基于COWA-灰色定权聚类的装配式建筑绿色施工水平综合评价

陈玉儒，施 彤，李 菊

（1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；2.东南大学经济管理学院，江苏 南京 211189）

装配式建筑作为未来建筑产业转型升级的重要方向，在节能环保、减少对人工依赖、缩短建设工期等方面具有明显优势[1]。由于其建造过程具有参与方众多、施工过程复杂、对工人施工水平要求高等特点，且目前我国装配式建筑整体施工水平尚未成熟，参建单位缺乏先进的管理经验，导致在装配式建筑施工过程中并未很好实现既定要求，所以对装配式建筑进行科学合理的绿色施工评价，检验其在提高质量、降低污染排放、提高效率等方面的具体成效至关重要。

目前大多数学者对装配式建筑的评价研究主要集中在施工安全和建造质量上[2-3]，现有的绿色评价也主要从供应链全过程、全寿命周期的角度出发对其整体研究，例如刘子琦等[4]提出贯穿装配式建筑建设全过程的绿色供应链云物元评价模型；任晓宇等[5]从全寿命周期角度出发，从经济、环境、社会、资源4个方面对装配式建筑可持续发展做出了评价。这些研究都对本行业的发展有重要作用，但是目前缺乏对不确定因素最多的施工过程这一阶段的系统性绿色评价研究，并且评价指标不够全面。

鉴于此，选择装配式建筑绿色施工过程为研究对象，结合装配式建筑施工特点和相关评价标准，全面、科学、系统的构建装配式建筑绿色施工指标评价体系，提出基于COWA-灰色定权聚类的装配式建筑绿色施工水平综合测评模型。借助COWA-算子进行指标赋权，引入灰色定权聚类方法计算绿色施工等级，并结合实际案例验证该模型的可行性和适用性，以期为装配式建筑绿色施工提供参考，丰富装配式建筑绿色施工评估理论。

1 构建综合评价指标体系

装配式建筑绿色施工水平受众多因素的综合影响，且各影响因素紧密相关。在进行装配式建筑绿色施工评价时要遵循全面、客观合理、科学可测度、可持续发展为指导的原则，在确保质量安全的前提下，最大限度节约资源，减少施工对环境的负面影响，实现装配式建筑绿色施工要求。基于现有《建筑工程绿色施工评价标准》（GB/T 50640—2010）提出的“四节一环保”、施工管理、人员健康防护等要求，通过深入研究装配式建筑施工特点，借鉴分析相关研究成果[6-7]，定性定量结合，从能源与资源利用、生态环境、安全防护、绿色管理、施工技术5 个方面共31 个细化指标构建能科学全面表征装配式建筑绿色施工水平的综合评价指标体系。具体评价指标筛选情况见表1。

表1 绿色施工指标评价体系

续表1

2 装配式建筑绿色施工水平综合评价模型

2.1 基于COWA 算子的指标权重确定

有序加权平均算子（OWA）通过对决策数据重新组合并根据位置先行加权处理，从而削弱在指标赋权过程中极端值对赋权结果的影响[8]，相比AHP等直接通过专家打分获得原始计算数据更具客观性。近年来国内学者不断对OWA 算子进行改进，提出了众多类型的OWA 算子。本研究选用区间组合数有序加权算子（COWA）进行指标赋权，即通过对决策数据降序排列的数据集结方式进行位置加权处理，以削弱极端数据和专家自身主观因素对赋权结果的影响，提高计算结果的合理性。具体计算步骤如下。

步骤1：专家打分。邀请n 位专家采用10 分制打分法对同一层指标的相对重要程度进行打分，得到各指标权重计算的原始数据集(a1,a2,…,aj,…,an)，将原始数据集降序排列并编号可得：b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn－1。

