深基坑施工进行研究，研究结果表明模型具有科学合理性，但该模型的缺陷是无法判别指标发展的趋势。以上对深基坑绿色施工的研究虽在一定程度上加快了发展进程，但在指标选取和方法契合性上仍存在不足之处。鉴于此，本文将深基坑施工的特点、扎根理论及行业标准相结合，建立了深基坑绿色施工等级评价指标体系；在此基础上，采用熵权法和AHP法确定指标的组合权重，引入云理论和物元理论相结合的云物元模型构建深基坑绿色施工评估模型，以期科学合理地评价深基坑绿色施工评价等级，为进一步优化绿色施工提出针对性改善建议。

1 深基坑绿色施工评价指标体系的构建

本研究采取“确定影响因素清单—选取关键指标—形成指标体系”的流程构建指标体系。首先运用扎根理论来确保指标的完备性，继而针对住房和城乡建设部颁发的绿色标准及技术规范进行筛选，最终形成指标体系的框架，具体流程如图1所示。

图1 深基坑绿色施工等级评价指标体系设计流程

1.1 深基坑绿色施工影响因素清单的确定

深基坑工程绿色施工涉及环境、人员等诸多因素，因素间纵横交错，但我国尚未有理论指导深基坑工程绿色施工影响因素的选取。扎根理论是一种对原始资料进行经验分析、概念提炼，自下而上提升到系统的理论，通常按照“深度调研—收集数据—浓缩归纳—形成指标”的程序进行[14]。从扎根理论的内涵看，用扎根理论确定深基坑绿色施工影响因素清单，可以保证指标体系构建的完备性，具体过程如下：

1)采集原始数据。运用专家访谈和实地调查的方式，对影响深基坑工程绿色施工的人员进行调研，具体调研对象见表1，得到了156条访谈资料语句；同时，为了使评价指标更加全面，对绿色施工的政策文件和文献进行分析，得到了97条文本资料语句。访谈资料语句和文本资料语句构成了深基坑绿色施工影响因素清单。

表1 调研对象

2)编码原始数据。对原始数据进行开放式编码，剔除原始数据中相互矛盾和频率小于2的数据，然后将处理后的数据进行归纳总结，形成初级类属，即为指标层；对指标层进行轴式编码，即对指标层进一步归纳总结，形成中级类属和高级类属，即为2级准则层和1级准则层。以编号1为例，可根据编号1的原始数据归纳为初级类属“就地取材率”，就地取材率又可进一步归纳为中级类属“材料节约利用”，材料节约利用最终归纳为高级类属“能源节约利用”。具体数据编码见表2。

表2 数据编码

3)进行饱和度检验。随机收集若干新数据，检验是否有新类属产生，若有，则继续收集新数据，若无则通过饱和度检验。最终形成的初选深基坑绿色施工影响因素清单见表3。

表3 初选深基坑绿色施工影响因素清单

1.2 深基坑绿色施工等级评价指标体系的确定

根据住房和城乡建设部颁发的《绿色施工导则》([2007]223号)、《绿色建筑评价标准》(GB/T 50604—2010)以及《建筑深基坑工程施工安全技术规范》(JGJ 311—2013)，从环境、能源及管理等方面对初选的指标体系进行进一步的筛选归纳，最终确定基于扎根理论和行业标准的深基坑绿色施工等级评价指标体系，如图2所示。

图2 深基坑工程绿色施工等级评价指标体系

2 深基坑施工绿色等级评估模型的建立

2.1 深基坑绿色施工等级评价指标权重的确定

在深基坑绿色施工等级评价体系中同时存在定性和定量指标，单一方法难以保证赋权的科学性，因此本文采用客观赋权法——熵权法和主观赋权法——AHP法结合的组合赋权法确定权重。组合赋权法不仅考虑了评价指标的客观信息，而且排除了个人主观色彩的影响，因此可使评级指标的权重具有科学合理性。组合赋权法步骤如下：

1)计算指标客观权重Wa。由各评价指标的客观值组成的数据库确定各深基坑绿色施工等级评价指标权重wai，从而得到指标的客观权重Wa。即

Wa=(wai)1×n

(1)

2)计算指标主观权重Wb。根据专家对指标重要性的两两比较，构造比较判断矩阵，求解权向量得出各指标权重wbi，从而得到指标的主观权重Wb。即

Wb=(wbi)1×n

(2)

3)确定指标组合权重W。将客观权重Wa和主观权重Wb采用线性加权的方法确定组合权重W。

W=αWa+βWb

(3)

