基于模糊综合评判的兰州屋顶绿化现状评价方法

刘奔腾, 周玉卿, 王雪平, 刘 起

(1. 兰州理工大学 设计艺术学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 东南大学 城市与建筑遗产保护教育部重点实验室(西北中心), 甘肃 兰州 730050；3. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 4. 西北民族大学 美术学院, 甘肃 兰州 730030)

建设生态宜居城市是我国“新常态”经济、社会发展的基本理念,也是贯彻落实“建设生态文明、推进绿色发展”这一国家基本方略的必然要求[1].在城市高密度发展的趋势下,屋顶绿化是增加绿化覆盖率的有效措施,也是改善城市生态环境、建设海绵城市的重要途径.因此,越来越多的学者开始关注屋顶绿化及相关问题.目前,屋顶绿化评价研究实践较为丰富,主要集中在针对屋顶绿化自身的绿化类型、植物种类、植物景观配置、管理维护和生态效益等方面[2-5],如Kathryn等[6]通过评估自然环境、社会环境、交往活动和个体的适应性等因素对营造屋顶绿化体验的影响,对受众关于屋顶绿化的感知和心理反应进行了讨论；闫海燕等[7]从公众认知度入手,调研分析了焦作市的屋顶绿化现存的问题并提出了相应的对策.除了以上的定性分析研究外,也有一些学者在定量分析方面做出有益的探索.Tachaya等[8]采用层次分析法进行定量评估,总结了影响泰国屋顶绿化推广的主要因素；Amir等[9]通过运用改进的模糊德尔菲法,建构出屋顶绿化类型和选择标准之间的因果关系,为决策者优选屋顶绿化类型提供了新的见解；杨程程[10]从生态性、观赏性、安全性、功能性、社会性和经济性6个方面建立了屋顶绿化的评价模型.

兰州作为西北半干旱地区的典型城市,生态环境较为脆弱[11],长期依赖人工生态系统建设以保护和恢复因城市发展而破坏的自然生态系统[12].城市建设的扩张加之河谷地形的限制,使得生态建设用地不断被蚕食和碎片化,出现了“见缝插绿”的绿化建设局面,导致各类城市生态风险加剧.屋顶绿化可以改善因不透水地表面积增加而改变城市水循环过程导致的城市暴雨洪涝和高密度建设引发的城市热岛效应[13],是优化城市生态环境的有效措施.

干旱作为制约植物生长的主要逆境因子,是屋顶绿化推广的限制性因素.针对干旱条件下的屋顶绿化植物选择、种植基质、设计施工等方面的研究[14-15],以及一些既有建筑(多集中在小区住宅)的屋顶绿化实践活动为干旱区屋顶绿化推广和建设提供了现实可能性.对兰州现有屋顶绿化进行调研评价分析,有利于发现和归纳已有实践中与兰州地区相适应的技术和策略.考虑到影响屋顶绿化的因素较多,本文引入模糊综合评判法[16],以期对干旱地区城市的屋顶绿化实现定量评价,并对西北城市屋顶绿化建设提供指导.

1 综合评价指标体系构建

1.1 构建思路

屋顶绿化是一个综合建筑学、植物学和景观生态学等专业的系统工程,涵盖建筑承重、屋顶防排水、植物生态特性、种植技巧等很多方面.基于现有屋顶绿化评价研究成果和相关技术章程[7,10,17-21],结合兰州寒冷、半干旱的气候地理条件,调整并预选出具有代表性的评价指标,再采用专家咨询法访谈专家团队,将反馈信息按重要性排序并整理和归类,通过众数法选出出现频率最多的分类标准及指标,最终确定从设计合理性、成本投入、绿色效益和维护质量四个方面建立兰州市屋顶绿化评价指标体系.

1.2 体系建立

按照评价方法一致性、可操作性原则,在筛选指标时,精简了较难获得和测度(阻根层、保护层等构造指标)及重复冗余的指标(绿化面积、绿化类型等指标),得到兰州市屋顶绿化评价体系.本文将评价体系划分为4项一级指标、10项二级指标与19项三级指标,建立3层次结构评价指标体系,如图1所示.

图1 兰州市屋顶绿化综合评价指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of roof greening in Lanzhou city

1.3 权重的确定

建立评价指标后,选择恰当的方法确定评价指标权重是影响评价结果合理性的关键因素.本研究以层次分析法确定评价指标权重,为能较客观真实地反映指标权重的等级排序,邀请10位屋顶绿化领域专家按重要性强弱标度对各项指标权重进行评分,步骤如下：

1) 构造判断矩阵

本研究将总目标分为多级指标.两两比较同一层次的各因素关于上一层中某一因素的重要性,现以“设计合理性”指标为例,构造判断矩阵A=(aij)n×n，如表1所示,其中aij常用取值如表2所示.

