施工工艺绿色度比较定量研究方法

作者:于震平 肖绪文 杨晓冬
单位:中国建筑业协会绿色建造与施工分会 中国建筑股份有限公司 中国建筑第八工程局有限公司
摘要:通过综合评价方法定量分析地下大体积混凝土浇筑施工工艺的5类绿色特征指标, 即综合判定能耗、材料消耗、人力投入、噪声、扬尘的绿色度高低。首先介绍定性评价、基于统计分析、目标规划模型、不确定性信息、智能化等综合评价方法, 其次介绍综合评价流程, 即指标体系构建、指标标准化处理、指标权重系数确定、信息合成, 最终得出不同评价对象需选用对应的综合评价方法, 并应重点建立指标体系等结论。
关键词:绿色施工 施工工艺 定量化 综合评价
作者简介:于震平, 博士, 教授级高级工程师, E-mail:651974082@qq.com;
基金:“十三五”国家重点研发计划 (2016YFC0702101);

 

0 引言

我国绿色施工经过10多年的发展,从绿色施工技术研究到工程实践推广均取得很大发展。“建筑工程绿色建造关键技术研究与示范”项目列入“十二五”国家科技支撑计划,对绿色施工的发展起促进作用。该项目中,研究开发了200多项绿色施工工艺技术。2017年8月17日,住房和城乡建设部科技司发布《绿色施工推广应用技术公告 (征求意见稿) 》的公示。这些施工工艺在环保、节材、节能、节水等某方面有优势,但相比类似施工工艺,没有定量化地综合分析工艺绿色度高低。如某个施工工艺是节能的,但另一方面相比其他类似工艺,可能耗材更大。以地下大体积混凝土浇筑为例,施工工艺一般采用混凝土汽车泵或固定泵浇筑,或采用溜槽或串筒浇筑。GB/T 50905—2014《建筑工程绿色施工规范》建议地下大体积混凝土宜采用溜槽或串筒浇筑,即绿色施工工艺。从施工实践中可知,该工艺相比泵送工艺,减少用电或用油量。

但溜槽或串筒浇筑工艺需用钢材搭设临时支撑体系,且混凝土在管道中的输送距离增大造成2个问题:临时支撑体系的材料消耗;输送中混凝土损耗增加。汽车泵浇筑中没有材料消耗,所以,作为绿色施工工艺,还应比较材料损耗。另外,采用汽车泵、固定泵、溜槽、串筒4种工艺浇筑,在人力资源投入、产生的噪声声级、大气污染物等方面均有不同。要全面比较施工工艺绿色程度,或绿色度高低,需在明确各工艺反映绿色特征指标的基础上,设计试验方案和方法,采集特征指标数据,利用合理的定量化评价方法综合确定。

综上,分析地下大体积混凝土浇筑4种施工工艺的5类绿色特征指标,即能耗、材料消耗、人力资源投入、噪声、扬尘的影响,综合判定哪个工艺绿色度更高,需采用综合评价方法定量分析确定。

1 综合评价方法简介

综合评价指对多属性体系结构描述的对象系统做出全局性、整体性的评价[1]。即综合评价是根据某个特定对象 (施工工艺) ,建立一套符合其特征的指标体系 (绿色特征指标) 进行数据分析,得到评价结果 (绿色程度) 。综合评价的方法超过100种[2]。其分类各不相同[3,4]。从应用角度出发,主要有以下各类。

1) 定性评价方法如专家调查法 (Delphi法) 、直接评分法。这类评价方法的战略层次决策,根据专家知识和经验,直接判断并打分,一般用于不能或难于量化的大系统及简单的小系统,或是缺乏统计数据的系统。

2) 基于统计分析的评价方法如主成分分析法、因子分析法、判别分析法、聚类分析法等。主要利用相关变量间的相关性或相似性进行排序或分类,其理论基于数理统计方法,评价结果与实际情况的符合程度依赖统计数据的丰富程度。

3) 基于目标规划模型的评价方法利用运筹学中的目标规划模型,择优选择评价方案。如和谐性分析方法 (ELECTRE方法) ,数据包络分析法 (DEA) ,优劣解距离法 (Topsis方法) 等。这类方法较适用于多目标和多属性决策领域,其特点是择优而非排序。

