基于灰色聚類法的裝配式建筑環境評價

徐福強，陳龍

（蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

裝配式建筑是指在工廠生產的預制構件運輸到施工現場連接組裝而成的建筑[1]。相較于傳統建筑，裝配式建筑具有施工周期短、節能、環保等特點。近年來，我國對綠色建筑發展大力支持，到2022 年，要求當年新建的建筑中綠色建筑面積占比達到70%[2]。2020 年，我國首次提出“雙碳”目標，傳統建筑的碳排放量將不再滿足我國的未來發展要求，低碳環保型建筑將是未來建設的主題。近年來世界各國聚焦環境問題，宣傳環保內容，人們的環保意識逐漸提升，對居住環境的要求也在提高。因此，對裝配式建筑的環境評價研究有利于裝配式建筑的推廣應用。

當前的裝配式建筑環境評價研究多采用經濟化分析、目標距離法和專家打分法[3]。其中環境評價的經濟化分析所需資料較多，計算復雜，最終的評價結果可視化較差，而目標距離法的評價區域性針對較好，但普適性較差。同時現有的裝配式建筑環境評價指標的選取多數只考慮工程清單中的資源消耗量和大氣污染物排放量等影響因素，對居住環境或居住的舒適性等指標考慮較少。因此，建立一個合理的，針對性和可視化較好的環境評價指標體系是具有重要意義的。本文綜合考慮裝配式建筑生命周期的環境因素，在專家調查法的基礎上進行賦權，同時考慮到環境評價等級的界限并非一個具體數值，故采用灰色聚類理論建立環境評價模型，對裝配式建筑進行環境評價。

1 裝配式建筑環境評價指標體系的建立

科學、合理的指標體系是對建筑環境評價的基礎，以針對性、可比性等為原則，根據裝配式建筑生命周期的特點，對裝配式建筑的環境指標進行組建。建立裝配式建筑環境評價指標的目的，是基于建筑結構營造的室內外環境和環境保護，控制建筑自身對環境產生的不利影響，使建筑結構內部環境安全、健康、宜居，并與外部區域環境協調發展[4]。故本文從室內環境、室外環境、環境保護三個角度整理了19 個環境評價指標，具體見表1。

表1 裝配式建筑環境評價指標體系

2 裝配式建筑環境評價模型構建

2.1 COWA 理論確定權重

COWA(combination ordered weighted averaging)方法是對評價因素的專家打分值進行重新排序并根據所處位置進行加權，可在一定程度上減少專家的自身主觀因素對權重計算的影響，使結果更加客觀、精準[5]。具體賦權步驟如下所述。

（1）邀請n 位專家對同一層次指標的重要性進行打分（10 分制），得到指標的原始打分數據集為（a1，a2，…，aj，…，an），將數據整理后按分值從大到小排列并從0 開始編號，得到數列為b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn-1。

（2）將排列后的數據bj運用組合數計算權重，公式如下：

（3）計算m 個環境評價指標因素的絕對權重，具體見式（2）：

（4）計算m 個指標因素的相對權重，具體見式（3）：

2.2 灰色聚類理論評價模型

裝配式建筑環境評價的目標是確定建筑環境等級，但是環境等級的劃分并未有明確的數值，而是外延鮮明但內涵不清楚的灰色信息，因此在評價等級中用灰色聚類理論對裝配式建筑進行環境評價是合理的。

2.2.1 環境測度及評價標準的確定

結合現有規范《綠色建筑評價標準》[6]（GB/T 50378—2019），將裝配式建筑的環境評價劃分為5 個等級(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級)。設定環境測度取值范圍為[0，10]，則各等級環境測度的具體界定如表2 所示。

表2 環境測度等級界定

2.2.2 灰類的確定及對應的白化權函數的確定

結合表2 環境等級劃分界限，建立灰類評估的灰數與對應的白化權函數，故中心點向量為U=（9，7，5，3，1）。建立的各灰類對應的白化權函數如表3 所示。

表3 環境等級灰類及對應的白化權函數

表中：Cij為環境評價指標的現場實測值。

2.2.3 灰色聚類評估步驟

（1）建立評價矩陣：根據現場實測值對環境評價指標Eij賦值，由于實測值之間的單位和數值大小存在不統一，故對環境評價指標實測值進行無量綱化處理[7]。本文中的少部分指標為正向指標，即指標數值越大，對環境影響越大，如溫室氣體排放量等。還有部分負向指標，與正向指標的規律相反，如建材回收率等。

結合環境等級分類，無量綱化處理公式為：

式中：Cij為無量綱化處理生成值；為評價指標實測值；Cijmax為評價指標或實測值最大有限值；Cijmin為評價指標或實測值最小值。

（2）灰色聚類權矩陣的建立：環境評價指標屬于第q 個灰類的聚類系數值為Xijq=fq[Cij]，進一步計算總的聚類系數為，進一步處理rijq=Xijq/Xij，則環境評價指標Eij對于各個灰類的評價權向量為rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5),建立的灰色聚類權矩陣Ri為式（5）:

（3）合成綜合聚類評價矩陣：把環境指標中二級指標的權重向量與其灰色聚類權矩陣合成運算，見式（6）：

在此基礎上建立一級指標的評估矩陣Z0=[Z1,Z2,…，Zn]T，與二級指標評估相同，得到綜合聚類評價向量為式（7）：

（4）計算各級指標綜合環境評價值：將綜合聚類評價向量M與環境測度閾值U進行合成，得到環境綜合評價為式（8）：

最后，根據計算結果對環境等級進行劃分。

3 實例分析

以蘭州新區某保障性住房4#樓為例進行分析。該樓結構為冷彎矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁框架，4#住宅樓由地下2 層、地上11 層組成。該住宅總建筑面積8073.13m2，總高度35.2m，單層建筑面積612.01m2，標準層層高2.9m，裝配率不低于60%。通過實地調研與勘察收集了該工程的實測值，結合規范《建筑采光設計標準》[8]（GB 50033—2013）、《環境空氣質量標準》[9]（GB 3095—2012）、《聲環境質量標準》[10]（GB 3096—2008）確定各等級環境指標數值區間，具體數據參看表4 。

表4 裝配式建筑環境評價標準及指標特征值

3.1 指標權重的確定

通過對4# 住宅樓設計和施工階段的調研、統計，可以確定住宅環境的基本數值，對于運行階段的環境數值，采用居住地的環境質量檢測指標進行預測，對于住戶的室內環境檢測，則采用同區域已使用的住宅進行檢測，具體環境評價指標的確定邀請了7 位專家打分，按從大到小順序對專家的打分值進行排列，由式（1）—式（3）對指標權重進行計算。具體指標打分值和權重見表5 和表6 。

表5 準則層環境指標數據及權重

表6 指標層環境指標數據及權重

3.2 項目環境評價

根據表4 中裝配式建筑的環境影響指標無量綱化處理值，建立環境評價指標的灰色聚類權矩陣如下：

由式（6）對環境評價指標的權重向量Wi和灰色聚類矩陣Ri計算，得到灰色聚類評價矩陣Zi為：

同時，根據一級指標的聚類評價，由式（7）可得綜合聚類評價向量為：

結合式（8），得環境評價值為：

3.3 結果分析

根據綜合權重指標排序可得：E2＞E3＞E1。可以看出，室內環境指標較為重要，即用戶及社會滿意度應放在首位；同時，環境保護指標的權重與室內環境指標相差值為0.0162，說明這兩個因素的重要性接近，與以往研究結果不同，突出了室內環境因素的重要性。根據環境影響綜合評價值為6.8544，確定其為環境評價等級中的第Ⅱ等級，說明該建筑結構的綜合環境評價良好，這與項目的實際環境情況基本一致，也體現了裝配式建筑的特點。

結合項目的實際情況發現，該項目在土地占用方面表現優秀，項目施工現場較為整潔，材料器械占用空間較少，土地利用合理。鋼結構住宅對于鋼材的消耗量較大，前期投入高，但后期拆除階段鋼材的回收率為90%，具有避免資源浪費和減少建材生產的環境污染的優勢。鋼結構室內隔音降噪效果較差，主要是由于內部墻板收縮造成與鋼梁相接處、墻板轉角接口處出現裂縫，同時工人的不規范施工和缺乏經驗也會導致內部結構出現裂縫，導致結構保溫性能受損。

上述問題與項目環境指標得分數值反映基本一致，評價結果與現場實際相符，說明了上述環境評價標準和評價模型能夠反映裝配式建筑的環境等級，具有一定的可行性。

3.4 裝配式建筑的發展對策建議

（1）政府給予裝配式建筑一定的鼓勵扶持和引導：近年來，我國出臺了一系列裝配式建筑政策，但企業因裝配式建筑前期投入過大、成本高，對裝配式建筑的建設熱情不高。政府應給予企業一定的引導和扶持，提升企業發展的信心和動力，同時向消費者積極宣傳裝配式建筑的優勢特點，使其正確認識裝配式建筑所帶來的綜合效益。

（2）建立完整的裝配式建筑供應鏈體系：裝配式建筑供應鏈上下游企業間的信息協同優化應以行業規范為基礎，構建裝配式建筑供應鏈信息共享平臺，實時共享項目動態信息，保證裝配式建筑的設計-生產-運輸-安裝-運維一體化發展，確保圍護結構與結構主體間連接性、密閉性等技術問題快速處理，減少建材浪費，提升建設效率，推動裝配式建筑產業化發展。

（3）培養高水平專業技術人才：當前裝配式建筑在我國的發展仍處于初級階段，相關領域從業人員的能力不足，企業和高校可開展進修培養計劃，開展專業知識授課和施工操作教學，提高技術人員的專業素養和操作水平。

4 結論

（1）結合裝配式建筑特點與生命周期理論，從室內環境、室外環境、環境保護三個角度建立裝配式建筑環境評價指標體系，并結合相關規范及文獻建立了評價標準和評價等級。

（2）COWA 算子確定了環境評價指標的權重，減弱了專家因主觀評價帶來數值的極端性。同時，將灰色聚類理論與環境評價體系相結合，解決了環境分類界定范圍的灰色性，可對建筑的環境等級做出判斷，結合現場實際情況證明，運用該模型對裝配式建筑環境評價是可行的。

（3）裝配式建筑的環境評價體系有利于發現建筑存在的環境問題，及時采取處理措施，有助于我國的裝配式建筑走向成熟。