乡村住宅耐久性的敏感性分析方法

李垂帅, 唐贞云*, 张欣伟, 高晓明, 王威, 段智君, 马华

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室, 北京 100124; 2.中国建筑标准设计研究院, 北京 100048;3.北京工业大学建筑与城市规划学院, 北京 100124)

近年来,国家对乡村住宅建设和发展的重视程度不断增加,2018年,国务院印发的《乡村振兴战略规划(2018—2022)》[1]中明确提出要建设生态宜居的美丽乡村。乡村住宅耐久性能的提升、使用寿命的延长是推进宜居乡村建设的具体举措。中国农村地区占地面积广,房屋建筑多。截至2020年末,中国村庄住宅实有建筑面积已达266.5亿m2[2],是城市居住用地面积的1.5倍。不同的住宅布局、建设方案和建设材料等因素造成乡村住宅的耐久性能明显变化。伴随着乡村住宅的建设和发展,如何对乡村住宅的性能进行评价和敏感性分析成为重要问题。

目前,国内已有部分学者针对乡村住宅的性能和评价方法进行了相关研究。甄蒙等[3]、袁炯炯等[4]和郑文亨等[5]对乡村住宅的热环境进行了研究,总结了不同地区民居的室温和热舒适性规律。杜运兴等[6]、胡云香等[7]、田易卓等[8]和高源等[9]对乡村住宅的评价方法进行了相关研究,在安全性、基础设施适用性、混凝土碳化和低碳化改造等方面提出了相应的评价方法。仇春华等[10]对乡村住宅的设计方案进行了研究,建立了包括舒适性、经济性、可用性和美观性的设计方案指标体系。胡恬等[11]和冯涛等[12]对乡村住宅的墙体和地面面层等建筑材料进行了相关研究,进一步推动了乡村住宅向高质量建筑的转变进程。

乡村住宅在建造方法、结构类型和建筑材料等方面与城市住宅存在差异,难以对乡村住宅的性能参数进行数据采集,具有性能难以评定和分析的特点。中国目前针对乡村住宅的研究主要集中于热环境、建筑材料和安全性能,缺乏针对耐久性能敏感性分析法的相关研究。对我国既有乡村住宅的耐久性能进行调研和评价对于未来乡村住宅的改造和提升意义重大。

鉴于此,基于可拓学提出适用于乡村住宅的耐久性评价模型和敏感性分析方法,以关联度计算得到的乡村住宅耐久性评价级别和级别变量特征值为依据,通过不同层次特征值的横纵对比,初步筛选出乡村住宅耐久性能的敏感因素,分析结果可为乡村住宅未来的规划、改造和发展提供科学依据。

1 基于可拓评价的敏感性分析方法

与城市住宅相比,乡村住宅由于缺乏专业设计、建造模式混乱,具有性能难以评定和分析的特点。基于乡村住宅的特点,现提出一种适用于乡村住宅耐久性能的评价和敏感性分析方法。下面从模型建立和数据分析两方面阐述乡村住宅耐久性的敏感性分析方法的具体实现。图1给出了相关技术路线。首先以指标体系和可拓学为基础,建立乡村住宅耐久性的评价模型,通过实地调研和专家打分的方式得到指标实测值。其次,将乡村住宅耐久性评价模型结合指标实测值进行关联度计算得到乡村住宅耐久性的评价结果。最后,采用级别变量特征值分析法对乡村住宅耐久性评价结果进行统计分析,实现单体乡村住宅和区域乡村住宅的敏感性分析,得到各指标的敏感性强弱。

图1 基于可拓学的敏感性分析模型Fig.1 Sensitivity analysis model based on extenics

1.1 乡村住宅耐久性评价模型的建立

乡村住宅耐久性评价模型以相关指标体系和可拓学理论为基础建立。针对乡村住宅评价的不同性能,选择相应的指标体系,目前中国可供选择的评价指标体系有《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)[13]、《百年住宅建筑设计与评价标准》(T/CECS-CREA 513—2018)[14]等。依据指标体系建立乡村住宅可拓评价相关物元模型。

经典物元模型[15]为

(1)

