適用于工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能虛擬建造評(píng)價(jià)方法

建筑產(chǎn)業(yè)化是與信息化深度融合的工業(yè)化，鋼結(jié)構(gòu)建筑相比其他結(jié)構(gòu)更符合建筑產(chǎn)業(yè)化的要求。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑有利于推動(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展，符合建筑可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑、碳達(dá)峰等相關(guān)政策的要求。目前我國(guó)既有建筑面積接近400m2，高能耗建筑占95%以上，能源利用率僅33%。每年新建建筑近20億m2，其中80%屬于高能耗建筑。因此，消耗高、利用率低、環(huán)境重負(fù)荷成為傳統(tǒng)建筑業(yè)的標(biāo)志。設(shè)計(jì)階段的成本占建筑總造價(jià)的5%~7%，然而設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑總造價(jià)產(chǎn)生的影響高達(dá)70%~80%。在設(shè)計(jì)初期，建筑師大約80%的設(shè)計(jì)決策會(huì)影響建筑最終耗能表現(xiàn)，及時(shí)有效的決策信息對(duì)提高綠色建筑設(shè)計(jì)水平至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)有的建筑性能分析軟件的模擬結(jié)果，建筑師判斷設(shè)計(jì)方案對(duì)綠色建筑的影響。然而，各類分析軟件需要單獨(dú)建模、工作煩瑣，較難與建筑原設(shè)計(jì)完全一致。在有限的設(shè)計(jì)周期下，需要同時(shí)調(diào)整建筑圖和計(jì)算模型才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化。除日照分析和節(jié)能計(jì)算外，其余建筑使用舒適度和能耗的相關(guān)分析主要依靠建筑師的經(jīng)驗(yàn)，因此在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)前期的綠色建筑性能模擬往往被忽視。BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑全生命周期的信息高度集成，進(jìn)行多維度、多時(shí)間建筑性能分析，將成為可持續(xù)設(shè)計(jì)和建造的重要工具。BIM技術(shù)是對(duì)建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設(shè)備等專業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與一體化管理。BIM技術(shù)在節(jié)能虛擬優(yōu)化中具有重要的作用。目前相關(guān)研究主要圍繞IFC與節(jié)能分析軟件的結(jié)合、基于BIM的節(jié)能軟件功能擴(kuò)展、基于BIM的節(jié)能應(yīng)用3個(gè)方向。盡管學(xué)者取得了豐厚的研究成果，但仍然存在一些問題。基于前期關(guān)于節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化方面的研究成果，以綜合評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM技術(shù)、能耗模擬技術(shù)、三維可視化仿真技術(shù)，本研究提出了一種適用于工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能虛擬建造評(píng)價(jià)方法（Modeling-Analysis-Evaluation-Display，簡(jiǎn)稱MAED），通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原型實(shí)現(xiàn)，旨在為節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有效的決策依據(jù)，以提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑向新興建筑工業(yè)化發(fā)展。1?相關(guān)理論與技術(shù)1.1?綜合評(píng)價(jià)理論綜合評(píng)價(jià)是指對(duì)多屬性體系結(jié)構(gòu)描述的對(duì)象系統(tǒng)做出全局性、整體性的評(píng)價(jià)。其中，評(píng)價(jià)方法的研究是最重要的研究方向之一。綜合評(píng)價(jià)面臨的往往是復(fù)雜系統(tǒng)，正確評(píng)價(jià)難度較大，尚有許多理論和實(shí)踐問題沒有解決，因此綜合評(píng)價(jià)研究前景較可觀。目前，常用的評(píng)價(jià)方法大致分9類，包括：定性評(píng)價(jià)方法（如：專家問卷法、Delphi法）、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法（如：凈現(xiàn)值分析法、投資回收期法）、多屬性多目標(biāo)決策方法、運(yùn)籌學(xué)方法（如：數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型）、統(tǒng)計(jì)分析方法（如：主成分分析、聚類分析、判別分析）、系統(tǒng)工程方法（如：層次分析法、關(guān)聯(lián)矩陣法、評(píng)分法）、模糊數(shù)學(xué)方法（如：模糊綜合評(píng)價(jià)法、模糊積分、模糊模式識(shí)別）、對(duì)話式評(píng)價(jià)方法（如：逐步法、序貫解法）、智能化評(píng)價(jià)方法（如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法）。以上9類方法各具特色，能夠解決不同領(lǐng)域、不同對(duì)象、不同邊界條件下的不同問題。然而，關(guān)于各種方法尚未界定較為具體的適用范圍，因此對(duì)于特定情景下特定對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)問題，選擇何種方法，除了方法本身的精度之外，還需要考慮方法的可操作性，包括：方法實(shí)施的技術(shù)難度（實(shí)施簡(jiǎn)便）、經(jīng)濟(jì)強(qiáng)度（花費(fèi)較?。┖徒殉潭龋ㄈ蒎e(cuò)較好）?？紤]綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性，本研究基于綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為方案優(yōu)化提供合理有效的決策依據(jù)。