李輝山，趙 倩

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050，E-mail：1820809827@qq.com）

裝配式建筑是各種建筑部品由一定的連接方式進行現(xiàn)場的裝配而成的綠色建筑[1]。裝配式建筑采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用，把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進行，是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式[2]。與傳統(tǒng)的施工模式相比，裝配式建筑具有諸多優(yōu)勢，房屋質(zhì)量高、廢棄物少、材料浪費率低、環(huán)境污染率低、工期易控、運營維護簡單方便等。裝配式建筑與國家提倡的綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理念相吻合，并且設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和管理的信息化、裝修一體化有效地改善了傳統(tǒng)建筑行業(yè)的弊端，通過現(xiàn)代化的方式來提升建筑行業(yè)的生產(chǎn)管理效率，實現(xiàn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型和升級[3]。

對于裝配式建筑的研究國內(nèi)集中在裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑增量成本的對比、政策規(guī)范、技術(shù)體系等。李天華[4]將BIM和RFID技術(shù)引入裝配式建筑管理中，解決項目壽命周期中缺少將各階段關(guān)聯(lián)起來的技術(shù)平臺的關(guān)鍵性問題，使各階段、各參與方及時進行共享和交流信息。周文瑞[5]將裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑從組成方面進行了對比，并從企業(yè)角度、行業(yè)角度對降低裝配式建筑造價提出了合理的建議。魏明海等[6]結(jié)合裝配式建筑、綠色建筑以及綠色度的內(nèi)涵與特征，基于全壽命周期理論，對裝配式建筑綠色度的評價方法及內(nèi)容等進行了研究，構(gòu)建了適應(yīng)綠色建筑發(fā)展現(xiàn)狀的綠色度評價指標(biāo)體系?！熬G色度”并不是簡單的體現(xiàn)在產(chǎn)品生產(chǎn)的某一階段或者局部，而是體現(xiàn)在整個建設(shè)過程中。從全生命周期的角度“綠色度”[7]是指產(chǎn)品在整個生命周期中資源和能源的輸入量，環(huán)境輸出量以及這些輸入輸出對環(huán)境的友好程度的綜合評價指標(biāo)即衡量產(chǎn)品滿足綠色特性的程度。我國對于“綠色度”沒有明確的概念，但可以簡單地理解為對綠色產(chǎn)品技術(shù)先進性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟合理性進行綜合性評價的指標(biāo)。2015年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》中指出：到 2020年裝配式建筑達(dá)到新建建筑比率的20%以上，到2025年占新建建筑比率50%以上[8]。裝配式建筑處于起步階段，技術(shù)和管理仍舊沿用傳統(tǒng)建筑，因綠色導(dǎo)向，過分追求綠色性，而對于綠色程度的提升相應(yīng)會增加成本。相關(guān)企業(yè)針對成本增加所采取的措施是使其質(zhì)量有所降低。本文提出一種模型在建筑的綠色性能和成本之間通過計算分析達(dá)到一種均衡即以較低的資源投入得到最優(yōu)產(chǎn)品。

1 基于價值工程綠色性能和成本效益均衡模型建立

現(xiàn)階段對于裝配式建筑的研究主要集中在綜合效益[9]或綠色度評價體系[10]等方面。本文從價值工程角度出發(fā)，對裝配式建筑功能和費用建立模型進行分析進而提高價值。價值工程作為一種將經(jīng)濟和技術(shù)結(jié)合起來的綜合學(xué)科，有利于對產(chǎn)品的功能和成本進行合理的分析。在得到價值系數(shù)的基礎(chǔ)上對成本或功能進行調(diào)整而達(dá)到以較低的資源投入得到最優(yōu)的產(chǎn)品的目標(biāo)。其科學(xué)表示為[11]：

式中，V即價值是對象所具有的功能與形成功能的費用之比，是衡量一個對象經(jīng)濟效益高低的尺度；F即功能是價值工程分析的對象能夠滿足人們某種需要的一種屬性，對于裝配式建筑本文考慮滿足技術(shù)先進性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟合理性綜合性能即綠色性能；C即壽命周期費用是用戶為了滿足某種需要，在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)所花費的全部費用，本文在全壽命周期的5個階段對費用成本既考慮環(huán)境成本又考慮經(jīng)濟成本便于對成本進行量化。

