基于ELECTRE的建筑設計方案的優化決策

姜榮榮，李希勝

(南京林業大學 土木工程學院，南京 210037)

在建筑領域，計算機輔助的建筑性能數值模擬分析技術與建筑設計參數化方案優化技術，近年來對建筑設計逐漸產生了重要的影響。但同時也給建筑設計的性能化帶來了更多的難題。如何高效、科學、綜合地針對建筑性能設計與優化成為了一個意義重要的探索課題[1]。

建設項目設計過程一般劃分為方案設計、初步設計和施工圖設計三個主要階段。其中方案設計涉及建筑學、環境學和經濟學等學科，施工圖設計又牽涉結構力學、流體力學和暖通等學科，可以說建設項目設計階段是一個綜合多學科的系統性生產過程[3]。建筑設計階段是項目全壽命周期中一個非常重要的環節，它是在前期策劃和設計準備階段的基礎上，通過設計文件將項目定義和策劃的主要內容予以具體化和明確化，是下階段建設的具體指導性依據[4]。Wilder對建筑方案設計階段對建筑性能影響進行了研究，作者應用303項建筑節能技術對67座建筑進行研究，發現其中57％的節能技術措施是在方案設計階段決策的[5]。事實上，建設工程項目全壽命周期的經濟成本和環境成本絕大部分取決于設計階段[6]。

現階段主要是基于單目標的設計優化。東南大學的石邢以modeFRONTIER為平臺通過調用EnergyPlus來實現單個建筑的墻體保溫性能優化[7]；哈佛大學設計學院的Jon Sargent等人[8]主要針對建筑遮陽設施的遮陽效果分析，通過鏈接Rhino和Energyplus來對模擬入射光能量值與制冷負荷能量值進行比較，提出相對合適的遮陽方案；河北工程大學的張偉捷等人通過CFD建筑熱環境模擬進行建筑方案優化設計研究[9]。而本文通過Ecotect進行多目標多方案的優化。進而運用基于ELECTRE算法實現多目標多方案的決策，使性能化建筑設計方法更加的科學、可靠與高效。

1 評價指標與權重

1.1 建立性能化建筑設計方案評價指標

性能化建筑設計方案評價指標是相互關聯、相互制約、不同層次的指標群構成的一個有機整體，它能較全面反映建筑設計內涵的基本特征。本文根據Ecotect具備的模擬功能建立性能化建筑設計方案評價指標見表1。

1.2 評價指標權重的確定

依據數據來源不同，評價指標權重的計算方法可以分為主觀賦權法和客觀賦權法兩類。現有評價體系一般在主觀賦權方法獲得源信息的基礎上，利用相應的數學方法進行權重計算。比較有代表性的方法有層次分析法(AHP)和模糊綜合評價法。其中AHP方法的指標層是單向遞階層次結構，且各指標之間均假設獨立，這與實際是不相符的；因此本文選用模糊綜合評價來確定指標權重[10-11]。

模糊綜合評判法確定評價指標權重步驟為：

(1)確定模糊綜合評價因素集U。U=(U1對人的舒適度的影響程度，U2目前在我國的重要程度，U3數據的科學性，U4對建筑可持續發展影響，U5對建設成本的影響)。

(2)建立綜合評價集V。V=(無，輕微，一定程度，較大，非常大)。

(3)進行單因素模糊評判，并求得評判矩陣R。

(4)建立評價模型：B=A×R。其中，A為評價因素的權重，可采用專家打分法確定。B的計算結果轉化為分值表示，并對其進行歸一化處理，即得到評價指標權重。

小茲維列夫今年21歲。在2018網球男單年終總決賽中，他以2-0的分數力壓強手，奪取冠軍。這是他職業生涯中，迄今為止最為重要的一個冠軍，他不僅是繼1995年名將鮑里斯·貝克爾之后又一位拿到總決賽冠軍的德國選手，同時也是繼2008年德約科維奇之后最年輕的總決賽冠軍。

按上述步驟，V用來表示一級指標的重要性程度，在南京林業大學、南京工業大學等單位開展調研，發放問卷調查表80份，回收68份。以A1二級指標為例，得到模糊評矩陣R1及元素權重A1。

