石振武， 王 暢

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來，我國公路行業(yè)深入貫徹落實國家生態(tài)文明建設(shè)，不斷以實際行動踐行中央關(guān)于綠色發(fā)展的戰(zhàn)略部署，著力推進(jìn)中國特色的綠色公路行業(yè)快速發(fā)展。服務(wù)區(qū)作為公路的重要附屬設(shè)施，其綠色建設(shè)也逐步引起重視。2018年4月19日，國家交通運輸部發(fā)布的《2018年全國公路服務(wù)區(qū)工作要點》[1]中提到，要加強(qiáng)綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)，研究建立綠色服務(wù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)體系。

公路服務(wù)區(qū)的建設(shè)不同于普通公共建筑，它具有地理位置偏、碳排放量大、能源消耗量高、廢棄物處理難等特點。目前，我國大多數(shù)服務(wù)區(qū)只能滿足各項服務(wù)功能的基本需求，但其在建設(shè)發(fā)展過程中對環(huán)境造成的負(fù)面影響巨大。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，方案決策對項目的影響達(dá)到50.2%，其中設(shè)計階段占48.3% ，而施工階段和運營階段分別占0.7%和0.8%[2]。因此，在綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)的設(shè)計階段采取控制措施對影響服務(wù)區(qū)綠色度的因素進(jìn)行合理優(yōu)化，前移綠色服務(wù)區(qū)評價時間點，以預(yù)評價的方式指導(dǎo)綠色服務(wù)區(qū)的建設(shè)具有重要意義。

目前，已有相關(guān)專家學(xué)者將BIM(Building Information Modeling)技術(shù)引入到建筑的綠色評價中來，如：吳佳蔚等[3]通過分析對BIM模型數(shù)據(jù)的處理和提取，提出了基于BIM技術(shù)的綠色建筑節(jié)地設(shè)計評價流程及方法；楊文領(lǐng)[4]建立了基于BIM技術(shù)的綠色建筑能耗評價模型并將其應(yīng)用于建筑的采光系數(shù)和照度分析、熱工性能分析等。但綠色服務(wù)區(qū)的建設(shè)存在很大的特殊性，有待深入研究?，F(xiàn)有針對公路綠色服務(wù)區(qū)所開展的研究大多集中在實現(xiàn)途徑上，如徐亮等[5]從污水處理、中水回用、雨水系統(tǒng)、垃圾處理、清潔能源利用等方面探究了服務(wù)區(qū)建設(shè)新模式；鄭東軍等[6]從生態(tài)技術(shù)、功能流線、標(biāo)志性形象3個角度闡述了服務(wù)區(qū)建筑的綠色設(shè)計要點；袁勇[7]結(jié)合道路、建筑、能源、智能化等方面的改造提升綠色技術(shù)，提出了高速公路綠色服務(wù)區(qū)評價體系。綜上，以往研究都沒有針對公路綠色服務(wù)區(qū)的設(shè)計階段開展評價，缺少完善的綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)體系，將BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色服務(wù)區(qū)評價的研究有待深入。

本文以公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價為研究對象，基于BIM技術(shù)的協(xié)同仿真性、數(shù)據(jù)信息性，利用物元理論與云模型相結(jié)合的優(yōu)勢，構(gòu)建BIM-云物元評價模型，結(jié)合BIM的模擬、可優(yōu)化的特性和云物元模型的模糊量化的特點，實現(xiàn)設(shè)計方案的循環(huán)優(yōu)化，提升評價效率，有效提升綠色水平，促進(jìn)綠色服務(wù)區(qū)可持續(xù)性發(fā)展。

1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)

影響公路綠色服務(wù)區(qū)設(shè)計的指標(biāo)復(fù)雜且多樣，因此建立一個科學(xué)合理的預(yù)評價指標(biāo)體系是進(jìn)行綠色評價的前提。本文主要采用頻度分析法以及德爾菲法篩選指標(biāo)。根據(jù)國外的相關(guān)文獻(xiàn)包括美國AASHTO的《主干路與高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)指南》[8]、美國USGBC的《LEED綠色建筑評估體系》[9]、英國《BREEAM建筑環(huán)境評價方法》[10]等和國內(nèi)的相關(guān)文獻(xiàn)包括JT/T 1199.1—2018《綠色交通設(shè)施評估要求 第1部分：綠色公路》[11]、JT/T 1199.2—2018《綠色交通設(shè)施評估要求 第2部分：綠色服務(wù)區(qū)》[12]、JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]、GB/T 50378-2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》[14]等，以及國內(nèi)外專家學(xué)者對綠色服務(wù)區(qū)相關(guān)內(nèi)容的研究[15～19]，對評價指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的頻度分析，再結(jié)合專家意見，從選址布局與土地利用、節(jié)能建筑與清潔能源利用、污水處理與水循環(huán)利用、固廢處理與材料資源利用、綠色服務(wù)設(shè)施建設(shè)5個方面建立了公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)體系