式(1)中:Rj为第j级环境的物元模型;Pj为所划分的第j个性能等级,例如:指标体系的分级从低到高依次为1A 级、2A 级、3A 级,则j=1表示待评物元为“1A 级”,j=2表示待评物元为“2A级”,j=3表示待评物元为“3A 级”;c1～cn分别为可拓评价指标体系的n项指标;vj为cj在第j级的取值范围,即经典域,aj和bj分别为vj的上、下限。

各指标的量值范围,即节域形成的物元模型为

(2)

式(2)中:P为耐久性评价与敏感性分析的对象;vp为指标c的量值范围;ap和bp分别为vp的上、下限,vp的取值范围应该包括vj不同性能等级的量值范围。

1.2 指标实测值的评定

乡村住宅耐久性评价指标的实测值通过实地调研和专家打分的方法进行评定。第一步,实地调研:针对乡村住宅耐久性评价的指标内容,由专业工程技术人员进行实地调研,对乡村住宅进行检验和检测,并查阅相关设计文件、检测报告、维修报告等资料,得到评价指标的基本性能现状。第二步,专家打分:邀请x位专家通过听取汇报、查阅调研资料和现场检查等程序,对照相应的指标体系评定标准,对乡村住宅的n项指标进行评分。假设x位专家同等重要,则最终实测值为x位专家打分的平均分。第三步依据指标体系和实测值建立如式(3)所示实测值物元矩阵。

(3)

式(3)中:v1～vn依次为指标体系的n项指标的实测值。

1.3 乡村住宅耐久性的敏感因素分析

1.3.1 关联度计算判定评价等级

乡村住宅耐久性评价结果依据评价指标与评价类别的关联度,按照最大隶属度原则得出。关联度的相关计算如下。

(1)计算关联函数。

(4)

(5)

(6)

式中:Kj(vk)为关联函数,表示待评价事物的指标ck关于类别j的归属度;|vjk|为区间[ajk,bjkajk,bjk]的长度,即bjk-ajk;ρ(vk,vjk)ρ(vk,vjk)为点vk与区间vjk的距;ρ(vk,vpk)为点vk与区间vpk的距。

(2)计算关联度。

(7)

式(7)中:Kj(P)为在考虑指标权重下,待评价事物各指标ck关于类别j的关联度的组合值;λk为各个指标的权重。

(3)确定评价等级。根据最大隶属度原则,按式(8)评定P属于类别j0。

Kj0(P)=maxKj(P),j=1,2,…,m

(8)

1.3.2 级别变量特征值敏感性分析

敏感性分析以指标的级别变量特征值为依据,级别变量特征值j*计算公式为

(9)

(10)

级别变量特征值j*的取值范围为(1,m),级别变量特征值j*可以反映评价等级的偏向,实现了评级的连续化[16],例如:指标体系的分级从低到高依次为1A 级、2A 级、3A 级,则级别变量特征值j*的取值范围为(1,3),若指标c1的评价级别为2A 级,级别变量特征值j*为2.6,则表明指标c1虽评价级别为2A 级,但有偏向3A 级的趋势。

乡村住宅耐久性的指标敏感性强弱通过指标级别变量特征值的横向、纵向对比得到,级别变量特征值越高,则敏感度越低,反之,则敏感度越高,横向对比分析同级指标间耐久性的薄弱环节,纵向对比分析不同级指标间耐久性的薄弱环节。

2 单体乡村住宅耐久性的敏感性分析

2.1 单体乡村住宅耐久性的敏感性分析方法

单体乡村住宅耐久性的敏感性分析方法分为选取指标体系、专家打分、可拓评价和敏感性分析4部分。首先,依据乡村住宅的特点和评价内容,选取适用于乡村住宅耐久性能评价的指标体系,建立式(1)～式(2)的物元矩阵;其次,对乡村住宅进行耐久性能现状调研,并根据指标体系的评分标准进行专家打分,得到指标实测值,确定式(3)的物元矩阵;按照式(4)～式(8)对乡村住宅的耐久性进行可拓评价,得到各级指标的评价结果;最后,按照式(9)和式(10)计算各级指标的级别变量特征值,对耐久性指标的级别变量特征值横向、纵向对比,按照从低到高的顺序进行排序,得到指标间敏感性的强弱,从而确定单体乡村住宅耐久性的薄弱环节,便于进行针对性的加固改造。

