基于變權法的裝配式鋼結構綠色度評價

溫海燕，劉 靜，祁 騫，馬維珍

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，我國現代建筑產業化迅速崛起，以裝配式為代表的建筑在我國迅速發展。裝配式建筑是將預制的結構部件在現場裝配而成的建筑體系[1]。裝配式鋼結構建筑適用于低層、多層、高層、超高層建筑和部分工業建筑[2]，且裝配式鋼結構因自重輕、造價低、安裝容易、周期短且抗震性能好及施工污染小等綜合優勢被譽為綠色建筑[3]。綠色建筑是在建筑設計、施工、運行、維護、實用等全壽命周期階段，要求達到節地、節能、節水、節材、節人和環保的要求。隨著建筑可持續化發展理論和“綠色化”的不斷深入，綠色建筑成了新思潮和新方向。因此，推進節約、環保、低碳的綠色建筑是環境友好、資源節約和推進行業社會發展的必然選擇[4]。

目前，國內外專家學者針對裝配式建筑的綠色度評價做出了部分研究。國外，Yuya Kajikawa[5]認為，綠色建筑為環境和諧的一種設計實踐，從不同方向、不同學科交叉組合，更好地增進設計及實施等。Assad 等[6]從經濟、文化、生態等方面對建筑綠色化進行綜合研究。國內，曹志成[7]從經濟綠色度、機制運行度、環境平衡度、效益協調度4 個方面構建裝配式建筑綠色度評價體系，并基于TOPSIS 評價模型計算指標的貼進度，對裝配式建筑綠色度進行評估研究。龍姍等[8]從建筑全壽命周期角度分析裝配式建筑綠色度，從5 個階段分析構建綜合評價指標體系，運用云物元模型進行裝配式建筑綠色等級評價。程灝等[9]從技術應用、環境治理、安全防護、經濟效益、社會影響、能源與資源利用6 個方面構建裝配式建筑綠色施工評價指標體系，運用獨立性權法與灰色系統理論評價模型有效解決了綠色施工信息獲取不正確及指標相關性誤差所造成的問題。裝配式建筑作為當今社會一種低碳節能的建造模式，對其進行有效的綠色度評價，能進一步指導和提高其低碳效益，使其更加環保節能。目前對綠色度的評價大多集中在傳統建筑上，關于裝配式鋼結構綠色度狀況評價的研究卻寥寥無幾。

本文參考綠色施工相關評價標準，首先從建筑的材料選取、環境、安全和實用功能等方面進行考慮，全面構建裝配式鋼結構的綠色度狀況評價指標體系。其次在常權法和變權法的基礎上確定各指標權重，利用組合賦權法將主、客觀權重進行融合，并引入木桶理論求得裝配式鋼結構綠色度綜合指標得分，進而對裝配式鋼結構建筑綠色度等級進行綜合評價。最后以甘肅省蘭州新區某裝配式鋼結構項目為例，驗證此評價方法的科學性，以為裝配式鋼結構建筑的綠色度評價貢獻一定的參考價值。

1 裝配式鋼結構綠色度評價方法

1.1 指標體系構建

裝配式建筑建造原理是基于預制構件進行的系統集成，以實現建筑功能。在系統集成過程中，各系統之間的交叉和相互影響非常復雜。相比一般建筑的評價指標體系，裝配式鋼結構建筑綠色度是尋找傳統施工方式、生態環境和項目效益三者的協調性，在國家政策的規范下，講究環境保護、經濟效益、資源節約、工期、成本、社會效益與質量等傳統指標的共贏[10]，因此要從裝配式鋼結構建筑原材料的生產、環境和諧度、安全、節能、社會功能匹配度、裝配式技術水平和使用功能7 個方面建立綜合評價指標體系。

綠色建造過程中必須考慮裝配式鋼結構建筑。裝配式鋼結構建筑在前期準備過程中需考慮生產設備的的效益如何，在生產材料過程中排出的污染物對環境的傷害程度，建筑對周圍自然環境破壞是否嚴重，能否合理利用周圍已有的公共設施環境。同時在施工過程中是否節約使用施工用水和生活用水，建造過程中對建筑材料節約能力如何，廢舊材料是否可以重復利用，對施工人員安全管理教育，考量裝配式建筑標準化程度等。在后期使用過程中，考慮其向社會公眾對容積率、綠地率的開放程度，維護費用的高低，場地處于建筑陰影處的廣場等活動區遮蔭面積比例如何，是否良好地利用了附近的熱源以降低建筑供熱空調的能耗。

