基于云模型的装配式建筑可持续发展评价

李国昌，马涛，章蓓蓓

（安徽建筑大学 经济管理学院，安徽 合肥 230601）

“十九大”之后，中国开始了全面建设社会主义现代化国家的新征程，装配式建筑的发展迎来了新的机遇，同时也面临着新的挑战。移动互联网、云计算、大数据与建筑行业的深度整合促进了建筑方式的转型，整个产业链设计、生产与建设流程加快了装配式建筑企业的发展，对装配式建筑的需求也在急剧增加。2017年7月住房和城乡建设部发布《“十三五”装配式建筑行动方案》，提出统筹发展装配式建筑设计、生产、施工及设备制造、运输、装修和运行维护等全产业链，增强产业配套能力。现在各个地方都在努力推进装配式建筑的实际应用，但是由于装配式建筑产业链成熟度不高、信息不对等、相关人才和产业技术工人资源缺乏、过程管理机制缺失等问题，使得装配式建筑可持续化发展停滞不前。因此，为促进装配式建筑的可持续发展应用，有必要建立一个科学的评价体系。

1 装配式建筑可持续发展的概念及内涵

1987年世界环境与发展委员会提出了”可持续发展”的概念。对于装配式建筑可持续发展，当前还没有一个统一的概念，研究在对可持续发展内涵的学习和理解的基础之上，根据装配式建筑的特点，做出相应的装配式建筑可持续发展概念界定。研究认为装配式建筑可持续发展是一种度，用来描述装配式建筑在全生命周期中的一种客观状态，这种状态是装配式建筑自身所固有的特性。

从系统科学的角度来看，装配式建筑的可持续发展需要从宏观到微观，从政策到技术的一系列支持和保证。应该进一步明确可持续发展的内涵，以提供制定政策、引入限制规定、技术研发、开拓市场等决策方面的支持。研究将装配式建筑可持续发展的内涵剖析为安全可靠、低碳环保、智能化、引导产业发展四个方面。

安全可靠贯穿于装配式建筑的全生命周期，可分为规划安全、建设安全和运营安全。规划安全应当以不同发展阶段的要求为基础，建立不同的安全规划目标，以作为建设和运营安全规则制定的基础。建设安全不仅要保证建设流程的安全，而且要保证工程质量，需要专业的、标准化的技术转让、操作指南和管理系统。运营安全要对“人、机器、环境和管理”四个方面进行分析和管理，及时识别安全问题和风险点，迅速制定相应的战略措施，以减少风险，改善安全。可持续的装配式建筑应该是低碳环保建筑，低碳环保包含环境友好和低能耗。“环境友好”是为了减少装配式建筑在全生命周期内对外部环境造成的负面影响。“低能耗”是指从装配式建筑装备到运行管理的一系列环节中，对节能减排提出的要求。智能化是装配式建筑安全和效率的重要保证，是对管理者和使用者的智能。装配式建筑应当引领产业的发展，装配式建筑发展的各个方面都与工业发展密切相关，工业开发水平不应是装配式建筑发展的瓶颈，而应该主动适应其发展。

2 装配式建筑可持续发展评价指标体系建立

指标的构建应反映装配式建筑的标准化程度，构建原则应从整体上把握装配式建筑的可持续发展，给予合理的评价。装配式建筑可持续发展评价评指标的选择，一般遵循科学性、可操作性、多样性、层次性和完整性这五项基本原则。

通过全生命周期过程这一理论可以将装配式建筑可持续评价划分为产品设计、生产与运输、施工、使用与日常维护和材料报废与资源回收5个主要阶段。通过整理相关文献，分析现有众多学者的研究成果，对其中实用性指标进行统计分析。在此基础上，对使用频度较高的指标进行筛选及调整，最终得到装配式建筑可持续发展指标评价体系。

