基于DEA的装配式建筑环境绩效评价研究

吴雪飞

(合肥工业大学 管理学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

装配式建筑具有施工快捷、资源节约的优点,在推进“双碳”目标的背景下,已成为建筑业新一轮升级的主要发展方向。2016年,国务院发布《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》,各地装配式建筑的建设达到新的高潮。然而装配式建筑在环境节约的同时,其施工成本却较高,现阶段装配式建筑的成本普遍高于现浇基础。同时,大量的装配式建筑方案不断涌现,主要包含叠合式、全预制式等。如何采用较少的建造成本达到较好的环境效益应是评价装配式建筑环境绩效的主要考量。

目前装配式建筑的综合效益评价方法主要为层次分析法[1,2],利用该方法可以确定装配式建筑物的各指标的权重,综合评价其经济效益、环境效益指标确定装配式建筑的综合效应,但是该方法主观性强,与评价人的认识高度相关,各指标属于平行关系,无法构建不同指标之间的价值链关系。

数据包络分析法(DATA ENVELOPMENT ANALYSIS,DEA)作为一种效率评价方法,因为其能够反映投入产出的多样性等诸多优势,DEA方法得到了广泛应用[3-4]。目前,该方法在装配式建筑乃至建筑领域的应用均较少。陈伟等[5]利用DEA方法对装配式部件生产基地的经济效益进行了评价,对于装配式建筑的环境绩效的评价罕见。本文通过DEA方法构建了装配式建筑经济指标与环境指标的价值链,评价了不同建造方法的环境绩效,为决策层对装配式建筑的应用提供评价方法,为装配式方案的确定及比选提供比较思路。

1 指标选取与模型设计

1.1 装配式建筑的经济效益指标

建筑的经济效益一般指施工单位在生产过程中的支出与收入的比值,建筑的收入性指标主要取决于建筑的功能,与采用何种施工方式的关联性较小。对于装配式建筑的经济效益通过支出性指标来评价较为合理,建筑的支出是指在施工过程的资源耗费,即人工、材料、资金等。本文选取以下两个指标作为装配式建筑的经济效益指标:①工程造价,②材料用量。以上指标均基于装配式建筑与现浇建筑的概预算定额进行计算。

1.2 装配式建筑的环境效益指标

建筑的环境效益是对建筑过程对环境后果的度量,人需要从自然、经济、人文等多角度对人类活动可能导致的环境变化进行综合评估和衡量。本文以碳排放、固体废弃物排放、粉尘排放作为环境效益的评价标准。

1.2.1 碳排放

政府间气候变化专门委员会发布的《2006 IPCC国家温室气体清单指南》是目前常用的碳排放计算依据。其中主要包含了三种碳排放量的计算方法,如表1所示。

表1 IPCC指南碳排放计算方法表

本文根据参照构件生产碳排放定额,参照方法一进行计算,共计算了施工过程的能源消耗产生的碳排放、人工节碳、照明节电、节水碳排放。

1.2.2 固体废物排放

装配式建筑可以有效减少施工过程中的固体排放,混凝土结构建造废弃物包括钢材、木材、混凝土块、砂浆、保温材料等。在决策阶段定量分析装配式基础的固体排放的尚少,文献[6]所述装配式结构固体废弃物排放比传统现浇排放减少了约62%。本文以此基础量化该指标,具体量化方式如公式(1)所示。

(1)

1.2.3 粉尘排放

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。装配式建筑由于湿作业的减少,只能有限减少所产生的粉尘污染,现有的粉尘污染定量概算方法尚欠缺,仅有监测手段可以有效量化该指标,而现有的工程中对粉尘排放的量化评价指标也是较为欠缺的,文献[7]中表明装配式结构的PM2.5和PM10颗粒物浓度未明显降低。本文通过公式(2)对指标进行量化处理,装配式建筑对粉尘排放的降低约为28%。

(2)

式中:M2为装配式建筑方案的粉尘排放量与现浇方案的粉尘排放量的比值。

1.3 模型设计

本文选取不同装配式建造方案为研究对象,构建DEA模型的价值链。在装配式建筑的建造过程中,由于其生产成本的提高,其投入型经济效益指标不及现浇结构,在牺牲经济效益的同时带来更好的环境效益。评价装配式建筑环境绩效的基本价值关系即为采用更少的经济投入取得更高的环境效益。因此,本文采用单阶段的DEA模型,选择以上两个投入型经济效益指标作为模型的投入,选用以上的三个环境效益指标作为模型的产出,其价值链如图1所示。值得注意的是,以上的价值链与已有的采用层次分析法显著不同,层次分析法认为经济效益与环境效益是并列的,DEA模型是通过数据包络分析确定各经济支出对环境效益收入的相对效率。

图1 装配式建筑环境绩效价值链

1.4 数据选取

由于已有的建筑碳排放、固体废弃物排放、粉尘排放的监测数据缺乏,本文选取某单层混凝土厂房结构进行装配式设计,分别对采用部分预制、叠合梁柱、全预制等三种方式的上部结构及下部结构进行指标量化计算。该结构建筑高度为4.5 m,上部混凝土框架为9 m单跨双坡,榀间距为6 m,厂房长度为54 m。