表1 某专家关于设计合理性重要性等级 Tab.1 An expert’s classification of importance of design rationality

表2 标度的含义Tab.2 The meaning of scaling

从相同到绝对强的每两个等级之间可以依次将其量化为2,4,6,8,即aij取1,2,…,9或它们的倒数,并且满足：

aij=1,aij=1/aij, 1,2,…,n

(1)

“设计合理性”所有指标进行两两比较后得出一个判断矩阵A：

(2)

2) 确定指标权重

在构造判断矩阵A的基础上,求出其最大特征值λmax带入对应的特征方程AW=λmaxW解出相应的特征向量W和相应的最大特征向量Wmax,即为同一层次的各因素相对上一层次中某一因素的重要性权重.用和法计算出各因素权重A=(0.549 9,0.209 8,0.240 2).用Matlab软件计算得出该判断矩阵的最大特征值λmax=1.027 3

3) 一致性检验

一致性指标CI：

(3)

式中：n为矩阵阶数.

根据表3可知,3阶判断矩阵的随机一致性指标RI为0.58,由于一致性比率CR可因下式求得：

表3 平均随机一致性指标Tab.3 Average random consistency index

(4)

因此该判断矩阵满足一致性检验要求,该组权重可以接受.

以上述一位专家关于“设计合理性”为例说明计算权重步骤,因本文听取10位专家意见,故采用上述判断矩阵求得权重后,将10位专家给出的权重结果求平均数后得出指标最终的权重向量.进而求得各三级指标权重,即可构建兰州市屋顶绿化综合评价权重总汇,如表4所示.

表4 兰州市屋顶绿化综合评价权重总汇Tab.4 Summary of comprehensive evaluation weights for roof greening in Lanzhou city

2 模糊综合评价

模糊综合评价方法,是应用模糊关系合成的原理,对受多种因素影响的事物作出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法[16].本文采用三个层次的模糊综合评价模型.现以兰州中心商业综合体屋顶绿化为例进行模糊综合评价.

2.1 确定评价指标集

根据兰州市屋顶绿化综合评价指标体系,得到评价因素集U如下：

U={U1,U2,U3,U4}={设计合理性,成本投入,绿色效益,维护质量}

其中：U11={U111,U112,U113},U32={U321,U322,U323,U324},U33={U331,U332,U333},U41={U411,U412,U413,U414,U415},U42={U421,U422,U423,U424}.

2.2 确定评语集和数值集

将兰州市屋顶绿化优劣划分为4个等级(如表5所示),即V={v1(优),v2(良),v3(中),v4(差)},数量化表示为V=(100,80,60,40)T.

表5 兰州市屋顶绿化评价标准Tab.5 Evaluation standard of roof greening in Lanzhou city

2.3 初级层次模糊综合评价

针对兰州市屋顶绿化综合评价,邀请10名屋顶绿化专家分别对设计合理性、成本投入、绿色效益和维护质量单元中各评价因子进行等级划分,其结果见表6.

根据式(5)得到指标的判别矩阵

(5)

设计合理性(U1={U11,U12,U13})模糊综合评价:

由表6得到“构造设计”判别矩阵：

表6 专家关于兰州中心综合体屋顶绿化的判断结果Tab.6 Expert’s judgment on roof greening of Lanzhou central complex

(6)

构造设计(U11={U111,U112,U113})的权重值为A11=0.536 2,权向量为A11=(0.253 3,0.298 4,0.448 3)；则构造设计的评判结果U11=A11·R11=(0.448 3,0.3,0.253 3,0.2),做归一化处理,得U11=(0.373 1,0.249 7,0.210 8,0.166 4),进而得出设计合理性的判别矩阵

(7)

又有,A1=(0.536 2,0.213 5,0.250 3),则设计合理性的判别结果为U1=A1·R1=(0.448 3,0.3,0.253 3,0.2).