在设计阶段，首先证明项目的可行性，其次强调体现土地集约性，为将周边环境的危害降到最低，应该持续改善土地资源的利用效率。建筑所处的空间位置是否合理，所需技术设备是否满足要求也需要在设计阶段充分考虑。通过文献整理得到项目净现值、动态投资回收期、环境适应性、选址与城市系统协调、设备技术水平、预制率、能源消耗率、土地利用率、原材料利用率9个指标。齐宝库认为环境适应性、选址与城市系统协调、设备技术水平、预制率对于装配式建筑的设计阶段影响较大；刘喆认为能源消耗率、土地利用率、原材料利用率对于装配式建筑的设计阶段影响较大。

在生产运输过程中，资源的不充分使用会造成环境施工过程中的耗能，各种污染物的排放都会对环境产生影响。在节能、环保的同时预制件的生产和运输的成本应重点考虑。通过文献整理得到构件生产成本、构件运输成本、废料产生量、废水排放量、生产机械化程度、材料节约及低碳材料使用率、水资源利用率7个指标。徐雨濛认为构件生产和运输成本、生产机械化程度、废料和废水排放量、材料节约及低碳材料使用率、水资源利用率对于生产运输阶段影响很大。

在施工阶段，要提高节约水资源的意识和重要度，强调雨水和污水的再利用。在施工过程中，要提高室外因素的重要性，尽量提高周边绿地的占比面积，同时满足文明建筑施工的要求。通过文献整理得到构件安装成本、噪声污染程度、扬尘排放量、固废排放量、污废水排放量、碳排放量、绿化率、工人技术熟练度、机械节能率9个指标。郑玉婷认为构件安装成本、噪声污染程度、扬尘排放量、固废排放量、污废水排放量、碳排放量、机械节能率对于施工阶段的影响较大。

使用和维护阶段应改善室内环境，提升室内环境的舒适度，同时要注重运营管理以及废弃物的收集和处理，实现水资源的有效利用，并确保良好的绿化效果。通过文献整理得到运营维护费、垃圾回收处理能力、室内自然采光系数、室内新风率、污废水回收利用率、居民满意度6个指标。杨苏认为室内自然采光系数、室内新风率、污废水回收利用率在使用和维护阶段比较重要。

报废与维护阶段主要考虑建筑的使用年限、回收阶段的技术设备水平以及建材的重复利用情况。

通过对各阶段的分析以及文献阅读，并且结合专家意见，最终得到表1装配式建筑可持续发展指标评价体系。

表1 装配式建筑可持续发展指标评价体系

3 基于云模型的综合评价

3.1 云模型概念及应用

云模型是以综合概率和模糊数学理论为基础的质量概念和定量数值变换模型。通过期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）的三个数值特性，有机地结合评价对象的模糊、随机以及不连续性，实现不确定性和定量价值概念之间的自然转换。

目前在决策领域中使用云模型的研究相对较少。虽然一些研究人员在准则值用语偏好的决策问题上使用浮动云进行集合，并根据云图的相对贴近程度来决定解决方案的排名，这种方法仍然存在一定的局限。部分学者对复杂系统的评价过程很感兴趣，以云模式为基础，构建了定性变量与定量变量转换方法，通过多重条件及多规则生成器，将定性变量及定量变量在不同条件下变换，最终确保测试对象的质量水平。部分学者在综合评价中考虑运用云权重，但是在激活相同的云模式时，如果有其他的准则值参与，就无法解决排名问题。

3.2 评价等级界定以及指标权重的确定

为了将装配式建筑可持续发展的评价进行量化处理，研究将评价标准划分为5个等级，分别为优秀、良好、合格、差、极差。根据指标评价体系可知其评价指标众多，评价结果易受指标主观赋权的影响。所以，本文运用以组合数为基础的加权平均运算C-OWA，以减少专家主观偏好所引起的负面影响。但是使用该方法所得到的指标权重与位置有较大关系，这使得结果准确性降低，熵权法弥补了这一缺陷。所以，本文综合C-OWA算子和熵权法来计算权重，方法如下：

（1）邀请行业

n

个专家对同一阶段所包含的指标的影响度评分，指标C的数据集为（a，a，…，a，…，a），把这一数据集从大到小的依次重新排列，并从0开始标号得到b≥b≥b≥ …≥b≥…≥b，即：（b，b，…，b，…，b）。

