建筑绿色度评价与预测优化

陶妍艳， 徐 刚， 陈 雁， 王洪涛， 朱海军 吴贤国

(1. 武昌首义学院 城市建设学院， 湖北 武汉 430064； 2. 深圳海外装饰工程有限公司， 广东 深圳 508031；3. 武汉市园林建筑规划设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430010; 4. 中建三局集团有限公司， 湖北 武汉 430064；5. 华中科技大学 土木与水利工程学院， 湖北 武汉 430074)

随着我国建筑业的蓬勃发展，环境资源消耗急剧上升。为满足我国可持续发展的迫切需要，全面推广绿色建筑成为当前建筑业发展的重要任务之一。绿色建筑强调了设计、施工、运行、维护阶段全生命周期的概念，要求建筑达到节能、节地、节水、节材和环境保护的要求。随着建筑“绿色化”和可持续发展理论的不断深入，绿色建筑成为了新思潮、新方向。因此，发展节约、低碳、环保的绿色建筑是建设资源节约型、环境友好型社会，推进行业科学发展的必然选择。

此前对于绿色建筑建设与评价的研究主要从某些特定的角度出发，张凯峰等[1]分析了绿色建材的特性，并对水泥、混凝土等建筑材料的绿色度评价研究进行了总结；周庆等[2]提出了一种对建筑外墙涂料的绿色度量化评价方法，对建筑外墙涂料的绿色度等级进行了划分；王晓许等[3]结合国内外对绿色建筑的评价方法，提出了基于Ecotect软件的绿色建筑评价标准，李晋秋等[4]构建了绿色建筑运行监测关键性能指标体系，并通过案例研究证明了指标体系的必要性和可行性；周玉庭等[5]基于BIM(Building Information Modeling)技术对扬州某公共建筑进行采光仿真分析；李延钊等[6]通过将南宁城市规划展示馆的BIM导入Ecotect中，对采光、通风进行优化，实现了BIM与能耗软件辅助下进行绿色节能设计的目标；杨文领等[7]分析比较了传统技术下的建筑能耗评价方法和BIM技术下绿色建筑能耗评价方法；沈小东等[8]基于软件DOE对重庆市某建筑进行绿色建筑模拟能耗计算分析；李立力等[9]以某绿色建筑项目为例，分析室外风环境对人生活及环境的影响；王建延等[10]研究了绿色建筑布局规划的设计方法；张九红等[11]等分析影响教室声学环境的因素，详细地叙述了教室的声学改造设计构造方法；钱丹萍[12]分析了改善住宅建筑声环境的主要途径；韩立红等[13]建立了绿色建筑绿色度评价指标体系，采用可拓层次分析法和模糊综合评价法计算确定综合评价值；陈永青等[14]利用层次分析法和专家打分法构造建筑绿色度的模糊综合评价模型。但是，目前基于BIM技术进行绿色建筑研究还较少，缺乏绿色建筑评价体系和方法，且设计与反馈的过程相对较弱，如何结合BIM进行绿色建筑绿色度综合评价分析和优化还有待不断深入。

本文研究建筑绿色度评价指标体系和方法，构建基于贝叶斯的概率优化模型，对影响建筑绿色度评价的指标进行评价优化，在设计方案阶段反馈设计问题，提出策略性的优化建议，从而对后期的设计评价与优化具有指导意义。

1 基于BIM建筑绿色度评价与贝叶斯网络优化流程

1.1 建筑绿色度评价指标体系

绿色度是建造建筑产品的过程中对环境的影响程度和资源利用情况，表达了建筑与环境的友好程度。从现有的GB/T 50378-2019《绿色建筑评价标准》(下文简称《标准》)大框架着手，针对项目从能源、材料、水、空间利用以及空气质量几方面进行逐项对接，从而实现绿色建筑项目评价指标的细化。绿色度评价中的诸多条款作为影响其整体绿色度评价结果的内容，其多样性和重复性会给评价结果带来不同的影响。因此，从评价优化和预测需求角度出发，筛选设计参数信息并指导设计决策尤为重要。通过筛选建立绿色度一级评价指标(5个)、二级评价指标(15个)、三级评价指标(65个)，如表1为一级评价指标和二级评价指标，表2为以节能与能源利用为例的三级指标体系。并通过问卷调查得到指标权重。其中分为建筑环境质量指标Q(Quality)和负荷性能指标L(Load)。