4) 基于不确定性信息的评价方法主要用于处理不确定性信息。如模糊数学方法、灰色关联分析法等,可解决一些非结构化、随机性、灰色、模糊等不确定信息的评价。

5) 基于智能化评价方法如人工神经网络法 (ANN) 、遗传算法等。具有自适应能力、可容错性、需要大量的训练样本等特点。

6) 其他定量化方法如层次分析法 (AHP) 、网络层次分析法 (ANP) 、可拓综合评价方法等。可解决结构化、数据化信息的评价。

7) 多方法融合的评价方法指不同方法在处理指标构建、指标赋权或评价信息方面的不同特点和优势,将多个不同的评价方法同时运用于一个综合评价问题中,以提高综合评价质量。

李栋等尝试将综合评价方法统一为一般的数学表达方式[5]。假设将指标体系x作自变量,综合评价数值z作因变量,则综合评价方法可统一为基函数的线性组合,即:

 

式中:z= (zi) , i=1, 2,…m,为评价结果;x= (xj) , j=1, 2,…n,为对象i的特征指标;yj=Y (xj) 为特征指标经过变换的标准化函数;Tj (·) 为基函数;wj为基函数的权数。

标准化函数、基函数及权数按上式组合而成的函数为要求的综合评价方法。三者间的变动是一种不同的评价方法,所以综合评价方法很多。

基函数的形式可多种多样,最常用的也最简单,即

 

该综合评判方法实质是标准化函数的加权和,是最简单的线性综合评价方法。

2 综合评价流程

综合评价过程一般要经过指标体系构建、指标标准化处理、指标权重系数确定及信息合成4个步骤[6]

2.1 指标体系构建

评价指标体系是综合评价的核心和依据,应与评价的目标相适应。如评价绿色施工工艺的目的是判断完成同一施工目标中,哪个施工工艺绿色程度更高。以地下大体积混凝土浇筑为例,通过上文分析,建立5个评价指标:能耗、材料消耗、人力资源投入、噪声、扬尘,这5个指标是否满足评价目标、能否采集到有效数据等,事前需进行策划。

一般情况下可假设某个施工任务共采用m个施工工艺,每个施工工艺有n个评价指标。将这些数据以矩阵形式表示为x={xij}。其中i=1, 2,…,m;j=1, 2,…,n;xij代表第i个施工工艺第j个指标的具体表现数值。

2.2 指标标准化处理

综合评价指标的标准化指通过一定的数学变换消除指标类型与量纲影响,即把性质、量纲各异的指标转化为无量纲、属性一致的标准指标值。从数学角度讲即指标评价值依赖于指标实际值的函数关系式。指标标准化包含2部分内容,即指标属性和量纲的统一。

1) 指标属性一致化在评价对象的特征指标中,指标值越大评价结果越好的称为正向指标;指标值越小评价结果越好的称为逆向指标;指标值越接近某个值越好的称为适度指标。综合评价时,首先必须将指标属性一致化,一般将逆向指标和适度指标转化为正向指标,所以也称指标的正向化。

地下大体积混凝土浇筑绿色施工工艺的5个评价指标中值越小,绿色度越高,属于逆向指标,应将其正向化。逆向指标正向化的方法有倒数法、最小阈值法、最大阈值法、绝对倒数法、减法等。

张立军等研究了线性综合评价模型,倒数一致化法和减法一致化法在原数据中的分散程度、评价结果的稳定性方面,减法一致化方法更合适[7]。减法一致化可表述为:

 

式中:M为原始指标xj的一个允许上界。

2) 指标无量纲化评价对象不同特征指标往往具有不同的量纲单位,在数值上有量级差异,直接采用这些指标进行分析不合理,也无实际意义。所以综合评价的一个必要流程是去指标量纲,将指标实际值转化为无量纲的相对数,一般也称为指标评价值。这种将指标实际值转化为指标评价值的过程,称为指标的无量纲化,无量纲化方法即如何实现这种转化。如地下大体积混凝土浇筑工艺绿色程度评价的特征指标 (能耗、材料消耗、人力资源投入、噪声、扬尘等) 量纲均不同。且按常采用的量纲单位,各指标间的数值相差1个数量级以上,不能直接进行综合比较,必须对所有评价指标进行无量纲化处理,将指标实际值转化为指标评价值。

目前已提出很多无量纲化方法,如综合指数法、极差变换法、高中差变换法、低中差变换法、均值化法、标准化法、比重法、功效系数法、指数型功效系数法、对数型功效系数法、正态化变换法等。实践中应用较多的是属于直线型无量纲化方法的极差变换法、标准化法和均值化法。在线性综合评价模型中,Z-Score法 (也称标准化法) 、极差化无量纲方法相对其他方法更有效[7]

Z-Score法可表示为:

 

式中:E为均值;S为方差

极差化法可表示为:

 

