基于灰色聚类法的装配式建筑环境评价

徐福强，陈龙

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

装配式建筑是指在工厂生产的预制构件运输到施工现场连接组装而成的建筑[1]。相较于传统建筑，装配式建筑具有施工周期短、节能、环保等特点。近年来，我国对绿色建筑发展大力支持，到2022 年，要求当年新建的建筑中绿色建筑面积占比达到70%[2]。2020 年，我国首次提出“双碳”目标，传统建筑的碳排放量将不再满足我国的未来发展要求，低碳环保型建筑将是未来建设的主题。近年来世界各国聚焦环境问题，宣传环保内容，人们的环保意识逐渐提升，对居住环境的要求也在提高。因此，对装配式建筑的环境评价研究有利于装配式建筑的推广应用。

当前的装配式建筑环境评价研究多采用经济化分析、目标距离法和专家打分法[3]。其中环境评价的经济化分析所需资料较多，计算复杂，最终的评价结果可视化较差，而目标距离法的评价区域性针对较好，但普适性较差。同时现有的装配式建筑环境评价指标的选取多数只考虑工程清单中的资源消耗量和大气污染物排放量等影响因素，对居住环境或居住的舒适性等指标考虑较少。因此，建立一个合理的，针对性和可视化较好的环境评价指标体系是具有重要意义的。本文综合考虑装配式建筑生命周期的环境因素，在专家调查法的基础上进行赋权，同时考虑到环境评价等级的界限并非一个具体数值，故采用灰色聚类理论建立环境评价模型，对装配式建筑进行环境评价。

1 装配式建筑环境评价指标体系的建立

科学、合理的指标体系是对建筑环境评价的基础，以针对性、可比性等为原则，根据装配式建筑生命周期的特点，对装配式建筑的环境指标进行组建。建立装配式建筑环境评价指标的目的，是基于建筑结构营造的室内外环境和环境保护，控制建筑自身对环境产生的不利影响，使建筑结构内部环境安全、健康、宜居，并与外部区域环境协调发展[4]。故本文从室内环境、室外环境、环境保护三个角度整理了19 个环境评价指标，具体见表1。

表1 装配式建筑环境评价指标体系

2 装配式建筑环境评价模型构建

2.1 COWA 理论确定权重

COWA(combination ordered weighted averaging)方法是对评价因素的专家打分值进行重新排序并根据所处位置进行加权，可在一定程度上减少专家的自身主观因素对权重计算的影响，使结果更加客观、精准[5]。具体赋权步骤如下所述。

（1）邀请n 位专家对同一层次指标的重要性进行打分（10 分制），得到指标的原始打分数据集为（a1，a2，…，aj，…，an），将数据整理后按分值从大到小排列并从0 开始编号，得到数列为b0≥b1≥b2≥…≥bj≥…≥bn-1。

（2）将排列后的数据bj运用组合数计算权重，公式如下：

（3）计算m 个环境评价指标因素的绝对权重，具体见式（2）：

（4）计算m 个指标因素的相对权重，具体见式（3）：

2.2 灰色聚类理论评价模型

装配式建筑环境评价的目标是确定建筑环境等级，但是环境等级的划分并未有明确的数值，而是外延鲜明但内涵不清楚的灰色信息，因此在评价等级中用灰色聚类理论对装配式建筑进行环境评价是合理的。

2.2.1 环境测度及评价标准的确定

结合现有规范《绿色建筑评价标准》[6]（GB/T 50378—2019），将装配式建筑的环境评价划分为5 个等级(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级)。设定环境测度取值范围为[0，10]，则各等级环境测度的具体界定如表2 所示。

表2 环境测度等级界定

2.2.2 灰类的确定及对应的白化权函数的确定

结合表2 环境等级划分界限，建立灰类评估的灰数与对应的白化权函数，故中心点向量为U=（9，7，5，3，1）。建立的各灰类对应的白化权函数如表3 所示。

表3 环境等级灰类及对应的白化权函数

表中：Cij为环境评价指标的现场实测值。

2.2.3 灰色聚类评估步骤

（1）建立评价矩阵：根据现场实测值对环境评价指标Eij赋值，由于实测值之间的单位和数值大小存在不统一，故对环境评价指标实测值进行无量纲化处理[7]。本文中的少部分指标为正向指标，即指标数值越大，对环境影响越大，如温室气体排放量等。还有部分负向指标，与正向指标的规律相反，如建材回收率等。

结合环境等级分类，无量纲化处理公式为：

式中：Cij为无量纲化处理生成值；为评价指标实测值；Cijmax为评价指标或实测值最大有限值；Cijmin为评价指标或实测值最小值。

（2）灰色聚类权矩阵的建立：环境评价指标属于第q 个灰类的聚类系数值为Xijq=fq[Cij]，进一步计算总的聚类系数为，进一步处理rijq=Xijq/Xij，则环境评价指标Eij对于各个灰类的评价权向量为rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5),建立的灰色聚类权矩阵Ri为式（5）:

（3）合成综合聚类评价矩阵：把环境指标中二级指标的权重向量与其灰色聚类权矩阵合成运算，见式（6）：

在此基础上建立一级指标的评估矩阵Z0=[Z1,Z2,…，Zn]T，与二级指标评估相同，得到综合聚类评价向量为式（7）：

（4）计算各级指标综合环境评价值：将综合聚类评价向量M与环境测度阈值U进行合成，得到环境综合评价为式（8）：

最后，根据计算结果对环境等级进行划分。

3 实例分析

以兰州新区某保障性住房4#楼为例进行分析。该楼结构为冷弯矩形钢管混凝土柱-H 型钢梁框架，4#住宅楼由地下2 层、地上11 层组成。该住宅总建筑面积8073.13m2，总高度35.2m，单层建筑面积612.01m2，标准层层高2.9m，装配率不低于60%。通过实地调研与勘察收集了该工程的实测值，结合规范《建筑采光设计标准》[8]（GB 50033—2013）、《环境空气质量标准》[9]（GB 3095—2012）、《声环境质量标准》[10]（GB 3096—2008）确定各等级环境指标数值区间，具体数据参看表4 。

表4 装配式建筑环境评价标准及指标特征值

3.1 指标权重的确定

通过对4# 住宅楼设计和施工阶段的调研、统计，可以确定住宅环境的基本数值，对于运行阶段的环境数值，采用居住地的环境质量检测指标进行预测，对于住户的室内环境检测，则采用同区域已使用的住宅进行检测，具体环境评价指标的确定邀请了7 位专家打分，按从大到小顺序对专家的打分值进行排列，由式（1）—式（3）对指标权重进行计算。具体指标打分值和权重见表5 和表6 。

表5 准则层环境指标数据及权重

表6 指标层环境指标数据及权重

3.2 项目环境评价

根据表4 中装配式建筑的环境影响指标无量纲化处理值，建立环境评价指标的灰色聚类权矩阵如下：

由式（6）对环境评价指标的权重向量Wi和灰色聚类矩阵Ri计算，得到灰色聚类评价矩阵Zi为：

同时，根据一级指标的聚类评价，由式（7）可得综合聚类评价向量为：

结合式（8），得环境评价值为：

3.3 结果分析

根据综合权重指标排序可得：E2＞E3＞E1。可以看出，室内环境指标较为重要，即用户及社会满意度应放在首位；同时，环境保护指标的权重与室内环境指标相差值为0.0162，说明这两个因素的重要性接近，与以往研究结果不同，突出了室内环境因素的重要性。根据环境影响综合评价值为6.8544，确定其为环境评价等级中的第Ⅱ等级，说明该建筑结构的综合环境评价良好，这与项目的实际环境情况基本一致，也体现了装配式建筑的特点。

结合项目的实际情况发现，该项目在土地占用方面表现优秀，项目施工现场较为整洁，材料器械占用空间较少，土地利用合理。钢结构住宅对于钢材的消耗量较大，前期投入高，但后期拆除阶段钢材的回收率为90%，具有避免资源浪费和减少建材生产的环境污染的优势。钢结构室内隔音降噪效果较差，主要是由于内部墙板收缩造成与钢梁相接处、墙板转角接口处出现裂缝，同时工人的不规范施工和缺乏经验也会导致内部结构出现裂缝，导致结构保温性能受损。

上述问题与项目环境指标得分数值反映基本一致，评价结果与现场实际相符，说明了上述环境评价标准和评价模型能够反映装配式建筑的环境等级，具有一定的可行性。

3.4 装配式建筑的发展对策建议

（1）政府给予装配式建筑一定的鼓励扶持和引导：近年来，我国出台了一系列装配式建筑政策，但企业因装配式建筑前期投入过大、成本高，对装配式建筑的建设热情不高。政府应给予企业一定的引导和扶持，提升企业发展的信心和动力，同时向消费者积极宣传装配式建筑的优势特点，使其正确认识装配式建筑所带来的综合效益。

（2）建立完整的装配式建筑供应链体系：装配式建筑供应链上下游企业间的信息协同优化应以行业规范为基础，构建装配式建筑供应链信息共享平台，实时共享项目动态信息，保证装配式建筑的设计-生产-运输-安装-运维一体化发展，确保围护结构与结构主体间连接性、密闭性等技术问题快速处理，减少建材浪费，提升建设效率，推动装配式建筑产业化发展。

（3）培养高水平专业技术人才：当前装配式建筑在我国的发展仍处于初级阶段，相关领域从业人员的能力不足，企业和高校可开展进修培养计划，开展专业知识授课和施工操作教学，提高技术人员的专业素养和操作水平。

4 结论

（1）结合装配式建筑特点与生命周期理论，从室内环境、室外环境、环境保护三个角度建立装配式建筑环境评价指标体系，并结合相关规范及文献建立了评价标准和评价等级。

（2）COWA 算子确定了环境评价指标的权重，减弱了专家因主观评价带来数值的极端性。同时，将灰色聚类理论与环境评价体系相结合，解决了环境分类界定范围的灰色性，可对建筑的环境等级做出判断，结合现场实际情况证明，运用该模型对装配式建筑环境评价是可行的。

（3）装配式建筑的环境评价体系有利于发现建筑存在的环境问题，及时采取处理措施，有助于我国的装配式建筑走向成熟。