1.2?主成分分析法主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，簡(jiǎn)稱PCA）是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的過(guò)程中，為了全面分析問題，初始的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量一般較多。指標(biāo)之間具有一定的聯(lián)系，這種相互聯(lián)系會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤的影響，因而需要對(duì)所選的指標(biāo)進(jìn)行“降維”處理，旨在簡(jiǎn)化計(jì)算和消除指標(biāo)之間的相關(guān)性。利用“PCA降維”的思想，在保留初始的指標(biāo)所提供的絕大多數(shù)信息的基礎(chǔ)上，用統(tǒng)計(jì)分析原理和方法從多指標(biāo)中提取少數(shù)彼此不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，進(jìn)而建立最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。鑒于此，采用PCA法對(duì)節(jié)能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化處理。1.3?層次分析法由于鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能方案評(píng)價(jià)發(fā)生在項(xiàng)目前期，評(píng)價(jià)內(nèi)容包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。隨著項(xiàng)目地理位置的氣候條件、項(xiàng)目建設(shè)單位的建設(shè)要求、項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)意圖等因素的變化，指標(biāo)之間的重要性也會(huì)隨之改變。鑒于建設(shè)項(xiàng)目的唯一性、獨(dú)特性等特點(diǎn)，評(píng)價(jià)方法必須將主觀與客觀相結(jié)合，定性與定量相匹配，旨在充分利用有限信息做出可靠性高的評(píng)價(jià)。主成分分析法是一種客觀確定權(quán)重的方法，該方法不受人為因素干擾，能根據(jù)指標(biāo)的實(shí)際情況給出客觀的權(quán)重。然而，并非所有樣本都能進(jìn)行主成分分析，當(dāng)主成分分析不適用時(shí)，引入層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，簡(jiǎn)稱AHP）作為確定權(quán)重的替代方法。盡管AHP是一種主觀賦權(quán)方法，該方法采用的判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)機(jī)制能最大限度地消除主觀判斷中判斷結(jié)果的前后不一致性，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。因此采取“PCA+AHP”的方法確定節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。1.4?灰色關(guān)聯(lián)度分析法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和大量實(shí)踐應(yīng)用，灰色關(guān)聯(lián)度分析（GreyRelationAnalysis，GRA）是一種對(duì)少數(shù)據(jù)、貧信息的系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)之間的因素，隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱為關(guān)聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，若兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，則二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。該方法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度（即灰色關(guān)聯(lián)度）衡量因素間關(guān)聯(lián)程度。鑒于該方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求不高、計(jì)算量不大，越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理的評(píng)價(jià)問題，該方法也適用于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能虛擬建造評(píng)價(jià)。因此選擇GRA法作為方案評(píng)價(jià)選優(yōu)的方法。2?MAED方法的研究思路基于BIM技術(shù)、建筑能耗與技術(shù)評(píng)價(jià)方法，提出了一套適用于鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能虛擬建造技術(shù)的MAED方法，即建模（Modeling）—分析（Analysis）—評(píng)價(jià)（Evaluation）—展示（Display），旨在實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)、優(yōu)化與決策分析。2.1?建模鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能虛擬建造中涉及的模型包括設(shè)計(jì)模型、分析模型和展示模型。3類模型相互關(guān)聯(lián)、互為依托。設(shè)計(jì)模型是分析模型的基礎(chǔ)和前提；分析模型是設(shè)計(jì)模型的抽象和簡(jiǎn)化；展示模型是設(shè)計(jì)模型和分析模型的有機(jī)融合。三者共同構(gòu)成了MAED方法的模型基礎(chǔ)和信息支撐。2.2?分析在建筑模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮項(xiàng)目環(huán)境條件和項(xiàng)目自身屬性，利用節(jié)能評(píng)價(jià)分析軟件，對(duì)建筑的聲環(huán)境、熱環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境以及建筑能耗等進(jìn)行模擬分析的過(guò)程。