基于因子分析-模糊评价的绿色施工管理系统

王 旭，潘明明,曲泳颐

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040；2.大连理工大学 经济管理学院，辽宁 大连 116024)

随着中国经济技术不断向前推进，作为国民经济重要支柱之一的建筑业规模也在逐渐扩张，但传统的建筑设计方式与施工模式造成了建筑业低效率、高污染、高耗能等弊端。据统计，建筑业在材料生产、施工与使用过程中产生的相关耗能量约占社会总能耗的46.7%，继工业耗能与交通耗能之后，建筑业已然成为中国第三大耗能产业[1]。在环境污染方面，据《中国建筑能耗研究报告》统计，中国房地产行业贡献了世界8%的碳排放量；中国科学院的报告显示，中国每年的城市垃圾产生总量中，约有40%属于建筑垃圾，而与建筑活动有关的水污染、光污染、建筑垃圾污染、扬尘污染等占环境总体污染的33%[2-8]。由此可见，高速发展的建筑行业带来的经济效益是以牺牲生态环境质量为代价的，在可持续发展与节能环保的新时期要求下，传统粗放的施工生产方式已不能满足生态文明建设的需要，寻找建筑业与环境之间的平衡点、实现与生态环境和谐共生是建筑业发展的主要方向。

中国绿色施工目前仍处于发展阶段，施工企业的绿色施工意识、绿色建材的使用情况、新型生产技术的研发水平等都影响着绿色施工水平，但现有的项目施工过程难以在建筑全过程内实现具有针对性的全面管控，导致实施效果不理想，如何在实际施工中贯彻落实绿色管理思想、实现系统化的科学管理是绿色施工规范化的重要工具[9-10]。工程的施工过程中，涉及施工方案的编制、施工人员与材料设备的调配等多个方面，对施工过程的绿色管理难度较大，因此，建立一个系统全面的绿色施工管理评价体系进行评估分析，将作为加速建筑业绿色化进程的重要工具，对建设资源节约型与环境友好型社会具有应用价值。

目前已经有较多学者针对绿色施工评价体系展开研究，但施工过程中若仅考虑其作为单个目标，忽略绿色施工模式对质量、工期、成本等目标的影响显然太过片面，无法覆盖施工全过程的各个环节，所建立的绿色施工管理评价体系缺少系统性、完整性与全面性。因此，立足于施工过程的总体管控，综合考虑质量、进度、成本三大目标，形成更加全面复杂的多目标管理体系，能有效推动传统项目管理模式向绿色可持续方向的实践探索。本文结合中国建筑施工管理特点，在对国内外绿色施工管理体系的研究基础上，将环保、质量、进度、成本、安全等目标综合考量，基于系统学原理建立绿色施工管理模糊主成分综合评价模型，为实现项目的整体效益提供一种新思路，推动建筑市场向节能环保与可持续方向发展。

1 绿色施工管理模糊主成分综合评价模型

依据建立的绿色施工管理指标体系特点，基于主成分分析与模糊综合评价的理论基础进行方法的改进，以下为具体步骤。

1.1 主成分分析法确定关键指标

1.1.1 数据预处理

对于通过调查问卷得到的原始数据矩阵Xn×m(对于m个待评价的指标变量，每个指标都有n个评价结果，即样本数据)进行标准化处理，即

(1)

(2)

(3)

1.1.2 计算相关系数矩阵

设有两个变量X与Y，可用协方差Cov(X，Y)表示二者的相关性，一般认为，相关系数的绝对值|ρ|≤0.3时无线性相关性，|ρ|≥0.8时具有高度相关性[11]。相关系数与协方差的定义为

(4)

以上述理论为基础，具有一定相关程度的一组变量可利用相关性进行解释。对于任意两个原始变量Xi与Xj(i,j=1,2,…,m)的相关性可用相关系数rij表示，则有0≤|rij|≤1，当|rij|=0时，表示第i与第j个变量不相关，|rij|越趋近于1，表明两个变量的相关程度越高。相关系数rij计算公式为

(5)

对于变量Xi与Xj(i,j=1,2,…,m)，有rij=rji，其构成了相关系数矩阵R，也可利用标准化矩阵Z求解相关系数矩阵R，即

(6)

