应用改进的全乘比例分析多目标优化方法对胶合木-混凝土装配式建筑经济性评价1)

2022-05-16殷志伟王海飙徐文静

东北林业大学学报 2022年4期

殷志伟王海飙徐文静

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

胶合木-混凝土结构作为一种新的结构，不仅保留木材本身绿色环保、保温性能好、质量轻、施工建造快的特点[1]，而且克服了木材自身消防及抗侧性较弱的特点，组合后还提高了材料整体强度、增强了其耐火耐腐蚀的性能。并且其总体保温及碳排放指标较普通混凝土建筑均有所提高，同比减少16%～17%的能源消耗和26%～31%的温室气体排放[2]。组合结构可以进行工厂预制的特点，满足装配式建筑的施工模式；并且施工建造快，施工噪声污染低，能源消耗小，整个建筑的生命周期成本相对较低[3]。目前胶合木-混凝土组合结构中，多采用“底部混凝土+上部胶合木”的结构形式[4]。如已经建成的城市之家(Stadthaus)公寓，结构形式是胶合木剪力墙与下部一层混凝土组合而成，竖向连续胶合木提供了较大的竖向承载力和抗侧性能，同时木材横纹受压强度较低，建筑整体抗震性能好[5]。2017年，加拿大不列颠哥伦比亚省建成的布鲁克(Brock Commons)学生公寓，建筑整体为混凝土和胶合木柱混合承重，并且柱间节点预制化程度高[6]。目前世界较高的木结构综合性建筑姆斯特罗尼特(Mjøstårnet)采用的是胶合木核心筒-木框架支撑结构，具有较好的抗侧性能；建造中仅部分中间楼层楼板采用混凝土，其余建筑构件均为各类木产品[7]。通过分析目前的胶合木-混凝土结构建筑，展现出其较高的发展趋势。

但是，目前多种因素制约着胶合木-混凝土装配式建筑发展，诸如施工管理规范尚不完整、土地供给制度的完善、前期较高的建造成本以及社会普遍的住宅观[8]，都严重影响该类建筑的市场动力。综合分析行业现状与市场数据统计，科学的经济性评价，提高社会认同度，是推进胶合木-混凝土装配式建筑发展亟待解决的问题。为此，本研究以黑龙江地区胶合木-混凝土装配式建筑、砖混结构建筑、普通装配式建筑、框剪结构建筑为研究对象，从经济效益、社会效益、环境效益3个角度，遴选9个影响因素，构建了评价指标体系；在概率犹豫费马(Fermatean)模糊环境下，应用改进的全乘比例多目标优化(MULTIMOORA(IM))方法构建了胶合木-混凝土建筑经济性评价模型；依据采集的已知定量数据和评价信息，采用绍凯(Choquet)积分几何算子聚合各类指标值；利用改进的全乘比例多目标优化方法对评价的建筑进行经济性综合排序，比较不同结构建筑的经济性差异。旨在为胶合木-混凝土组合结构建筑的科学设计及建造应用提供参考。

1 研究方法

1.1 胶合木-混凝土装配式建筑经济性评价模型的构建

在概率犹豫费马(Fermatean)模糊环境下，采用改进的全乘比例多目标优化(MULTIMOORA(IM))方法对胶合木-混凝土建筑评价作为框架。多目标优化模型是由Braurs et al.[9]提出，将比率模型、参照点法以及全乘模型相结合的多属性决策方法，可以有效地提高决策的鲁棒性。模型首先对采集的已知定量数据和专家定性评价信息，采用绍凯积分几何算子(PFn)聚合各指标值，最后利用改进的全乘比例多目标优化方法对拟评价建筑进行综合排序(见图1)。

图1 胶合木-混凝土建筑经济性评价流程

1.1.1 权重的确定

1.1.2 初始数据的处理

1.1.3 改进的全乘比例多目标优化

4)优势理论可以将多种排序结果整合为一种排序结果[12]。因此将优势理论和上述排序规则结合后，运用加权平均运算得到改进的最终排序公式。

1.2 胶合木-混凝土建筑评价指标体系的构建

本研究从经济效益、社会效益、环境效益3个方面，构建了胶合木-混凝土建筑经济性评价指标体系(见表1)。

表1 胶合木-混凝土建筑经济性评价指标

(1)经济效益。经济效益主要依据建筑全寿命期，对胶合木-混凝土装配式建筑直接经济效益和间接经济效益进行分析。采用装配式建造模式，可以有效降低前期设计研发部分关于标准化模数、构件组合方式的研发费用，同时可以提高施工效率、缩短工期，减少施工过程中的材料用量；而且胶合木比其他建筑材料的一大优势在于其造价较低，无论是施工建造阶段、运营维护期间对建筑部分构件的更新维护，或是建筑寿命期期末材料的拆除回收，胶合木作为建材都有较高的性价比。

