基于模糊层次分析法的生态建筑评估体系研究——以兰州新区中建大厦为例

兰吉涛, 柴宗刚

(兰州交通大学 建筑与城市规划学院, 兰州 730070)

为应对全球严峻的能源及环境问题,学术界各领域纷纷开始注重低碳低能耗发展和生态环境保护,建筑业作为高耗能产业之一,更需要重视建筑低碳建设和建筑对环境的影响。而“生态建筑”作为不同于“绿色建筑”和“低碳建筑”的又一重要理念,其不仅注重“绿色建筑”所强调的能源高效利用和“低碳建筑”所重视的节能减排,还侧重于人、环境、建筑三者关系的协调与融合,较为重视使用者的需求和环境的低影响。国外早在19世纪便开始了生态建筑的探索,认为建筑应当与周边环境最大限度的融合,应当充分接触自然、拥抱自然[1]。20世纪90年代,针对工业化快速发展所带来的严重环境污染问题,各国开始建设生态建筑并陆续提出评估体系,如英国提出评估体系BREEAM(英国建筑研究院环境评估方法)、美国建立LEED(美国能源与环境设计先导评价标准)绿色认证、日本构建CASBEE(建筑物综合环境性能评价体系)等[2-3],用以指导生态建筑建设、改造与管理,提高建筑环境性能,减少建筑对环境的压力。近年来,随着可持续发展理念的深入实践,国外生态建筑评估体系得到了不断地更新并逐渐成熟。而国内研究起步相对较晚,21世纪初开始陆续出台相关文件,2002年建筑科学研究院发布《中国生态住宅技术评估手册》[4];2006年住房与城乡建设部发布《绿色建筑评价标准》,并在2014年和2019年进行了修订完善[5-7]。表明我国也正在逐渐重视对于生态建筑的评估与研究。

2020年碳中和、碳达峰作为我国战略目标被提出,其对于缓解能源利用压力、促进生态文明建设具有重要意义。对于建筑领域,生态建筑设计与评估应当作出相应的侧重以应对全球严峻能源和环境问题。当前国内学者对于生态建筑的研究多聚焦于建筑材料选取[8]、建筑设计与应用[9-11]、建筑生态性评估[12-14]等方面。从现有研究成果可知,学者对于生态建筑已展开大量研究,但在建筑生态性评估方面,大多研究在构建评估体系时,多关注对建筑的选址、建材选择、室内外环境等因素的评估,这些因素虽能切实反映建筑生态效益,但指标因素的选取却未能给出客观依据,主观性较强。并且研究视角多为东部和中部大城市的建筑生态性评估,如江苏[15]、广州[16]、西安[17]等,而鲜有对西北地区建筑进行研究。此外,我国现阶段对生态建筑建设与评估主要参照的是2019年出台的《绿色建筑评价标准》(以下简称2019年《标准》)。该标准主要侧重于建筑本身的绿色化相关评估和能源利用效率评定,虽然对生态建筑的建设有一定的指引作用,但并不能关注到生态建筑中建筑环境重要性和使用者感受方面的评价,并不能很好地顾及建筑周围环境和使用人群的需求。因此,通过对国内外最新评估体系进行分析,将各体系中先进因素和“双碳”理念注重因素进行综合来构建新型生态建筑评估体系,并运用模糊层次分析法对兰州典型建筑进行评估,分析其建筑各指标隶属度和建筑生态等级,为后续我国建筑生态性合理化评估提供参考。