（2）计算b的加权向量为：

（4）计算相对权重，可表示为：

（5）将

n

个专家的评分结果构造成

R

=(

r

)，其中

r

表示第

x

个专家对第

i

个指标的评分。将R矩阵标准化处理后得

R

'=(

r

')；（6）计算第

i

个指标的熵值

e

为：

（7）计算第

i

个指标的熵权

β

为：

（8）结合C-OWA算子和熵权法，计算综合权重为：

3.3 评价标准云和评价综合云

邀请

m

个专家对

n

项指标打分

D

=（

d

，

d

，…

d

，…

d

），其

i

=1，2，…，

m

，

j

=1，2，…，

n

，结合下式计算得到所有指标的评价云，其中第

j

个指标的评价云为

C

=(

E

,

E

,

H

)。

3.4 计算相似度并确定评价等级

运用MATLAB软件，通过上述公式计算评价 综 合 云

C

=(

E

,

E

,

H

)与 各 等 级 的 标 准 云

cloud

=(

E

,

E

,

H

)之间的云相似度

δ

，相似度越大则意味着该装配式建筑可持续发展评价与该评价等级越接近，反之则隶属度越低。

4 实证分析

4.1 工程概况

实证分析所选项目是青岛开发区一所小学，这是青岛第一座组合式公共建筑，主要为教学楼和体育馆，教学楼20 084.61 m，体育馆27 863.62 m。土地面积36 721.50 m，总建设时间为300天。建筑的整体装配式比率为34%，装配式比率为43%。

4.2 确定评价标准并计算评价标准云

结合该教学项目的实际开展情况，将该项目的可持续发展评价等级标准划分确定为5个基本等级，分别为优、良、一般、差、极差，设定五个评分等级阈准均值为[0，10]。吕辉军认为逆向云函数发生器的计算准确度与

x

和

he

的绝对值误差有着密切的相互关系，如果设为en/he>10，ex的绝对误差大约为0.01以下，en/he的相对误差大约为2%以下，he的相对误差为10%以下，认为0.04是可以满足要求的。根据公式（7），可得到评价等级的云模型的特征参数，如表2评价等级及对应云模型所示。

表2 评价等级及对应云模型

4.3 计算综合权重和综合评价云

从专家库中选取15名专家进行评价，专家均具有建筑领域丰富的专业知识，对装配式建筑有深层次研究和类似评估经验，对评价体系的各项指标进行打分，并结合相关项目的数据计算各项指标的组合权重。将专家对各指标的评估结果带入公式（8），计算出各指数的指数云，计算结果如表3各指标权重和指标云所示。

表3 指标权重和指标云

将各指标的评价云与组合权重代入（9），可得到该项目的综合云C=（6.721，1.447，0.8096），其云图如图1所示。通过云图可以较为清晰地看出该教学项目的可持续发展的评价介于一般与良好之间，为了进一步确定该教学项目的可持续发展程度，还需要结合相似度进行验证。

图1 评价综合云图

4.4 计算相似度并确定评价等级

对综合云C =（6.721，1.447，0.8096）和5个标准云间的相似度进行计算和评价。通过计算可以发现综合云C与标准云Cloud最相似，所以项目可持续发展的评价等级为一般。

5 结论

本文从生命周期的各阶段入手，对比各种方法，最后采用C-OWA算子和熵值法来求得综合权重，使用云模型对装配式建筑可持续发展进行综合评价，这样能够较快发现各阶段的问题并提出解决办法。C-OWA算子和熵值法的共同使用减小了极端情况对于权重的影响，同时两种方法相互弥补，从而使得权重更加准确。模型的选择对于评价也尤为重要，通过多方面，多方位的对比，本文选用云模型，该模型较好解决了不确定性这一问题，使得从定性评价转变为定量评价的成为可能，为今后装配式建筑可持续发展评价提供了借鉴。最后，将模型运用于实际项目，通过对青岛开发区一所小学的综合评价，证明了文中的模型是可以准确评估其可持续发展能力水平，为装配式建筑行业健康、稳定、协调、可持续发展提供了一定的借鉴。