内蒙古草原牧区轻型装配式木结构墙体评价体系研究

2024-01-22伊若勒泰张铭轩

中国建筑装饰装修 2024年1期

王安伊若勒泰张铭轩

内蒙古自治区的草原牧区有大量牧民居住。随着现代社会的快速发展，牧民的居住方式逐渐由游牧生活转向定居生活，部分居住建筑也由传统的蒙古包转变为砖木或混凝土结构的建筑。但是，这些建筑建设标准较低、质量参差不齐，容易对生态环境造成破坏。为改变这一现状，我国农业部发布了《全国草原保护建设利用“十三五”规划》，强调了保护草原环境的重要性[1]。此外，“碳达峰”、“碳中和”工作对传统建筑材料的使用也提出了新要求。

由于轻型装配式木结构建筑具有良好的性能，有利于促进建筑业与工业化的深度融合，因此在内蒙古草原牧区新建建筑中，装配式建筑的比例越来越高。许多专家学者也对此做出了尝试：王昱迪等[2]基于内蒙古草原牧区的气候特点来改良传统建筑，为新型节能民居的建设提供参考；徐洪澎等[3]设计了严寒地区被动式木结构的建筑结构，并计算其碳排放量；邸芃等[4]研究了寒冷地区装配式建筑外围护结构的节能设计。目前，缺乏对内蒙古草原牧区装配式建筑基础理论的研究，对于装配式建筑节能构件的设计较少，装配式建筑外围护构件设计还有很大的改进空间。

基于此，为补充内蒙古草原牧区轻型装配式木结构建筑的理论研究，为草原牧区建筑建设提供一定参考，本文结合内蒙古草原牧区外围护构件系统发展的实际情况，评估常用的传统砖墙、轻型木结构建筑墙体、加厚轻型木结构建筑墙体和发泡聚苯乙烯EPS模块墙体在草原地区的经济效益、环境效益与社会效益，选取适用于内蒙古草原牧区的装配式建筑墙体，以期能够为内蒙古地区草原节能建筑提供技术支撑。

1 界定各层次影响因素

为构建草原牧区建筑墙体层次分析模型，本文梳理文献资料，经过综合对比和分析，将与决策有关的因素分为环境友好程度、建筑质量、建筑成本和建造效率4个层次的评价指标，并以此为根据设计调查问卷[5]。

1.1 环境友好程度A1

内蒙古的生态地位极为重要，但其生态环境极其脆弱，大部分疆土处于森林-草原-荒漠的“生态应力带”上，属于生态脆弱区。牧区的建筑墙体通常由砌块建造而成，墙下基础多为条形基础，尺寸较大、埋深较深。在材料运输和建造过程中，容易严重影响草原的生态构成，对草原的生态环境造成不可逆的伤害。除此之外，在传统建筑墙体的建造过程中，会产生大量建筑垃圾，造成环境污染。经分析，建筑的环境友好程度受下列指标影响：土地破坏程度B1、建筑垃圾产生量B2。

1.2 建造质量A2

草原牧区的工程项目往往呈现小规模和零散化的特征，施工质量依赖工人的施工技术水平。从现场调研结果来看，现有建筑存在明显的质量缺陷，如门窗、屋顶与墙体密封不严及墙体保温效果差等问题。根据夏季夜间的实际测量数据，当地民居建筑外墙内表面与房间中心温度差的平均值约6.3 ℃，墙体传热系数较高。经分析，影响墙体建造质量的指标为材料质量B3、构件质量B4 和安装精度B5。

1.3 经济成本A3

墙体经济成本是建筑全生命周期成本的重要影响因素，很大程度上决定了牧民的购买意愿。影响墙体经济成本的2 个重要指标分别为生产投入成本和运营维护成本。其中：墙体生产成本包含墙体材料采购成本、工人雇佣成本、设备租赁成本、设备运输成本以及建筑垃圾处理成本；墙体运营维护成本为建筑装配完成后正常使用所需的成本，包括日常维修成本和翻新成本[6]。经分析，墙体经济成本受到以下指标的影响：生产成本B6、维护成本B7。

1.4 建造效率A4

墙体的建造效率与建筑预制装配率、材料设备和气候环境等因素密切相关。墙体的生产效率受到生产工艺和工厂技术的制约。装配式建筑预制墙体模块的工厂生产过程与现场建造过程互不干扰，可以有效提高墙体的建造效率，保障建造质量。天气情况和施工团队也会对建造效率产生影响，而合理的规划管理可以减轻这种影响。经分析，墙体的建造效率受到以下指标的影响：工厂生产效率B8、现场建造效率B9。

2 构建建筑墙体层次分析模型

2.1 建立递阶层次结构

在应用层次分析法进行决策时，需要将问题条理化和层次化，建构有层次的结构模型。本文按照层次分析法的核心思路，将草原牧区轻型装配式木结构墙体的综合发展价值作为目标层，将决策时需要遵循的指标作为准则层，包括环境友好程度A1、建造质量A2、经济成本A3 及建造效率A4 这4 个指标。依据草原民居建筑的需求，将准则层的一级指标进一步细分为二级指标，依次为土地破坏程度B1、建筑垃圾产生量B2、材料质量B3、构件质量B4、安装精度B5、生产成本B6、维护成本B7、工厂生产效率B8 以及现场建造效率B9。