(2)环境效益。健康生活越来越成为人们倡导的生活方式，住宅也不在仅仅停留在遮风挡雨的层面，而且还需要舒适度、生态环保等。木材与混凝土、钢以及黏土砖等建筑材料相比，是重要的可持续可再生资源[13]。研究数据显示，每吨钢的生产比木材多消耗3 327 kW电力[14]，单位建材生产能耗比值为E(木)∶E(水泥)∶E(钢)=1∶5∶191；每立方米木材生命周期平均储存0.8～0.9 t的CO2，用来替代混凝土的使用将额外减少1.1 t的CO2的排放。因此，每使用1 t木材相当于减少了2 t CO2的排放[1]。通过近期在北美和澳洲的针对材料能耗评估显示，在全寿命期内与钢结构和混凝土结构相比，木结构建筑不论在能源消耗、碳排放、空气污染和水污染方面都有较大优势[15]。因此环境效益方面主要为场地生态环境、碳排放以及固体废弃物3个方面。

(3)社会效益。装配式建筑的发展，正在推动传统建筑行业由劳动密集型产业向工业化逐步转变，同时也推动了施工建造技术的提高；胶合木作为新型建筑木材，不仅克服原生木材易腐蚀、易燃的缺点，而且保留了其自质量轻、有良好的抗震性能，越来越适用于目前生态宜居、环境友好型社会的发展，同时也进一步提升了业主满意度。因此社会效益方面主要体现在产业结构、就业效果、施工技术水平以及业主健康及满意度4个方面。

表2 全寿命期内胶合木结构与常见结构能耗污染对比[15]

2 结果与分析

2.1 不同结构建筑的经济性差异

本研究分别选取具有代表性的黑龙江地区胶合木组合装配式建筑(M1)、砖混结构建筑(M2)、普通装配式建筑(M3)、框剪结构建筑(M4)各1栋为代表(见表3)，共4个拟评价建筑进行比较分析；并邀请相关领域专家3名N={N1，N2，N3}对评价过程中涉及的定性指标进行评价。

根据概率犹豫费马模糊环境下的模型对胶合木-混凝土建筑经济性分析过程如下：

①步骤一。评价子集主要以实际过程中测算求得的定性，并结合专家相应的评价参数分别计算，形成概率犹豫费马模糊集的形式，从而形成初始模糊评价矩阵。

表3 拟评价的建筑基本情况

表4 参评人员对4种结构建筑的综合评价信息

表5 参评人员对4种结构建筑的综合评价值的标准化处理值

⑥步骤六。依据优势理论对上述三种排序方式进行整合，最终得到胶合木-混凝土建筑经济性评价最终排序结果为：M1、M3、M4、M2。

2.2 构建模型的稳健性检验

本研究主要的计算过程，是通过概率犹豫费马模糊环境下绍凯积分几何算子(PFn)进行的，为了进一步分析不确定参数(δ)的敏感性，分析其对胶合木-混凝土建筑经济性评价的影响。在其他条件不变情况下，对拟评价建筑的结果重新排序(见表6)，可以看出排序结果稍有差异，但随δ的变化M1的经济性始终是参评建筑中最为优秀的，可以看出该模型具有一定的稳定性。

表6 不确定参数变化时的评价建筑排序结果

2.3 构建模型的有效性检验和比较分析

本研究利用多种经典决策方法与概率犹豫费马集合模型对比，对胶合木-混凝土装配式建筑经济性评价问题进行分析，计算排序结果以确定本研究建立的评价模型的有效性。因此经过比较筛选，决定采用交互式多准则法(todim)、逼近理想解(topsis)、折中默认法(vikor)方法进行模拟(见表7)。

表7 3种模拟方法对不同结构建筑评价结果

由表7可见：3种决策方法的最优解均为M1，并且排序结果基本一致。但在计算过程中，基于前景理论的交互式多准则模型，针对复杂环境下多决策对象的效益和成本值难以确定，因此该模型的稳定性较弱；逼近理想解模型在排序过程中，对忽视了最优解到正负理想解距离的重要程度不同；采用折中理论的折中默认模型，存在和逼近理想解模型类似的情况，均没有考虑两种距离的相对重要性。

在结合了上述方法后的多目标优化模型，不仅考虑实际测算的数值，而且降低了主观臆断对结果的影响，同时在排序方法上对正负理想解、加权聚合算子，以及各子系统所占比重上进行了优化。改进后的方法显然更贴合客观实际情况，通过比较分析进一步验证了本研究构建模型的可行性和有效性。