基于DPSIR-TOPSIS的装配式建筑产业生态品质评价——以湖南省为例

曾 倩， 沈良峰， 汪 莎， 荣 琦

(中南林业科技大学 土木工程学院， 长沙 410004)

第二次工业革命之后，全球经济高速发展，建筑活动作为现代社会重要活动之一快速消耗大量自然资源的同时，也排放了大量不利于人与自然可持续发展的物质，打乱了一直以来人与自然界之间的平衡，从而引发了大量由于人类建筑活动而造成的生态环境问题。因此建筑业的生态健康发展成为当前社会焦点之一，而装配式建筑低能耗、高效率的特点使之成为建筑业生态转型的一大重点。为了改善建筑行业长久以来的生态问题，使社会、生态和建筑业协调发展，必须综合考虑装配式建筑产业生态品质。

现有装配式建筑产业的生态品质研究主要从可持续发展及其环境影响出发。徐婧等从“经济、环境、社会”等角度对装配式建筑进行综合效益评价，结果显示装配式建筑的环境与社会效益更为突出[1-2]。焦爱英等从装配式建筑保障性住房视角出发，对其全生命周期内的综合效益进行评价，并通过实例验证装配式住宅环境效益表现最好[3]。Chang等从生态环境、资源利用等角度探究装配式建筑可持续性发展问题，并找出了阻碍装配式建筑可持续发展的关键因素[4-5]。严景宁运用耗散结构原理探究装配式建筑产业链形成机理，并从可持续角度从供应链、技术链和政策链3个方面建立装配式建筑产业链模型[6]。

由此可见，装配式建筑产业生态品质研究已经成为当下装配式建筑领域研究的重点与热点，但也存在一些不足之处：国内外关于装配式建筑产业生态品质研究目前具有单一性、主观性与片面性等特点，有关于两者之间的有机结合更是相对不足，理论体系构建不完善。鉴于此，本文采用DPSIR法建立湖南省装配式建筑产业生态品质指标体系，采用结构熵权法与TOPSIS模型对湖南省2016—2020年装配式建筑产业生态品质进行研究，并通过障碍度模型分析主要障碍因素，为湖南省装配式建筑产业生态品质提升提供理论支撑。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

数据来自2016—2020年《湖南省统计年鉴》《湖南省环境状况公报》《中国统计年鉴》《中国建筑业统计年鉴》及湖南省住建厅等官方网站，根据湖南省装配式建筑产业生态品质评价指标体系，对相关数据进行收集整理，得到2016—2020年指标体系中相应初始数据。

1.2 研究方法

1.2.1 综合评价指标体系构建

DPSIR(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)是一种由欧洲环境署对PSR模型做出改进后提出的概念模型，系统地概括了人与自然环境的相互作用与关系，还包含了社会、经济、资源与环境等要素，具有综合性、科学性、系统性等优点[7-9]。DPSIR模型是用来描述社会、经济以及人类活动等因素与装配式建筑产业系统相互作用关系的概念模型，该模型包括了社会、经济、环境等因素[10]。本文引用DPSIR模型构建湖南省装配式建筑产业生态品质评价指标体系，各子系统间的关系如图1所示,并结合社会、经济、环境等多方面因素，选取27个指标建立湖南省装配式建筑产业生态品质评价指标体系并将其分为正向指标与负向指标，详见表1。

表1 湖南省装配式建筑产业生态品质评价指标体系及指标权重

1.2.2 结构熵权法

主观德尔菲法具有过度依赖专家主观臆断的缺陷，客观熵值法则易出现与客观事实不符的情况，而结构熵权法主要是将主观德尔菲法与客观熵值法结合起来确定指标权重。结构熵权法在计算过程中充分利用了典型排序的信息熵，减少了不确定性计算的复杂度。结构熵权法确定指标权重的具体步骤如下[11]：

1)收集专家意见，形成典型排序矩阵。根据德尔菲法向若干熟悉装配式建筑产业生态发展领域的专家采集指标重要性排序信息。把专家随机分组，每组专家独立地对各项指标的重要性进行排序，形成专家意见的典型排序矩阵。设有k组专家对各项指标进行重要性排序，每组专家均有一个打分指标集，该指标集为C=(c1,c2,…,cn)。指标集对应的典型排序数组记为(ai1,ai2,…,ain)，那么可以得到k组专家的典型排序矩阵，记作A，A=(aij)k×n,i=1,2,…,n，其中aij为第i组专家对第j个指标cj的评价。