2.2 单体乡村住宅耐久性的敏感性分析实例

以张欣伟等[17]建立的乡村住宅耐久性指标体系为例对内蒙古六合嘎查村进行单体乡村住宅耐久性的敏感性分析,指标体系如图2所示,包含4项一级指标和10项二级指标,评价等级划分为B级、1A级、2A级、3A级。

图2 本文选用的乡村住宅耐久性指标体系Fig.2 The durability index system of rural houses selected in this work

根据六合嘎查村的调研报告,对六合嘎查村的各项乡村住宅耐久性评价指标进行专家打分,得到指标实测值,依据指标体系和实测值建立的物元矩阵按式(4)～式(8)进行关联度计算,判定村庄住宅耐久性评价等级,评价结果如表1所示,六合嘎查村最终耐久性评价等级为3A 级,进一步计算得,六合嘎查村(目标层)最终级别变量特征值为3.3。

为实现评价等级的连续化,对六合嘎查村的住宅耐久性进行敏感因素分析,按式(9)和式(10)计算评价指标的级别变量特征值,一级指标评价结果如图3所示。通过一级指标的评价结果和级别变量特征值横向对比得到,六合嘎查村的耐久性维护性能最差,特征值为3.1,属于敏感性因素;对一级指标和目标层的特征值进行纵向对比,耐久性维护性能的特征值低于目标层的特征值,因此,耐久性维护性为纵向对比的敏感性因素。通过横向和纵向对比分析得,耐久性维护性是六合嘎查村的一级指标敏感性因素。因此,若要提高六合嘎查村的住宅耐久性,可将资金、人力、物力等向耐久性维护方面倾斜,着重提高六合嘎查村的耐久性维护水平。

为进一步分析六合嘎查村耐久性能的内在限制因素,需要对指标体系的二级指标进行级别变量特征值的计算和对比,计算结果如图4所示。横向、纵向对比发现,设备管线、长期维护性和维护便捷性三项二级指标的特征值最低,且均低于目标层的特征值3.3,因此,设备管线、长期维护性和维护便捷性的耐久性水平相对较低,属于村庄耐久性的二级指标限制因素,需要着重进行改善,敏感性强弱依次为长期维护性>维护便捷性>设备管线。

表1 六合嘎查村住宅耐久性评价结果

图3 六合嘎查村一级指标评价结果Fig.3 Evaluation results of first-level index for the village of Liuhegacha

图4 六合嘎查村二级指标评价结果Fig.4 Evaluation results of secondary index for the village of Liuhegacha

3 群体乡村住宅耐久性的敏感性分析

3.1 群体乡村住宅耐久性的敏感性分析方法

单体乡村住宅的耐久性分析可以得到某个村庄的耐久性限制因素,但是,若要得到某个区域内乡村住宅的限制因素,分析不同区域间乡村住宅的耐久性分布差异,并对区域乡村住宅的耐久性分布规律进行总结,往往还需要对区域乡村住宅的耐久性进行研究。然而,目前尚没有针对区域乡村住宅的耐久性能的敏感性分析方法,鉴于此,本文研究在单体乡村住宅耐久性能评价的基础上提出了一种适用于区域乡村住宅耐久性能的敏感性分析方法。由于对区域内各单体乡村住宅耐久性进行研究时,选用的指标体系一致、分析方法一致、敏感性分析指标一致,在对区域内的各单体乡村住宅进行耐久性评价,得到一定量的单体乡村住宅耐久性的各级指标级别变量特征值后,通过对单体乡村住宅的各级指标的级别变量特征值取平均值的方法,得到群体乡村住宅耐久性指标的级别变量特征值。群体乡村住宅耐久性的指标级别变量特征值反映了该区域内乡村住宅的整体耐久性能,横向、纵向对比各级指标的区域级别变量特征值,则可得到区域内乡村住宅耐久性各级指标的敏感性强弱,进行群体乡村住宅耐久性的特点和规律分析。

3.2 群体乡村住宅耐久性的敏感性分析实例

为了解中国乡村住宅的耐久性现状,分析当前乡村住宅耐久性能的限制因素,对中国22 省市的122个村庄进行了实地调研或相关文献调研[18-21],乡村住宅的调研分布情况如图5所示。依据调研资料进行专家打分得出乡村住宅耐久性指标实测值,通过本文创建的单体乡村住宅耐久性评价模型对各乡村住宅进行耐久性评价,得到各乡村住宅的耐久性评价结果和级别变量特征值,进而通过取均值的方法得到全国乡村住宅的级别变量特征值来分析全国乡村住宅的敏感性因素。