1.2 因子分析改進(jìn)層次分析的指標(biāo)權(quán)重確定

由于指標(biāo)體系中存在部分定性指標(biāo)，受主觀性影響大。所以采取因子分析改進(jìn)層次分析的方法，通過客觀與主觀相結(jié)合來確定指標(biāo)權(quán)重。

本文選取10位專家對評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分，利用SPSS軟件對所有專家打分情況進(jìn)行因子分析，篩選出7位與包含多數(shù)專家的公因子相關(guān)性較高的專家，并只保留該7位專家的打分結(jié)果(圖2)。

圖2 因子分析結(jié)果

(1)

通過計算一致性指標(biāo)CI，檢驗一致性比率CR：

(2)

(3)

得到的CR值越小，則其一致性越好。CR值小于0.1，則具有滿意的一致性，λmax對應(yīng)的特征向量即可作為權(quán)重向量。

最后計算綜合權(quán)重Wz，并檢驗一致性比率CRz：

Wz=WtWt-1…W1

(4)

(5)

式中：t為層次結(jié)構(gòu)的層次數(shù)。

本文計算所得各個指標(biāo)權(quán)重見表1。

表1 綜合權(quán)重計算

2 數(shù)據(jù)來源與評價模型

2.1 數(shù)據(jù)來源

傳統(tǒng)的設(shè)計階段預(yù)評價主要以線下提交設(shè)計圖紙、可行性研究報告及其他相關(guān)文件的方式開展，存在申報及評價流程繁瑣、耗時久等弊端，同時以設(shè)計圖紙等紙質(zhì)文件為主要信息傳遞媒介決定了其優(yōu)化成本高、操作流程復(fù)雜性高。本研究通過對BIM模型及其應(yīng)用于其他性能分析軟件的結(jié)果進(jìn)行信息挖掘和數(shù)據(jù)提取，將其作為評價指標(biāo)的真實原始數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)了評價信息的完整創(chuàng)建、保存、更新、傳遞和共享。同時利用BIM的模擬性和可優(yōu)化性等特點，實現(xiàn)了評價結(jié)果循環(huán)優(yōu)化設(shè)計方案，簡化了評價流程，提高了評價效率。各項評價指標(biāo)賦值方式見表2。

表2 基于BIM的公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價賦值方式與指標(biāo)輸出

續(xù)表

2.2 云物元評價模型

物元理論將有序三元組(事物名稱N、事物特征C、事物特征量值V)組合起來，構(gòu)成R=(N,C,V)，即描述事物的基本元[20]。一個事物如果具有多個特征，可表示為：

(6)

云模型主要通過三個數(shù)字特征來構(gòu)建事物從定性到定量的轉(zhuǎn)化函數(shù)，分別是期望Ex、熵En、超熵He[21]。云模型按照其分布形態(tài)可以分為多種類型，正態(tài)云獨特的數(shù)字特征使得其應(yīng)用范圍最為廣泛。正態(tài)云模型的數(shù)字特征可表示為(Ex,En,He)，其隸屬度函數(shù)F(x)表示為：

(7)

式中：a，b為參數(shù)。

云物元模型[22]是物元理論與云模型的相互結(jié)合，通過云模型在充分描述事物隨機(jī)性、模糊性或不確定性方面的優(yōu)勢，改進(jìn)以往的物元模型，對事物進(jìn)行更加科學(xué)合理的評價，其具體表達(dá)式為：

(8)

3 實例研究

以吉東綠色公路典型示范工程中太平川服務(wù)區(qū)為例進(jìn)行實例分析。吉東公路被列為國家交通運輸部綠色公路典型示范工程，是黑龍江省交通運輸廳帶動全省公路建設(shè)綠色發(fā)展水平提升、為全國綠色公路體系建設(shè)提供經(jīng)驗的重要依托。太平川服務(wù)區(qū)位于主線左側(cè)單側(cè)設(shè)置，場區(qū)占用旱田，地勢后高前低，總占地面積為24342 m2，道路廣場面積為15014 m2，綠化面積為4622 m2。根據(jù)該項目相關(guān)設(shè)計文件，應(yīng)用Revit建立參數(shù)化三維模型(圖3)。