該過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)對(duì)建筑信息收集和再加工的過(guò)程，包括設(shè)計(jì)信息、建設(shè)環(huán)境信息、建造要求等，其輸出是建筑在可再生能源利用效能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、建造能耗模擬、建筑環(huán)境舒適度、全壽命周期碳排放等方面的各種數(shù)據(jù)，如圖1所示。圖1?分析階段過(guò)程示意2.3?評(píng)價(jià)當(dāng)備選方案較多時(shí)，需要對(duì)各個(gè)備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，以選擇最優(yōu)方案。方案評(píng)價(jià)與指標(biāo)體系、備選方案和評(píng)價(jià)方法息息相關(guān)。評(píng)價(jià)的作用是通過(guò)特定的評(píng)價(jià)方法對(duì)反映評(píng)價(jià)對(duì)象的眾多方面（指標(biāo)）進(jìn)行綜合，進(jìn)而獲取一個(gè)反映評(píng)價(jià)對(duì)象整體水平的量，使不同方案之間的相互比較成為可能，是方案選優(yōu)的基礎(chǔ)和前提。2.4?展示展示功能是將之前分析及評(píng)價(jià)獲取的信息進(jìn)行集成和重構(gòu)，將原來(lái)零散的信息變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)性強(qiáng)、直觀清晰的信息，以便決策者進(jìn)行多方案選擇和單一方案優(yōu)化。3?算例分析鑒于鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，傳統(tǒng)手工計(jì)算的方式工作量較大，本研究開發(fā)了一個(gè)基于MAED的評(píng)價(jià)軟件原型。該軟件原型基于MATLAB、VS2010、Navisworks聯(lián)合開發(fā)，選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)是sqlServer?2008。以實(shí)際工程為背景，通過(guò)算例分析，對(duì)MAED方法的可行性和合理性進(jìn)行論證。3.1?工程概況以某低層模塊化生態(tài)鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目屬于低層住宅建筑，房間功能分區(qū)主要包括臥室、客廳、車庫(kù)、衛(wèi)生間等。建筑高度約為6.64m，建筑面積約為311.44m2，共兩層。1層主要為大廳、庭院客廳等，2層主要為臥室。該建筑采用模塊化施工方法、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)、節(jié)能材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)、中庭采光、太陽(yáng)能熱水以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，因此符合工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能虛擬建造的研究條件。3.2?基于PCA和AHP的節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化通過(guò)文獻(xiàn)查閱法總結(jié)國(guó)內(nèi)外節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)，兼顧該工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，針對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的8個(gè)方面歸納了35個(gè)初級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用問卷調(diào)查法和SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過(guò)PCA法對(duì)初級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行提煉，最終獲得13個(gè)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于AHP法對(duì)計(jì)算優(yōu)化后的節(jié)能指標(biāo)的權(quán)重。3.3?基于GRA的方案優(yōu)化3.3.1?備選方案設(shè)置以外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)為例，該項(xiàng)目有2種設(shè)計(jì)方案。（1）外墻采用“條板+木格柵”的雙層表皮外墻。（2）選擇直接干掛面磚的普通外墻。3.3.2?備選方案比選首先將兩個(gè)方案的Revit模型轉(zhuǎn)換為NWD格式，通過(guò)軟件上傳到服務(wù)器，然后將指標(biāo)及權(quán)重通過(guò)該系統(tǒng)輸入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)。專家進(jìn)行評(píng)分時(shí)系統(tǒng)將指標(biāo)及方案自動(dòng)錄入打分界面。由于模型具備屬性信息，專家在打分的過(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)選構(gòu)件查看相應(yīng)的信息，并以此為判斷的依據(jù)。當(dāng)專家評(píng)分完成后，系統(tǒng)將專家評(píng)分錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。最后決策者根據(jù)權(quán)重和專家評(píng)分對(duì)備選方案進(jìn)行排序（圖2）。圖2?基于MAED的軟件原型的操作流程（計(jì)算機(jī)截圖）本系統(tǒng)采用GRA法，首先通過(guò)計(jì)算各方案與基準(zhǔn)方案的灰色關(guān)聯(lián)度，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小判斷方案的優(yōu)劣。關(guān)聯(lián)度越大，則表示方案更優(yōu)。方案1的評(píng)價(jià)結(jié)果為0.9475，方案2的評(píng)價(jià)結(jié)果為0.6554，最終評(píng)價(jià)結(jié)果表明方案1比方案2更優(yōu)。該算例分析有效驗(yàn)證了基于MAED的評(píng)價(jià)軟件的可操行，進(jìn)而論證了MAED方法技術(shù)的可行性。4?結(jié)束語(yǔ)基于BIM、能耗模擬、三維可視化仿真等技術(shù)以及統(tǒng)計(jì)與綜合評(píng)價(jià)方法，提出了一套適用于工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建