建筑綠色度評價與預測優化

陶妍艷， 徐 剛， 陳 雁， 王洪濤， 朱海軍 吳賢國

(1. 武昌首義學院 城市建設學院， 湖北 武漢 430064； 2. 深圳海外裝飾工程有限公司， 廣東 深圳 508031；3. 武漢市園林建筑規劃設計研究院有限公司, 湖北 武漢 430010; 4. 中建三局集團有限公司， 湖北 武漢 430064；5. 華中科技大學 土木與水利工程學院， 湖北 武漢 430074)

隨著我國建筑業的蓬勃發展，環境資源消耗急劇上升。為滿足我國可持續發展的迫切需要，全面推廣綠色建筑成為當前建筑業發展的重要任務之一。綠色建筑強調了設計、施工、運行、維護階段全生命周期的概念，要求建筑達到節能、節地、節水、節材和環境保護的要求。隨著建筑“綠色化”和可持續發展理論的不斷深入，綠色建筑成為了新思潮、新方向。因此，發展節約、低碳、環保的綠色建筑是建設資源節約型、環境友好型社會，推進行業科學發展的必然選擇。

此前對于綠色建筑建設與評價的研究主要從某些特定的角度出發，張凱峰等[1]分析了綠色建材的特性，并對水泥、混凝土等建筑材料的綠色度評價研究進行了總結；周慶等[2]提出了一種對建筑外墻涂料的綠色度量化評價方法，對建筑外墻涂料的綠色度等級進行了劃分；王曉許等[3]結合國內外對綠色建筑的評價方法，提出了基于Ecotect軟件的綠色建筑評價標準，李晉秋等[4]構建了綠色建筑運行監測關鍵性能指標體系，并通過案例研究證明了指標體系的必要性和可行性；周玉庭等[5]基于BIM(Building Information Modeling)技術對揚州某公共建筑進行采光仿真分析；李延釗等[6]通過將南寧城市規劃展示館的BIM導入Ecotect中，對采光、通風進行優化，實現了BIM與能耗軟件輔助下進行綠色節能設計的目標；楊文領等[7]分析比較了傳統技術下的建筑能耗評價方法和BIM技術下綠色建筑能耗評價方法；沈小東等[8]基于軟件DOE對重慶市某建筑進行綠色建筑模擬能耗計算分析；李立力等[9]以某綠色建筑項目為例，分析室外風環境對人生活及環境的影響；王建延等[10]研究了綠色建筑布局規劃的設計方法；張九紅等[11]等分析影響教室聲學環境的因素，詳細地敘述了教室的聲學改造設計構造方法；錢丹萍[12]分析了改善住宅建筑聲環境的主要途徑；韓立紅等[13]建立了綠色建筑綠色度評價指標體系，采用可拓層次分析法和模糊綜合評價法計算確定綜合評價值；陳永青等[14]利用層次分析法和專家打分法構造建筑綠色度的模糊綜合評價模型。但是，目前基于BIM技術進行綠色建筑研究還較少，缺乏綠色建筑評價體系和方法，且設計與反饋的過程相對較弱，如何結合BIM進行綠色建筑綠色度綜合評價分析和優化還有待不斷深入。

本文研究建筑綠色度評價指標體系和方法，構建基于貝葉斯的概率優化模型，對影響建筑綠色度評價的指標進行評價優化，在設計方案階段反饋設計問題，提出策略性的優化建議，從而對后期的設計評價與優化具有指導意義。

1 基于BIM建筑綠色度評價與貝葉斯網絡優化流程

1.1 建筑綠色度評價指標體系

綠色度是建造建筑產品的過程中對環境的影響程度和資源利用情況，表達了建筑與環境的友好程度。從現有的GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標準》(下文簡稱《標準》)大框架著手，針對項目從能源、材料、水、空間利用以及空氣質量幾方面進行逐項對接，從而實現綠色建筑項目評價指標的細化。綠色度評價中的諸多條款作為影響其整體綠色度評價結果的內容，其多樣性和重復性會給評價結果帶來不同的影響。因此，從評價優化和預測需求角度出發，篩選設計參數信息并指導設計決策尤為重要。通過篩選建立綠色度一級評價指標(5個)、二級評價指標(15個)、三級評價指標(65個)，如表1為一級評價指標和二級評價指標，表2為以節能與能源利用為例的三級指標體系。并通過問卷調查得到指標權重。其中分為建筑環境質量指標Q(Quality)和負荷性能指標L(Load)。