根据调研村庄的住宅耐久性评价计算结果,全国乡村住宅(目标层)的级别变量特征值为3.1,说明中国的乡村住宅整体已完全满足2A 级水准,且评为2.1A 级更合理。全国乡村住宅耐久性一级指标评价结果如图6所示,横向对比发现,物理耐久性和耐久性维护的级别变量特征值低于功能耐久性和安全耐久性,纵向对比发现,物理耐久性和耐久性维护的级别变量特征值低于目标层特征值3.1,这表明物理耐久性和耐久性维护的耐久性水平在全国乡村住宅整体耐久性中处于劣势,属于敏感性因素,在经济和其他条件允许的情况下,可以对其进行适当的改进。

为对全国乡村住宅耐久性能的内在限制因素进一步分析,需要对二级指标的级别变量特征值进行计算,评价结果如图7所示,全国乡村住宅耐久性的二级指标级别变量特征值均位于2.7～3.4,表明我国乡村住宅的二级指标均属于2A 级耐久性水平;横向、纵向对比得出,连接设计、设备管线、户型设计、维护便捷性和结构工程的级别变量特征值均低于目标层特征值3.1,耐久性水平较低,属于全国乡村住宅结构耐久性的敏感因素,敏感性指标从强到弱依次为结构工程>维护便捷性>户型设计=连接设计=设备管线,应该着重对这些指标进行改进,进而提升乡村住宅整体耐久性水平。

图5 本文乡村住宅调研分布图Fig.5 This article rural houses survey distribution map

图6 全国乡村住宅耐久性一级指标评价结果Fig.6 Evaluation results of durability index of national rural houses

图7 全国乡村住宅耐久性二级指标评价结果Fig.7 Evaluation results of second-grade durability index of national rural houses

4 乡村住宅耐久性分布规律

因中国不同区域间经济、文化和气候等因素的差异,各区域乡村住宅的耐久性能存在一定的区别,对比不同区域间乡村住宅耐久性的差异,可以对中国乡村住宅的耐久性能分布规律进行总结。根据中国不同地区近几年新建或改造的新型乡村住宅的调研资料,进行专家打分和耐久性计算,在对不同地区的单体乡村住宅进行耐久性评价后,通过对区域内单体乡村住宅的级别变量特征值取平均值的方法得到该区域的耐久性评价结果,通过不同地区间的耐久性评价结果对比,对中国不同区域乡村住宅的耐久性水平进行分析。不同区域的乡村住宅耐久性评价结果如图8所示,从图8中可以看出,西北地区乡村住宅的耐久性水平高于全国平均水平,华中地区和西南地区乡村住宅的耐久性水平低于全国平均水平。不同地区一级指标评价结果如图9所示,各地区的安全耐久性水平普遍较高,其原因为现代村庄结构形式多为砖混结构或混凝土结构,安全性良好;物理耐久性水平普遍较差,其原因为村庄的建造方式多为当地工匠自行建造,在基础勘察和构造措施等方面与施工单位的水平仍有一定差距;东北地区和华南地区四项一级指标的耐久性能比较均衡;与其他地区相比,西南地区的功能耐久性和耐久性维护水平相对较差。

图8 不同地区乡村住宅耐久性评价结果Fig.8 Durability evaluation results of rural houses in different areas

为进一步分析不同地区乡村住宅的耐久性差异,总结乡村住宅耐久性的分布规律,本文对不同地区乡村住宅耐久性的二级指标评价结果进行了对比分析。乡村住宅作为村民日常生活的场所,其功能是否完备会影响村民的生活质量和居住体验,为分析不同地区乡村住宅的内隔墙拆装、结构体系开放性和功能分区等性能,对不同地区乡村住宅的功能耐久性内在指标进行计算,如图10所示,中国乡村住宅的院落布局水平普遍较高,现代村庄在建造前进行了合理的规划和设计,空间布局合理,功能设置齐全;华北地区、华南地区、华东地区和东北地区的功能耐久性分布规律接近,均为院落布局水平较高,户型设计和设备管线水平接近,且低于院落布局;与其他区域相比,东北地区的院落布局水平最优,西北地区的设备管线水平最优,西南地区的户型设计和设备管线水平最差。