根據(jù)裝配式建筑的不同，在價值工程原始公式上進行公式的變換，具體模型如下：

式中，V、F、C分別表示裝配式建筑價值矩陣、綠色性能矩陣、成本矩陣；a、b分別表示環(huán)境成本和經(jīng)濟成本所占比重。

2 裝配式建筑綠色性能矩陣確定

2.1 建筑綠色度評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

歐美國家從20世紀(jì)90年代就開始對綠色建筑評價體系進行研究，現(xiàn)有已成型評價體系如英國的BREEAM和美國的LEED。而中國的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》等僅針對綠色建筑進行了系統(tǒng)的評價與研究?；凇毒G色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》從節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、室內(nèi)環(huán)境、運營管理、施工管理七類指標(biāo)出發(fā)，在全壽命周期過程進行評價，將整個建設(shè)過程分為決策階段、規(guī)劃設(shè)計階段、施工階段、運營管理階段、拆除與再利用階段。尚春靜[12]等將工業(yè)化建筑劃分成6個階段，并將整個建筑產(chǎn)品的生命周期看成一個系統(tǒng)。王玉[13]將工業(yè)化建筑分為6個階段，即建材開采、生產(chǎn)階段、構(gòu)配件生產(chǎn)階段、運輸階段、施工階段、使用運行階段、拆卸回收階段。本文借鑒相關(guān)學(xué)者對工業(yè)化建筑各個階段的劃分，將全生命周期分為部件生產(chǎn)、部件生產(chǎn)運輸、施工、運營與管理、拆除改造5個階段。在這5個階段內(nèi)構(gòu)建裝配式建筑綠色度評價體系的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、評價指標(biāo)即對全壽命周期各個階段從影響因素層面進一步的細(xì)化，運用綜合評價方法對權(quán)重進行確定。根據(jù)不同指標(biāo)在不同階段影響程度的不同，對相同的影響因素只對其產(chǎn)生重大影響的階段進行研究。具體評價指標(biāo)體系如表1所示。

2.2 裝配式建筑綠色性能矩陣的構(gòu)建

2.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

引入標(biāo)準(zhǔn)離差法對指標(biāo)權(quán)重進行客觀計算，消除部分主觀性，將主客觀權(quán)重進行組合。

（1）AHP法確定指標(biāo)主觀權(quán)重。在校企合作企業(yè)甘肅建投各公司邀請行業(yè)內(nèi)專家對準(zhǔn)則層下各級單因素指標(biāo)相對重要程度通過1~9標(biāo)度法進行重要性打分，對得分處理后得到每一個準(zhǔn)則層的判斷矩陣。通過對判斷矩陣的數(shù)學(xué)處理利用軟件得到每一個判斷矩陣的最大特征根以及特征根所對應(yīng)的特征向量，并根據(jù)層次分析法原理對所得權(quán)重進行一致性檢驗，評判權(quán)重的準(zhǔn)確性[14]。

式中，λmax是判斷矩陣v的最大特征值，wi是λmax對應(yīng)的特征向量，所得判斷矩陣如下：

表1 裝配式建筑綠色度評價指標(biāo)體系

（2）標(biāo)準(zhǔn)離差法確定指標(biāo)客觀權(quán)重。標(biāo)準(zhǔn)離差法的基本原理[15]是利用綠色度各個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差變化情況來確定每一個指標(biāo)的權(quán)重，是依據(jù)客觀指標(biāo)實際的客觀數(shù)據(jù)變化特征計算權(quán)重的一種方法。采用這種方法計算指標(biāo)權(quán)重前，需要將所有指標(biāo)都進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。具體計算公式如下：

式中，δj為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

如果某項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明該指標(biāo)變異程度越大，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)波動越大，提供信息量越大，對評價體系影響較大，權(quán)重越大。反之則權(quán)重越小[16]。

（3）確定組合權(quán)重。對指標(biāo)的主客觀權(quán)重進行組合，具體計算公式如下：

2.2.2 確定綠色性能矩陣

（1）確定評價集。評價集是對待評價指標(biāo)的評價性描述。裝配式建筑評價指標(biāo)和傳統(tǒng)建筑指標(biāo)類似，其評價集的確定也可劃分為4個等級，并對其進行賦值：

Y=（y1，y2，y3，y4）=（優(yōu)秀，良，合格，不合格）=（4，3，2，1）

（2）模糊判斷矩陣的確定。由建設(shè)單位、施工單位、行業(yè)內(nèi)專家組成對指標(biāo)因素進行評判的評審團。通過對相關(guān)資料和調(diào)查結(jié)果的整理認(rèn)識，對評價指標(biāo)逐一評價，得到模糊評價的判斷矩陣R。