表1 綠色建筑綠色度評價指標體系

表2 節能與能源利用的三級指標體系

1.2 基于BIM建筑綠色度評價

(1)基于BIM建筑綠色度評價信息和流程

在本研究中，結合設計模型數據信息與后續綠色度評價需求，采用IFC(Industry Foundation Classes)標準進行數據共享與傳遞，同時構建相應的轉換與流程。在BIM技術中，IFC標準是重要的數據交互標準，可以支持BIM體系并實現相應的數據轉換需求。本研究圍繞基于建筑性能設計的綠色度評價信息模型展開，結合綠色度評價所涉及的內容和屬性，在IFC標準中進行信息表達，以構件、材料、設備、環境質量影響等方面進行IFC信息表達與傳遞，最后在此基礎上構建出相應的流程和框架。

結合建筑設計內容，可以從設計、構件、產品、性能幾方面對設計模型數據信息進行梳理，從而在具體信息層上進行進一步細化。而在后續的評價過程中，需考慮現有《標準》大框架，針對建筑項目從能源、材料、水、空間利用以及空氣質量幾方面進行逐項對接，從而更好地實現綠色建筑項目評價的進一步細化。基于各個階段的數據信息抽取、轉換、計算與整合，從而實現建筑性能設計的綠色度評價。圖1為基于BIM建筑性能設計數據信息轉換與綠色度評價流程。

圖1 基于BIM性能設計數據信息轉換與綠色度評價流程

(2)綠色度評價

在本研究中，由于采用的數學模型是加權混合的方式，需要首先對指標乘以相應的權重系數并進行加權處理，線性求和之后再對Q和L之間做比值處理。綠色度BDGD按式(1)計算。

(1)

為了更好地針對綠色度評價項目進行水平界定，研究中，結合國內外綠色建筑的分級與評分思路以及建筑環境性能的等級劃分方法，將建筑的綠色度評價分為了五個等級：C(劣)、B-(一般)、B+(好)、A(優)、S(特優)，同時針對上述章節建立的綠色度評價與計算方法，確定不同層級的取值范圍，如表3所示。

表3 評價分級指標與標準

1.3 構建貝葉斯網絡

在定義完變量的基礎上，綜合考慮性能設計初期評價指標對綠色度影響程度和指標存在的合理性，構建從低到高的R1，R2，R3三個層次評價矩陣，如圖2所示。

圖2 評價矩陣示意

研究中，通過運用問卷調查法確定不同綠色度評價的影響因素，完成對貝葉斯網絡模型的變量定義，并通過貝葉斯結構學習和參數學習確定其網絡不同參數(變量)的因果關系，期間包括了二級指標之間、二級指標和一級指標之間、一級指標和設計評價優化目標之間的關系，從而形成網絡模型。

1.4 綠色度評價指標分析

基于性能設計的建筑綠色度評價，不僅要實現項目自身的評價目標，也要實現項目在設計前期的引導作用。為了進一步探尋建筑綠色度評價指標對結果的影響程度，本文以建筑節能與能源利用為例，對綠色度評價指標進行深入的分析和優化，并利用貝葉斯網絡的推理功能，對此部分評價指標進行正向推理、逆向推理和敏感性分析，以此提出在性能設計過程中的優化建議。

(1)評價指標正向推理優化

在貝葉斯網絡中，正向推理是指因果推理，即在完成參數學習后，其他節點概率值不變情況下，改變某一評價指標的節點概率，通過貝葉斯網絡傳播而獲得某一指標的概率值。通過對比分析某一節點與最終節點的概率變化，既可以驗證貝葉斯網絡模型存在的合理性，同時也能夠判斷某一節點對最終節點變化的影響程度。如在綠色度評價過程中，影響評價指標Xi組成的集合為證據XC，此情況下最終節點發生的概率為：

(2)