表1 绿色建筑绿色度评价指标体系

表2 节能与能源利用的三级指标体系

1.2 基于BIM建筑绿色度评价

(1)基于BIM建筑绿色度评价信息和流程

在本研究中，结合设计模型数据信息与后续绿色度评价需求，采用IFC(Industry Foundation Classes)标准进行数据共享与传递，同时构建相应的转换与流程。在BIM技术中，IFC标准是重要的数据交互标准，可以支持BIM体系并实现相应的数据转换需求。本研究围绕基于建筑性能设计的绿色度评价信息模型展开，结合绿色度评价所涉及的内容和属性，在IFC标准中进行信息表达，以构件、材料、设备、环境质量影响等方面进行IFC信息表达与传递，最后在此基础上构建出相应的流程和框架。

结合建筑设计内容，可以从设计、构件、产品、性能几方面对设计模型数据信息进行梳理，从而在具体信息层上进行进一步细化。而在后续的评价过程中，需考虑现有《标准》大框架，针对建筑项目从能源、材料、水、空间利用以及空气质量几方面进行逐项对接，从而更好地实现绿色建筑项目评价的进一步细化。基于各个阶段的数据信息抽取、转换、计算与整合，从而实现建筑性能设计的绿色度评价。图1为基于BIM建筑性能设计数据信息转换与绿色度评价流程。

图1 基于BIM性能设计数据信息转换与绿色度评价流程

(2)绿色度评价

在本研究中，由于采用的数学模型是加权混合的方式，需要首先对指标乘以相应的权重系数并进行加权处理，线性求和之后再对Q和L之间做比值处理。绿色度BDGD按式(1)计算。

(1)

为了更好地针对绿色度评价项目进行水平界定，研究中，结合国内外绿色建筑的分级与评分思路以及建筑环境性能的等级划分方法，将建筑的绿色度评价分为了五个等级：C(劣)、B-(一般)、B+(好)、A(优)、S(特优)，同时针对上述章节建立的绿色度评价与计算方法，确定不同层级的取值范围，如表3所示。

表3 评价分级指标与标准

1.3 构建贝叶斯网络

在定义完变量的基础上，综合考虑性能设计初期评价指标对绿色度影响程度和指标存在的合理性，构建从低到高的R1，R2，R3三个层次评价矩阵，如图2所示。

图2 评价矩阵示意

研究中，通过运用问卷调查法确定不同绿色度评价的影响因素，完成对贝叶斯网络模型的变量定义，并通过贝叶斯结构学习和参数学习确定其网络不同参数(变量)的因果关系，期间包括了二级指标之间、二级指标和一级指标之间、一级指标和设计评价优化目标之间的关系，从而形成网络模型。

1.4 绿色度评价指标分析

基于性能设计的建筑绿色度评价，不仅要实现项目自身的评价目标，也要实现项目在设计前期的引导作用。为了进一步探寻建筑绿色度评价指标对结果的影响程度，本文以建筑节能与能源利用为例，对绿色度评价指标进行深入的分析和优化，并利用贝叶斯网络的推理功能，对此部分评价指标进行正向推理、逆向推理和敏感性分析，以此提出在性能设计过程中的优化建议。

(1)评价指标正向推理优化

在贝叶斯网络中，正向推理是指因果推理，即在完成参数学习后，其他节点概率值不变情况下，改变某一评价指标的节点概率，通过贝叶斯网络传播而获得某一指标的概率值。通过对比分析某一节点与最终节点的概率变化，既可以验证贝叶斯网络模型存在的合理性，同时也能够判断某一节点对最终节点变化的影响程度。如在绿色度评价过程中，影响评价指标Xi组成的集合为证据XC，此情况下最终节点发生的概率为：

(2)