1.1.3 计算相关系数矩阵的特征值与特征向量

相关系数矩阵R的特征方程为

|R-λiI|=0

(7)

λi(i=1,2,…,m)即为求解m个线性方程所得的相关系数矩阵R的特征值，特征值λ即为原变量在各个主成分上的方差，则有λ1≥λ2≥…≥λm≥0，方差越大，对总体的贡献值则越大。

1.1.4 计算贡献率与累计贡献率

第i个主成分Fi的贡献率用αi表示，计算公式为

(8)

由于第i个主成分Fi的贡献率αi随着特征值的变化而同向变化，特征值λi的值随着i的增大而递减，因此有α1≥α2≥…≥αm≥0，对于前k个主成分的贡献值累加后可得出累计贡献值，即

(9)

1.1.5 计算主成分载荷

主成分分析法的基本思想是将原始变量经过运算处理后提取主成分进行分析，对于i个主成分Fi(i=1,2,…,k)与j个原始指标变量Xj(j=1,2,…,m)，二者的相关程度称为主成分载荷，即原变量Xj在各个主成分Fi上的荷载lij(i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)，荷载lij与特征向量e之间具有如下关系：

(10)

1.1.6 选取关键变量并确定权重

根据特征值λ的大小选取前k个主成分F1，F2，…，Fk，对于第i个主成分Fi(i=1,2,…,k)，将各个变量在上的因子荷载进行比较，由于因子载荷Iij描述了原变量X与各个主成分F间的相关程度，|Iij|越趋向于1，Fi表示关系越密切，一般情况下，选取第i个主成分中具有较大|Iij|的变量作为影响主成分Fi的主要因素，以此规则对前k个主成分F1，F2，…，Fk依次选取主要变量进行汇总，将k个主成分转变成为r个主要变量进行研究。

在确定关键变量后要针对这些主要指标求取其权重值ω，根据主成分载荷Iij与方差贡献率αi计算关键变量的权重ω，即

(11)

式中：r表示一共选取的关键指标数量；ωj表示第j个关键指标的权重值。

使用主成分分析法的基本思想，根据上述6个步骤的运算能够将原始数据经过两次转换，最终确定出对评价结果产生重要影响的主要指标及其权重值。在研究对象的转换过程中保证了原始数据绝大部分主要信息的保留，同时，针对指标数量较多的绿色施工管理评价体系通过对关键变量的选取，避免了逐个考虑指标变量的烦琐工作。

1.2 绿色施工管理评价指标体系的建立

设计调查问卷进行数据的采集，将所有指标与本文研究内容的相关性作为评价对象发放调查问卷，问卷作答者皆为东北三省的建筑行业从业人员，采取1～5分制进行打分，指标的分数越高表示此指标与绿色施工管理评价的相关程度越大。

据统计，共发放300份问卷，收到有效问卷279份，问卷回收有效率为93%，被问卷对象覆盖了东北地区的建设单位、设计单位、施工单位与监理单位的职员，详情见表1。

表1 指标相关性问卷被调查对象情况 %

将有效问卷结果汇总后导入到SPSS软件中进行主成分分析。由于各个样本的变量得分采用5分制，所以无须进行变量的标准化处理，直接进行结构效度分析，可得到KMO和巴特利特检验情况，见表2。

表2 KMO和巴特利特检验

数据分析结果中，比较变量间相关系数的指标KMO值为0.853，大于0.5，其显著性检验值低于0.05，表示问卷的结构效度良好，变量间相关程度较高，适合进行因子分析。

