经济性视角下装配式建筑外墙外保温材料的比选

顾逸飞 祝连波

苏州科技大学江枫校区土木工程学院

0 引言

目前越来越多的国家在工程中实施装配式施工，装配式建筑工业化不仅是世界性的大趋势,同时也是我国国民经济的重要组成部分。从节能效果看，预制装配式建筑不仅可以提高社会效益，对节约能源、环境保护也具有重要意义，是未来建筑物发展的重要方向［1］。据住建部统计，2020年我国新开工装配式建筑面积已达6.3亿m2，较2019年增长了50%，在新建建筑中占比约为20.5%。虽然我国发展装配式建筑还处于初级阶段，但通过不断学习并结合国外建筑业的成功经验进行开拓创新，未来装配式建筑在我国一定能大放光彩。近年外墙外保温材料不合格带来了巨大的人员和经济损失,据“新材网”记载，2009 年2 月9 日晚，在建的北京中央电视台发生重大火灾，火灾致使消防战士一人死亡多人受伤，造成直接经济损失1.6亿元，主要原因是大量使用了EPS、XPS 等有机保温材料。2010年，上海“11·15”案件由于违章使用大量聚氨酯泡沫等易燃材料而发生重大火灾，致使58 人遇难70多人受伤，经济损失达到了数亿元。2019年5月24日江苏省南京市金鹰A 座发生火灾，据灾后调查主要燃烧物质是外墙保温材料。2020 年元旦重庆市加州花园小区发生火灾，火灾原因是火苗引燃了外墙保温材料及雨棚，然后火灾逐渐蔓延了整栋楼。由于连年火灾不断，国家领导人都开始了高度重视。根据“中国共产党新闻网”报道，2013年习近平总书记提及一些地方接连发生特大火灾造成了大量伤亡和经济损失并强调我们发展决不能以牺牲生命为代价。因此，装配式建筑外墙外保温材料的正确选取关系到千家万户生产和生活安全，必须引起高度重视。

目前，许多专家老师在保温材料的选取方面已作出许多研究并提出建议。韩东方［2］结合对比外国建筑经验分析了我国保温材料的现状及发展趋势，未来保温材料的发展应着重耐久性等性能。万引梅等通过环境监测方法和生命周期评价等探究了不同保温材料对环境的影响，以此选出更加绿色节能的保温材料［3］。姜涛［4］、蔡晓龙［5］分析了我国建筑保温材料目前存在的许多问题并给出大力发展节能环保保温材料的建议。李洋［6］结合工程实例阐述了保温材料使用不当的危险性，提出应选择较强阻燃特性的材料。刘庆利［7］老师结合材料导热性及单价提出了一套简易公式直接比较保温材料经济性。闫静茹［8］对不同的保温材料运用现值法建立经济评价模型以此选择出最优方案。黄仁达［9］、Syed Ali Husain Jafri［10］等通过建立模型计算保温材料经济厚度来分析不同保温材料的经济性。李崇文［11］、Koosha Kalhor［12］等通过对建筑外墙保温材料的类型及优缺点进行分析，对如何选择建筑外墙保温材料提出了建议。陈现景等人［13］通过评定燃烧速度、蔓延高度比较了不同材料的燃烧性能。Anil Kumar Dixit 等［14］使用软件计算技术来建立数学模型比较不同性能的保温材料。Lisa Gabriela 等［15］对比分析建筑保温材料的热稳定性来比较各类保温材料。Nima Amani等［16］采用多目标优化方法建立双准则框架以此将保温材料进行分级。

综上所述，目前国内外学者在保温材料选择方面的研究主要还是从保温材料性能角度比选，却很少考虑材料的经济性，尤其缺乏从全生命周期经济性视角考虑装配式建筑外墙外保温材料的选择。为此，本文选取目前市场广泛使用的五种性能较优的保温材料，运用层次分析法从全生命周期经济性视角出发进行比选，以此为装配式建筑外墙外保温材料比选提供一种新思路。