其中，α为客观偏好系数，β为主观偏好系数，且α+β=1。α，β的数值可根据具体情况进行调整，本文为充分将指标的客观值和专家偏好相结合，取α=0.6，β=0.4。

2.2 基于云物元模型的深基坑绿色施工等级评估模型

2.2.1 云物元理论

深基坑施工涉及多个因素的事物特征，且由于施工环境的复杂性和不确定性，事物特征值也往往不能用一个具体的数值来表示，因此深基坑施工的上述特征往往使得单一的方法不能实现对深基坑绿色施工等级的科学评价。本文将云理论和物元理论相结合构建的云物元模型引入到深基坑绿色施工等级评价中，以改进单一方法的不足，科学合理地评价深基坑绿色施工等级。

物元理论[15]是将有序三元组(事物M、事物特征C、事物特征值V)统一起来，构成描述事物的基本元，表示为R=(M,C,V)。在深基坑施工中，是以事物M表示深基坑绿色施工过程，事物特征Cn表示深基坑绿色施工等级的各个评价指标(影响因素)，事物特征值Vn表示深基坑绿色施工等级评价指标的数值，因此深基坑施工的基本元R为

(4)

物元理论虽解决了深基坑施工中的多因素问题，但没有考虑事物往往带有不确定性和模糊性，不能用具体数值来表示事物特征的缺陷。云模型是由我国学者李德毅提出可以实现定性定量转换的模型[16]，该模型可以呈现研究对象的不确定性和模糊性，鉴于这一特性，将云模型与物元理论相结合应用于深基坑施工中，可以有效弥补物元理论不能呈现深基坑施工不确定性和模糊性的缺陷。当前比较成熟的云模型包括正态云、三角形云、梯形云等类型，其中正态云可以反映事物的模糊性和随机性，因此受到广泛应用。正态云通常用(Ex，En，He)表示，其中期望Ex表示云的重心位置，是最能代表深基坑绿色施工等级分类概念的点；熵En表示施工等级的不确定性程度，即施工等级界限的不确定性越大，熵值越大，说明指标的不确定性和等级界限的模糊性越大；超熵He是熵的熵，超熵越大，说明熵En的不确定性和模糊性越大，体现了深基坑绿色施工等级评价指标的随机性。

基于以上分析，可将云理论和物元理论相结合构建云物元模型，即将物元模型中的具体数值V用正态云模型的(Ex，En，He)来替代，则云物元模型表示为

(5)

式中：M为深基坑绿色施工过程；Cn为深基坑绿色施工等级的各个评价指标；(Ex,En,He)为评价指标的不确定特征值。

2.2.2 深基坑工程绿色施工等级标准云的确定

1) 参照2007年颁发的《绿色建筑评价标识管理办法》，将深基坑绿色施工等级划分为一星级、二星级和三星级，等级越高，评价星级越高。根据行业标准和专家意见确定指标等级界限，见表4。

表4 深基坑绿色施工等级评价指标界限

2)将深基坑绿色施工等级的界限当作一个经典域[Cmax,Cmin]，由于经典域界限的不确定性，因此可进行适度扩展，再由区间界限值和云模型的转化关系[17]计算Ex，En。

(6)

(7)

He=s

(8)

式中：s为常数，可根据具体情况作出调整。

根据式(6)—(8)，可计算得出深基坑绿色施工等级评价指标的等级界限云模型，见表5。

表5 深基坑工程施工绿色等级评价标准云模型

2.2.3 关联度的计算及判定等级的确定

由于云物元模型是两种理论的融合，传统关联度的计算不再适用于云物元模型，因此用指标值相对于云模型的隶属度来表示关联度。将深基坑绿色施工的各个评级指标视为一个云滴，生成的正态随机数E′n由期望Ex，标准差He共同决定，则各指标值xi与绿色等级云模型k(xi)的关联度计算公式[18]为

(9)

计算各指标的关联度，得到综合判断矩阵D：

(10)

2.2.4 综合关联度的计算及评定等级的确定

1) 准则层对绿色施工等级的关联度计算。利用式(9)可得出指标层A对于绿色施工等级的关联度，将关联度与式(3)计算的组合权重W结合，可以得到准则层对绿色施工等级的关联度。

(11)

式中：zj(ai)为准则层A中第i个指标对应第j个等级的关联度，本文中i=1,2,3,4；j=1,2,3；zj(ci)为第i个指标层中的第ci个指标对应第j个等级的关联度；wij表示对应的指标权重。

2)目标层对绿色施工等级的关联度计算。利用zj(ai)计算目标层相对于绿色等级的关联度。

(12)