公因子方差表示原始变量被主成分解释的比例，表3中所有指标信息的提取值都在0.6以上，表示所有变量皆被充分表达。

表3 公因子方差

计算特征值与累积方差贡献率结果见表4。

表4 总方差解释

选取特征值大于1且累计贡献率超过85%的主成分为主成分[12]，根据表4中特征值与累积方差贡献率选取前5个成分作为绿色施工管理评价的主成分。

计算各个指标变量在所选取的前5个主成分上的载荷值见表5。

表5 主成分系数矩阵

续表5

根据表5的主成分系数，可对各个主成分进行分析。第1个主成分主要与绿色施工专项方案的编制、质量检查制度、编制资金使用计划等相关性较大，可将其称为项目策划管理。第2个主成分主要受绿色施工创新技术、材料的选择、可再生能源的利用等因素影响，可见其与施工过程使用的新型技术、材料与设备有关，称其为工艺创新管理。所提取的第3个主成分上，噪声监测及控制、施工总平面图布置与焊接作业防光污染措施等指标系数较大，施工过程中需要合理布置现场作业区域，现场设置围挡设施，降低施工产生的噪音与强光对人体的危害，则第3主成分称为现场环境管理。第4个主成分主要与节能型设备的使用、节水器具与污水、废水排放控制安装有关，将其归纳为节能减排管理。第5主成分受信息化施工、动态管理、动态经济流量控制等因素影响，称其为施工过程管理。

对每个主成分中载荷因子大的指标进行提取[13]。依据最大最优原则，考虑尽量全面评价绿色施工管理，对每个主成分上系数最大的两个变量作为关键指标进行分析。依据式(8)计算其权重，可得出绿色施工管理指标体系与指标权重，见表6。

表6 绿色施工管理指标体系权重

1.3 模糊综合评价

1.3.1 建立因素集与评语集

根据主成分分析所确定的r个主要指标建立评价对象的因素论域，即因素集U={u1,u2,…,ur}；评价者对于评价对象的所有评价结果的集合构成了评语集[14]V={v1,v2,…,vp}。其中，p表示所有可能的评价结果的个数，取p=5，则评语集可表示为V={优秀，良好，中等，合格，不合格}。

1.3.2 确定指标的隶属向量

针对评价体系中的指标，发放问卷让与项目建设有关的专家进行打分，分数采用5分制，分数越大表示项目的某个指标变量越符合绿色施工要求，评语集V每一等级对应于不同的得分，评价结果量化准则见表7。

表7 评价结果量化准则

第i个指标在各个等级的评价人数与总人数之比即为此指标的隶属度[15]。经过上述处理，可以确定第i个指标的隶属向量为(ɑi1,ɑi2,ɑi3,ɑi4,ɑi5)。

1.3.3 建立模糊关系矩阵

将r个主要指标在5个等级上的隶属向量构成的矩阵称为模糊关系矩阵A，则有

(12)

1.3.4 确定指标的权重向量

根据主成分载荷Iij与方差贡献率ɑi计算出的权重ω即为指标的权重值，所有主要因素的权重向量W为

W=(ω1,ω2,…,ωr)

(13)

1.3.5 综合评价

选用合适的模糊算子将权重向量W与模糊关系矩阵A合成运算，得到项目绿色施工管理的模糊综合评价结果B，即

(14)

式中，得到的评价结果元素bj(j=1,2,3,4,5)表示从总体的角度来看，被评价对象对于评价等级集合元素vj(j=1,2,3,4,5)的隶属程度[16]。对于模糊综合评价向量B=(b1,b2,b3,b4,b5)常采用最大隶属度原则确定等级，但当元素bi与bj数值(i≠j)数值相近时，采用最大隶属度原则将会产生较大误差。

本文对评语集V={优秀，良好，中等，合格，不合格}进行赋值，使评分集中元素分别对应不同等级的得分，评分集可设定为F=(90，80，70，60，50)T，评价对象的最终得分B*为

(15)

采用赋值法对评价向量进行处理，能有效减少评定等级的误差，将评价对象以分数的形式进行描述更为直观简明。

2 实际应用

黑龙江某工程项目总用地面积14 111.2 m2，总建筑面积41 610 m2，其中地上建筑面积35 140 m2，地下建筑面积6 470 m2，容积率2.49，建筑密度17.51%，绿地率36.74%，建筑高度79.70 m。地上16层(含1层设备层)、地下1层，主体采用框架结构，1层层高6 m，2～3层层高5.7 m，4～15层层高4.4 m，16层层高4.85 m。地基采用桩基础形式，桩型为钻孔压灌超流态混凝土桩，地下室结构形式为钢筋混凝土框架结构。