1 相关评估体系解读与分析

1.1 英国BREEAM建筑评估体系

英国BREEAM体系是世界上第一个关于生态建筑的评估体系,1990年由英国建筑研究院制定,用来为生态建筑设计与建造提供权威意见与指导。BREEAM提出后不断优化,2018年发布了新版评估体系,其体系一直处于全球领先水平,涵盖了近89个国家及地区,同时全球注册评估建筑近200万栋[2]。BREEAM 2018有管理、健康与舒适、能源、交通、水、建材、废弃物、土地利用和生态环境、污染9类评估指标(图1),评估对象包括全装修建筑、部分安装类建筑、仅有外壳建筑、外壳及核心建筑,并对建筑全生命周期进行评估。评估时采用全生命周期打分法,根据各类别细则指标进行打分,将各类总分和各类最高评价分值进行相除后的数值与各类别权重相乘得到9类指标的总分值,最后根据体系要求来验证建筑是否满足评估等级门槛,对满足要求的建筑给予最终等级。其等级分为不通过(<30分)、通过(≥30分)、良好(≥45分)、非常好(≥55分)、优秀(≥70分)和杰出(≥85分)。

1.2 美国LEED绿色建筑认证

LEED是由美国绿色建筑委员会于1998年建立的一套提高建筑环境性能的评估体系,其适用于所有建筑类型,是当前世界商业化运作模式最成熟的建筑评估体系。2019年发布最新的LEED-v4.1,分为整合设计、选址与交通、可持续场址、用水效率、能源与大气、材料与资源、室内环境质量、创新、地域优先9类指标[18]。评估时采用各指标评分累计法,对各类指标下各要素按规定进行打分,将分数进行处理后汇总各类别最终得分得出评估等级。其等级分为认证(40～49分)、白银(50～59分)、黄金(60～80分)、铂金(>80分)。LEED-v4.1较之前版本强化了绿色技术的量化,对难以量化的指标采用列举法和阈值法进行评估,使评分更加客观。

1.3 日本CASBEE评估体系

CASBEE是由日本建筑物综合环境评价委员会于2003年开发的评估体系。体系包括建筑环境性能(Q)与建筑周边环境负荷(L)两方面,Q和L又分为6类指标和若干子项[19](图2)。CASBEE主要采用环境效率(BEE=Q/L)来进行评估,对各子项进行打分,运用层次分析法对各子项权重进行加权,得到Q与L的总权重后运用公式BEE=Q/L得出建筑最终环境效率并给出评估等级,等级分为C(BEE≤0.5)、B-(BEE<1)、B+(BEE<1.5)、A(BEE<3或BEE≥3且Q≤5)、S(BEE≥3且Q≥5)。CASBEE评估结果采用比值形式,能较好地反映各指标间相互关系。体系注重使用者体验,在重视建筑能耗的同时增加了室内环境的权重占比,致力于从建筑内部空间质量到用地外环境影响来提高建筑环境性能。

图2 日本CASBEE评估体系

1.4 我国《绿色建筑评价标准》

我国2019年发布第三版《绿色建筑评价标准》(以下简称《标准》),相较于2014年《绿色建筑评价标准》对内容进行优化,以解决2014年《标准》中以人为本理念涉及较少和新技术应用欠缺等问题[20]。标准将2014年体系中“施工管理”和“运营管理”指标内部分控制项整合为“耐久”控制项,并新增“安全”控制项,两者综合为“安全耐久”指标;将“室内环境质量”指标下各控制项进行调整后构建为“健康舒适”指标;将节地、节能、节水、节材4类指标内容进行拆分,调整为“资源节约”指标下的4类控制项;同时为强调人居感受,设置“生活便利”“环境宜居”指标项。2019年《标准》较2014年《标准》在使用者感受和建筑环保性能方面进行了提高,更加注重使用者对于建筑安全舒适的需求和相关节能技术运用。

2019年《标准》分为6类指标,6类指标下又分为若干控制项、16项评分项和加分项(图3),主要针对民用建筑进行评估。体系采用量化打分制,对6类指标进行评分,其中控制项均满足可得400分,各评分项和加分项按照具体说明进行评分,运用绝对分值累加法汇总得分后除以10得到最终分数,按照满足控制项为基本级、60分为一星级、70分为二星级、85分为三星级标准确定等级。

