绿色建筑环境性能评价研究

林成鑫 李晓娟 陈日新

福建农林大学交通与土木工程学院

0 引言

21 世纪全球经济长期增长的两个主要障碍是能源的严重短缺和环境的日益恶化。在过去的20年里，中国的城市化对我国的房地产市场和公共基础设施产生了深远的影响。而建筑业对房地产市场产生了重要影响。如果建筑业要克服困难，绿色建筑是必须强调的重要因素之一。开发商们看中了绿色建筑恒温恒湿的空间以及其舒适的体验感，但普通业主并不了解绿色建筑的内涵。其结果是大量混乱的“绿色建筑”出现，这些建筑实际上效率极低，污染环境，浪费资源。因绿色建筑的环境性能是实现可持续发展目标的关键所在，故搭建绿色建筑的评价体系模型并对其环境性能进行分析，是推动绿色建筑发展不可或缺的一步。

国内外已有大量学者对绿色建筑展开了研究。2007 年Warren L.Paul 和Peter A.Taylor［1］将传统建筑和绿色建筑的舒适度和用户的满意程度进行了比较研究，通过对比分析发现两者之间的主要影响因素和差别成因。2009 年Edwin H.W. Chan 等人［2］从绿色建筑设计师的角度考察了投资市场，总结了绿色建筑市场的现状。2022 年Sadeghi Mehrdad等人［3］提出了一个新的框架，为具有不同气候的地区或国家定制绿色建筑评估工具。该框架包括K-means 方法对区域各种气候进行聚类，并结合轮廓值进行聚类验证和本地专家判断，以实现绿色建筑评价工具的本地定制。蒋玲燕等人［4］对生态足迹的方法在我国的运用作了阐述，解释了该模型的基本原理与计算。隋红红［5］运用博弈理论对我国绿色建筑的经济奖励措施进行了剖析，并就如何促进我国绿色建筑的发展提供了一些意见。周庆华和姜长征［6］提出在现实条件下，如何选择适宜的技术手段和设计方法原则，将对绿色建筑的设计运用和可持续发展起到积极的作用。仇保兴［7］对中国节能建筑和绿色建筑的发展进行了分析，提出了正确的发展观和城市发展观。王文婷［8］在工程设计中使用了能源技术，并与本地的实际情况相结合，阐述了绿色建筑的意义，并给出了具体的实现方式，以加深对绿色建筑的理解。温全等人［9］筛选出绿色建筑环境性能评价指标，利用BIM 模型提取相关数据用于量化指标分析，进而采用模糊层次分析法对绿色建筑环境性能进行全面、综合的评价。丁雨佳等人［10］将BIM 技术与绿色建筑设计相融合，以浙江某小学综合楼为例，进行绿建性能指标模拟，包括传热系数、日照、采光、风环境等方面。

本文在借鉴国内外有关绿色建筑评价方法和实践实例的基础上，提出了绿色建筑环境绩效评价的新概念，以及绿色建筑评价体系的最优发展方向。通过结合BIM(Building Information Model)技术及相关软件和评价体系，确定影响建筑具有代表性的环境性能指标体系的重要因素，以及该结构是否适合中国的绿色建材的环保特性评估指标系统。同时，本文也对绿色建筑的评估系统进行探讨，以期达到降低环保负担、改善节能与改善建筑品质的目的，为政府和决策部门实施对应的有效政策提供一定的理论基础，为BIM 应用至绿色建筑评价体系领域研究提供借鉴和参考，并为我国建筑行业的可持续发展作出贡献。

1 绿色建筑环境性能评价相关理论

1.1 . 绿色建筑的定义

20 世纪90 年代，绿色建筑一词在联合国环境与发展大会上首次被提出［11］。然而，由于各国发展程度及人文水平、综合教育水平各不相同，目前世界各国对于绿色建筑定义尚未达成统一。最大程度地节省资源的使用寿命，提供健康、舒适、高效的使用场所，与大自然融为一体，是中国标准中对绿色建筑的定义［12］。

