基于價值鏈的建筑建造能耗增量控制模型仿真

林彰銀，明顯誠

(1. 邵陽學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，湖南 邵陽422000； 2. 重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練與經(jīng)管實驗中心，重慶400054)

1 引言

經(jīng)濟的發(fā)展帶動建筑行業(yè)的共同進步，建筑行業(yè)的整體發(fā)展格局都呈現(xiàn)出比較良好的發(fā)展趨勢。建筑公司所承擔(dān)的建筑工作量也逐年上升，建筑過程中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也在逐漸增加。建筑建造能耗實際上是指為實現(xiàn)建筑合格的目標(biāo)而消耗的能源，從建筑施工能耗方面分析，實際施工時所需的原材料、運輸造成的能耗、加工零件時產(chǎn)生的損耗、生產(chǎn)加工的資源損耗都是建筑建造能耗。過去經(jīng)常使用的建筑施工能耗控制方式主要依靠人力工作經(jīng)驗，但是這種控制方法帶有較強的個人主觀意識而且經(jīng)驗分享的機會也較少，不能實現(xiàn)各類形式建筑能耗的高效控制，不能達到理想的控制目標(biāo)。國外對于建筑建造能耗控制的起步較早，并且已經(jīng)取得可觀成就，近年來在建筑建造節(jié)能減排相關(guān)工作的研究已經(jīng)具有一定效果。我國對于建筑建造能耗控制的起步較晚，但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建筑施工項目越來越多，因此建筑建造的相關(guān)能耗在社會生產(chǎn)的總能耗中占比越來越高，建造節(jié)能控制方法也得到越來越多相關(guān)人員的重視，眾多研究者已經(jīng)積極開展建造能耗調(diào)研并制定相關(guān)控制措施，已經(jīng)收集大量有效數(shù)據(jù)。田東等研究者將裝配式建筑物作為研究對象，研究建筑能耗控制方法，通過保溫圍護技術(shù)，降低建筑的能耗，盡管該方法在一定程度上實現(xiàn)能耗的控制，但是成本較高，不適用于低成本建筑建造；還有栗凱偉等學(xué)者研究以知識推理作為基礎(chǔ)的能耗管理方法，從施工的三個階段開展能耗控制，并且通過XML語言優(yōu)化能耗控制方案，結(jié)合推理方法，構(gòu)建能耗控制模型，對于建筑能耗控制發(fā)揮一定借鑒作用。

價值鏈是建筑行業(yè)根據(jù)建筑本身價值而產(chǎn)生的鏈式價值，建筑建造過程中可以將價值劃分成兩種分別為基本活動與輔助活動。在建筑建造過程中為了降低建筑成本過度投入?yún)s未達到預(yù)期目的導(dǎo)致施工效率較低，因此會采用價值鏈的有關(guān)模型分析建筑施工，以此提升建筑施工的經(jīng)濟效益，在一定程度上有效解決成本，降低建筑施工的能耗，使用價值鏈模型分析建筑建造能耗問題，能夠在建筑有關(guān)的其它項目上節(jié)約更多成本，在整個建筑施工鏈上降低損耗。使用價值鏈方式控制建筑建造能耗，能夠在一定程度上獲得良好的效果。

本文研究以價值鏈作為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法，設(shè)計建筑建造能耗增量控制模型，以此實現(xiàn)建筑施工能耗的有效控制，也為今后建筑施工的研究打下良好基礎(chǔ)。

2 基于價值鏈的建筑建造能耗增量控制模型

2.1 建筑能耗增量動因分析

2.1.1 動因體系構(gòu)建

對參考資料中的建筑價值鏈開展詳細分析，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)建筑施工的相關(guān)內(nèi)容并沒有形成一個成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，所以建筑施工能耗增量較高，如果想要有效降低建筑施工的能耗增益先要探索降低施工能耗增量的關(guān)鍵驅(qū)動因素。根據(jù)管理學(xué)經(jīng)驗，對驅(qū)動因素開展分析，可以把能耗增量動因劃分成執(zhí)行性和結(jié)構(gòu)性兩種能耗增量動因，這兩種動因分別為微觀層面動因與建筑企業(yè)本身的能耗增量定位。對這兩類能耗增量動因開展詳細分析，能夠在一定程度上發(fā)揮建筑企業(yè)優(yōu)勢，得到耗能增量優(yōu)勢。