图3 我国2014年与2019年发布的《绿色建筑评价标准》

1.5 评估体系比较与分析

1.5.1 各国评估体系比较

由于各国发展程度及经济水平差异,导致制定的评估体系在内容、标准及权重方面存在明显不同(表1、图4)。但其建立的出发点都是为了提高建筑环境性能,促进建筑、环境、人三者和谐。各国评估体系根据发展需求和环境改变在不断进行补充与完善。从最新体系可以得出,英国BREEAM体系中引用碳排放相关指标来量化燃料燃烧对环境的影响,并对生活环境、交通、土地利用和生态环境方面予以侧重;美国LEED-v4.1注重用水效率、能源与大气等指标,在重视减少能耗同时,强调建筑环境中水体、空气质量的重要性,较为关注建筑对周边环境的影响;日本CASBEE中建筑内外环境建设权重较高,重视人的使用感受和生活品质需求;我国2019年《标准》同样考虑了使用者的舒适度,注重以人为本理念,并涉及诸多节能技术指标。以上各国评估体系部分因素和侧重点为生态建筑评估指标体系中指标选取提供了一定的理论借鉴。

表1 各评估体系比较

图4 各评估体系指标权重

1.5.2 评估体系分析

综上所述,国外评估体系均以“可持续发展”为根本原则,将碳排放、能耗、生态保护、环境质量等作为主要指标,采用多种评估方法进行评估。对于较难量化的指标还采用阈值法、公式法、列举法等进行评估,提升体系客观性程度,使评估更加全面和科学。同时评估体系均为综合体系,适用于多种类型建筑,覆盖对象较为广泛。

反观我国评估体系,2019年虽然提出新的《绿色建筑评价标准》,但体系中研究方法仅为对控制项内各评分项进行简单线性分数叠加,并且评估结果无法反映各指标间的相互影响程度。其次体系覆盖建筑类型偏少,同时对建筑全生命周期评估存在问题,建筑施工阶段指标仅在提高与创新中作为加分项出现,并不算为体系中确定的重要指标。此外,我国2019年《标准》对使用人群的舒适性和健康性方面重视程度较其他国家偏低,以及在“双碳”理念背景下对于周边环境及碳排放等因素重视度较发达国家而言偏弱。而生态建筑不但关注能源的高效利用,还较为重视建筑中建筑环境的重要性和使用者感受方面的评价,其2019年《标准》并不完全适用于当前生态建筑的建设与评估。因而对于生态建筑评估体系的构建,可以在参考2019年《标准》分类的基础上,并对各国评估体系内适用于生态建筑的指标进行借鉴后,增加和调整部分指标来进行架构。

2 “双碳”理念背景下生态建筑评估体系构建

2.1 研究方法及体系构建原则

2.1.1 层次分析法与模糊综合评判法

层次分析法是基于将问题相关因素进行不同层次拆分的基础上实现定性定量分析的研究方法。该方法将研究对象视为一个体系,按照目标、因素和对象间关系将不同研究对象因素分为最高层、中间层、最底层[21],并构建层次结构图,对各层各因素进行权重计算,得出其量化数据,方便决策者进行研究对象的科学分析。

模糊综合评判法是用来表达事物不确定性的方法。该方法可以将所研究内容中定性评价转化为定量评价,其具有系统性强、分析结果清晰等特点,能处理研究中模糊的、难以量化的问题[22]。

2.1.2 评估体系构建原则

生态建筑评估体系构建要在综合考虑不同类型建筑和建筑设计、施工、使用、维护整个周期效益,选取指标简明且代表性强,遵循定性定量、科学性、可行性等原则的前提下进行。在指标选取上,根据国内外评估体系中提到的指标进行整合,并将上述国外体系中适用于生态建筑评估、符合双碳理念的重要指标进行筛选。然后参照《中国能源统计年鉴》《国家温室气体排放清单指南》中有关建筑方面的影响因素及建筑碳排放量和吸收量方面的研究[23],将影响建筑在生命周期内碳排放量(碳源)和建筑生态措施吸收碳含量(碳汇)的诸多因素进行归类分析,其中碳源按照排放方式可分为直接碳源和间接碳源,碳汇根据吸收措施不同分为直接碳汇和间接碳汇(图5)。最后将两部分所涉及因素在2019年《标准》分类基础上进行综合,并通过专家评议来得出最终评估体系。