通過以上分析，本文以7 個一級指標為基礎進一步選出18 個二級指標，確定了裝配式鋼結構綠色度評價指標體系，詳見表1。

表1 裝配式鋼結構綠色度評價指標體系

1.2 權重確定模型

1.2.1 向量夾角余弦-常權權重

（1）構建評價指標最優值向量S*和最次向量s*[11]

（2）構造各個評價對象與最優向量值和最次向量值的相對偏差矩陣R 和Δ：

（3）確定評價指標向量夾角余弦權重值：

1.2.2 客觀變權法

客觀變權權重是在傳統賦權方法的基礎上，考慮其他因素在實際工程施工中的動態變化來確定的權重。確定變權權重是通過構建均衡函數，對強勢指標進行激勵，使權重變大，對劣勢指標進行抵制并縮小其權重。根據變權模型，可得出因素變量為：X=（x1，x2，…xn），可得出狀態變權變量為：S（X）=（S1（X），S2（X），…Sn（X）），則變權向量為：W（X）=（W1（X），W2（X），…Wn（X）），可用W0和S（X）的歸一化表示，即：

1.2.3 組合賦權法

裝配式鋼結構綠色度評價是一個多目標評價過程。主觀賦權易被決策者主觀判斷價值差異性影響使得權數產生差異，而客觀賦權法是以數學統計方法進行，與指標的實際情況不符。為避免單一賦權方法的局限性，提高權重可靠性，采用以下兩類方法將主、客觀賦權所得權重進行組合。

在權重融合時需對各賦權法所得權重先進行一致性的檢驗，避免不同賦權法所得權重會相互矛盾。當有兩種賦權方法進行融合時，利用距離函數d（u（1）u（2））刻畫一致性程度，當0≤d（u（1）u（2））≤1 時，兩種賦權法所得權重通過一致性檢驗[12]。

1.2.3.1 乘法合成組合賦權

乘法合成是將常權及變權法所得的權重進行折中。由于各賦權法所求權重具有相似重要性，將各賦權方法所得某指標權數用主、客觀賦權法進行相乘，再歸一化求得組合權重[13]。計算如下

1.2.3.2 博弈論組合賦權

博弈論是運籌學的重要分支學科，不同于傳統簡單線性組合賦權，研究競爭事物之間的相互影響，分析多個決策主體間相互影響時理性的行為，均衡主、客觀權重問題。博弈思想各方依據“協調沖突，利益最大化”進行決策，需各方協調統一去尋找共同利益的最大均衡組合，即需要組合權重和各權重間離差最小化[14]。基于博弈論思想的權重融合步驟如下：

（1）通過m 種賦權方法求取指標權重，并綜合。

構造基本權重集Q={q1，q2，…，qm}，將這m 個向量任意進行線性組合構成一種可能的權重集。

式中：ak為權重系數；q 為權重向量集的一種可能權重向量。

（2）為使q 與各qk之間的離差最小化，根據決策模型，尋找最優權重系數ak，并基于博弈思想在向量集中尋找最滿意的q*，即：

根據矩陣微分轉換性質，得到式（10）最優一階導數：

式（12）為轉化的線性方程組：

（3）求出（a1，a2，…，am），并對其歸一化處理：

最后得到組合權重為：

1.3 基于木桶理論的綜合指數法

木桶理論也稱短板效應，指的是一只木桶盛水量的多少取決于組成該桶最短的木板。只有所有的木板全部足夠高時，才會使木桶盛滿水。所以，要提高木桶的盛水量，必須補長最短的木板[15]。將木桶理論用于裝配式鋼結構綠色度評價時，將組成木桶的木板量當作所建指標體系中的準則數或指標數，將各木板的寬比成準則或者指標權重數，并以木板高比為準則或指標所得分，即相應的綠色度狀況。裝配式鋼結構綠色度評價中，傳統的綜合指數法只是進行簡單加權，未使短板效應體現到最終評價結果上。本研究基于木桶理論綜合指數法，應用對數函數原理將乘法轉成加法，使系統某準則或指標崩潰時表現其短板效應，讓結果更加真實。該方法的計算公式如下：

