据《中国建筑节能年度发展研究报告(2019)》,2017年我国建筑业建造总能耗13.6亿tce,碳排放总量45亿tCO₂,约占全社会总排放量的50%。在此情况下,装配式建筑因节能环保等优势,逐渐成为研究和实践的热点。装配式建筑施工方式与传统建筑不同,建立与之适配的绿色施工评价标准,对装配式建筑的可持续发展具有指导意义。

目前,已有的《建筑工程绿色施工评价标准》GB/T50640-2010侧重于“四节一环保”,对社会协调、技术进步、文化适用等的关注较少,且缺少客观的指标量化与评价方法,难以直接应用于技术密集、信息密集的装配式建筑施工评价;《装配式建筑评价标准》GB/T 51129-2017聚焦于“装配率”的计算,而这仅是对装配化程度的衡量,难以代表施工的绿色化水平;现有的装配式建筑绿色评价研究基于全生命周期,施工阶段的评价指标设置较少,难以全面衡量装配式建筑的绿色施工程度。

鉴于此,笔者拟提出一种装配式建筑绿色施工评价方法。将“绿色度”引入装配式建筑施工过程中,在评价指标体系的基础上,确定评价指标绿色等级标准,并提出基于C-OWA算子-云物元理论的绿色度评价模型,为装配式建筑施工绿色度评价提供方法支持,以期弥补现有装配式建筑绿色施工评价标准的不足。

装配式建筑施工绿色度是指在深化设计、物料采购、工厂预制、运输安装的施工全过程中,紧扣装配式建筑施工特点,以可持续发展和绿色发展为指导,在保证项目质量、成本、进度、安全的前提下,实现绿色发展、低碳环保、资源循环,以达到能源资源节约、社会协调发展、以技术创新促进产业效率、以信息管理促智慧建造的能力。因此装配式建筑施工绿色度应该考虑如下5要素:

(1)能源资源要素。对应节能、节水、节材、节地4部分的指标,主要是能源的高效利用、土地资源的集约利用、水资源的可持续利用、材料资源的循环利用。

(2)环境保护要素。环境类要素是绿色度的核心要素,主要包括低碳减排、清洁生产、废弃物再利用等多方面的内容,是装配式建筑绿色施工水平的重要考量。

(3)施工管理要素。管理要素包括施工组织管理、安全生产管理、人员健康与安全管理、施工评价管理等,信息化管理工具、现代化管理体制的加持进一步提升装配式建筑的精细化管理水平。

(4)技术创新要素。技术是装配式建筑持续健康发展的核心推动力,以技术创新促进产业效率的提升。此类要素重点衡量装配式建筑的技术集成水平,包括构配件标准化程度、建筑装配率、信息化技术应用等。

(5)社会协调要素。主要包括装配式建筑的文化适用性、建筑与社会环境的协调、建筑与自然环境的协调统一,体现装配式建筑对于经济社会的推动作用。

梳理分析相关研究成果、参照权威绿色建筑评估体系、提炼技术标准规范,再结合工程调研及专家访谈,设计了包含5个准则层、35个评价指标的绿色度评价指标体系,见表1。

有序加权平均(Combination Ordered Weighted Averaging,简称C-OWA)算子的核心是对样本数据按顺序进行二次排序,并依据新顺序作加权处理,可有效避免专家主观决策判断的极值影响,科学分配各指标权重,很大程度上减少了极端值的不利影响。

云物元模型是云模型对物元分析方法的改进。物元模型中,事物的量值v是不变的值,但对于一些定性的指标,其量值v往往具有模糊性和随意性。将云模型与物元理论结合,用正态云中的(Ex,En,He)代替事物量值v,可有效弥补物元模型在描述不确定信息方面的不足,解决绿色度评价定性指标的随机性和模糊性。其表达式如下:

物元模型中,用正态云代替区间来表示各评级标准的等级范围,区间之间允许有一定的重叠。物元分析中用双约束区间[c_min,c_max]代表评级,云物元模型中期望E_x、熵E_n确定如下:

E_x=(c_min+c_max)/2(2)

E_n=(c_max-c_min)/6 　 (3)