同理,可求得“成本投入”“绿色效益”“维护质量”的评判结果如下：

成本投入的评判结果为U2=(0,0.333 3,0.666 7,0)

绿色效益的判别结果为U3=(0.517 3,0.3,0.1,0.092 5)

维护质量的判别结果为U4==(0.309 1,0.431 9,0.235 1,0.103 1)

2.4 总体模糊综合评价

第一因素集U={U1,U2,U3,U4},其权重为A=(0.184 2,0.202 6,0.439 4,0.173 8)

令总单因素评判矩阵为

(8)

作总体综合评判,得

U=A·R(0.439 4,0.3,0.202 6,0.292 5)

作归一化处理,得

B=(0.355 9,0.243 0,0.164 1,0.236 9)

2.5 计算模糊综合评价分值

将评判集的等级用百分制数量化,再将评判结果进行加权平均,可得到该样品绿化屋顶的综合得分.因此,兰州中心商业综合体屋顶绿化的综合评价分值F为

(9)

3 结果与分析

根据分数大小对样本绿化屋顶进行排序,以此作为模糊综合评价的最终结果.本文从32个样本中选取评价总分排名前10位的绿化屋顶(如表7所示)进行重点分析.

表7 评价结果排名前10的屋顶绿化Tab.7 Top 10 of roof greening evaluation results

3.1 设计合理性

屋顶绿化的基质层主要有三类:自然土壤、改良土壤和人工土壤,重量依次递减,价格依次递增.兰州市屋顶绿化基质层采用自然土壤居多,比较经济,有助于屋顶绿化的推广,且不易被屋顶的瞬时大风吹走.同时兰州冬天平均气温在0 ℃以下,自然土壤和改良土壤有更强的适应性[22],但自然土壤理化特性的指标不高,因此建议推广使用改良土壤,可参考干旱区屋顶绿化的保水轻质低成本营养基质的配制方法[23].

样品中不对外开放的屋顶绿化构造设计标准相对较高,如桥门大厦,其“构造设计”指标的隶属度评判向量为(0.489 2,0.181 3,0.181 3,0.148 1),属于“优”的程度较高,为0.489 2,归因于其采用了3道防水层.对外开放的屋顶绿化构造设计则相对灵活,有些标准较低,但满足使用要求,个别样本(如甘肃省科技馆)“构造设计”指标的隶属度评判向量为(0.417 6,0.167 0,0.167 0,0.248 3),其中属于“差”的程度较高,为0.248 3,归因于无排水层导致屋面积水严重.再有,大部分屋顶绿化无蓄水层,近年来随着兰州雨季降水量成上升趋势,且极端降雨天气明显增多,城市内涝时有发生,屋顶绿化作为城市雨洪调节的有效手段,蓄水层起关键作用,因此,从城市可持续发展的角度,建议政府应该给出相应的鼓励政策,将蓄水层构造引入设计中.

3.2 成本投入

调研结果表明,植物品种、基质的类型以及灌溉方式的选择是影响建设成本的重要因素.兰州屋顶绿化普遍采用乡土植物、自然土壤和人工灌溉方式,各项价格较低,再加上未对蓄水层进行投入,因此整体造价大多比标准费用低10%～20%,除部分进入“良”水平的屋顶绿化,其余样品成本投入指标的隶属度评判向量均为(0,0,0,0.666 7),属于“差”等级.

灌溉用水的价格由低到高分为中水、绿化用水和生活用水,用水的种类和屋顶绿化的植物类型是影响植物养护成本的关键因素.兰州市屋顶绿化对维护管理的投入普遍不高,一些屋顶绿化只对用水进行投入,对施肥、打药、修剪和清理等费用几乎没有投入,严重影响屋顶绿化的品质和绿色效益的发挥.

3.3 绿色效益

在4个一级指标中绿色效益指标的权重最高,其下的二级指标中生态适应性的权重最高，为0.517 3,该指标值对综合评价结果影响较大.因此排名前10名的屋顶绿化都表现出良好的生态适应性.兰州市的屋顶绿化采用了大量的乡土植物,既有良好的生态适应性,又可以降低灌溉、防寒和防病虫害等维护成本,但乡土植物的品种过于单一,无明显季相变化,因此观赏价值不高.除了景观植物外,也有种植蔬菜的屋顶绿化(如静安大厦和王府井百货),且多为一年生草本植物.草本植物的根系形态多为须根,轻量、矮小和浅根的特质符合屋顶绿化的要求.其带来的直接经济效益也能激发公众对屋顶绿化建设和维护管理的积极性.在小区调研中发现有前院的住户普遍存在数量、规模不等的农业种植活动,说明农业活动的实践在城市中有一定基础,访问中72%的市民表示若无产权归属问题和不干扰正常生活的前提下,愿意在屋顶从事农业活动.