A=[0.2，0.1，0.3，0.2，0.2]。

則A1*=A×R1=[0，0，0.140，0.291，0.510]，將評價標準以(1，2，3，4，5)分值表示，則A1=[1，2，3，4，5]×A1*=4.13。分別按此步驟得到A2=5.43，A3=3.49，將A1，A2，A3結果歸一化得到各自的權重為：0.32，0.42，0.27。其它指標權重以此類推，具體見表1。

表1 評價指標及權重

2 評價方法

本文屬于多方案多屬性的評價，而ELECTRE方法是一種廣泛公認的優勢的記錄評估方法，結合定性和定量標準，可以用來促進決策活動。ECELTRE方法通過規范決策矩陣來評價指標基準不同的方案[12-13]。其評價步驟如下。

(1)計算規范化決策矩陣：

(2)計算加權規范化矩陣：規范矩陣加權化，V=[vij]=[wirij]。

(3)確定和諧集與不和諧集：對于方案集中的每一對方案Ak和Al，屬性集J={1,2,3…n}被劃分成兩個不相交的子集Ckl和Dkl，前者由Ak不劣于Al的屬性組成，稱為和諧集；后者由Ak劣于Al的屬性組成，稱為不和諧集。即Ckl={j|xki≥xli}，Dkl={j|xki

C=[ckl]，k≠l。

(5)確定和諧性支配矩陣F與不和諧性支配矩陣G。

(6)確定綜合性支配矩陣E：該矩陣是和諧性支配矩陣F與不和諧性支配矩陣G的交。其矩陣元素被定義為：ekl=fkl*gkl。

(7)剔除不利方案：綜合性支配矩陣E給出了方案之間的偏序關系。如果ekl=1，則無論從和諧性的角度還是不和諧性的角度來看，方案Ak均優先于Al。

3 實例分析

由于二級指標繁瑣，本文僅對權重值相對大的指標用Ecotect進行模擬。針對南京某住宅用房實際情況，本文提出兩種朝向，兩種窗墻比，兩種材料搭配，綜合分析全年各搭配情況下的采光空間、能耗以及溫室氣體排放量。所選取的各因素的數值具體見表2。

表2 分析情況陳述表

說明：202.5°是根據氣象工具Weather Tool得到的南京市最佳朝向值，0.7是國家規范中圍護結構窗墻比的上限值；表中，M1、M2分別Ecotect中兩種不同的材料。

將以上各因素相互搭配，得到8種不同的分析情況組合，見表3。

表3 各種情況具體分類表

運用Ecotect進行模擬得到不同方案的數據，見表4。

表4 不同方案模擬數據

說明：由表格中的采光空間的數據可知均滿足《建筑采光設計標準》的要求。

由步驟(2)計算加權得矩陣：

根據步驟(3)、(4)構造和諧與不和諧矩陣：

由ekl=fkl*gkl可得判斷矩陣E：

由步驟(7)可以得到方案8最好，方案6次之。

4 結束語

根據Ecotect功能建立建筑設計方案評價指標體系，用Ecotect軟件模擬建筑的光環境、熱環境和環境影響等方面的建筑性能，使建筑建成前了解其綜合性能狀況成為可能。將Ecotect引入建筑方案設計階段各建筑設計要素對建筑綜合性能的分析中，有效地提高了模擬工具在方案設計階段的實用性、快捷性和準確性。運用ELECTRE進行方案的決策，保證所選方案科學、準確。本文的工作還只是一些初步的嘗試，有些建筑性能分析需要借助其它軟件；當設計方案種類多時，本文選用的決策方法計算量比較大。因此，需要改進的地方還有很多，在以后的工作中將進行深入的研究其它相關軟件，完善決策方法。

【參 考 文 獻】

[1]楊文杰.性能化建筑方案優化設計的概念、目標和技術[J].南方建筑，2013(1)：62-67.

[2]王廣斌，向乃姍.多學科設計優化在建筑工程設計中的應用[J].東南大學學報，2010，40(S2)：235-240.

[3]劉維彬，紫 媛，彭宏業.山地城市特色塑造與規劃控制[J].森林工程，2012，28(6)：91-93.

[4]丁士昭.工程項目管理[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

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[6]Flager F，Aadya A，Haymaker J.AEC multidisciplinary design optimization：impact of high performance computing[D].USA：Center for Integrate Facility Engineering，2009.

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