B1 是指墙体在材料运输和建造过程中对土地的破坏程度。B2 是指现场作业时产生的建筑垃圾。B3 包括外观质量、强度等级与密度等级等影响墙体材料质量水平的因素。B4 包括制作工艺、构造质量及成品保护措施等影响构件质量水平的因素。B5 包括基础设备因素和人工测量误差等影响建筑墙体安装精度的因素。B6 是指建筑墙体在生产过程中所耗费的成本，包括建筑材料采购、工人雇佣、设备租赁、材料设备运输以及建筑垃圾处理等费用。B7 是指建筑墙体装配完成后正常使用所需的成本，包括日常维修成本和定期翻新成本等。B8 包括墙体预制装配率、墙体具体生产工艺与工厂规模等影响工厂生产效率的因素。B9 包括预制率、施工团队与气候环境等影响现场建造效率的因素。根据以上分析结果，建立递阶层次评价模型。

2.2 构造判断矩阵

本研究采用专家调查法，在递阶层次评价模型的基础上编制专家咨询表，由木结构装配式建筑和绿色建筑等方向的专业人员填写。受邀请的专业人员共17 人，硕士研究生与博士研究生4 人，有实践经验的工程师5 人，相关方向的教师8 人。要求6 名受访者对各指标的重要程度打分，14 名受访者对4 种墙体的各指标性能打分，评分方式实行5 分制。

专家打分结束后，对目标层和准则层评分表加权平均处理，采用九级标度法对准则层的每个指标进行定向成对比较，并确定准则层各指标对目标层指标的权重。比较结果分为相同、稍强、强、明显强和绝对强5 个等级，用1 ～9 来定量比较结果，形成判断矩阵。统计结果如表1 ～表5 所示。

表1 判断矩阵A

表2 判断矩阵A1

表3 判断矩阵A2

表5 判断矩阵A4

2.3 一致性检验

根据判断矩阵，计算一次性指标。

一次性指标的计算公式：

式中：CI为一次性指标；λmax为判断矩阵的最大特征值；n 为唯一非零特征根。

从表6 中，查找一致性指标RI。

表6 平均随机一致性指标

一致性比例的计算公式：

式中：CR为一致性比例。

由计算式（1）、（2）可得，一致性比例小于0.10，一级指标和二级指标判断矩阵的一致性结果均能接受。

2.4 层次总排序

依次计算一级指标与二级指标对于目标层的权值，合成相对权重，并对各方案排序，如表7 所示。

表7 草原建筑墙体综合发展价值评价指标权重表

由表7 可得：一级指标的综合权重排序为A2 ＞A1 ＞A4 ＞A3，二级指标的相对权重排序为B2 ＞B6 ＞B4 ＞B9 ＞B1 ＞B8 ＞B3 ＞B7 ＞B5；在一级指标中，各指标的权重相差较小，建造质量A2 的权重最高；在二次指标中，各指标的权重差异不大，建筑垃圾产生量B2 的相对权重最高，安装精度B5 的相对权重最低。

3 轻型装配式木结构墙体性能分析

去掉分数最高与最低的调查问卷，以5 分制的评分方式量化4 种墙体在内蒙古牧区的性能。通过墙体的各项指标得分情况，对比分析4 种墙体的综合优缺点。

3.1 设置墙体模型

将当地民居常用的370 mm 厚砖墙+20 mm 厚挤塑聚苯乙烯（Extruded Polystyrene，XPS）保温板作为对照组W1，将墙骨柱规格材截面尺寸为40 mm×185 mm 的轻型木结构墙体设置为W2。将墙骨柱规格材截面增大为40 mm×280 mm，加厚轻型木结构建筑墙体设置为W3。此外，在轻型木结构墙体的基础上，优化建筑的各项性能，并将双层200 mm 厚EPS 模块作为墙体内的保温层。将此墙体设置为W4[7]。

3.2 结果与讨论

根据专家的评价意见与咨询表的结果，计算出W1、W2、W3、W4这4 种墙体的相对优劣排序值分别为33.044、44.909、43.573 和50.904，分数排序为W4 ＞W2 ＞W3 ＞W1。根据此排序结果，可以得到EPS 模块墙体是综合性能最佳的墙体。

专家普遍认为，作为对照组的砖墙经济成本最低，但其性能弱于装配式建筑的墙体。在3 种轻型装配式墙体中：轻型木结构墙体的环境友好程度较高，污染物排放量低；经过改良后的EPS 模块墙体人工成本低、施工速度快、性价比较高，具有保温性能好、抗震、防潮和节能环保的优点。专家意见和墙体实验数据与刘军等[8]的研究结果互相印证，EPS 模块墙体是适合在内蒙古草原牧区建造的一种墙体。