1.2 建筑环境性能评价

“建筑环境性能”是指绿色建筑在其整个生命周期，减少碳排放、提高能源效率、减少对环境的影响、提高使用者舒适度的能力［13］。建筑整体环境表现的每个组成部分都作为绿色建筑评估体系的一部分进行评估。评估方法的重点是建筑的环境性能，而不是其早期的功能和美学外观［14］。环境绩效是目前绿色建筑评价体系的首要重点。

1.3 绿色建筑评价体系

近年来，世界各国都开展了绿色建筑的研究和评价过程。由于国家之间存在历史和现状的差异，世界各地用于评估绿色建筑实践的评级系统也相当不同。“能源与环境设计领导力”（LEED）评级体系是世界上第一个同类评级体系，并获得了所有评级体系中最广泛的市场营销［15］。绿色建筑工具包（GBTool）开发了一个绿色建筑评估框架，为各国寻求创建适合本国国情的绿色建筑环境绩效评估体系提供参考。我国首创的CASBEE 系统对环境负荷、环境效率和建筑环境质量进行了研究［16］。

2 绿色建筑环境性能评价

2.1 评价体系构建的原则

在建筑的环境绩效评估体系中，不应该只有“评估工具”；它应该是一个“选择”具有最佳环境性能建筑的“设计工具”。因此，建立一个适当的评价体系必须遵循可持续发展原则、技术合理性原则、动态原则和地域性原则［17］。

2.2 绿色建筑环境性能评价方法

未来，随着社会的进步和科学技术的进步，将根据被评价对象的质量来选择评价方法。目前评价的方法很多，比较常用的有以下几种，如图1 所示。本文主要采用定性定量结合的层次分析法。

图1 常用评价方法

2.3 绿色建筑环境性能评价的指标体系构建

本文通过参考学者们研究时所确定的影响因素并对其进行理论分析后，选取了绿色建筑环境性能评价初筛指标，初筛的结果见表1。

表1 绿色建筑环境性能评价初筛指标

结合第二节的绿色建筑的定义和层次分析法（AHP），本文将索引层的绿色建筑环境性能评估体系分为五个部分，得到上述因素的指标进行分类，然后提出了本文环境绩效评价体系，见表2。

表2 绿色建筑环境绩效评价体系

2.4 权重确定方法

系统权重用来定义绿色建筑环境绩效指标在整体评价体系中的相对相关性。这是使用绿色建筑环境性能指数来完成的。该指标在绿色建筑环境绩效评价体系许多组成部分中的位置决定了该指标所承载的权重，而各种权重体系往往提供不同的评价结果。