2.1 项目评价

对该工程项目的施工方、设计方与监理方的专家进行问卷调查，对绿色施工管理评价体系中指标进行评分，收到有效问卷53份，专家具体情况经统计见表8。

表8 项目评分专家情况

对调查问卷的结果进行统计，可以得到各指标的隶属向量，进而求得模糊隶属向量见表9，各指标评价结果，见图1。

表9 绿色施工管理指标隶属向量

图1 各评价指标分布雷达图

使用式(10)对模糊关系矩阵与权重向量经运算后依据单值化原则赋值处理，可得评价结果得分为

综上所述，该工程项目的绿色施工管理得分81.83分，等级为良好。

2.2 改进意见

本项目的综合评价结果等级良好，下面对其进行结果分析。

由各评价指标分布雷达图可以看出，此工程在绿色施工专项方案的编制、施工过程中动态管理、施工总平面图布置的合理性与质量检查制度的管理等方面评分较高，在噪声控制、材料选择、信息化施工与绿色施工创新性技术的使用情况等方面评分较低，这也是本项目最终评价结果达不到优秀等级的主要原因，结合工程施工情况，针对评分较低的指标变量提出如下的改进意见：

在噪声控制方面，由于本工程项目建设地点紧邻居民小区，对施工噪声污染控制的要求较高，施工中需要对各个时间段的施工噪声进行控制，降低居民午休时间的现场噪声限制，夜间尽量不进行施工任务，规定运输车辆在施工现场与住宅小区周围禁止鸣笛，最大限度减小对居民日常生活的影响。

施工中的材料采购时应多选用绿色环保材料，比如将废弃物作为主要材料的生态水泥、对白色污染有重要作用的塑木复合材料与防霉壁纸、环保型内外墙乳胶漆、复合型地板、纤维强化石膏板等环保材料，将提高项目的绿色施工水平。

工程施工过程采用信息技术将有效提高管理效率，管理人员可建立存储施工信息的数据库，在现场区域和重点施工部位安装摄像机进行实时监控，设置专门的信息技术管理人员，运用BIM技术、互联网+、智慧工地等新型理论进行改进。

绿色创新技术的使用是推进绿色施工的重要助力，本工程对绿色创新技术的关注程度较低，采用的具有环保效果的创新性技术较少。为提高施工的绿色化水平，施工单位应当加大对工程资金与技术人员的投入力度，根据工程特点推广使用创新技术。

3 结论

本文通过大量的资料查阅与文献阅读，对目前存在的绿色施工评价体系进行研究，根据中国工程施工特点与相关法规政策，选择出绿色施工的多个影响因素，通过问卷调查收集数据，使用主成分分析建立指标评价体系并赋权，赋值处理模糊综合评价向量进而确定被评价对象的绿色施工管理等级。并结合工程实际施工情况对项目的评价结果提出改进意见。本文创新点如下：

1)从整体的角度建立科学系统的多指标综合评价模型。目前对于施工过程绿色管理的评价研究中普遍将绿色施工作为单一目标进行考量，而在实际工程中，绿色施工对于工程质量、施工进度与资金投入都会产生一定程度的影响。本文将工程建设中环保、节能、节材、节水、节地、安全、卫生、质量、进度、资金等目标综合考量，全面考虑项目的经济效益、社会效益与环境效益，形成的评价体系对于绿色施工的实施具有实践意义。

2)绿色施工评价模型研究方法的创新。目前，国内外对于绿色施工评价有多种研究方法，其中，层次分析法简洁实用，但定性成分较大，评价结果不易让人信服；模糊综合评价法能够处理模糊性的评价对象，但当指标集较大时易出现超模糊现象；聚类分析法可以得到直观简明的结论，但样本量较大时，获得聚类结论有一定困难。本文采用的模糊主成分综合评价法是主成分分析与模糊综合评价的结合与改进，现已应用于综合国力的评价、水质研究与科技人才流动情况等多个领域。由于本文选取的指标数量较多，使用主成分分析法既能在保留原始信息的同时消除指标间的相关影响，对降维处理后的指标体系进行模糊综合评价也能有效避免指标过多产生的超模糊现象，对评价向量进一步赋值处理，避免了最大隶属度原则产生的误差。此方法充分发挥主成分分析与模糊综合评价的优点，保证了评价的科学有效，具有创新价值。