內蒙古草原牧區輕型裝配式木結構墻體評價體系研究

王 安 伊若勒泰 張銘軒

內蒙古自治區的草原牧區有大量牧民居住。隨著現代社會的快速發展，牧民的居住方式逐漸由游牧生活轉向定居生活，部分居住建筑也由傳統的蒙古包轉變為磚木或混凝土結構的建筑。但是，這些建筑建設標準較低、質量參差不齊，容易對生態環境造成破壞。為改變這一現狀，我國農業部發布了《全國草原保護建設利用“十三五”規劃》，強調了保護草原環境的重要性[1]。此外，“碳達峰”、“碳中和”工作對傳統建筑材料的使用也提出了新要求。

由于輕型裝配式木結構建筑具有良好的性能，有利于促進建筑業與工業化的深度融合，因此在內蒙古草原牧區新建建筑中，裝配式建筑的比例越來越高。許多專家學者也對此做出了嘗試：王昱迪等[2]基于內蒙古草原牧區的氣候特點來改良傳統建筑，為新型節能民居的建設提供參考；徐洪澎等[3]設計了嚴寒地區被動式木結構的建筑結構，并計算其碳排放量；邸芃等[4]研究了寒冷地區裝配式建筑外圍護結構的節能設計。目前，缺乏對內蒙古草原牧區裝配式建筑基礎理論的研究，對于裝配式建筑節能構件的設計較少，裝配式建筑外圍護構件設計還有很大的改進空間。

基于此，為補充內蒙古草原牧區輕型裝配式木結構建筑的理論研究，為草原牧區建筑建設提供一定參考，本文結合內蒙古草原牧區外圍護構件系統發展的實際情況，評估常用的傳統磚墻、輕型木結構建筑墻體、加厚輕型木結構建筑墻體和發泡聚苯乙烯EPS模塊墻體在草原地區的經濟效益、環境效益與社會效益，選取適用于內蒙古草原牧區的裝配式建筑墻體，以期能夠為內蒙古地區草原節能建筑提供技術支撐。

1 界定各層次影響因素

為構建草原牧區建筑墻體層次分析模型，本文梳理文獻資料，經過綜合對比和分析，將與決策有關的因素分為環境友好程度、建筑質量、建筑成本和建造效率4個層次的評價指標，并以此為根據設計調查問卷[5]。

1.1 環境友好程度A1

內蒙古的生態地位極為重要，但其生態環境極其脆弱，大部分疆土處于森林-草原-荒漠的“生態應力帶”上，屬于生態脆弱區。牧區的建筑墻體通常由砌塊建造而成，墻下基礎多為條形基礎，尺寸較大、埋深較深。在材料運輸和建造過程中，容易嚴重影響草原的生態構成，對草原的生態環境造成不可逆的傷害。除此之外，在傳統建筑墻體的建造過程中，會產生大量建筑垃圾，造成環境污染。經分析，建筑的環境友好程度受下列指標影響：土地破壞程度B1、建筑垃圾產生量B2。

1.2 建造質量A2

草原牧區的工程項目往往呈現小規模和零散化的特征，施工質量依賴工人的施工技術水平。從現場調研結果來看，現有建筑存在明顯的質量缺陷，如門窗、屋頂與墻體密封不嚴及墻體保溫效果差等問題。根據夏季夜間的實際測量數據，當地民居建筑外墻內表面與房間中心溫度差的平均值約6.3 ℃，墻體傳熱系數較高。經分析，影響墻體建造質量的指標為材料質量B3、構件質量B4 和安裝精度B5。

1.3 經濟成本A3

墻體經濟成本是建筑全生命周期成本的重要影響因素，很大程度上決定了牧民的購買意愿。影響墻體經濟成本的2 個重要指標分別為生產投入成本和運營維護成本。其中：墻體生產成本包含墻體材料采購成本、工人雇傭成本、設備租賃成本、設備運輸成本以及建筑垃圾處理成本；墻體運營維護成本為建筑裝配完成后正常使用所需的成本，包括日常維修成本和翻新成本[6]。經分析，墻體經濟成本受到以下指標的影響：生產成本B6、維護成本B7。

1.4 建造效率A4

墻體的建造效率與建筑預制裝配率、材料設備和氣候環境等因素密切相關。墻體的生產效率受到生產工藝和工廠技術的制約。裝配式建筑預制墻體模塊的工廠生產過程與現場建造過程互不干擾，可以有效提高墻體的建造效率，保障建造質量。天氣情況和施工團隊也會對建造效率產生影響，而合理的規劃管理可以減輕這種影響。經分析，墻體的建造效率受到以下指標的影響：工廠生產效率B8、現場建造效率B9。

2 構建建筑墻體層次分析模型

2.1 建立遞階層次結構

在應用層次分析法進行決策時，需要將問題條理化和層次化，建構有層次的結構模型。本文按照層次分析法的核心思路，將草原牧區輕型裝配式木結構墻體的綜合發展價值作為目標層，將決策時需要遵循的指標作為準則層，包括環境友好程度A1、建造質量A2、經濟成本A3 及建造效率A4 這4 個指標。依據草原民居建筑的需求，將準則層的一級指標進一步細分為二級指標，依次為土地破壞程度B1、建筑垃圾產生量B2、材料質量B3、構件質量B4、安裝精度B5、生產成本B6、維護成本B7、工廠生產效率B8 以及現場建造效率B9。