式中：zj(a)为目标层绿色等级关联度；zj(ai)为指标层绿色等级关联度。

3)绿色施工等级的确定。根据最大隶属度原则，即maxzj(a)对应的等级j即为深基坑绿色施工等级。

3 算例分析

为验证构建的云物元模型的科学性和合理性，本文选取青岛市某深基坑工程进行实例验证。该深基坑工程位于闹市区，基坑开挖深度8.55～19.45 m，基坑支护周长534 m，属于典型的深基坑项目。

3.1 评价指标值和权重的确定

根据该工程的资料、检测报告以及专家意见确定各评价指标值。其中，就地取材率、材料重复利用率、生活垃圾处理率、卫生防疫达标率、生活垃圾处理率等定量指标通过工程资料、图纸、实地调研等得到；噪声、光污染等通过现场调查得到；剩余其他定性指标由专家打分得到。根据式(1)—(3)计算各个指标的组合权重，结果见表6。

表6 评价指标值和权重

3.2 绿色施工等级关联度的确定

根据指标层中的指标权重和数值，根据式(9)，运用Matlab2018计算指标属于不同绿色施工等级的关联度，见表7。

表7 指标层属于不同绿色施工等级的关联度

3.3 绿色施工等级的确定

根据表5、表6和式(11)计算准则层指标对绿色等级的关联度。

资源节约利用A1的绿色施工等级：

同理可得施工人员活动A2的绿色施工等级：zj(a2)=(0.0000,0.0721,0.0004)。

环境污染与破坏A3的绿色施工等级：zj(a3)=(0.0018,0.1025,0.0009)。

绿色施工管理A4的绿色施工等级：zj(a4)=(0.0000,0.0292,0.0001)。

由表4和式(12)计算目标层对绿色施工等级的关联度：

综上，各准则层及目标层指标对于各绿色施工等级的关联度见表8，同时根据最大隶属度原则可以得到青岛市某深基坑绿色施工等级。

表8 某深基坑工程综合关联度和绿色施工等级

由表8可以得到，青岛市某深基坑绿色施工等级与“二星级”的关联度最大，因此该工程的绿色施工等级是“二星级”，但与“三星级”的关联度大于“一星级”的关联度，因此绿色施工等级在“三星级”发展。对准则层A进一步分析可得到：

1) 施工人员活动A2和绿色施工管理A4均是“二星级”，但有向“三星级”发展的趋势。由表5对指标层进一步分析可以得到，在施工人员活动中，应重点关注安全防护措施和生活垃圾处理率等方面。在绿色施工管理中，应重点提高绿色施工组织设计的合理性和绿色管理文化的宣传度。

2) 环境污染与破坏A3的绿色施工等级为“二星级”，但有向“一星级”发展的趋势。在环境污染与破坏中，应重点对作业车辆尾气排放、施工现场粉尘污染、基坑的周边沉降破坏及管道破坏做出改进方案。

3) 资源节约利用A1的绿色施工等级为“三星级”，绿色施工等级较高。但是材料重复利用率、施工场地规划、施工及生活用水规划均有向“二星级”发展的趋势，因此应着重关注。

通过数据资料《青岛市某基坑支护设计与监测研究》《建筑工程事故应急预案》以及工程资料库和实地调研得到该项目施工的具体情况，得到该项目的绿色施工等级为二星级，该深基坑工程的施工人员活动、绿色施工管理及资源节约利用水平较高，但在环境污染与破坏方面存在较大的问题，这与本文模型得到的结果基本一致。

3.4 结果分析与讨论

以往对绿色施工等级评价的研究多采用模糊综合法、灰色聚类法、层次分析法，为了验证本文评价模型的科学性、实用性，运用上述三种方法对此案例进行试算，并将试算结果与文中结果做横向分析。试算结果见表9。

表9 不同评价方法比较

由表9可知，模糊综合法和层次分析法的评价结果均为“一星级”，与实际偏差较大，主要是因为上述方法采用了主观性较强的专家打分法，从而出现与实际不相符的评价结果；灰色聚类法的评价结果与实际结果一致，但该法只是粗略地描述绿色施工等级，不能对下层指标进行精确量化，因此该法仍存在缺陷；在云物元评价法中，不仅考虑了指标的模糊性、不确定性，实现了定性和定量指标间的相互转化，而且可以对下层指标进行精确量化，因此相对于上述三种方法更为科学、实用。由表6可知，A2，A3，A4均是“二星级”，趋向于“三星级”，关联度分别为0.0004，0.0009，0.0016，因此A4向“三星级”发展的趋势最大，绿色水平最高，其次是A2，A3，其中A3向“一星级”发展的趋势超过向“三星级”的趋势，说明A3的绿色施工等级有下降的趋势，因此应重点关注。