2.4.1 构造判断矩阵

建立判断矩阵：利用一级评价体系中的影响因素作为比较基准，便于主观、宏观、客观变量的比较，其中元素Bij表示要素Bi对Bj的相对重要性，建立判断矩阵如下：

判断尺度的确定：判断尺度是表示要素Bi对Bj的相对重要性的数量尺度，即Bij的数量形式建立判断尺度定义如下：

若Bi比Bj明显重要，则Bij=5；反之，比较Bi与Bj的重要程度，则Bji=1/5。由此可知Bii=1，Bji=1/Bij。其重要性等级及其赋值见表3。

2.4.2 权重计算

基于AHP 理论的权重计算方法有多种，包括求和法、根法、特征根法、对数最小二乘法。在这种情况下，求和法更适合求和法的计算公式：

2.4.3 一致性检验

为了避免“A比B更重要，B比C更重要，C比A更重要”的禁忌判断，需要判断矩阵具有典型的一致性。这将防止评估失真。必须对相容性和判断错误进行彻底的检查。

设相容性指标为C.I.(Consistency Index)，即有：

并查找相应的平均随机一致性指标R.I .(Random Index)，得出一致性比例：

一般情况下，若C.R .(Consistency Ratio)＜0.1，就可以认为判断矩阵有相容性，据此计算的ω值可以接受。

依据以上阐述，得到判断矩阵，并计算权重及一致性检验，见表4。

一致性检验：λmax=5.151 5，C.I.=0.037 9，

C.R.=0.033 8＜0.1。

设公共服务配套设施为C11；地下空间利用为C12；可循环材料使用比重为C13；雨水利用率为C14。见表5。

表5 资源消耗指标判断矩阵及权重表

一致性检验：λmax=4.021 1，C. I.=0. 007 0，C.R.=0.007 9＜0.1。

设太阳能利用率C21；自然资源直接利用率C22；采暖与空调能耗C23，见表6。

表6 能源利用指标判断矩阵及权重表

一致性检验：λmax=3.009 2，C. I.=0. 004 6，C.R.=0.008 8＜0.1。

设绿色植被覆盖率C31；垃圾分类收集为C32；建造阶段对生态的影响C33，见表7。

表7 生态环境指标判断矩阵及权重表

一致性检验：λmax=3.018 3，C.I.=0. 009 1，C.R.=0.017 6＜0.1。

设室内环境为C41；室内自然通风为C42；室内自然采光为C43；室内热环境为C44。见表8。

表8 室内环境指标判断矩阵及权重表

一致性检验：λmax=4，C.I.=0，C.R.=0＜0.1。

设物业管理部门认证为C51；信息交互平台为C52；见表9。

表9 运行管理指标判断矩阵及权重表

2.5 绿色建筑环境性能综合评价

在评价绿色建筑的环境绩效时，给每个指标元素一个权重系数，表示其相对相关性。本文将其分为合格、中等、良好、优秀四个等级。采用0～1 打分法［29］，绿色建筑环境性能评价体系按照GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》修订分析进行评分［30］。

在分别求出各个环境评价要素的权重B和单项分值V之后，便可代入式（4）求出项目的综合得分。

式（4）中，

G——绿色建筑环境性能评价的综合得分；

Bj——第j个绿色建筑环境评价体系指标因素的权重系数；

Vj——第j个绿色建筑环境评价体系指标因素的单项得分。

根据指标分级和评价公式，得出优秀为［1，0.8］，良好为（0.8，0.6］，中等为（0.6，0.4］，合格为（0.4-0.2］。

3 案例分析

对于复杂、具体的项目，采用BIM 技术十分适合，因为它集信息化、智能化、可视化于一体。当今，大部分社区都是高层建筑，有些甚至是部分超高层建筑。这就产生了对额外采光和通风的巨大需求。故本文对一个真实的城市中心项目进行了分析。

3.1 工程背景

该项目为合肥万科苏区中央公园的住宅小区，总占地面积56 738 m2，其中地下建筑面积为21 310 m（2地下停车场11 230 m2，地下室10 080 m2）。容积率为1.67，绿化率约为38%，建筑密度约为19.6%，周围2 km内有学校、医院、体育场、商业中心、博物馆。天气温和而潮湿，冬暖夏凉，雨水充足；年平均温度为21.3 ℃。年均降水量1 453～1 612 mm，全年5-9月气候酷热，多大暴雨，6月为降雨高峰期，最大日降雨量172.5 mm。多年的年平均蒸发率为1 472.2 mm，年平均相对湿度为82%。该项目设计阶段运用了BIM 进行设计辅助，并在施工中由设计方安排专业技术人员派驻施工现场设立专门BIM技术部门。

3.2 模型建立

本文运用BIM 技术进行辅助项目外部总风环境和日照环境的模拟分析。使用Revit 软件导入项目的通用平面图纸，并使用Autodesk的体积概念来模拟建筑的体积。建筑的进一步定义可用于确定项目社区内基本住宅结构的分布，如图2所示。