2)利用熵值法进行盲度分析，计算总体认识度。为了消除专家组在排序过程中产生的不确定性，需要对步骤1)所得典型排序矩阵进行熵值分析，定义转换熵函数为[12]

(1)

式中：I为专家组对其中某一项指标评价时给出的重要性排序数值；m为转换参数量。

令m=j+2，j为实际最大顺序号，将典型排序矩阵A中各I=aij代入式(1)对aij进行定量转化，令c(aij)=bij，即可得到排序数I的隶属度矩阵B，B=(bij)k×n,i=1,2,…,k；j=1,2,…,n。

设每组专家对指标cj话语权相同，即“看法一致”，则平均认识度记为bj，即

(2)

定义专家组i对指标cj由认知产生的不确定性称为“认识盲度”，记作Qj，即

(3)

对于每一个指标cj，定义k组专家关于cj的总体认识度为xj，即

xj=bj(1-Qj)

(4)

由xj即得到k组专家对指标cj的评价向量X=(x1,x2,…,xn)。

3)进行归一化处理，得到指标的综合权重。对评价向量X进行归一化处理，令

(5)

归一化处理后的结果wj就是每项指标cj的权重，见表1。

1.2.3 TOPSIS模型

TOPSIS (technique for order preference by similarity to an ideal solution) 全称为“逼近于理想解的排序法”，是一种对多方案、多指标的系统进行决策评价的模型，通过构造正理想解和负理想解对评价对象进行排序，计算各评价方案与正负理想解的距离，再计算贴近度，与1越接近，表明评价结果越优，反之则越差[13]。具体步骤如下。

1)构造加权矩阵。

νij=ωjrij

(6)

式中:wj为指标j的权重；rij为指标j第i年的标准化值。

2)确定正负理想解。

(7)

(8)

3)计算不同方案到正负理想解的距离。

(9)

(10)

4)计算贴近度。

(11)

式中，ηi与1越接近结果越优。利用贴近度的方法，将湖南省装配式建筑产业生态品质划分为5个等级：优(0.9,1]、良好(0.7,0.9]、中等(0.6,0.7]、一般(0.5,0.6]、差(0,0.5]。

1.2.4 障碍度模型

利用障碍度诊断模型可以诊断和测算影响装配式建筑产业生态品质的障碍因素及障碍度，某项指标的障碍度越小，说明湖南省装配式建筑产业生态品质受该项指标的阻碍作用越弱，反之亦然[14]。障碍度计算涉及因子贡献度和指标偏离度两个衡量指标[15]。计算公式为

Fij=wijwi

(12)

Iij=1-Yij

(13)

(14)

式中:wij为第i个准则层第j个指标的权重;wi为第i个准则层的权重;Fij为因子贡献度;Iij为指标偏离度;Yij为无量纲化后的指标值;Pij为障碍度。

2 结果分析

2.1 湖南省装配式建筑产业生态品质评价结果分析

2.1.1 湖南省装配式建筑产业生态品质综合评价分析

图2 2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质的变化趋势

图3 2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质贴近度

2.1.2 DPSIR子系统湖南省装配式建筑产业生态品质评价水平分析

运用相同模型，重复上述运算，得到2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质各子系统评价结果，如表2和图4所示。

图4 2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质各子系统贴近度

表2 2016—2020年各子系统生态品质评价结果

1)驱动力子系统。2016—2020年驱动力子系统贴近度波动较大，主要影响因素是建筑业技术装备率。2017年湖南省建筑业技术装备率较2016年下降较多，因而2017年驱动力子系统贴近度较2016年减小。2018年建筑业技术装备率、建筑业企业单位数等各因素均上涨，故驱动力系统贴近度也呈现上涨趋势。而2020年各指标均有所上升，故其贴近度也逐步上升。

2)压力子系统。压力系统贴近度呈现逐渐减小的趋势，从2016年的0.526 0逐步减小至2020年的0.468 9。从原始数据来看，虽然近5年SO2排放量得到有力控制，但随着人口的增加，生活方式的多元化发展，建筑业能源消耗、建筑垃圾产生量及建筑业污水排放量的缓慢增加阻碍了湖南省装配式建筑产业生态品质的提升。另一方面，自新冠疫情防控以来，整体经济受到冲击，建筑业负债在2020年上升至5 305.94亿元，因此，压力系统2020年较2016年贴近度有所下降。