图5 建筑“碳源”“碳汇”内容

2.2 应用层次分析法分析生态建筑评估体系

应用层次分析法能够将指标体系按照一定规律将其数据化与层次化,解决复杂的层次结构问题。通过层次分析法来分析生态建筑评估体系内的各指标权重,其主要步骤如下。

1)构建生态建筑评估指标体系。因生态建筑不但关注建筑资源的高效利用,还较为重视使用者的感受和生态环境的低影响,所以构建评估体系时,以2019年《标准》大分类为基础,将其调整后进行评估体系准则层的确定;指标层通过对国外评估体系适用于生态建筑的指标和双碳理念中影响建筑碳含量变化的因素进行综合与调整来进行选择,然后通过专家评议得出最终评估指标体系。其体系共有7个一级指标和25个二级指标(表2)。

表2 生态建筑评估指标体系

2)构造判断矩阵。引入标度量化值,对各子要素重要性进行1-9标度赋值(表3),判断不同层级内各子要素与母要素重要性,来实现判断矩阵的成功构造。假设AK为母要素,对B1,B2,…,Bm子要素有着支配关系,则依据重要性标准构造B=(Bij)m×m,其Bij为常数,代表要素i对于要素j的重要性。通过德尔菲法邀请专家与学者评估各要素的影响关系,获得判断矩阵数据。

表3 重要性比例标度表

3)进行一致性检验判断,其公式为

(1)

式中:λmax为判断矩阵里的最大特征值;CI为一致性指标;m为判断矩阵的阶数。所计算的CI值越小,表明其一致性越好。同时引入随机一致性RI来确保CI的准确度(表4),其公式为一致性比率CR=CI/RI的结果如果<0.1,则表示其判断矩阵具有一致性,数值=1,则代表其具有完全一致性。通过一致性检验后的数值便为指标权重。

表4 7阶矩阵的随机一致性指标

2.3 运用模糊综合评判法进行评估

运用模糊综合评判法对2.2节所计算出的指标权重进行评估得出其综合评估结果。

1)确定体系各类因素。评估体系是由两级评判和3个层次构成,分别是指标层(C层)对于准则层(B层)进行指标评判;准则层(B层)对于目标层(A层)进行指标评判。

2)建立模糊关系矩阵R。通过对专家学者进行每一个ui(i=1,2,…,n)单因素评估问卷调查,对专家学者进行单因素“基本级(<60)、一星级(60～70)、二星级(70～85)、三星级(85～100)”等4个层次问卷打分来确保结果具有客观性。Ui(Xj)为指标j对i等级的隶属度,可得一级指标所含的二级指标模糊关系矩阵,其公式为

(2)

式中:R为模糊关系矩阵;ui为各专家对每一个因素i的打分情况;rmn为指标n对m等级的隶属度。

3)确定评估因素权向量并计算出所需结果B。将2.2节中所得权重作为评估因素的权向量A,综合权向量A和模糊关系矩阵R,得到模糊综合结果向量B。B是评估等级中的一个模糊子集,B=(b1,b2,…,bm),令B=ωR,称为指标隶属度,隶属度指指标属于不同等级的程度大小,其公式为

(3)

式中:B为评价指标隶属度;ω为指标权重向量;R为模糊关系矩阵;ωm为第m个指标的权重向量;bm为第m个评价指标的隶属度。

得出指标隶属度B后,利用最大隶属度原则,即隶属度越接近于1,表明指标属于相应等级程度越高。参考2019年《标准》评估等级(表5),将生态建筑按照指标分值确定等级,对指标体系做出综合评估。