为衡量不同地区乡村住宅的建筑材料耐久、设计使用年限和装饰寿命等物理性能,需要对物理耐久性内在指标进行分析计算,计算如图11所示,中国乡村住宅的结构工程水平普遍较差,当地工匠施工水平有限,设计使用年限较短,耐久性提高措施不足等;管线工程的耐久性水平普遍较高,现代新型乡村住宅多对管线布局进行了相应的设计,采用了雨污分流等管线措施;外围护工程的耐久性能比较均衡,级别变量特征值均在3.0左右;华中地区的三项指标的耐久性能差异明显。

图9 不同地区乡村住宅的一级指标耐久性Fig.9 Durability of the first index of rural houses in different areas

图10 不同地区的乡村住宅功能耐久性Fig.10 Functional durability of rural houses in different areas

乡村住宅因结构类型和建造方式等原因,其抵御地震等自然灾害的能力通常较差,乡村住宅的安全性急需加强,而安全性是绿色宜居的乡村住宅中不可或缺的一部分。为衡量近年建造的新型乡村住宅的体系安全、节点连接和抗震能力的可靠性,需要对不同区域乡村住宅的安全耐久性进行分析,计算结果如图12所示,中国新型乡村住宅的抗震防灾设计性能普遍较高,新型乡村住宅多采用抗震能力较好的砖混结构或混凝土结构,部分条件较好的村庄采用钢结构;连接设计性能普遍较差,主体结构与围护结构的连接方式和施工水平等仍需要进行改进。

图11 不同地区乡村住宅的物理耐久性Fig.11 Physical durability of rural houses in different areas

图12 不同地区乡村住宅的安全耐久性Fig.12 Safety durability of rural houses in different areas

结构耐久性和使用寿命,离不开使用阶段的检测、维护和修理,在使用过程中注重维修加固是提高村镇住宅耐久性的重要措施[22],因此,对乡村住宅的改造、拆除和维护等性能进行评价和分析是一份十分必要的工作。对不同地区乡村住宅耐久性维护性能的计算结果如图13所示,中国乡村住宅的维护便捷性普遍较差,乡村住宅部件多为传统建筑材料,更新便捷性较差;长期维护性能普遍优于维护便捷性能,多数村庄具备当地的建筑工匠且成立村民小组,负责对村庄的长期维修和维护,与其他地区相比,西南地区的长期维护性略差。

图13 不同地区乡村住宅的耐久性维护性能Fig.13 Durability maintenance performance of rural houses in different areas

5 结论

对乡村住宅耐久性的敏感性分析方法进行研究,并应用于单体乡村住宅和群体乡村住宅实例,最后对22个省份122个新型村庄的住宅耐久性能进行分析,得到乡村住宅耐久性分布规律。得出如下结论。

(1)针对乡村住宅耐久性问题,结合级别变量特征值提出了一种新型的敏感性分析方法。该方法基于可拓学建立乡村住宅耐久性评价模型,并依据乡村住宅耐久性评价等级和级别变量特征值的横向、纵向对比分析得到乡村住宅耐久性的限制因素。该方法可用于单体乡村住宅和区域乡村住宅,且无需采用专业设备对住宅的性能参数进行测量,针对乡村住宅具有普适性,基于该方法能准确评价单体乡村住宅和群体乡村住宅耐久性指标的敏感性,为乡村住宅耐久性未来的规划、改造和发展提供了科学依据。

(2)中国新型乡村住宅在建造前经过了合理的规划和设计,结构形式多采用砖混结构或混凝土结构,在正常使用和维护的条件下,具备抵御自然环境及老化的能力,满足日常的建筑功能与性能的要求,耐久性能良好;乡村住宅的功能灵活性和空间更新性等可持续居住性能仍需改善和提高。

(3)在乡村住宅耐久性能的区域分布方面,不同地区的乡村住宅耐久性能略有差异,西北地区的乡村住宅耐久性能高于全国平均水平,华中地区和西南地区的乡村住宅耐久性能低于全国平均水平。