式中：n為已知節點數量，其中，每個節點均有R1，R2，R3三種類型狀態。

(2)評價指標逆向推理優化

逆向推理是通過診斷推理，即計算終節點T發生變化時各個節點的概率分布后驗證，第i個節點Xi產生的后驗證概率為：

P(Xi=Y|T=Y)

(3)

由式(3)可知，概率越大，該節點的評價指標對綠色度的影響程度越高，從而可以針對性地對參數進行診斷篩選，達到快速查明可能的原因組合，最終及時反饋相應的性能設計措施。

(3)評價指標敏感性分析

在貝葉斯網絡中，敏感度代表了根節點狀態變化時，對不同子節點的平均影響程度。敏感度高的節點的微小變化會給評價結果帶來顯著影響，而敏感度低的節點則對整體評價結果影響很小。因此，通過評價(不同指標因素)參數的敏感度分析，可以識別出綠色度評價中的關鍵影響因素，從而反饋到性能設計中用于設計參數指導。研究中，仍以節能與能源利用為例，用xk表示根節點下Xk的狀態，pk表示Xk的狀態數量，節點T處于t情況下，其根節點xk的敏感度計算公式為：

(4)

式中：ck為Ck的狀態等級。

1.5 綠色度評價的動態預測與優化

各級指標的逆概，定量、直觀地反映了各級指標對質量Q和負荷L的影響程度。逆概越大，說明指標的影響越大，因此，當調整相應指標參數時，就會產生較大影響，從而達到對綠色度評價的動態預測。

以質量Q為例，一級指標Q1的逆概為：

P(Q1|Q)=P(Q|Q1)P(Q1)/P(Q)=1.26%

其中逆概越大，反映出一級指標對質量Q的影響越敏感。當調整該指標時，質量Q就會產生較明顯的改變。通過該方法可以動態預測綠色建筑的可能變化，達到綠色度評價優化的目的，也提高了綠色度評價優化的科學性與嚴謹性。

2 案 例

本研究通過建立綠色建筑一體化評價體系，對前文中的理論和方法進行評估和驗證。一方面為建筑一體化的綠色評價提供參考，在可行性基礎上成為行業發展的實用工具；另一方面，為綠色建筑的建設與發展提供一種對接，進一步實現建筑行業的可持續發展。本研究選取某工程為案例，結合上述研究思路和方法，建立信息化設計模型，通過相關參數評價選取，進行綠色度計算與預測分析。

2.1 基于BIM綠色度初步測評

項目在建設要求上，需達到綠色建筑較好綠色度水平。本研究中，主要針對建筑部分室內空間進行建筑綠色度評價研究。根據項目完成情況，實地測評，參考表1，2中的內容，在建立的65個三級指標中，按照實際完成情況給每一項評分，根據各個評價指標分項權重和實際得分情況最終可得評價體系中建筑質量和環境負荷的實際得分。

結合綠色度評價指標中的相關要求，分別對建筑相關性能進行分析。通過建立的BIM設計信息模型進行相關參數信息的轉換，結合相應的建筑性能環境分析軟件從建筑能耗、建筑通風、建筑采光、可視度等方面進行性能分析。

(1)建筑能耗分析

結合BIM數據模型，建立IES〈VE〉的能耗分析模型，從而分析建筑的能耗狀況。

對項目建筑能耗進行軟件模擬，設計建筑全年能耗相對于基準建筑節能率達到54.98%，最終結果如表4所示。

表4 建筑能耗分析

(2)建筑風環境分析

在建筑風環境分析中，分別通過基于BIM和綠色建筑分析軟件Ecotect模擬不同季節的室內外風環境狀況進而得出相應的分析結論。在本研究中，由于此部分分析內容較多，因此選取代表性空間進行分析解釋，以春季為例，具體分析見表5。