圖3 BIM建?？梢暬故?/p>

3.1 數(shù)據(jù)提取與處理

通過BIM技術(shù)雖然可以對所建立的參數(shù)化模型進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，但其數(shù)據(jù)的數(shù)量基數(shù)、復(fù)雜程度、分布廣度都會給后續(xù)的分析研究造成很大困難。因此，需要在數(shù)據(jù)提取成功后對所提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，保證數(shù)據(jù)信息的有效性，提升工作效率。根據(jù)評價指標(biāo)的賦值方式與指標(biāo)輸出提取數(shù)據(jù)并通過Revit DB Link插件直接導(dǎo)入Access數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過數(shù)據(jù)識別與篩選之后將其導(dǎo)出為.xls文件，部分?jǐn)?shù)據(jù)可直接導(dǎo)入Excel表，整合后應(yīng)用于云物元模型進(jìn)行預(yù)評價綜合得分計算。以容積率計算為例，相關(guān)面積明細(xì)表數(shù)據(jù)提取過程如圖4所示。

圖4 容積率計算信息提取過程

3.2 評價等級與指標(biāo)評估值確定

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及專家咨詢意見對各個評價指標(biāo)進(jìn)行定量分級(表3)。

表3 評價指標(biāo)量化等級

續(xù)表

為避免未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)綠色水平的指標(biāo)對評價結(jié)果造成干擾，產(chǎn)生偏差，本文將評價等級劃分為：0星級、1星級、2星級、3星級，星級越高，綠色水平越高，0星級表示不能被認(rèn)定為綠色服務(wù)區(qū)。各評價等級區(qū)間劃分如表4所示。

表4 評價等級劃分

根據(jù)項目具體情況，依據(jù)項目設(shè)計文件利用基于BIM技術(shù)提取和處理的數(shù)據(jù)信息，參照表2分析得各指標(biāo)評估值。由于篇幅限制，以選址布局與土地利用C1為例具體分析得各指標(biāo)評估值(表5).

表5 太平川服務(wù)區(qū)選址布局與土地利用指標(biāo)評估

續(xù)表

本文邀請5位綠色公路、綠色建筑科研機(jī)構(gòu)以及設(shè)計單位等方面的專家對太平川服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)進(jìn)行打分，并將計算出的平均值作為最終評估值(表6)。

表6 太平川服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)評估值

3.3 構(gòu)建待評價物元

按照公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)體系，目標(biāo)層待評價物元為預(yù)評價結(jié)果，即總物元；準(zhǔn)則層待評價物元即為總物元所包括的選址布局與土地利用、節(jié)能建筑與清潔能源利用、污水處理與水循環(huán)利用、固廢處理與材料資源利用、綠色服務(wù)設(shè)施建設(shè)，每個準(zhǔn)則層待評價物元即包含各自對應(yīng)的評價指標(biāo)。以準(zhǔn)則層待評價物元為例，表示如下：

(9)

其中，Mi(i=1,2,…,5)為準(zhǔn)則層物元；Mip(p=1,2,…,n)為Mi所包含的評價指標(biāo)元素；vip為Mi關(guān)于Mip的量化值。

3.4 評價指標(biāo)等級界限云模型確定

物元分析通常會忽略不同評價等級界限交匯的模糊性，云物元模型通過云模型來確定不同的評價等級以取代固定區(qū)間的劃分方式，通過固定區(qū)間取中點值來計算Ex，利用“3En”規(guī)則來計算En：

(10)

(11)

He=s

(12)

式中：s為常數(shù)，是根據(jù)專家經(jīng)驗或?qū)嶋H情況所得的不確定值，其大小決定了云圖的薄厚，其值較小時，云圖較薄，表示模糊性較小，其值較大時，云圖較厚，表示模糊性較大。

本文選用正態(tài)云發(fā)生器，令式(1)取值0.5，可得x=Ex±1.774En，令x分別為區(qū)間界限值，可解得：

(13)

通過MATLAB編程，建立He分別為0.3，0.5，0.7的評價云圖(圖5)。根據(jù)云圖所要求的模糊性、隨機(jī)性，取He為0.5時云模型具有較好的性質(zhì)，以計算更為準(zhǔn)確的隸屬度。

圖5 各評價等級云圖

3.5 關(guān)聯(lián)度計算及評價等級結(jié)果確定

已知x為云圖里的任一云滴，需要通過隸屬度函數(shù)計算x對于評價等級的關(guān)聯(lián)度，函數(shù)表達(dá)如下：

(14)

式中：En′為由期望En和方差He2產(chǎn)生的正態(tài)隨機(jī)數(shù)。

運用MATLAB編程計算出Mi對應(yīng)的第p個評價指標(biāo)對各個綠色星級的隸屬度，并通過加權(quán)各個評價指標(biāo)計算出Mi對各個綠色星級的隸屬度Fq(Ri)：

(15)