式中：PGIc為基于木桶理論的裝配式鋼結構綠色度評價指數；Ii為第i 項指標得分；ui為第i 項指標相應權重。

裝配式鋼結構綠色度評價結果為非綠色、淺綠色、深綠色、高綠色4 個等級，將5 分制評價標準采用log5進行轉換得到以下等價劃分表（見表2）。

表2 裝配式鋼結構綠色度評價等級劃分

2 裝配式鋼結構綠色度評價

2.1 項目概況

目前甘肅省大力推廣裝配式鋼結構的住宅產業化，促進建筑業可持續發展。本文以甘肅省蘭州新區某出城入園項目D 地塊建設裝配式鋼結構住宅產業化示范小區為例，本工程主要由二類高層住宅、配套商業和地下一層機動車停車庫共同組成。總建設用地面積37 789.1 m2，建筑面積101 734.67 m2，其中住宅建筑面積61 700.11 m2，安全等級為二級，設計使用年限為50 a，建筑耐火等級為2 級，抗震設防烈度為七度。建設項目使用的部品部件均為標準化生產，預制構件現場安裝減少了濕作業的量，也減少了建筑垃圾的產生，同時建設單位也建立了全面的綠色施工管理制度。其4#、6#、8# 住宅采用H 型鋼框架-鋼板剪力墻結構體系，其他住宅樓和商鋪結構類型均為冷彎矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁框架。為了更好地對裝配式鋼結構綠色度水平進行評價，現選取該示范小區4#、7#、8# 的相關資料和數據對其進行評價。

2.2 權重計算

依據評價指標體系，邀請6 位專家依據1～9 分制打分法建立裝配式鋼結構綠色度評價分值表，具體分值見表3。再依據式（1）～式（6）確定其常權權重和變權權重（見表4）。

表4 變權權重計算結果

2.3 綠色度指數計算

根據表3、表4 所示的指標得分及賦權結果，利用式（15）計算不同賦權法下裝配式鋼結構綠色度狀況指數PGIc，結果見表5。表6 給出了裝配式鋼結構綠色度狀況指數。

表5 各賦權方法權重計算結果及裝配式鋼結構綠色度評價結果

表6 裝配式鋼結構各準則綠色度狀況

通過表6 可知，裝配式鋼結構綠色度評價指標PGIc處于[0.828 3，0.853 7]范圍內，參考裝配式鋼結構綠色度等級劃分表，可確定產業化示范小區裝配式鋼結構建筑的綠色等級為深綠色，其綠色度達到國內頂尖水平。而從表6 分析裝配式鋼結構各準則綠色度狀況可得材料生產、安全、節能、社會功能匹配度、裝配式技術水平、環境和諧度和使用功能綠色度狀況等級與裝配式鋼結構綠色等級相同，為深綠色，但是環境和諧度和使用功能綠色度狀況分值較低。

因此，為使裝配式鋼結構的綠色度狀況向更好的趨勢發展，應該提升環境和諧度和使用功能這兩個準則的綠色度分值，同時維持其他5 個準則綠色度狀況。在建設前期階段提前衡量此建筑與當地自然環境及經濟文化程度的融合性，同時考慮在后期使用時建筑的使用功能是否良好地利用了附近熱源，熱導強度是否降低等，使各準則綠色度狀況同產業化示范小區裝配式鋼結構綠色度狀況保持一致，即裝配式鋼結構綠色度等級處于高綠色狀況。

4 結論

（1）通過對裝配式鋼結構建筑深入的分析和研究，結合其施工特點，建立了裝配式鋼結構綠色度評價指標體系。并基于常權權重和變權權重將主、客觀權重進行組合相融，減少單一賦權法的局限性，同時應用木桶理論的綜合指數法優化評價區間，使得裝配式鋼結構綠色度評價結果更加精準、科學。

（2）由表6 可知，裝配式鋼結構綠色度評價指標PGIc位于[0.828 3，0.853 7]，即裝配式鋼結構綠色度為深綠色。將裝配式鋼結構建筑與綠色建筑的發展相結合，保證建筑質量、使用壽命和實用性的基礎上，盡可能做到節能與減排，給人們創建安全與健康、實用且美觀的生活環境。