基于BP-WINGS-ISM的既有建筑節能改造風險因素研究

嚴斌 袁輝

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

相關統計數據顯示，2018年，我國建筑運行階段能耗占建筑總能耗的21.7%，碳排放占全國能源碳排放的21.9%[1]。可見，推動建筑業綠色發展是實現“碳中和”目標的有效途徑之一。與大拆大建相比，既有建筑節能改造產生的碳排放更少[2]。“十三五”期間，隨著節能建筑改造的推行，我國在節能建筑方面取得了顯著成效，共計完成新建節能建筑面積超238億m2，完成包括既有公共和居住建筑在內的節能改造近7億m2[3]。然而，既有建筑節能改造仍有較大空間，揭示既有建筑節能改造風險因素影響機制對于實現既有建筑節能改造可持續發展具有重要意義。

建筑節能是促進低碳經濟可持續發展的重要途徑之一，很多學者對此進行了研究。國內最早的建筑節能研究主要集中于新建建筑的設計階段。隨著既有建筑節能改造的推行和相關政策的出臺，研究重點傾向于既有建筑節能改造，但多集中在最早推行既有建筑節能改造的居住建筑。隨著研究的不斷深入，有關夏熱冬冷等地區和公共建筑的研究逐漸增多。

復雜多變的外部因素相互影響，共同作用于改造項目，使得建筑節能改造的可持續發展面臨巨大挑戰。吳思材等[4]利用SEM方法，從收益分配角度出發，定量分析了改造項目收益分配影響因素的相互作用關系，能夠有效促進項目收益合理分配；李柏桐等[5]從ESCO視角研究節能改造發展動力，明確了節能改造項目影響因素的內在作用機理，為促進ESCO和節能改造市場的發展提供了決策參考；喬婉貞等[6]從既有建筑節能改造三方主體(地方政府、業主、ESCO)視角，基于ANP和Fuzzy構建了三方主體的合作有效性評價體系；Economidou等[7]從政策選擇的角度出發，以塞浦路斯建筑存量現狀和現有的能效政策為基礎，建立Invert/EE-Lab模型，探討了不同政策對建筑未來能源需求的影響。

國內外學者在既有建筑節能改造項目風險管理方面都進行了深入研究。Streimikiene等[8]以多層公寓建筑節能改造項目為研究對象，對104個用戶進行了調查。結果表明，政府的財政支持和集體決策是節能改造實施的關鍵影響因素。陳立文等[9]以既有公共建筑為研究對象，實現了改造項目風險因素結構層次可視化，并將風險因素劃分為驅動型和依賴型兩大類，有助于政府和決策者實施科學有效的風險管理。華志超[10]基于ESCO視角，采用F-ANP方法對改造項目風險進行評估，利用項目案例論證了評價模型的適用性，進一步豐富了改造項目的風險評價體系。也有部分學者對改造項目風險分擔進行了研究。杜學美等[11]以城市更新項目為研究對象，基于合作博弈理論構建政府、ESCO和投資公司三方參與的風險分擔決策模型，并計算出參與主體的風險分擔最優比例，實現了合同外項目風險的有效分擔。

綜上所述，針對風險評價、風險因素作用機理和風險分擔的研究成果較為豐富，但對改造項目風險因素作用關系及層次分析的研究在一定程度上存在較大的主觀因素影響。基于此，本文引入BP神經網絡，降低問卷數據訓練與預測結果的主觀性，基于BP-WINGS-ISM方法從宏觀環境風險角度出發，揭示既有建筑節能改造風險因素影響機制，進一步豐富既有建筑節能改造風險管理理論體系。

1 既有建筑節能改造風險因素識別

既有建筑節能改造項目涉及前期準備、實施、運維等多個階段，參與主體較多，所面臨的外界環境風險因素復雜多變。通過整理既有建筑節能改造風險相關文獻[12-15]，采用PEST宏觀環境分析模型，將政策與法規、經濟環境、社會環境、技術環境4個維度作為既有建筑節能改造風險因素一級指標。

為更好地識別改造項目風險因素，引入霍爾三維結構模型，將既有建筑節能改造風險系統分為時間維(X軸)、風險類別維(Y軸)和參與方維(Z軸)[15]。將立項階段、改造階段等作為時間維，將政策與法規、經濟等作為風險類別維，將業主、政府等作為參與方維，以此構建既有建筑節能改造風險因素三維結構模型，如圖1所示。

圖1 既有建筑節能改造風險因素三維結構模型

在模型構建的基礎上，從X軸(時間維)的某點出發，依次找到Y軸(風險類別維)和Z軸(參與方維)中與該點的交點，并確定唯一的三軸交點，將該交點作為初步篩選指標。結合相關文獻分析，確定既有建筑節能改造風險因素指標，見表1。

表1 既有建筑節能改造風險因素指標

2 BP-WINGS模型構建

2.1 非線性加權影響測度體系計算步驟

(1)確定研究指標，量化各指標間的相互作用程度，得到直接影響矩陣，即

(1)

式中，影響aij為第i個影響因素對第j個影響因素的影響程度。

(2)對直接影響矩陣進行歸一化處理，得到規范影響矩陣，即

(2)

(3)利用規范影響矩陣，計算得到綜合影響矩陣T，即

T=X(I-X)-1

(3)

式中，I為單位矩陣；(1-X)-1為(1-X)的逆矩陣。

(4)根據綜合影響矩陣T計算各類參數指標。定義Ci為影響矩陣T的第i行的和，Di為影響矩陣T的第i列的和。公式如下

Tij=(tij)n×n

(4)