步骤2：利用组合数计算数据bj的加权向量θj+1，计算过程如公式（1）所示：

步骤3：计算指标绝对权重。根据加权向量对排序后的决策数据进行赋权，得到各个评价指标的绝对权重，计算过程如公式（2）所示：

式中：m 表示指标因素的个数；θj+1∈［0,1］。

步骤4：计算各指标相对权重值wi。计算过程如公式（3）所示：

2.2 装配式建筑绿色施工水平的灰色定权聚类评价

鉴于装配式建筑绿色施工评价指标部分信息模糊性、不完整性、存在难以量化等特点，可将本研究的装配式建筑绿色施工评价视为一个灰色系统，引入灰色系统理论对装配式混凝土建筑绿色施工进行模糊数学系统建模，通过选取合适的白化权函数，充分利用完全确定信息，进而得出目标的综合评价结果。为了更好的反应指标信息在评价过程中的差异性，选取灰色定权聚类法对装配式建筑绿色施工水平进行综合评价，该方法较传统灰色聚类法更具有效性。

2.2.1 装配式混凝土建筑绿色施工测度界定

参考现行《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）、《装配式建筑评价标准》（GB/T 5112—2017）规范及已有研究成果[9]，结合装配式建筑施工特点和指标因素对装配式建筑绿色施工的影响程度，设定5 级测度标准对装配式建筑绿色施工水平进行科学度量，其测度取值范围分为：优秀、良好、一般、较差和极差5 个灰类等级，并对每个综合评价等级含义进行描述，具体见表2。

表2 评价等级及等级评价描述

2.2.2 确定灰类及建立对应的白化权函数

科学合理的确定灰类中心点是利用灰色聚类法实现装配式建筑绿色施工综合评价的重要前提。参考以往研究[10-11]和相关经验，依据中心点向量原则,选取各灰类最大程度点作为中心点，即可得到装配式建筑绿色评价中心点向量O=（9,7,5,3,1）。根据装配式建筑绿色施工内涵及灰色理论思想，参考刘思峰等改进的灰色白化权函数特征，构建装配式建筑绿色施工各灰类所对应的白化权函数见表3。

表3 绿色施工综合评价白化权函数

2.2.3 灰色白化权聚类评价步骤

步骤一：构建初始评价矩阵。邀请p 位专家根据装配式建筑实际施工情况，结合本研究绿色施工等级评判标准对各指标赋值得到初始评价矩阵如公式（4）所示：

式中：s 为评价指标Uij的个数。

步骤三：建立综合评价矩阵。首先根据（6）式将方案层各指标权重与Ri结合得到初级聚类评价矩阵。

进一步可得综合评价矩阵如公式（7）所示：

然后根据公式（8）对目标层进行综合评价，可得到装配式建筑绿色施工等级评价向量H。

步骤4：计算综合评价值。为减少装配式建筑绿色施工综合评价信息的丢失，将绿色施工等级评价向量和中心点向量集成以克服传统最大隶属度原则会使评价结果失真的缺陷，从而可得到装配式混凝土建筑绿色施工水平综合评价值Y。

3 说明性实例分析

为验证该模型在装配式建筑绿色施工评价中的有效性和可行性，以兰州新区某装配式建筑项目为例进行说明性分析。该项目为16 层的装配式住宅建筑，地下1 层，地上15 层，总建筑面积112 100 m2，是兰州新区装配式建筑科技示范住宅项目，建筑内部配有自动报警系统、自动喷水灭火系统等设施，属于一级抗震，先后被评为甘肃省装配式项目重要试点工程。其主体结构为装配式框架剪力墙结构，其中楼梯、外墙板、内隔墙、叠合板均在预制工厂生产，整体预制装配率超过60%，施工全过程采取信息化管理。

3.1 基于COWA 算子指标赋权

以准则层指标U1为例演示指标权重计算过程。邀请6 名高校及企业建筑领域内专家对评价指标在0～10 之间赋权打分，将指标U1的原始决策数据降序排列可得b=（9.5，9.0，9.0，8.5，8.5，8.0）；由于专家数量n=6，根据式（1）可得赋权向量θ1=（0.031 3，0.156 3，0.312 5，0.312 5，0.156 3，0.031 3），由公式（2）可得指标U1的绝对权重：

3.2 灰色聚类综合评价分析

根据建立的装配式建筑绿色施工灰类等级和白化权函数，6 位专家结合项目现场施工资料和自身经验对方案层各指标的打分量化值作为绿色施工评价原始数据，赋分值越高，表明该指标在本项目施工中情况越好。构造装配式建筑绿色施工综合评价决策矩阵D1～D5如下：