随着光照强度的增强,植物的光合速率也会加快,进而使植物能更好地发挥固碳释氧效益.调研中发现,部分屋顶平台的采光被建筑突出部分遮挡(如裙房屋顶平台被塔楼遮挡),削弱了光照强度,降低了植物的固碳释氧效益.种植植物的类型直接决定基质层的厚度,样本中以地被植物为主的屋顶绿化基质层普遍较浅,约20 cm,灌乔木为主的屋顶绿化基质层约40～50 cm(大乔木基质层厚约为120 cm).不同厚度的基质层涵养水源的能力存在较大差异,建议在荷载允许的条件下适当增厚基质层,既可增强屋顶绿化的涵养水源能力,又可满足更多植物品种的种植.

在对屋顶绿化的认可度方面,公众评价普遍较高,屋顶绿化在一定程度上提供了休闲娱乐的空间,提升了街道形象.大多数绿化将屋顶50%以上的空间覆盖,很大程度上补偿了城市绿地.

3.4 维护质量

植物养护方面.在对公众开放的屋顶绿化中,可达性越好,使用人数越多则管理维护相对越好,例如同样是种植了蔓延性强的藤本植物,桃海学生公寓的枝叶修剪和除草得当,其“植物养护”指标的隶属度评判向量为(0.433 4,0.257 4,0.206 1,0.103 1),其中属于“优”、“良”、“中”的程度较高.静安大厦则几乎处于自然蔓延状态,枯死枝也未清除,其“植物养护”指标的隶属度评判向量为(0.375 5,0.178 5,0.223 0,0.223 0),其中属于“中”、“差”的程度较高.再有,植物采用的灌溉方式多为人工,面积较大的屋顶绿化会采用喷灌的方式,若屋顶绿化有局部起坡或平面采用不规则设计使得出现“喷灌盲区”,应需要人工辅助灌溉.

设施维护方面.调研发现屋顶绿化的防寒措施包括防寒布、风障、涂白剂和缠绕包裹等,其中乔木以缠绕包裹为防寒措施的效果最优.防风设施普遍较差,多数屋顶绿化无防风措施,如桃海学生公寓采用自制简易绳索套拉在建筑墙壁上,存在安全隐患.部分屋顶绿化对其他相关设施的维护不够重视,典型的有王府井百货,其关于“其他设施”的专家判别矩阵为(0,0,0.1,0.9),水景、亭子和铺装等均未得到维护,严重影响正常使用.

4 结论

本文依据现有研究文献,在建立兰州市屋顶绿化评价指标体系基础上,采用层次分析法确定指标权重,以32个样本屋顶绿化数据为依据进行了评价研究,结果表明32个样本在4个评价等级中无一进入“优”行列,5个屋顶绿化处“良”水平,16个处于“中”水平,11个处于“差”水平,说明兰州市屋顶绿化综合评价整体水平不高.

其中,低水平屋顶绿化多集中在小区住宅,且多为个体自发的营建活动,在具体实施过程中,往往由于行为主体对构成屋顶绿化的各个要素缺乏系统性的认识,加之建造成本的现实问题,未能满足相关技术标准的要求,导致屋顶绿化出现不同程度的缺陷，存在基质理化特性不高、基础构造不完整、配套设施不健全等问题,导致评价结果不高.但同时,此类屋顶绿化类型以草坪式为主,种植荷载小(上人屋面活荷载为2 kN/m2,草坪式屋顶绿化荷载要求不小于1 kN/m2)，易于在既有建筑屋顶建设,多以耐旱低养护的景天科植物为主,所调研的对象生长状况均良好,表明在半干旱城市存在较强的可实施性和适应性,因此,兰州市既有建筑的草坪式屋顶绿化改造具有较大的推广发展潜力.此外,城市存量发展建设转型的背景下,优化基质(如采用适于干旱区屋顶绿化的保水轻质低成本营养基质的配制方法[23])并满足相关屋顶绿化技术规程的基本建设标准,是屋顶绿化成为海绵城市建设重要手段的必要条件.

相比湿润地区,兰州市屋顶绿化存在建设成本高,绿化难度大等现实问题.基于西北半干旱地区的气候特征建构屋顶绿化评价体系,能较为客观的表征半干旱地区屋顶绿化的各方面因素,并凸显与地区特征关联度较高的指标权重的重要程度(如成本投入、生态适宜性、补水灌溉、防寒措施等指标),评价结果具有实践应用价值.该评价体系可为其他干旱半干旱地区城市屋顶绿化评价研究提供参考.