式中：n为已知节点数量，其中，每个节点均有R1，R2，R3三种类型状态。

(2)评价指标逆向推理优化

逆向推理是通过诊断推理，即计算终节点T发生变化时各个节点的概率分布后验证，第i个节点Xi产生的后验证概率为：

P(Xi=Y|T=Y)

(3)

由式(3)可知，概率越大，该节点的评价指标对绿色度的影响程度越高，从而可以针对性地对参数进行诊断筛选，达到快速查明可能的原因组合，最终及时反馈相应的性能设计措施。

(3)评价指标敏感性分析

在贝叶斯网络中，敏感度代表了根节点状态变化时，对不同子节点的平均影响程度。敏感度高的节点的微小变化会给评价结果带来显著影响，而敏感度低的节点则对整体评价结果影响很小。因此，通过评价(不同指标因素)参数的敏感度分析，可以识别出绿色度评价中的关键影响因素，从而反馈到性能设计中用于设计参数指导。研究中，仍以节能与能源利用为例，用xk表示根节点下Xk的状态，pk表示Xk的状态数量，节点T处于t情况下，其根节点xk的敏感度计算公式为：

(4)

式中：ck为Ck的状态等级。

1.5 绿色度评价的动态预测与优化

各级指标的逆概，定量、直观地反映了各级指标对质量Q和负荷L的影响程度。逆概越大，说明指标的影响越大，因此，当调整相应指标参数时，就会产生较大影响，从而达到对绿色度评价的动态预测。

以质量Q为例，一级指标Q1的逆概为：

P(Q1|Q)=P(Q|Q1)P(Q1)/P(Q)=1.26%

其中逆概越大，反映出一级指标对质量Q的影响越敏感。当调整该指标时，质量Q就会产生较明显的改变。通过该方法可以动态预测绿色建筑的可能变化，达到绿色度评价优化的目的，也提高了绿色度评价优化的科学性与严谨性。

2 案 例

本研究通过建立绿色建筑一体化评价体系，对前文中的理论和方法进行评估和验证。一方面为建筑一体化的绿色评价提供参考，在可行性基础上成为行业发展的实用工具；另一方面，为绿色建筑的建设与发展提供一种对接，进一步实现建筑行业的可持续发展。本研究选取某工程为案例，结合上述研究思路和方法，建立信息化设计模型，通过相关参数评价选取，进行绿色度计算与预测分析。

2.1 基于BIM绿色度初步测评

项目在建设要求上，需达到绿色建筑较好绿色度水平。本研究中，主要针对建筑部分室内空间进行建筑绿色度评价研究。根据项目完成情况，实地测评，参考表1，2中的内容，在建立的65个三级指标中，按照实际完成情况给每一项评分，根据各个评价指标分项权重和实际得分情况最终可得评价体系中建筑质量和环境负荷的实际得分。

结合绿色度评价指标中的相关要求，分别对建筑相关性能进行分析。通过建立的BIM设计信息模型进行相关参数信息的转换，结合相应的建筑性能环境分析软件从建筑能耗、建筑通风、建筑采光、可视度等方面进行性能分析。

(1)建筑能耗分析

结合BIM数据模型，建立IES〈VE〉的能耗分析模型，从而分析建筑的能耗状况。

对项目建筑能耗进行软件模拟，设计建筑全年能耗相对于基准建筑节能率达到54.98%，最终结果如表4所示。

表4 建筑能耗分析

(2)建筑风环境分析

在建筑风环境分析中，分别通过基于BIM和绿色建筑分析软件Ecotect模拟不同季节的室内外风环境状况进而得出相应的分析结论。在本研究中，由于此部分分析内容较多，因此选取代表性空间进行分析解释，以春季为例，具体分析见表5。