下部基础采用钢筋混凝土独立基础,各独立基础尺寸为2.4 m×2.4 m,基础横向间距为9 m,纵向间距为6 m;独立基础之间布置连梁,基础柱顶面标高为0.3 m,基础连梁顶面标高为-1.2 m,基础连梁同时承担上部墙体荷载作用。

装配式设计的原则为:①全预制结构。采用全预制柱、预制梁、预制承台代替原本的现浇结构,预制柱之间采用套筒灌浆连接,预制梁与预制柱采用预埋型钢螺栓连接,并在预留围护结构的连接预埋件;②叠合梁柱结构。采用叠合梁、叠合柱代替原现浇梁柱,各构件之间的连接采用后浇混凝土的方式;③部分预制。仅柱构件以及主梁采用预制,基础与次梁不预制,预制率在32%;④维护部品部件不纳入计量的范围;⑤基础原本采用锥形基础,现改为阶形基础,钢筋用量无差异,混凝土用量节省4.728 m3。最终的各指标计算结果如表2所示。为保证DEA计算模型的可靠性,本文还收集了已有九项装配式建筑工程的综合效率相关数据同样列于表2中。由于碳排放等产出均是非期望产出,因此本文采用线性函数进行转换,由于本文的各指标均为无量纲的数,数值相差不大,采用线性转换可以对非期望产出进行有效处理。

表2 数据选取及计算结构

2 计算结果与分析

本文采用规模可变的单阶段DEA模型进行分析,分别得出了15种不同方案的综合效率、技术效率以及规模效率。在15种方案中前6种方案为本文通过概预算的方法对某厂房结构进行了装配化设计,此6种装配式设计方案中采用全预制装配式方案的上部结构和下部结构,其效率均达到了1。这是由于单层混凝土框架结构相较于其他结构形式,结构简单,连接节点少,且单层楼板施工简单,现有装配式结构成本已被控制得很少,采用装配式方案造成的成本增加不明显,而环境效益的好处是可观的。采用叠合式的框架较全预制框架甚至更低,这表明对于低层的框架结构,特别是形如工业厂房、电力设备室等单层结构,采用全预制装配式结构是有意义的。

方案7、方案8分别为昆明市五华区某办公楼的现浇方案和装配式方案,该装配式环境绩效是有限的,在成本和材料用量大幅度提升的情况下,仅取得了25.6%的装配率,大部分结构依然采用现浇,碳排放、粉尘排放的下降量是有限的。其综合效率相较于原本现浇方案变化不大,此外规模效率也是相对较低的,这再次表明其成本的增加对环境指标的改善有限。

方案9、方案10、方案11、方案12为某学校初步设计阶段时的4种预选装配式建筑设计方案比选,采用DEA方法对各方案的环境绩效进行评价不难发现各方案的差别。其中方案9、方案12相较于其他方案效率明显提高,采用该方法可以对装配式结构的方案进行比选。此外,注意到这4种方案的综合效率均达到了较高的水平,这是由于其碳排放的减少是显著的,相对于其他装配式项目碳排放减少最大为30%左右,其碳排放减少了一半,这可能也与统计的方式、方法相关。

方案13、方案14为预制装配式住宅的现浇方案与装配式方案。该装配式住宅采用剪力墙结构,其结构形式相对复杂,装配式剪力墙结构的预制构件包含预制空心隔墙板、预制钢筋混凝土外墙、预制钢筋混凝土内墙、预制钢筋混凝土叠合楼板,预制钢筋混凝土阳台及楼梯。但是该项目的成本控制良好,装配式方案的效率明显高于现浇结构,其综合效率为0.787。方案15为地铁惠生新城项目,同样采用装配式剪力墙结构,该项目的效率也与方案14相同。这表明现有的装配式剪力墙住宅结构体系的建造技术已经达到了较为成熟的水平,规模效应的产生让其相对成本增加有限。

总的来说,采用装配式建筑目前的环境绩效均达到了显著的水平,但是笔者在统计数据时也发现这些相关指标的统计标准也是有差异的,部分数据的记录比较模糊,国内也需建立标准的碳排放计算定额,以便环境指标的统计。

3 结论与展望

本文提出了一种基于DEA模型的装配式建筑环境绩效评价方法,建立了建筑经济效益与环境效益的价值链,以结构的工程造价及材料用量评价结构的投入型经济效益,采用碳排放、固体废弃物排放以及粉尘排放作为环境效益指标,并且提供了各指标的计算方法,对难以统计的指标提出了模糊估算方式。计算结果表明,该方法可以反映各经济支出对环境效益收入的相对效率。

本文针对某厂房的上部、下部结构的装配式设计进行评价,并且收集了9个装配式项目的经济效益与环境效益数据,共同比对。该方法可以有限地对不同装配式方案环境绩效进行评估,为装配式建筑的推广提供参考。

目前,建筑物经济效益、环境效益的相关评价较少,鲜有相关数据库的建立,不同工程的环境效益计算方法尚不统一,相关数据库的建立对规范评价装配式建筑生产拼装至关重要。此外,装配式建筑的水电用量、工期乃至社会效益等也与现浇建筑不同,更加全面的DEA价值评价体系也有待建立,而这些指标统计难度进一步加大,尚待解决。