2.3 指标权重系数确定

各特征指标反映绿色施工的重要性不同,即各指标需要确定权重。确定权重的方法较多,根据计算权重时的依据,可将这些方法分为2类:主观赋权法和客观赋权法。

主观赋权法根据决策者 (专家) 主观上对各指标的重视程度确定权重,可靠性有赖于专家的知识结构、工作经验及偏好等。常用的主观赋权法有专家调查法 (Delphi法) 、层次分析法 (AHP) 、二项系数法、环比评分法、最小平方法等。主观赋权法的优点是专家给出的权重基本能合理确定各指标权重的排序,不致于出现指标权重与指标实际重要程度相悖的情况。但评价结果具有较强的主观随意性,客观性较差,应用中有很大局限性。

客观赋权法根据指标数据及相互间的关系,通过数据分析和计算获得,与个人意愿无关。其基本思想是指标权重应是各指标在指标集中的情况下,变异程度和对其他指标影响程度的度量,赋权的原始信息来源于指标实际监测数据,处理信息的过程根据一定规则,依据这样的规则确定指标权重。常用的客观赋权法有主成分分析法、熵值法、离差及均方差法、多目标规划法等。客观赋权法的优点是根据指标数据间的关系确定权重,具有较强的数学理论依据,权重的客观性强。但确定的各指标权重可能与经验或实际情况不一致。

熵值法的基本思路是根据指标变异性的大小确定客观权重。指标的熵值反映变异程度,熵值越小,提供的信息量越多,表明指标评价值的变异程度越大,在综合评价中所起作用越大,权重也越大。相反,某个指标的熵值越大,表明提供的信息量越少,指标评价值的变异程度越小,相应地在综合评价中所起作用越小,权重也越小。

熵值法首先计算第i个施工工艺的第j个指标值,在所有施工工艺第j个特征指标表现的总值中所占比重,得出类似于概率的矩阵:

 

第2步根据熵值计算公式,计算第j个指标的熵值:

 

最后,根据每个指标的熵值大小,设置权重,第j个指标权重如下:

 

2.4 信息合成

信息合成方法中最简单的是采用基函数为标准化函数,即基函数Tj (·) =yj。评价对象的得分即标准化函数的加权和,即各施工工艺的得分:

 

式中:zi即第i个施工工艺的最终得分,得分越高,绿色度越高。

3 结语

文章仅做一般性介绍,不同评价对象应选用适合的综合评价方法。施工工艺绿色度综合评价中最关键的是建立指标体系。指标应能全面反映施工工艺绿色化情况,建立可对比的指标测定条件、方法等,需在工程实践中不断探索。

 

参考文献[1]王宗军.综合评价的方法、问题及其研究趋势[J].管理科学学报, 1998, 1 (1) :75-79.

[2]邱东, 汤光华.对综合评价几个阶段的再思考[J].统计教育, 1997 (4) :25-27.

[3]彭张林, 张强, 杨善林.综合评价理论与方法研究综述[J].中国管理科学, 2015, 23 (S1) :245-256.

[4]陈衍泰, 陈国宏, 李美娟.综合评价方法分类及研究进展[J].管理科学学报, 2004, 7 (2) :69-79.

[5]李栋, 王洪礼, 李胜朋.综合评价法的统一化研究[J].天津大学学报 (社会科学版) , 2006, 8 (5) :373-375.

[6]郭亚军, 易平涛.线性无量纲化方法的性质分析[J].统计研究, 2008, 25 (2) :93-100.

[7]张立军, 袁能文.线性综合评价模型中指标标准化方法的比较与选择[J].统计与信息论坛, 2010, 25 (8) :10-15.
Quantitative Research Method for Green Degree Comparison of Construction Technique
YU Zhenping XIAO Xuwen YANG Xiaodong
(Green Building and Construction Branch of China Construction Industry Association China State Construction Engineering Co., Ltd. China Construction Eighth Engineering Division Co., Ltd.)
Abstract: Five kinds of green characteristic indexes of underground mass concrete casting construction technology are quantitatively analyzed by comprehensive evaluation method, that is, the green degree of energy consumption, material consumption, manpower input, noise and dust is comprehensively determined. Firstly, qualitative evaluation, statistical analysis, objective planning model, uncertain information, intelligence and other comprehensive evaluation methods are introduced. Then the comprehensive evaluation process of index system construction, index standardization, index weight coefficient determination and formation synthesis is introduced. It is concluded that the corresponding comprehensive evaluation method should be used for different evaluation objects and the index system should be established.
Keywords: green construction; construction technique; quantitative analysis; comprehensive evaluation;
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