式中，rij為第i個影響因素對第j個評語的隸屬度，由此組成模糊判斷矩陣。

（3）確定綜合評價綠色性能矩陣。對各個單因素指標(biāo)進行評價后，根據(jù)評價結(jié)果和由下及上的遞階層次關(guān)系，得到五階段層次綠色性能的模糊判斷矩陣。用所求組合權(quán)重W和模糊判斷矩陣R構(gòu)建模型得到綠色性能矩陣T計算公式為：

在得到判斷矩陣評估指標(biāo)ti后對其進行歸一化處理。

3 裝配式建筑全生命周期成本效益分析

在全生命周期討論裝配式建筑成本效益。與傳統(tǒng)建筑進行類比，對于全生命周期各個階段的成本包括經(jīng)濟成本和環(huán)境成本，其中經(jīng)濟成本以建造成本和使用成本為主；環(huán)境成本則以碳排放量和碳交易價格進行折算。裝配式建筑成本構(gòu)成如表2所示。

表2 全生命周期成本構(gòu)成

4 實證分析

選取甘肅建投蘭州新區(qū)鋼結(jié)構(gòu)住宅示范基地項目，該項目是為解決甘肅省建設(shè)投資（控股）集團總公司實施出城入園所屬企業(yè)職工住房而投資建設(shè)的。為積極響應(yīng)國家住宅產(chǎn)業(yè)化及綠色建筑等有關(guān)政策，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等裝配式建筑，推進和引領(lǐng)甘肅省裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化建設(shè)進程，甘肅建投確定在該項目采用鋼結(jié)構(gòu)體系并積極探索建立省級新技術(shù)、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)，打造國家級示范小區(qū)，借勢延伸企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、加速企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。項目嘗試應(yīng)用全過程BIM系統(tǒng)管理，優(yōu)化管理方式，提升管理效能。目前為甘肅省首個鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)。項目總用地面積84.306畝。由10棟住宅樓及附屬車庫和臨街商鋪組成，總建筑面積約101734.67m2，容積率1.89。

4.1 確定綠色性能矩陣

（1）專家打分。邀請專家對相關(guān)評價指標(biāo)進行打分，按照“優(yōu)秀”“良好”“合格”“不合格”4個等級進行打分統(tǒng)計，匯總?cè)绫?所示。

表3 評價指標(biāo)打分匯總表

（2）指標(biāo)權(quán)重的確定。由AHP法得到的權(quán)重即由式（3）所得權(quán)重Wi，搜集項目各評價指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用式（4）可得到標(biāo)準(zhǔn)離差權(quán)重。應(yīng)用式（5）可得組合權(quán)重如表4所示。

表4 評價指標(biāo)組合權(quán)重

（3）模糊判斷矩陣的確定。由式（6）確定二級指標(biāo)模糊判斷矩陣并進行歸一化處理，對各個單因素指標(biāo)進行評價后，根據(jù)評價結(jié)果和由下及上的遞階層次關(guān)系，可得到單級綜合指標(biāo)如下：

（4）確定綜合評價綠色性能矩陣。在項目全生命周期五階段針對各個階段進行高層次的綜合評價，根據(jù)式（7）計算如下：

GA=A×RA=[0.4689，0.3578，0.1986，0.0840]

GB=B×RB=[0.3691，0.3418，0.1723，0.1086]

GC=C×RC=[0.6552，0.1443，0.0924，0.0409]

GD=D×RD=[0.5798，0.2115，0.1193，0.0854]

GE=E×RE=[0.4932，0.3324，0.1516，0.0228]

由各階段綜合評分C=GiY和以上模糊矩陣，可得綠色性能矩陣F=[3.4302，2.2950，3.8794，3.6777，2.6961]。

4.2 確定成本矩陣

在全生命周期內(nèi)進行成本的計算既要考慮環(huán)境成本又要考慮經(jīng)濟成本，確定環(huán)境成本需要對各個階段碳排放量進行綜合計算，而經(jīng)濟成本以各階段建造成本和使用成本為主。

（1）確定環(huán)境成本。工業(yè)化建筑在建造時其環(huán)境成本主要通過碳排放量進行衡量。在各個階段中碳排放量的主要來源如表5所示。

表5 裝配式建筑相關(guān)階段碳排放來源

由《中國溫室氣體清單研究》[17]、《2010年中國區(qū)域及省級電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子》[18]、CECS 374—2014《建筑碳排放計量標(biāo)準(zhǔn)》[19]等進行整理可得各階段總碳排放量計算時所需碳排放因子如表6所示。