1)結(jié)構(gòu)性能耗增量動因

建筑建造的損耗增量是從建筑建造工程的總體出發(fā)，不再只著眼于某個獨立建造項目，在開始實際工程建造時，建筑建造的耗能增量雛形已經(jīng)形成，而且人力很難作出修改，該影響因素也就是結(jié)構(gòu)性能耗增量動因。根據(jù)相關(guān)研究者提出的對建筑施工過程中損耗增量存在直接影響的各種結(jié)構(gòu)性損耗增量驅(qū)動因素，綜合考慮建筑建造的特性，對結(jié)構(gòu)性耗能增量動因作出歸納。

2)執(zhí)行性能耗增量動因

執(zhí)行性能耗增量動因主要是建筑建造過程中出現(xiàn)的動因，主要對于建筑施工的作業(yè)情況影響作出分析，主要管理工程的流程內(nèi)容，綜合考慮建筑建造能耗與工藝流程，決定執(zhí)行性能耗增量動因。

以價值鏈理論作為根本，結(jié)合層次分析-熵權(quán)法，對兩個動因中包含的詳細內(nèi)容作出重要性排序，以便后續(xù)有效控制重要因素。

以層次分析法作為基礎(chǔ)，將建筑建造能耗增量動因劃分成目標(biāo)層、準則層與指標(biāo)層三個具有低階規(guī)律的層次，層次整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 能耗增量動因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)

2.1.2 決策方法

確定能耗增量動因?qū)哟沃螅褂脤哟畏治?熵權(quán)法分別確定主觀與客觀權(quán)重，以此實現(xiàn)建筑建造能耗增量重要度評價結(jié)果，以下為具體分析過程：

1)層次分析法

層次分析法是一種具有綜合性的綜合決策方法，只需要較少的定量數(shù)據(jù)信息就能夠?qū)崿F(xiàn)決策分析。將目標(biāo)較多的復(fù)雜問題做出拆分，獲得多個指標(biāo)層次，為獲得每個層次的單獨排序與整個層次的綜合排序使用模糊量化計算，由此實現(xiàn)多目標(biāo)決策，以下為層次分析法具體步驟：

①構(gòu)建判斷矩陣

能耗增量動因?qū)哟未_定的基礎(chǔ)上，依據(jù)每層相對于上一層某個因素的重要度程度開展比較，構(gòu)建該判斷矩陣的最主要要素賦值使用九級標(biāo)度法。

②一致性檢驗

多階判斷過程中具有較強的復(fù)雜性，受到這種復(fù)雜性影響，判斷矩陣中所涉及的部分數(shù)值在某些情況下有可能存在前后矛盾關(guān)系，所以需要使用一致性檢驗處理判斷矩陣

(1)

在式(1)中，代表隨機平均一致性指標(biāo)，與分別代表極限特征值與判斷矩陣階數(shù)。判斷矩陣的一致性由值決定，二者呈現(xiàn)反比例關(guān)系。判斷矩陣存在較好一致性的前提是的值小于01。

假如判斷矩陣的一致性檢驗不合格，則要賦值每個動因之間的重要性程度，待判斷矩陣的一致性檢驗合格才能停止賦值。

③確定權(quán)重

經(jīng)過以上研究，所構(gòu)建判斷矩陣已經(jīng)符合一致性檢驗，與極限特征值相對應(yīng)的特征向量就是上級動因與該動因之間的重要性排序：。

2)熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種可客觀決策方式，以信息熵作為理論基礎(chǔ)。動因與信息熵之間存在反比例關(guān)系。假設(shè)存在某個待評價動因體系，待評價對象個數(shù)使用表示，評價動因個數(shù)使用表示，*矩陣代表原始數(shù)據(jù)，以下為熵權(quán)法具體評價過程：