B1 是指墻體在材料運輸和建造過程中對土地的破壞程度。B2 是指現場作業時產生的建筑垃圾。B3 包括外觀質量、強度等級與密度等級等影響墻體材料質量水平的因素。B4 包括制作工藝、構造質量及成品保護措施等影響構件質量水平的因素。B5 包括基礎設備因素和人工測量誤差等影響建筑墻體安裝精度的因素。B6 是指建筑墻體在生產過程中所耗費的成本，包括建筑材料采購、工人雇傭、設備租賃、材料設備運輸以及建筑垃圾處理等費用。B7 是指建筑墻體裝配完成后正常使用所需的成本，包括日常維修成本和定期翻新成本等。B8 包括墻體預制裝配率、墻體具體生產工藝與工廠規模等影響工廠生產效率的因素。B9 包括預制率、施工團隊與氣候環境等影響現場建造效率的因素。根據以上分析結果，建立遞階層次評價模型。

2.2 構造判斷矩陣

本研究采用專家調查法，在遞階層次評價模型的基礎上編制專家咨詢表，由木結構裝配式建筑和綠色建筑等方向的專業人員填寫。受邀請的專業人員共17 人，碩士研究生與博士研究生4 人，有實踐經驗的工程師5 人，相關方向的教師8 人。要求6 名受訪者對各指標的重要程度打分，14 名受訪者對4 種墻體的各指標性能打分，評分方式實行5 分制。

專家打分結束后，對目標層和準則層評分表加權平均處理，采用九級標度法對準則層的每個指標進行定向成對比較，并確定準則層各指標對目標層指標的權重。比較結果分為相同、稍強、強、明顯強和絕對強5 個等級，用1 ～9 來定量比較結果，形成判斷矩陣。統計結果如表1 ～表5 所示。

表1 判斷矩陣A

表2 判斷矩陣A1

表3 判斷矩陣A2

表5 判斷矩陣A4

2.3 一致性檢驗

根據判斷矩陣，計算一次性指標。

一次性指標的計算公式：

式中：CI為一次性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n 為唯一非零特征根。

從表6 中，查找一致性指標RI。

表6 平均隨機一致性指標

一致性比例的計算公式：

式中：CR為一致性比例。

由計算式（1）、（2）可得，一致性比例小于0.10，一級指標和二級指標判斷矩陣的一致性結果均能接受。

2.4 層次總排序

依次計算一級指標與二級指標對于目標層的權值，合成相對權重，并對各方案排序，如表7 所示。

表7 草原建筑墻體綜合發展價值評價指標權重表

由表7 可得：一級指標的綜合權重排序為A2 ＞A1 ＞A4 ＞A3，二級指標的相對權重排序為B2 ＞B6 ＞B4 ＞B9 ＞B1 ＞B8 ＞B3 ＞B7 ＞B5；在一級指標中，各指標的權重相差較小，建造質量A2 的權重最高；在二次指標中，各指標的權重差異不大，建筑垃圾產生量B2 的相對權重最高，安裝精度B5 的相對權重最低。

3 輕型裝配式木結構墻體性能分析

去掉分數最高與最低的調查問卷，以5 分制的評分方式量化4 種墻體在內蒙古牧區的性能。通過墻體的各項指標得分情況，對比分析4 種墻體的綜合優缺點。

3.1 設置墻體模型

將當地民居常用的370 mm 厚磚墻+20 mm 厚擠塑聚苯乙烯（Extruded Polystyrene，XPS）保溫板作為對照組W1，將墻骨柱規格材截面尺寸為40 mm×185 mm 的輕型木結構墻體設置為W2。將墻骨柱規格材截面增大為40 mm×280 mm，加厚輕型木結構建筑墻體設置為W3。此外，在輕型木結構墻體的基礎上，優化建筑的各項性能，并將雙層200 mm 厚EPS 模塊作為墻體內的保溫層。將此墻體設置為W4[7]。

3.2 結果與討論

根據專家的評價意見與咨詢表的結果，計算出W1、W2、W3、W4這4 種墻體的相對優劣排序值分別為33.044、44.909、43.573 和50.904，分數排序為W4 ＞W2 ＞W3 ＞W1。根據此排序結果，可以得到EPS 模塊墻體是綜合性能最佳的墻體。

專家普遍認為，作為對照組的磚墻經濟成本最低，但其性能弱于裝配式建筑的墻體。在3 種輕型裝配式墻體中：輕型木結構墻體的環境友好程度較高，污染物排放量低；經過改良后的EPS 模塊墻體人工成本低、施工速度快、性價比較高，具有保溫性能好、抗震、防潮和節能環保的優點。專家意見和墻體實驗數據與劉軍等[8]的研究結果互相印證，EPS 模塊墻體是適合在內蒙古草原牧區建造的一種墻體。

4 結語

本文采用層次分析法來評價輕型裝配式墻體，充分考慮影響墻體綜合發展價值的眾多因素，采用專家綜合取值的方式，將定向指標定量化，為層次分析模型中判斷矩陣的標度賦值。通過本研究得出EPS 模塊墻體的綜合發展性能優于其他墻體，建議在內蒙古草原牧區進一步推廣及應用。