表5 建筑风环境分析对比

(3)建筑光环境分析

建筑光环境分析中，基于BIM和绿色建筑分析软件Ecotect分别针对每个楼层进行建筑采光分析，以一层为例，如表6所示。表7为建筑采光分析结果。

表6 房间采光灰度与分布分析

通过计算模拟可得，本项目的采光达标面积比例为71.39%，根据《标准》表8.2.6中所示公共建筑主要功能房间采光评分规则可知，在70%～75%之间，得6分。

(4)建筑可视度分析

在公共建筑中，建筑视野作为空间人性化的考核内容，基于BIM和绿色建筑分析软件Ecotect，以一层为例，其具体分析见表8。

表8 建筑空间可视度分析

从上述表格分析来看，孝感市民之家主要功能房间都满足现行《标准》中对于公共建筑视野的要求。因此，本项目视野设计满足《标准》中第8.2.5条中对于公共建筑的要求，即建筑主要功能房间具有良好的户外视野，评价分值为3分。对居住建筑，其与相邻建筑的直接间距超过18 m；对公共建筑，其主要功能房间能通过外窗看到室外自然景观，无明显视线干扰。

(5)绿色度测评

基于BIM计算各评价指标，按式(1)计算得到：Q=4.20361；L=2.048。

因此，该项目绿色度计算结果为：BDGD=Q/L=2.05254。

根据绿色度的分级与评分分析来看，该项目绿色度指数在1.5～3.0之间，属于优等项目类型。从总体的项目建设要求定位上来看，同绿色建筑二星的基本要求相一致。

2.2 基于贝叶斯网络的绿色度指标优化

研究中，为了增加绿色度，根据贝叶斯公式计算得到各项指标的后验概率，以提高环境质量Q为例：如图3，5个一级指标中P(Q2|Q)=28.32%，P(Q4|Q)=22.46%，P(Q5|Q)=39.64%占比较大，因此第二、四、五个指标对质量Q的影响较明显。其中第五个指标Q5占比最大，说明其对质量Q的影响也最敏感。因此提高指标Q5的分值可增加绿色度。

图3 Q与Qi的关系

(1)类似讨论，影响一级指标Q5的二级指标中P(Q52|Q5)=37.37%最大，因此可调整二级指标Q52的得分；影响二级指标Q52的三级指标中P(Q522|Q52)=50.00%最大，因此可调整Q522。

(2)以逆概数据对三级指标Q522做适量调整，逐层回到上级指标，从而提高环境质量Q，达到增加绿色度的目的。如：将Q522的分值由5提高为10，则质量Q从4.20361提高到4.32361，而绿色度由2.05254相应增加到2.11114。

(3)从绿色度评价体系的内容上分析来看，实际项目中Q522体现的是自然通风对于建筑室内环境的舒适性调节。自然通风作为建筑中一种节能并且有效的调节方式，不仅对于改善建筑室内环境质量有帮助，同时也是有效的建筑节能技术。但从实际项目研究分析来看，自然通风作为有效的被动式节能技术，在常规的绿色建筑评价中很难用量化的具体指数进行评价。从另外一方面讲，绿色度的概率计算分析也从一定程度上评价了自然通风设计的水平。

3 结 论

(1)从建筑工程项目寿命周期角度出发，针对绿色度因素展开分析，梳理了建筑生命周期过程中需要考虑的方面。结合国内外绿色建筑评价体系、室内环境评价、健康建筑要求标准等同建筑层面可能影响的要点进行对比，同时梳理了绿色建筑体系的评价构成，建立了建筑绿色度评价指标体系。

(2)建立了基于BIM性能设计数据信息转换与绿色度评价流程，基于BIM进行了建筑性能设计与环境影响分析，包括建筑能耗分析、建筑风环境分析、建筑光环境分析、建筑可视度分析。

(3)构建了建筑绿色度评价方法，结合国内外绿色建筑的分级与评分思路以及建筑环境性能的等级划分方法，将建筑的绿色度评价分为五个等级：C(劣)、B-(一般)、B+(好)、A(优)、S(特优)，确定了不同层级的取值标准。

(4)构建贝叶斯综合评价优化模型进行绿色建筑评价，通过分析建筑绿色度影响因素确定评价指标体系，建立绿色度评价优化与预测思路。选取湖北省孝感市民之家为案例分析基于贝叶斯网络模型的建筑绿色度优化流程，根据贝叶斯公式计算，明确了增加绿色度的途径，验证了基于建筑绿色度评价与预测的可行性。