表6 碳排放因子匯總表

研究數(shù)據(jù)主要來源于中國碳排放交易網(wǎng)[20]，采用線上數(shù)據(jù)收集的方法進行碳交易價格的統(tǒng)計。各年各月份碳交易價（元/kg）如表7所示。

根據(jù)表7對本項目住宅相關(guān)階段碳排放量及碳交易價，計算環(huán)境成本，如表8所示。

（2）確定經(jīng)濟成本。根據(jù)本項目工程量清單及甘肅省相關(guān)定額標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其經(jīng)濟成本計算如表9所示。

（3）確定成本矩陣。整理相關(guān)數(shù)據(jù)代入表 2可得全生命周期成本如表10所示。

表7 碳交易價匯總表

2 28.27 19.29 36.59 31.42 3 31.63 23.11 30.84 25.43 4 30.45 16.12 23.73 20.54 5 24.51 29.66 15.81 17.83 6 25.90 8.35 11.10 17.35 7 24.02 14.23 12.99 21.53 8 26.47 15.37 12.82 24.32 9 23.86 23.06 10.14 14.57 10 25.19 29.06 13.16 15.36 11 33.25 29.83 30.83 28.76 12 24.67 21.78 14.97 12.37

表8 環(huán)境成本匯總

表9 經(jīng)濟成本匯總

表10 全生命周期成本匯總

4.3 價值分析

已求得綠色性能矩陣F=[3.4302，2.2950，3.8794，3.6777，2.6961]對綠色性能進行歸一化處理，可得本項目功能系數(shù)F=[0.2147，0.1436，0.2428，0.2302，0.1687]。同理對成本矩陣進行歸一化處理后可得成本系數(shù)C=[0.2676，0.1281，0.2739，0.2169，0.1133]，由式（1）進行價值分析結(jié)果如表11所示。

表11 各階段價值分析

在本項目各階段中，將價值系數(shù)進行排序。

（1）考慮部件生產(chǎn)階段價值系數(shù)與部件運輸階段相比略微偏小，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是部件生產(chǎn)階段進行歸一化處理后的功能系數(shù)相對成本系數(shù)較小，即可通過降低成本或者對部件生產(chǎn)階段功能評價指標(biāo)進行優(yōu)化使其成本或功能改善進而在原來的基礎(chǔ)上進行價值提升。

（2）施工階段與運營管理階段相比略微偏小，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是施工階段功能系數(shù)相比成本系數(shù)偏小，對于施工階段可通過評價指標(biāo)提升功能或?qū)Υ穗A段成本進行有效控制而保證其功能來進行功能或成本的改善提升功能。

（3）運營管理階段、部件運輸階段、拆除改造階段3個階段功能系數(shù)相比較成本系數(shù)偏大即在付出較少成本費用的基礎(chǔ)上已經(jīng)達(dá)到此階段必要功能。

5 結(jié)語

建立裝配整體式建筑綠色度評估體系有助于豐富綠色建筑評價內(nèi)容。對裝配式建筑成本效益進行分析，對比傳統(tǒng)建筑考量其增量成本有利于考察裝配式建筑增量成本所產(chǎn)生的環(huán)境效益。基于價值工程法對裝配式建筑功能與成本有利于促進制定行業(yè)或企業(yè)的發(fā)展機制及評價體系，達(dá)到裝配式建筑整體發(fā)展的效益最大化，全面促進現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)在資源節(jié)約、環(huán)境保護、循環(huán)經(jīng)濟和社會效益上的發(fā)展。為裝配整體式建筑的推廣和應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)，促進我國城市生態(tài)文明建設(shè)。

裝配整體式建筑綠色度評估體系的現(xiàn)實可操作性推動了評價體系在實際工作中的應(yīng)用。通過量化的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)衡量建筑的綠色程度，為建筑方案優(yōu)選提供決策依據(jù)。裝配整體式建筑綠色度評估體系以實際裝配式建設(shè)項目為基礎(chǔ)，通過實際測算、分析指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)，評價裝配式建筑在“四節(jié)一環(huán)?！保垂?jié)水、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保）方面的效益，指導(dǎo)裝配式建筑的建設(shè)，推動裝配式建筑在市場中的推廣與應(yīng)用。分析全壽命周期裝配式建筑各階段價值系數(shù)，有助于在建設(shè)過程中對其成本及性能進行合理控制。

通過對蘭州新區(qū)鋼結(jié)構(gòu)住宅示范基地項目的價值分析，為類似項目提供了價值評判的依據(jù)。然而，本文僅就鋼結(jié)構(gòu)項目進行了分析，是否適用于普遍裝配式建筑還需要更深入的研究和工程項目的實踐。