式中，Ci為總影響度，即因素xi對其他因素的影響程度，該值越大，說明該因素的影響度越大；Di為總接受度，即因素xi被其他因素影響的程度，該值越大，說明該因素的被影響度越大；Mi=Ci+Di為總參與度，即中心度，該值越大，說明該因素的重要性越大；Ri=Ci-Di為該因素在系統中的類別，若Ri>0，則該因素為原因型因素，若Ri<0，則該因素為結果型因素。

2.2 BP-WINGS模型計算流程

(1)收集數據。基于15個既有建筑節能改造風險因素，設計李克特5級量表問卷。其中，5分表示強影響、4分表示較強影響、3分表示中等影響、2分表示較弱影響、1分表示基本無影響。本次調查對象包括研究人員、專業人員等，采取線上、線下兩種調查方式，共回收問卷124份，剔除無效問卷28份，共回收有效問卷96份。

(2)導入數據。以影響因素矩陣x=(xij)m×n為輸入數據，以被影響矩陣y=(yij)m×t為輸出數據，以各因素自身強度的平均值矩陣a為預測數據，將初始數據整理后作為BP神經網絡的輸入層、輸出層數據和預測數據。

(3)BP神經網絡構建與訓練。借助Matlab軟件構建BP神經網絡，進行數據訓練與預測，采用梯度下降法(Scaled Conjugate Gradient，SCG)計算得到輸出結果，即直接影響矩陣。

(4)通過式(3)計算得到綜合影響矩陣T。

(5)通過式(5)和式(6)計算得到各影響因素的中心度和原因度，見表2。

表2 各影響因素的中心度和原因度

(6)繪制中心度-原因度分布圖，如圖2所示。

圖2 中心度-原因度分布圖

3 ISM模型構建與結果分析

3.1 ISM模型構建

(1)計算整體影響矩陣。將綜合影響矩陣與同維度單位矩陣相加，得到整體影響矩陣，即

B(bij)n×n=T(tij)n×n+E(dij)n×n

(7)

式中，E為n階單位矩陣。

(2)計算鄰接矩陣F=(kij)n×n。引入閾值λ，通常λ由專家根據經驗多次取值確定。本文結合各風險因素的中心度和原因度，分別取λ為0.19、0.20、0.21和0.22，得到不同閾值下既有建筑節能改造風險因素節點度衰減散點圖，如圖3所示。當λ=0.20時，節點度排序與中心度排序更為接近[16]。因此，本文取λ=0.20，經式(8)計算得到鄰接矩陣。通過布爾矩陣運算得到可達矩陣P=(qij)n×n。公式如下

圖3 建筑節能改造風險因素節點度衰減散點圖

式中，i，j=1，2，…，n。

(3)層級結構模型構建。在可達矩陣P中，第i行上值為1對應的所有因素組成的因素xi的可達集為S(xi)={xikij=1}；第i列上值為1對應的所有因素組成的因素xi的先行集為Q(xi)={xikij=1}。若滿足S(xi)∩Q(xi)=S(xi)，即可達集中的因素xi能在先行集中找到對應相同的因素，則該因素為頂層級的因素。將可達矩陣中的頂層級因素刪除，在其余的集合中重復以上步驟，直至所有因素都被劃分至對應的層級。

(4)繪制解釋結構模型圖。根據各因素間的可達和先行關系，得到既有建筑節能改造風險因素解釋結構模型，如圖4所示。

3.2 結果分析

3.2.1 中心度與原因度分析

激勵政策變化、監管機制不完善、成本效益低、業主改造意愿低、參與方之間信息不對稱、改造效果不達標6個因素具有較高的中心度，說明這些因素在既有建筑節能改造風險中具有主導作用，在風險管控中應重點關注；法律法規不完善、激勵政策變化、監管機制不完善等9個因素為原因型因素；前期投入費用高、成本效益低、業主改造意愿低等6個因素為結果型因素。原因型因素對改造項目同時具有直接和間接的影響，能夠對既有建筑節能改造項目產生直接作用，且能夠通過對其他風險因素的影響間接作用于項目改造風險。

3.2.2 ISM結果分析

從圖4可以看出，15個風險因素被劃分為5個層級，將5個層級進一步劃分為三個結構層次，即表層因素、中層因素和深層因素。表層因素是既有建筑節能改造的最直接風險因素，包括融資成本的不確定性、融資渠道單一、節能技術創新成本高等7個風險因素；中層因素為過渡因素，包括前期投入費用高、成本效益低、業主改造意愿低等5個影響因素，這些因素受深層因素影響的同時作用于表層因素；最底層為深層因素，由政策法規相關風險因素構成，是既有建筑節能改造項目的最關鍵風險因素。

4 結語

本文在識別節能改造項目風險因素的基礎上，基于ISM對風險因素進行層次結構劃分。針對各層級風險因素，提出以下建議：

(1)優化市場要素配置。優化市場要素配置是實現既有建筑節能改造市場可持續健康發展的有效途徑之一。通過完善上下游企業間信息共享機制，降低信息獲取成本。同時，利用信息共享平臺促進企業間的技術交流與融合，降低企業融資成本，拓寬融資渠道，完善企業融資的法律保障體系。

(2)引導既有建筑節能改造市場自主創新。引導高校、研究院等科研機構與企業合作，同時在財政上支持企業與科研機構合作創新，共同培養專業型、創新型人才。制定激勵政策，對創新企業給予適當的補貼，降低節能設備技術創新成本，帶動企業提升自主節能技術創新能力。

(3)引導公眾共同參與。通過線上媒體和線下宣傳引導公眾參與監督改造項目，增強公眾對既有建筑節能改造的認同感，促進改造項目規范進行。同時，提高公眾節能意識，提高業主改造意愿，促進既有建筑節能改造健康可持續發展。