3)状态子系统。2020年状态子系统贴近度较高，达到了0.930 4，状态子系统反映了驱动力子系统和压力子系统共同作用的结果。由于2020年装配式建筑产业生态品质驱动力较大而压力较小，故状态子系统贴近度较高。2016—2019年涨幅不大主要原因在于建成区绿化覆盖面积、建筑垃圾处理工地个数、生活垃圾无害化处理率变化值不大。

4)影响子系统。2016—2019年影响系统贴近度缓慢增加，但2020年影响系统贴近度减少至0.120 9。由于能源消耗下降比例大幅度减小，2020年影响子系统贴近度下降明显。2016—2019年单位GDP能耗下降百分比逐年增多，第二产业对湖南省生产总值的拉动明显增加，建筑业全员劳动生产率也得到提升，装配式建筑产业生态品质的发展对全省领域内经济、社会、生态等方面影响日益增大。

5)响应子系统。2016—2020年响应系统贴近度变化较大，5年间从0.102 3上升至0.869 0。环保产业单位数、节能环保支出以及省级装配式产业基地数量均有所增加。一方面，2016—2020年，国家大力促进绿色生态发展，全国范围内自上而下发展生态建设，因此，环保产业单位数与节能环保支出得到支持。另外，湖南省是装配式建筑示范省份，以装配式建筑产业的大力发展为支点，积极贯彻国家建筑业生态发展指示，为省级装配式建筑产业基地的建立创造良好条件。

2.2 湖南省装配式建筑产业生态品质障碍度分析

利用障碍度模型诊断装配式建筑产业生态品质障碍因子，得到湖南省装配式建筑产业生态品质主要障碍因子排序及各子系统的障碍度，如表3和图5所示。

图5 2016—2020年各子系统障碍度

由表3可以看出，2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质的主要障碍因子基本都来自响应系统(I)和压力系统(P)，而其中最主要的障碍因子是省级装配式产业基地数量(R3)、建筑业R&D经费支出(R4)、节能环保支出(R2)和建筑业能源消费总量(P1)。2016—2019年省级装配式产业基地数量(R3)的障碍度在当前年份内所占比例最大，但纵向研究发现其障碍度在逐年减小，说明湖南省省级装配式建筑产业基地在逐年递增，并带动全省领域内装配式建筑产业良性发展，直至2020年障碍度下降至6.19%，从而在产业可持续发展角度实现生态品质提升。此外，建筑业R&D经费支出(R4)和节能环保支出(R2)两个指标的障碍度较大，表明需要提升用于研发建筑节能技术的支出，以通过科技手段实现装配式建筑产业生态品质提升。建筑业能源消费总量(P1)在2016—2020年的障碍度所占比重都在前5以内，说明建筑业能耗仍是湖南省内一个需要持续关注的问题，现有装配式建筑产业的发展水平并没有大幅降低建筑业总体能源消耗。

表3 2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质主要障碍因子排序

由图5可知，2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质子系统障碍度存在一定的波动但仍然相对稳定，总体表现为响应子系统>压力子系统>影响子系统>驱动力子系统>状态子系统。而响应子系统又与驱动力-压力-状态-影响系统相互作用。由此可见，为提升湖南省装配式建筑产业生态品质，要重视5个子系统的共同作用。

3 结论

本文创新性地将装配式建筑产业与生态品质相结合，并以湖南省为研究对象，通过构建DPSIR模型，采用结构熵权法、TOPSIS模型进行评价，建立了湖南省装配式建筑产业生态品质评价体系，并利用障碍度模型诊断影响其生态品质的主要障碍因子，得出以下结论。

1)2016—2020年湖南省装配式建筑产业生态品质的发展状态呈现“Z”形走向。从整体上来看，整体上升趋势表现为由慢变快再变慢，至2020年达到中等水平。

2)5年间响应子系统和状态子系统波动最大。从各子系统来看，各子系统上升趋势明显，这是“驱动力-压力-状态-影响-响应”5个系统相互作用互相影响得到的结果。

3)湖南省装配式建筑产业生态品质发展的主要障碍因子是响应子系统和压力子系统。从障碍度来看，具体指标为省级装配式产业基地数量(R3)、建筑业R&D经费支出(R4)、节能环保支出(R2)和建筑业能源消费总量(P1)。