式中：Fq(Ri)為第i個準(zhǔn)則層物元對于第q個綠色星級(q=0,1,2,3)的隸屬度；wip為第p個評價指標(biāo)(p=1,2,…,n)相對于第i個準(zhǔn)則層物元(i=1,2,…,5)的權(quán)重；Fq(Mip)為第i個準(zhǔn)則層物元所包含的第p個評價指標(biāo)對于第q個綠色星級的隸屬度。

通過加權(quán)各個準(zhǔn)則層物元計算總物元對于各個綠色星級的隸屬度Fq(R)：

(16)

最后，根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則判斷各準(zhǔn)則層物元及總物元所述的綠色星級：

(17)

本文計算結(jié)果如表7所示。

表7 綜合關(guān)聯(lián)度及綠色等級結(jié)果

由上述結(jié)果可知，太平川服務(wù)區(qū)綠色等級預(yù)評價結(jié)果為2星級，有發(fā)展為3星級的趨勢，但趨勢不明顯。通過關(guān)聯(lián)度計算，可分析得如下結(jié)果：

(1)在節(jié)能建筑與清潔能源利用方面達(dá)到3星級，高于服務(wù)區(qū)整體預(yù)評價綠色水平，說明該設(shè)計方案在節(jié)能減排方面較為卓越，但通過指標(biāo)層隸屬度計算可以發(fā)現(xiàn)個別指標(biāo)仍需提高綠色水平。以可開啟外窗比指標(biāo)C23為例，其隸屬度計算結(jié)果為(0.000,0.0031,0.5303,0.5108)，僅達(dá)到2星級水平，還有較大的優(yōu)化空間。

(2)在固廢處理與材料資源利用方面僅達(dá)到1星級，低于服務(wù)區(qū)整體預(yù)評價綠色水平。但其向2星級發(fā)展的趨勢明顯，說明著重針對該方面優(yōu)化設(shè)計方案能夠迅速提升服務(wù)區(qū)整體綠色水平。根據(jù)隸屬度計算結(jié)果對待完善指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，依次為裝配式建筑、固廢資源回收再利用系統(tǒng)、建筑節(jié)材設(shè)計、材料資源循環(huán)利用、垃圾收集處理系統(tǒng)。

(3)在選址布局與土地利用、污水處理與水循環(huán)利用、綠色服務(wù)設(shè)施建設(shè)方面均達(dá)到2星級，與服務(wù)區(qū)整體預(yù)評價綠色水平相當(dāng)。但根據(jù)隸屬度計算結(jié)果可以看出，綠色服務(wù)設(shè)施建設(shè)方面向3星級發(fā)展的趨勢最差，應(yīng)結(jié)合指標(biāo)層隸屬度計算結(jié)果有針對性地對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化提升。

4 結(jié) 論

(1)開展綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價對于指導(dǎo)其建設(shè)發(fā)展具有重要實踐意義，本文以國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了包括選址布局與土地利用、節(jié)能建筑與清潔能源利用、污水處理與水循環(huán)利用、固廢處理與材料資源利用、綠色服務(wù)設(shè)施建設(shè)五個方面26個指標(biāo)的公路綠色服務(wù)區(qū)預(yù)評價指標(biāo)體系。

(2)本文提出了BIM技術(shù)與云物元模型相結(jié)合的預(yù)評價模型，一方面為充分描述定性概念的模糊性、利用等級隸屬度對比各指標(biāo)綠色水平提供了有效途徑，另一方面利用BIM技術(shù)的模擬性、可優(yōu)化性等優(yōu)勢實現(xiàn)了精準(zhǔn)化、集成化評價，形成了評價結(jié)果循環(huán)優(yōu)化設(shè)計方案直至達(dá)到滿意水平的新模式。

(3)本文運用BIM-云物元預(yù)評價模型對太平川服務(wù)區(qū)進(jìn)行實例分析，得出綠色等級為2星級。結(jié)果表明應(yīng)主要針對服務(wù)區(qū)固廢處理與材料資源利用方面對設(shè)計方案進(jìn)行改善，同步更新BIM數(shù)據(jù)循環(huán)評價并優(yōu)化方案，驗證了該模型的有效性和適用性。由于本文篇幅有限，僅以預(yù)評價為例，施工階段評價及運營階段評價同樣適用。

(4)我國各省市具有不同的地域特點，導(dǎo)致影響公路服務(wù)區(qū)綠色水平的指標(biāo)也存在一定的差異。本文僅以基本考核指標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建預(yù)評價模型，在之后的研究中將進(jìn)一步考慮地域差異，突出不同地區(qū)綠色服務(wù)區(qū)的個性和特點，以更好地指導(dǎo)綠色服務(wù)區(qū)的建設(shè)與發(fā)展。