1 保温材料的选取

当下，国内外装配式建筑主要的外墙保温材料包括有机保温材料和无机保温材料，无机保温材料有岩棉板、泡沫玻璃板、玻化微珠保温砂浆和发泡水泥板等，有机保温材料例如聚氨酯保温板( PU板)、膨胀模塑聚苯乙烯保温板( EPS板) 、膨胀挤塑聚苯乙烯保温板(XPS板)等。

1.1 装配式建筑常用保温材料

目前在建筑施工中，施工单位一般都是通过选用良好的保温材料以此来保障建筑的保温性能。通过中国保温网等保温材料网站数据比较及材料市场调研，在中国市场上常见的保温材料有挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）、模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、酚醛泡沫（PF）、聚氨酯泡沫（PU）和岩棉板这五种材料，材料性能见表1。优异的保温性能使这些材料被广泛应用于保温隔热工程中。

表1 常用保温材料名称及其优缺点

1.2 保温材料经济性指标评价体系的建立

保温材料的经济性选择是一个涉及多方面、多过程的复杂性问题。从材料的生产阶段到材料的报废阶段，要经历生产、安装、运营维护等多个过程，每个过程中材料需要的费用是相互影响又相互独立的，只有对材料全生命周期进行经济性评价，才能合理地评价材料的经济效益。

对材料全生命周期进行经济性评价，可以有效避免某些施工方仅片面考虑采购保温材料时所造成的成本增加，而忽略了保温材料在运输、施工、维护等过程中所产生的费用，从而影响了施工整体的成本控制。

本文从保温材料全生命周期经济性视角出发，构建保温材料经济性指标评价体系，包括3 个一级指标和12个二级指标，具体如下：

1.2.1 采购经济性B1

保温材料在采购管理时期所体现的经济性。材料生产后施工方进行采购，采购完需要雇专人进行运输，运输至工厂后还需进行储存管理。从经济性角度分析子指标选取应为：C1保温材料购买费/m3、C2保温材料运输费用、C3保温材料储管费用。

1.2.2 施工安装经济性B2

保温材料是施工安装时期所体现的经济性。在此时期的多个阶段都会因施工产生经济性影响，施工安装是否便捷与经济性高低密切相关，施工简易会节省大量人力及加快施工周期，除此以外施工方还需支付安装保温材料所需的人工、措施以及机械费用等。从经济性角度分析子指标选取应为：C4保温材料施工便捷性，C5保温材料施工人工费用，C6保温材料施工机械费用，C7保温材料施工措施费用，C8保温材料施工其他费用。

1.2.3 运维经济性B3

保温材料运营维护过程中体现的经济性。在此阶段保温材料能节省大量效益。例如通过能耗分析与使用普通材料的传统建筑对比计算出使用保温材料后装配式建筑在节能方面所产生的经济效益，材料的耐久性越好也就是使用寿命越长其产生的经济效益也就越高，以及在保温材料报废后的回收阶段同样能产生大量经济效益。从经济性角度分析子指标选取应为：C9使用后能耗节约效益，C10保温材料维护费用，C11保温材料使用寿命，保温材料的耐久性最直观的体现为其使用寿命，C12保温材料回收残值。

综上所述，建立保温材料经济性指标评价体系层次模型如图1所示。

2 层次分析法（AHP）模型的构建

2.1 层次分析法（AHP）的定义及应用

本文采用层次分析法确定了与经济相关的主要影响因素的权重。用AHP 分析问题大致分为五个步骤：

（1）建立层次结构模型。

（2）构造判断矩阵。

（3）确定各因素所占权重。

（4）层次排序。

（5）一致性检验。检查判断矩阵的一致性，并按以下公式计算：

式（1）中, CR(consistency ratio)为一致性比例。当CR＜0.10 时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的,否则应对判断矩阵作适当修正。CI (consistency index)为一致性指标，按式（2）计算:

式（2）中,λmax——判断矩阵的最大特征根；

n——成对比较因子的个数；

RI(random index)——随机一致性指标，可查表确定，见表2。

表2 随机一致性指标RI 值

2.2 各要素权重的确立及分析

在上述保温材料经济性指标评价内容中，从材料全生命周期出发，涉及材料的采购、施工安装、运营与维护共三大类一级指标，各一级指标中又存在着互有联系的二级指标。

2.2.1 构建比较判断矩阵并赋值

专家调查法是在指标层评价指标确定后，将其设计成调查问卷送给选择的专家，由每位专家根据个人标准填写调查问卷。对各个层次构建好的两两比较的矩阵，本文使用专家调查法，向70 位相关领域的专家老师发放问卷收到49份有效问卷，经过整理归纳，按照“1～9 标度法”进行评分，综合专家意见共构建了4 个判断矩阵，其中第一准则层的判断矩阵A 及第二准则层的判断矩阵B1、B2、B3分别为：

针对各判断矩阵，利用方根法计算归一化权重系数，结果见表3。

表3 评价因子问卷统计分析结果

2.2.2 判断矩阵特征值及一次性检验

判断矩阵特征值及一次性检验见表4。

表4 判断矩阵特征值及一致性检验

由表4 可知各项CR＜0.1，通过了一致性检验，证明保温材料经济性指标比选体系判断矩阵的设置较为合理。

2.2.3 结论及组合权重的确定

保温材料经济性指标评价体系见表5。

表5 保温材料经济性指标评价体系

由表5 可见，对于一级指标，采购经济性权重为0.539 是最主要的评价，之后为权重是0.297 的运维经济性，而权重为0.164 的施工安装经济性是较不重要的指标；对二级指标的排序进行分析，可以发现对于经济性视角下保温材料的选择及评价的最核心因素组合权重最高为0.291的保温材料购买费，其次是保温材料使用寿命、保温材料运输费用、保温材料储管费用、保温材料施工便捷性及保温材料维护费用，最后分别是保温材料施工人工费用、使用后能耗节约效益、保温材料施工机械费用、保温材料回收残值、保温材料施工措施费用及权重最低为0.010的保温材料施工其他费用。

2.3 目标层与方案层的联系

选取目前市场最常用的五种保温材料，有EPS、XPS、PU、PF、岩棉。随后，将每个指标的满分设为100 分，所有指标都由专家组成的评审组根据各保温材料实际情况进行打分，这样就获得了5 个保温材料各项评定指标的评分，将获得的评分代入已经建立的评价体系，可得到各保温材料的得分。最后，将保温材料的得分结果排序，对保温材料的选择评价提供支持。其得分汇总结果见表6。

表6 保温材料得分汇总表

根据本文所给出的保温材料选择评价体系，五个保温材料的最后总得分为：EPS 获得的分数为89.150分；XPS获得的分数为91.435分；PU获得的分数是86.510 分；PF 获得的分数是88.360 分：岩棉获得的分数是92.585 分。因此从经济性视角出发选择岩棉应是最合理的选择。

3 结语

由于保温材料自身的复杂性，在选择保温材料时很难保证材料各项性能都趋于满分，使得施工方在建筑施工中需要做很多调查才能选出适宜的保温材料。经济性是选择保温材料时的重要考量，本文从经济性视角出发分析了保温材料全生命周期的成本，从生产期经济性、保温材料性能、施工安装经济性、运维经济性四个方面选取保温材料购买费/m3、保温材料运输费用、保温材料储管费用、保温材料施工便捷性、保温材料施工人工费用、施工机械费用、施工措施费用、保温材料施工其他费用、使用后能耗节约效益、保温材料维护费用、保温材料使用寿命、保温材料回收残值等12项因素构建了保温材料经济性指标评价体系，通过使用层次分析法有效地避免了权重确定过程中的不确定性和模糊性并提升了结果的合理性，为市场、施工方选择保温材料提供了新思路。