①無量綱化處理初始數(shù)據(jù)

為避免各個動因單位不同導(dǎo)致的影響，需要通過無量綱化處理初始數(shù)據(jù)。每一列的極大或者極小值作為選定的值開展無量綱化處理初始數(shù)據(jù)，矩陣結(jié)果使用=()*表示。

③計算動因熵值

依據(jù)熵的相關(guān)定義，通過式(2)計算每個動因的熵值

(2)

(3)

④確定熵值

第個動因的熵值使用式(4)表示

(4)

第個動因差異系數(shù)表示為，同時=1-。

根據(jù)以上過程獲得每個動因的熵權(quán)，也就能獲得整個結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

3)優(yōu)化組合層次分析-熵權(quán)法

僅使用一種決策方法不能實現(xiàn)準確評價，因此需要將層次分析法與熵權(quán)法組合到一起，獲得主觀和客觀兩種權(quán)重，優(yōu)化組合兩種方法時使用最小二乘法。

使用層次分析法獲得動因權(quán)重表示為，由熵權(quán)法確定的權(quán)重表示為。設(shè)置表示各動因綜合權(quán)重，經(jīng)過無量綱化的動因體系矩陣表示為，針對待評價對象可使用式(5)獲得評價值

(5)

對于全部待評價動因主觀與客觀權(quán)重之間偏差應(yīng)該越低效果越優(yōu)。構(gòu)建最小二乘法權(quán)重優(yōu)化模型

(6)

使用拉格朗日算法求解式(6)獲得動因的綜合權(quán)重結(jié)果。

213 動因排序分析

經(jīng)過上文評價方法一致性檢驗及權(quán)重確定，依據(jù)權(quán)重結(jié)果排序動因，對排序結(jié)果作出一致性檢驗，由此分析出整個動因體系中占比最重要動因，詳細內(nèi)容將在實驗中驗證。

2.2 建筑建造能耗增量控制模型

基于以上評價結(jié)果，從各動因的重要程度構(gòu)建建筑建造能耗增量控制模型，模型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基于價值鏈的建造能耗增量控制模型

以價值鏈作為基礎(chǔ)，控制建造能耗增量先需要將目標(biāo)能耗增量確定下來，由建造企業(yè)接受能耗增量目標(biāo)，由該企業(yè)向下級職能部門分派任務(wù)。

確定能耗增量目標(biāo)并完成目標(biāo)下達以后，可以開展詳細的能耗增量核算，獲得建造工程各個施工階段的能耗增量情況，將這個增量控制在目標(biāo)范圍之內(nèi)，實際施工時，如果能耗增量超出該目標(biāo)范圍，需要從作業(yè)層次角度出發(fā)，分析施工的作業(yè)鏈與作業(yè)能耗，找出偏離目標(biāo)的原因，使用能夠糾正偏差的措施實現(xiàn)最終控制目標(biāo)，能耗增量控制流程見圖3。

圖3 能耗增量控制流程

能耗增量各種目標(biāo)的制定與分解都需要從建筑建造項目的價值鏈出發(fā)，保證處于價值鏈節(jié)點的各個部門形成良好的合作關(guān)系，這種關(guān)系直接影響能耗增量控制的結(jié)果。

3 實驗分析

本文研究對象是某在建高層建筑，高度接近31m，總共包含28層，其中地下1層，地上26層，總建筑面積共1.9萬平方米。使用MATLAB仿真軟件開展仿真，收集該高層建筑的相關(guān)建筑數(shù)據(jù)，開展仿真，研究本文模型在建筑建造能耗控制方面的效果。