H_e=s 　 (4)

式中s为常数,s越小,云图越薄,隶属度的随机性也越小;s越大,云离散程度越大,边界模糊性较高。计算熵E_n时,如在边界处需要精确区分评价等级时,采用式(3)的计算规则。当定性概念的模糊性较大时,边界的划分不需要较为清晰,要求边界具有一定的模糊性,此时正态云边界隶属度取值0.5,熵E_n计算如下:

E_n=(c_max-c_min)/2.3548(5)

待评估指标数值与各等级之间的关联度按以下步骤计算:

第一步,计算标准云(Ex_i,En_i,He_i);

第二步,生成以En为期望,He为标准差的正态随机数En^';

第三步,通过隶属度函数求云滴x关于该等级云的关联度;

第四步,重复上述步骤N次,取N次结果的平均值作为关联度。

在施工绿色度评价指标体系的基础上,结合上述云物元理论,构建装配式建筑施工绿色度评价云物元模型。整个施工绿色度评价云物元模型的工作流程如图1:

参照现行标准规范、施工科技示范指南、相关研究文献,并同时综合考虑专家经验标准值,将上述评价指标的评级划分为不合格、基本级、一级、二级、三级5个等级,见表2。

由于整个指标体系偏大,考虑环境保护类指标既包含定量指标又包含定性指标,故在此以环境保护层所包含的8个指标为例进行等级标准的划分,见表3。

根据云物元模型参数确定规则,构建不同绿色度等级的经典域物元,各指标的正态云物元模型参数详见表4。

根据表中的指标等级云物元参数,根据(式6)进行蒙托卡罗仿真N(N=2000)次,得到评价指标的正态云图,见图2。

其中横坐标表示装配式建筑绿色度评价指标的实际水平值,纵坐标为绿色等级相应的关联度。碳排放量指标为定量指标,不同等级之间的区分度较高,指标实际值与待确定的绿色等级之间的清晰性也较高。水土流失控制为定性指标,指标存在一定的模糊性和随机性,其中同一指标值可能对应着不同的关联度,不同等级之间的区分度也较低,正体现了定性指标值与待确定绿色等级之间的不确定性。

在指标权重专家打分的基础上,采用C-OWA算子确定指标权重向量W=(ω₁,ω₂…ω₈)。

根据正态云参数,利用上述云物元关联度计算规则,计算评价指标i的实际值与第j级绿色标准的正态云模型之间的关联度k_ij^',并取N次的模拟仿真结果的均值作为该指标的关联度k_ij。

k_ij=k_ij^'/N(7)

式中,i=1,2…n,n为评价指标的个数,j=1,2…m,m为绿色度等级数,N=2000。所有的关联度构成综合评判矩阵,然后将矩阵按行均一化,得到标准化的评价指标关联矩阵K。

计算环境保护准则层绿色度等级的关联度,并根据最大隶属度识别准则评判绿色度等级。

Z_j=∑ⁿ_i=1ω_ik_ij(9)

M产城融合示范新区一期项目位于武汉市某经济开发区,其中8#楼为装配式钢结构建筑。该栋建筑单体占地面积987.01m²,地上总建筑面积22633.4m²,设计建筑高度78.45m,总用钢量2500t。建筑结构为钢框架-支撑结构,采用底模可拆钢筋桁架楼承板,墙板为ALC+砌块,外立面为保温装饰一体板,装配率为76%。该项目依托“智慧工地”信息平台,以施工全过程的现场管理为出发点,借助BIM、物联网、互联网、人工智能等对项目“人、机、料、法、环”等关键生产要素进行管控,如:钢结构制造工厂的能耗监控系统、基于BIM和物联网的施工全过程材料追溯体系、自动喷淋系统、施工场界环境监控、VR智慧安全管理等,多项措施并举助力装配式建筑绿色施工。

对该项目绿色度指标数据进行收集处理,定量指标数据可由项目的图纸资料、监测数据、检测报告、实地调研等获取,定性指标数据按照量表法,由经验丰富的专家打分确定。结果见表5最后一列。