将各指标赋分值带入表3 白化权函数，再根据公式（5）求得灰色评价权矩阵，然后根据公式（6）～（7）将权向量与权矩阵对应合成构造装配式建筑绿色施工综合评价矩阵：

由公式（8）对此综合评价矩阵加权可得到装配式建筑绿色施工综合评价向量H：

根据公式（9）计算得到装配式建筑绿色施工综合评价值Y=7.409 7，由表2 装配式建筑绿色施工等级划分标准可得该项目综合评价结果为良好。对指标U1～U5单值化处理得到准则层指标评价值：

3.3 评价结果分析

（1）能源与资源利用指标分析：Y1=7.544 3，表示能源与资源利用情况处于良好水平，表明项目在节材、节地、节能、节水等方面效果较好。结合施工现场严格审核材料资源利用，就地取材，降低了材料损耗，实现有效节材；施工现场有明确的用水制度，采用先进节水系统和节水器具，实现有效节水；采用国家推荐的高效节能施工设备和机具，实现有效节能。还可继续优化改进，提高低碳材料和可再生能源的利用，达到优秀水平。

（2）生态环境指标分析：Y2=7.435 5，表示生态环境整体处于良好，结合施工现场采取封闭管理，具有专门的环境保护工作人员，现场设置了污水处理系统，采用自动喷淋系统处理扬尘，增加隔音围挡进行降噪，对建筑垃圾清理回收，使得对周边环境影响较小。

（3）安全防护类指标分析：Y3=7.485 5，表明安全防护情况整体良好，结合施工现场设有安全总工程师和专职安全员，定期对施工人员进行安全培训和设备安全检查，建立了各级人员安全生产责任制度，施工全方位安全警示标牌设置明显，整个施工过程除了个别不安全情况外没有出现安全事故，使得安全防护效果较好。

（4）绿色管理指标分析：Y4=7.645 1，表示绿色管理水平良好，结合施工全过程采取可视化、5S 管理，项目采取EPC 模式，制定了专门的装配化施工专项方案，整个施工过程人员、资源调度合理，实现了精细化管理，使得绿色管理水平良好，也在本项目评价指标中表现最好。

（5）施工技术指标分析：Y5=6.960 2，表示施工技术等级一般，结合现场施工发现，虽然项目全过程采用BIM 技术模拟指导施工，由于目前无法实现无障碍设计，再加上工人技术水平有限，使得安装定位无法高效完成，导致工程实际情况无法跟上先进的管理，使得该项目施工技术整体一般。

（6）装配式建筑绿色施工水平综合评价分析：Y=7.409 7，表明该项目整体绿色施工水平为良好，尚未达到优秀。结合现场施工发现，由于整体施工水平受限，缺乏新技术设备，在吊装过程中材料磨损率较高，对旧料的回收利用率较低。此外，在施工厂界噪声控制、场地绿化、施工机械尾气控制等方面存在短板。作为兰州新区装配式建筑科技示范住宅项目，总体在资源节约、施工管理、安全防护等方面效果较好，处于良好水平，其综合评价结果与工程实际相符合，说明本研究建立的装配式建筑绿色施工综合评价模型具有可行性和有效性。

4 结语

（1）基于装配式建筑施工特点和绿色建筑评价标准，筛选了31 个细化指标构建了装配式建筑绿色施工综合评价体系，并依据COWA 算子理论进行指标赋权，在一定程度上削弱了极端数据和专家主观因素对评价结果的影响。

（2）将灰色理论引入装配式建筑绿色施工综合评价中，构建了基于COWA-灰色定权聚类的装配式建筑绿色施工评价模型。利用该模型可有效避免不同指标因素作用的差异性，解决了部分指标信息不完整容易造成的结果失真问题，提高了评价结果的客观合理性。

（3）依托兰州新区某装配式住宅建筑，计算出该项目绿色施工综合评价值为7.409 7，对应绿色施工水平良好，对比分析模型输出结果和项目现场绿色施工情况，评价结果与项目实际情况基本吻合，验证了该测评模型的可行性和有效性。