表5 评估等级

通过上述两种方法的结合研究,不仅可以体现各指标之间的相互重要性程度,还能从简明清晰的结果中较好地反映各因素综合重要性程度。其能为生态建筑设计、施工、使用、维护阶段予以不同侧重的指导,方便决策者进行生态建筑科学建设。

3 生态建筑评估体系实证研究

3.1 中建大厦生态建筑实证研究

中建大厦作为国家“十三五”科研攻关示范项目近零能耗建筑技术示范工程,在建造过程中使用了诸多环保材料与技术。例如,使用保温隔热性能和建筑气密性良好的围护结构,运用高效风热回收技术来降低建筑的供热供冷需求;为契合西北气候特点,设置屋面300 m2太阳能光伏发电系统来充分利用太阳能;采用高新技术来降低对周边环境影响等。中建大厦从规划设计、施工建造到运行管理,都注重生态保护与可持续发展理念。

为验证评估体系的适用性和科学性,以中建大厦为例进行实证研究。其中层次分析法所得各指标权重值A是由23位相关专家及高校教师对所构建的指标体系中各指标进行打分,并通过一致性检验后得到;模糊关系矩阵数据R是对专家、高校师生、大厦管理人员及使用者进行问卷调查,对各指标进行“基本级(<60)、一星级(60～70)、二星级(70～85)、三星级(85～100)”打分情况进行汇总,在最终收回的120份有效问卷中获得。

1)得出判断矩阵及权重值。根据所获取的各指标评分进行计算得出准则层(B层)、指标层(C层)的判断矩阵,通过按列归一化得到权重,并运用2.2节中的式(1)进行检验。

2)得出各指标权重及模糊关系矩阵。对所获取的问卷数据进行综合处理,按照式(2)计算出各一级指标B所含二级指标C的模糊关系矩阵R(表6)。

表6 各级指标权重及模糊关系矩阵

3)得出各级隶属度及评估等级。通过式(3)B=ωR得出各级隶属度(表7)。

3.2 实证研究结果分析

通过中建大厦层次分析法结果,可看出生态等级为二星,其中在一级指标中,碳含量变化权重占首位,其次是资源节约、环境宜居和健康舒适,以上指标权重和高达76.49%,表明在大厦规划设计和运营管理上,相关规划、负责单位注重建筑的低碳环保、健康舒适和节能等因素。而所用指标重要性分数是由调查者打分后综合所得,说明对于调查者而言,大厦的生态性、低碳性是被认可的。其次通过对中建大厦模糊综合评判法结果可知,健康舒适、资源节约、环境宜居及碳含量变化达到了三星级,表明在不同调查人群的认知中,这些指标的建设被人们普遍认同。因此对于之后的生态建筑设计,要注重这些指标的建设力度,以满足使人群对于生态建筑的需求。而安全耐久、生活便利和提高与创新为二星,说明大厦的这些指标对于调查人群而言感受度略低,对于未来的生态建筑设计与建造也要注重提升。

4 结论

结合国内外相关评估体系和我国“双碳”理念中关于建筑生态化设计的指标,并提取2019年《绿色建筑评价标准》中有关生态建筑的相关指标,将其指标通过汇总归类后,构建了含有目标层、准则层和指标层的以用户体验为出发点的新型生态建筑评估指标体系。整个体系强化了生态建筑在碳排放、环境、人居体验方面影响因素评估。在进行评估时运用层次分析法计算各指标权重,再通过模糊综合评判法进行模糊变换后计算结果并确定建筑生态等级。整个评估过程在兼顾科学性、适用性的基础上,将定性、定量分析相结合,评估结果清晰直观。最后以中建大厦为对象进行实证研究,结果表明,该评估体系不仅可以有效对中建大厦生态建筑性能进行综合评估,其直观的评估结果还能为后续大厦的提升和优化提供思路与方向。同时评估体系也可以为其他地区生态建筑性能评估提供参考。因此,该体系对于我国在“双碳”背景下生态建筑的发展与普及、生态建筑建造设计方面的评估衡量具有重要的参考意义。