表5 建筑風環境分析對比

(3)建筑光環境分析

建筑光環境分析中，基于BIM和綠色建筑分析軟件Ecotect分別針對每個樓層進行建筑采光分析，以一層為例，如表6所示。表7為建筑采光分析結果。

表6 房間采光灰度與分布分析

通過計算模擬可得，本項目的采光達標面積比例為71.39%，根據《標準》表8.2.6中所示公共建筑主要功能房間采光評分規則可知，在70%～75%之間，得6分。

(4)建筑可視度分析

在公共建筑中，建筑視野作為空間人性化的考核內容，基于BIM和綠色建筑分析軟件Ecotect，以一層為例，其具體分析見表8。

表8 建筑空間可視度分析

從上述表格分析來看，孝感市民之家主要功能房間都滿足現行《標準》中對于公共建筑視野的要求。因此，本項目視野設計滿足《標準》中第8.2.5條中對于公共建筑的要求，即建筑主要功能房間具有良好的戶外視野，評價分值為3分。對居住建筑，其與相鄰建筑的直接間距超過18 m；對公共建筑，其主要功能房間能通過外窗看到室外自然景觀，無明顯視線干擾。

(5)綠色度測評

基于BIM計算各評價指標，按式(1)計算得到：Q=4.20361；L=2.048。

因此，該項目綠色度計算結果為：BDGD=Q/L=2.05254。

根據綠色度的分級與評分分析來看，該項目綠色度指數在1.5～3.0之間，屬于優等項目類型。從總體的項目建設要求定位上來看，同綠色建筑二星的基本要求相一致。

2.2 基于貝葉斯網絡的綠色度指標優化

研究中，為了增加綠色度，根據貝葉斯公式計算得到各項指標的后驗概率，以提高環境質量Q為例：如圖3，5個一級指標中P(Q2|Q)=28.32%，P(Q4|Q)=22.46%，P(Q5|Q)=39.64%占比較大，因此第二、四、五個指標對質量Q的影響較明顯。其中第五個指標Q5占比最大，說明其對質量Q的影響也最敏感。因此提高指標Q5的分值可增加綠色度。

圖3 Q與Qi的關系

(1)類似討論，影響一級指標Q5的二級指標中P(Q52|Q5)=37.37%最大，因此可調整二級指標Q52的得分；影響二級指標Q52的三級指標中P(Q522|Q52)=50.00%最大，因此可調整Q522。

(2)以逆概數據對三級指標Q522做適量調整，逐層回到上級指標，從而提高環境質量Q，達到增加綠色度的目的。如：將Q522的分值由5提高為10，則質量Q從4.20361提高到4.32361，而綠色度由2.05254相應增加到2.11114。

(3)從綠色度評價體系的內容上分析來看，實際項目中Q522體現的是自然通風對于建筑室內環境的舒適性調節。自然通風作為建筑中一種節能并且有效的調節方式，不僅對于改善建筑室內環境質量有幫助，同時也是有效的建筑節能技術。但從實際項目研究分析來看，自然通風作為有效的被動式節能技術，在常規的綠色建筑評價中很難用量化的具體指數進行評價。從另外一方面講，綠色度的概率計算分析也從一定程度上評價了自然通風設計的水平。

3 結 論

(1)從建筑工程項目壽命周期角度出發，針對綠色度因素展開分析，梳理了建筑生命周期過程中需要考慮的方面。結合國內外綠色建筑評價體系、室內環境評價、健康建筑要求標準等同建筑層面可能影響的要點進行對比，同時梳理了綠色建筑體系的評價構成，建立了建筑綠色度評價指標體系。

(2)建立了基于BIM性能設計數據信息轉換與綠色度評價流程，基于BIM進行了建筑性能設計與環境影響分析，包括建筑能耗分析、建筑風環境分析、建筑光環境分析、建筑可視度分析。

(3)構建了建筑綠色度評價方法，結合國內外綠色建筑的分級與評分思路以及建筑環境性能的等級劃分方法，將建筑的綠色度評價分為五個等級：C(劣)、B-(一般)、B+(好)、A(優)、S(特優)，確定了不同層級的取值標準。

(4)構建貝葉斯綜合評價優化模型進行綠色建筑評價，通過分析建筑綠色度影響因素確定評價指標體系，建立綠色度評價優化與預測思路。選取湖北省孝感市民之家為案例分析基于貝葉斯網絡模型的建筑綠色度優化流程，根據貝葉斯公式計算，明確了增加綠色度的途徑，驗證了基于建筑綠色度評價與預測的可行性。