图2 项目住宅分布情况

在此工程中，Revit软件能够更好地了解并在设计的初期对其进行分析。另外，基于BIM 的立体建模，可以对绿色建筑的能源效率进行初步评价。通过对建筑节能的初步评价，可以帮助建筑师按照国家有关环保建筑规范和标准，对其进行详细的规划和完善。

3.3 日照环境模拟分析

高度角和方位角可以用来估计太阳相对于地球自转轴的位置。太阳高度角（hs）和方位角（As）参数是研究日照环境的关键。

高度角hs的单位为度，它的计算公式如式（5）：

式（5）中，

hs——太阳高度角；

φ——地理纬度；

δ——赤道纬度；

Ω——太阳时角。

方位角As的单位为度，计算公式见式（6）：

其中，

As——方位角；

hs——太阳高度角；

φ——地理纬度；

δ——赤道纬度。

该工程是按照日照综合分析的整体方案，坐落在安徽省合肥市。GB 50180-93（2016 年版）规定，在重大寒冷天气，至少要有2 小时的日照才能满足标准。住宅建筑总日照高度为4.2+0.9=5.1 m。日照分析总平面图见图3。

图3 日照分析总平面图

通过对总平面（分析高度为5.1 m）的日照分析，各类居住建筑均能满足大寒日不少于2 小时的日照需求，建筑布局可接受，满足国家标准要求。

3.4 太阳能利用率

随着地球上不可再生资源的不断消耗，太阳能资源必须得到尽可能充分的利用。太阳能在日常生活中的使用越来越多。这是建筑师特别关注的一种清洁、无污染和无限的能源形式。项目所在地区的理想朝向是200°。在这里，太阳能光伏板的位置以一种最大限度地捕捉太阳能的能力，利用陡峭屋顶上的太阳能电池板发电。太阳能光伏板产生的能量占建筑物年用电量的5.4%。

3.5 可再循环材料使用

增加可回收材料的使用是节约自然资源同时保护环境的一种切实可行的方法，项目可循环材料使用率计算见表10。

表10 项目可循环材料使用率计算书

3.6 综合评分

对绿色生态住宅的主观指标进行加权，可以看出各个指标在整体评价体系中的权重，从而更好地了解和评价绿色生态住宅的环境绩效，构建更加全面、系统的评价体系。每个指标的得分都是基于所涉及实例和项目的具体情况，见表11。

表11 实例项目概况

由表11 所得各项分值通过计算得出综合得分为0.57。

当应用该方法分析特定社区的环境时，其综合得分达到0.57，达到中等评价水平，表明社区已经达到了其基本预期。在选址规划、基础环境、服务管理等方面满足了社区的基本期望。同时可以根据二级指标得分情况进行提升。因此，必须建立绿色建筑评价体系，以便决策部门制定有效提高建筑可持续发展管理水平的认证机制。

4 结论

本研究在借鉴我国现有相关绿色建筑环境性能评价标准的基础上，建立了相对完善的适宜我国的评价指标体系对绿色建筑环境性能进行评价分析，并结合BIM 技术以具体的工程实例进行结果检验。结果显示，该项目案例的综合得分达到了中等评价水平，说明社区达到了基本预期，总体上表明环境绩效良好，与现实中行业的基本认知一致，验证了该评价方法的可行性。该方法在今后的实践中仍需修订，今后可探索更多的项目案例，以对其是否具有普适性进行进一步考证。同时，虽然BIM技术的引入使得大部分指标可以直接进行量化评价，但仍有部分指标具有主观性，因此在今后的研究中，可以尝试引入更多可量化的因素进行评价，使结果更加客观准确。除此之外，BIM 技术也可以更广泛地应用于绿色建筑的全生命周期，积极探索BIM 技术在绿色建筑中的应用价值的量化研究，促进BIM 技术与绿色建筑的深度融合，推动绿色建筑的健康发展。