基于组合赋权和灰色关联分析的绿色建筑设计方案优选

(重庆交通大学经济与管理学院 重庆 400074)

一、前言

中国经济发展面临着环境污染、资源枯竭等一系列问题，推行可持续发展理念，发展绿色经济已成为时代的迫切需要。近年来，随着新型城镇化的建设，建筑产业步入发展新阶段，然而其存在高投入、高污染和低效率等特征[1]，为可持续发展带来巨大阻力。提高新型城镇化建设的质量，改变传统建筑产业的生产方式，发展绿色建筑是必然选择，其发展趋势必将势不可挡。

目前，国际上发展较成熟的绿色建筑评价体系，代表性的有美国的能源与环境设计先导LEED[2]、英国的环境评价法BREEAM[3]、日本的建筑物综合环境性能评价体系CASBEE[4]等。我国于2006年发布第一版《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)，随后进行了修订，于2015年1月1日起正式实施新版《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)。这些评价体系大多是对已有建筑开展事后绿色建筑的评价和认证工作，对事前主动减少资源消耗和保护生态环境的效果并不明显。如果在设计阶段对建筑方案进行绿色性评估，则可以引导设计者和投资者主动设计和采用绿色性更好的方案[5]。因此本文对设计阶段的绿色建筑项目开展方案评价，做到事前有效控制优选出最优绿色建筑方案。对于绿色建筑方案评价决策的方法，鲍学英等[5]构建了绿色建筑设计方案评价指标体系，通过专家赋权法确定各指标的权重，运用灰色聚类法评价某绿色建筑设计方案的绿色效果。王立等[6]、许磊[7]通过层次分析法赋予指标权重，运用灰色关联分析对绿色建筑设计方案进行优选评价。何小雨[8]等运用层次分析法和证据推理法对某绿色住宅建筑进行评价。梳理文献可以看出，对于绿色建筑方案的评价优选，已有研究大多是通过层次分析法来对评价指标进行赋权，该方法虽然具有一定实用性，但是完全依靠专家个人经验和知识来确定指标权重，存在较大的主观随意性，此评价方法仍有待改进。

本文在《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)和已有研究的基础上，构建绿色建筑设计方案评价指标体系，将熵权法引入绿色建筑设计方案评价模型，用于确定各评价指标的客观权重，结合层次分析法对指标进行组合赋权，从而实现专家主观经验与客观数理的有机结合，使得确定的权重更加合理。通过灰色关联分析法计算各备选方案相对于理想方案的灰色关联度，根据灰色关联度的大小对各方案进行优劣排序。最后通过一个算例验证了该评价方法的有效性和实用性，可为决策者提供参考。

二、绿色建筑设计方案评价

(一)评价指标体系构建

本文在参考《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)和借鉴文献[6]研究的基础上，将绿色建筑设计方案评价指标体系分为节能、节水、节材、节地、室内环境和施工与运营管理六项一级指标和14项二级指标，具体参看文献[6]，笔者在此不再赘述。

(二)评价模型构建

1.熵权AHP组合赋权评价模型

层次分析法(AHP)是一种较为常用的综合评价方法，能够充分考虑专家的经验和知识，但是带有较大的主观随意性。熵权法能够充分利用原始数据的信息进行客观赋权，但是无法反映一些主观意见，可能会造成偏差。组合赋权法能够综合两者的优点，实现主观与客观的有机结合，是一种较为理想的权重确定方法。层次分析法主观赋权步骤为：①建立递阶层次结构模型；②构造判断矩阵；③层次单排序及一致性检验；④层次总排序及一致性检验。熵权法客观赋权基本步骤为：①构造初始数据矩阵；②初始数据矩阵标准化；③计算第j项指标的信息熵；④计算第j项指标的差异系数dj；⑤计算第j项指标的权重。具体计算方法笔者在此不再赘述。组合赋权的公式如下：

(1)

式中，Wj、wj分别为利用AHP法和熵权法得到的第j项指标权重值，λj为第j项指标的组合权重值。

2.灰色关联分析

灰色关联分析是利用各影响因素的指标数值和权重，计算出各方案与理想方案的关联度，从而对各方案优劣进行排序的方法。绿色建筑设计方案决策的评价模型按以下步骤进行：

①确定理想方案，建立特征值矩阵

(2)

②对特征值矩阵进行规范化处理

为便于进行指标间的比较，采用下式对指标作规范化处理：

(3)

规范化参考数列为：X0=(x01,x02,…,x0n)

(4)

(5)

③计算灰色关联系数

首先计算出各比较数列与参考数列的绝对差值Δxij=xij-x0j，找出其中的最大值Δmax和最小值Δmin；然后选择灰色关联分辨系数ρ值，其作用是减弱最大绝对差值过大而造成的失真现象，提高关联系数之间的差异显著性[9]。

通过下式计算各评价方案的关联系数ξij：

(6)

(7)

④计算灰色关联度

关联度越大说明参考数列与比较数列越接近，该方案越接近理想方案；关联度越小，说明参考数列与比较数列越疏远，因此可根据灰色关联度大小来对评价方案优劣进行排序。R=(ri)1×m=(r1,r2,…,rm)=WET

(8)

三、算例分析

本文以文献[6]中的案例为例，主要验证本文建立的评价模型的有效性。

(一)组合赋权确定指标权重

运用AHP法计算层次总排序权重向量为：

W=(0.0410,0.0205,0.1940,0.0647,0.0138,0.0317,0.0601,0.0368,0.0123,0.1585,0.1585,0.01141,0.0439,0.0502)

运用熵权法计算指标客观权重向量为：

w=(0.0356,0.0705,0.2047,0.0356,0.1238,0.0293,0.1191,0.0428,0.0356,0.1238,0.0705,0.0367,0.0367,0.0353)

组合权重向量为：

λ=(0.0153,0.0152,0.4176,0.0242,0.0180,0.0098,0.0753,0.0165,0.0046,0.2062,0.1175,0.0441,0.0170,0.0186)

(二)灰色关联分析

根据2.2.2节的计算步骤确定指标值和参考数列值的绝对差值中Δmax=1,Δmin=0，选择灰色关联分辨系数ρ=0.5，根据公式(13)计算关联系数ξij最终计算方案关联度。

根据公式(15)计算各备选方案的灰色关联度如下：

R=(r1,r2,r3,r4,r5)=WET=(0.524，0.419，0.455，0.501，0.717)

(三)方案优选排序

根据灰色关联度的大小有：r5>r1>r4>r3>r2，所以五个备选方案的优劣次序为方案5为最优方案，方案1、方案4、方案3次之，方案2最劣。

四、结论

本文将绿色建筑设计方案评价指标体系分为节能、节水、节材、节地、室内环境和施工与运营管理六项一级指标和14项二级指标，并运用熵权法和层次分析法对指标进行组合赋权，使得确定的权重更加合理，最后通过灰色关联分析法计算各备选方案相对于理想方案的灰色关联度，根据灰色关联度的大小对各方案进行优劣排序。通过一个实际算例，得出备选方案中方案5为最优方案，验证了该评价方法的有效性和实用性，可为决策者提供参考。