3.1 建筑能耗增量動因分析結(jié)果

表1 判斷矩陣

經(jīng)過判斷矩陣構(gòu)建以及一致性檢驗后，依據(jù)獲得的目標(biāo)層權(quán)重排序動因，準則層中的兩個動因的特征向量分別值分別為0.68和0.32。使用層次分析-熵權(quán)法獲得主、客觀權(quán)重后，經(jīng)優(yōu)化組合后得到綜合權(quán)重結(jié)果，對權(quán)重結(jié)果綜合排序，對層次開展總體排序：{0.165，0.128，0.136，0.043，0.107，0.080，0.016，0.042，0.032，0.016}，CI值為0.038，由此得出隨機一致性指標(biāo)為1.10。檢驗系數(shù)為0.039，低于0.1。總排序符合一致性檢驗，判斷矩陣屬于合理范圍。經(jīng)過以上分析結(jié)果，在建筑建造能耗增量動因中，結(jié)構(gòu)性能耗增量的作用更大，C1、C2、C3、C5、C6、C8是排序較為靠前的6個動因，這幾個動因的權(quán)重相加后占總權(quán)重的75%以上，是建筑建造能耗增量控制的重點控制對象。

3.2 耗能增量控制結(jié)果

建筑建造過程中所使用的燃油機、發(fā)電機等機械設(shè)備，使用電能的各種施工設(shè)備以及建筑運行過程中采暖等行為產(chǎn)生的運行能耗都會直接影響建筑建造能耗增量的變化，利用本文模型對這三類能耗形式開展控制，對比24h內(nèi)控制前后能耗增量的變化情況，對比結(jié)果見圖4。

圖4 能耗增量控制情況

從圖4中三種建筑建造設(shè)備的能耗增量控制結(jié)果來看，無論何種工作效率的建造能耗設(shè)備，在使用本文模型開展能耗控制之后，能耗結(jié)果都出現(xiàn)明顯下降。圖4(a)與圖4(b)兩種設(shè)備屬于建造施工設(shè)備，一般只在8：00-20：00的工作時間內(nèi)使用，使用本文模型控制之前，工作時間內(nèi)出現(xiàn)顯著能耗上升趨勢，在使用本文模型控制以后盡管機械設(shè)備的能耗情況仍舊出現(xiàn)上升趨勢，但是各設(shè)備整體能耗增量都出現(xiàn)下降情況，由此可以看出，使用本文模型能夠?qū)崿F(xiàn)建筑建造過程中各類設(shè)備的講好控制。

為進一步實現(xiàn)建筑建造整體能耗增量的控制，并對控制結(jié)果實現(xiàn)直觀對比，使用同類模型在仿真平臺中對實驗對象的能耗增量作出控制，兩種同類模型分別為參考文獻[8]的超低能耗控制模型與參考文獻[9]的知識推理能耗控制模型，三種模型對于建筑建造整體能耗增量的控制結(jié)果見圖5。

圖5 整體能耗增量控制對比

從圖5中能夠明顯看出，兩種對比模型能夠在一定程度上實現(xiàn)能耗增量控制，但是控制效果使用高于本文模型，但最終都能實現(xiàn)穩(wěn)定控制。使用本文模型在仿真平臺中開展能耗增量控制時使用保持較低能耗，也就是說，使用本文模型能夠?qū)崿F(xiàn)建筑建造能耗增量的穩(wěn)定控制。

在仿真平臺中模擬仿真使用本文模型3個月后，建筑建造的成本變化情況，結(jié)果見圖6。

圖6 建筑成本變化情況

從圖6中能夠看出，使用本文模型對建筑建造對象開展控制以后，極大程度節(jié)約了建筑施工的成本，由此也能看出，由于使用本文模型有效控制建筑建造能耗增量，能夠在一定程度上降低施工成本，說明使用本文模能夠?qū)崿F(xiàn)成本優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文結(jié)合仿真平臺設(shè)計基于價值鏈的建筑建造能耗增量控制模型，通過評價方法獲得建造能耗增量的重要程度，以此為依據(jù)構(gòu)建能耗增量控制模型，實現(xiàn)建筑建造能耗的有效控制。將本文所設(shè)計的模型實際應(yīng)用在某個建筑建造工程中，驗證能耗控制效果，通過仿真發(fā)現(xiàn)，使用本文模型控制建筑施工各個設(shè)備時能夠有效降低能耗增量；與同類模型相比也具有能耗增量控制優(yōu)勢，通過能耗增量控制，為建筑工程大大節(jié)約成本。