采用专家打分法获取绿色度评价指标权重的权重数据,共邀请了10名专家。运用C-OWA算子计算准则层和目标层权重,得出绿色度评价指标体系权重,见表5。

以环境保护层指标为例,根据关联度计算规则,结合表4的等级云物元模型参数,进行2000次仿真,得到标准化的指标关联度K。

进一步结合各指标的相对权值W,计算得出环境保护层的绿色度等级关联度Z_B:

Z_B=WK=(0.0169,0.0035,0.1753,0.4579,0.3466)

同理,也可计算其他准则层的绿色度等级关联度,整合各准则层关联度及权重,得到装配式建筑施工绿色度等级关联度,见表6:

Z=(0.0347,0.0066,0.1064,0.5131,0.3393)

根据最大隶属度原则,确定M装配式钢结构住宅项目总体绿色度等级为“二级”,且有向“三级”发展的趋势。

分析其在准则层上的绿色表现,能源资源、环境保护与施工管理层绿色度为“二级”,其绿色施工水平较好,现场调查时发现,该项目在非传统水源的利用、施工场界噪声及控制、场地绿化及管理方面、水土流失控制等方面存在短板,这与云物元模型根据关联度判断绿色度等级的结果相符。

技术创新层与社会协调层的等级均为“三级”最高水平,实际上来看,该项目在钢结构节点施工、保温装饰装修一体板、钢构件节能改造等技术创新和改造方面的投入相对较高,也取得了重大进展,先后被列为武汉市装配式建筑试点示范工程、中建股份科技创新示范工程,并已申报国家专利6项。此外该项目为PPP模式下的产城融合示范住宅,可为经济开发区的高速发展提供住房保障,项目培养并输送的各类装配式管理人才均成为各新岗位的业务骨干,为装配式建筑的发展提供了提供良好的社会效益。

上述绿色度评价结果与项目获奖及施工现场状况一致,由此说明所建立的绿色度评价指标体系及云物元评价方法能够准确地衡量装配式建筑绿色施工水平,可弥补现有的装配式建筑评价及绿色施工评价的不足,具有一定的科学性和合理性。

我国现有的绿色建筑评价标准及绿色施工评价标准中,均以“四节一环保”为核心重点,对技术创新、社会的可持续影响方面缺乏关注。本文从能源资源、环境保护、施工管理、技术创新、社会协调5个方面进行装配式建筑施工绿色度的评价研究,既完善了现有相关标准中节能环保方面的评价,还可以通过技术创新和社会协调类指标,衡量BIM、物联网等信息技术在装配式建筑上的应用程度,并评估装配式建筑的生产建造对于经济社会的可持续影响。所提出的装配式建筑施工绿色度评价方法是对现有绿色建筑评价标准、绿色施工评价标准的一种补充和完善。

装配式建筑施工绿色度评价方法根据最大隶属度原则确定施工的绿色等级,进而对施工过程中的绿色施工措施进行优劣分析,以便于政府部门、建筑企业、社会组织采取相关措施推动形成绿色施工发展新格局,使得施工过程不断趋于标准化和规范化,对于装配式建筑迅速、科学、规范化的发展具有理论与实践价值。

装配式建筑施工绿色度评价方法有助于丰富装配式建筑评价体系,有利于促进制定国家、行业或企业的发展机制及评价标准来推动装配式建筑发展的效益最大化,全面促进建筑产业在能源资源节约、生态环境保护、科技发展推动和社会效益促进上的发展。推动建筑业的绿色发展、循环发展、低碳发展,减少室温气体排放和气候变化带来的挑战。

(1)将云物元理论运用到装配式建筑施工绿色度评价过程中,能较好地处理定量指标的精细化描述和定性指标的模糊性描述的均衡性问题,使评价结果更加客观。

(2)以某装配式住宅建筑为例,将模型输出结果与实际项目的评奖情况及施工现场情况进行对比,二者吻合,从而验证所提出的装配式建筑施工绿色度评价模型的可行性和合理性。

(3)装配式建筑施工绿色度评价有利于丰富完善现有装配式建筑评价及绿色施工评价标准,科学指导装配式建筑发展格局,促进建筑业的节能减排与低碳发展。