殷志偉 王海飆 徐文靜

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

膠合木-混凝土結構作為一種新的結構，不僅保留木材本身綠色環(huán)保、保溫性能好、質量輕、施工建造快的特點[1]，而且克服了木材自身消防及抗側性較弱的特點，組合后還提高了材料整體強度、增強了其耐火耐腐蝕的性能。并且其總體保溫及碳排放指標較普通混凝土建筑均有所提高，同比減少16%～17%的能源消耗和26%～31%的溫室氣體排放[2]。組合結構可以進行工廠預制的特點，滿足裝配式建筑的施工模式；并且施工建造快，施工噪聲污染低，能源消耗小，整個建筑的生命周期成本相對較低[3]。目前膠合木-混凝土組合結構中，多采用“底部混凝土+上部膠合木”的結構形式[4]。如已經建成的城市之家(Stadthaus)公寓，結構形式是膠合木剪力墻與下部一層混凝土組合而成，豎向連續(xù)膠合木提供了較大的豎向承載力和抗側性能，同時木材橫紋受壓強度較低，建筑整體抗震性能好[5]。2017年，加拿大不列顛哥倫比亞省建成的布魯克(Brock Commons)學生公寓，建筑整體為混凝土和膠合木柱混合承重，并且柱間節(jié)點預制化程度高[6]。目前世界較高的木結構綜合性建筑姆斯特羅尼特(Mj?st?rnet)采用的是膠合木核心筒-木框架支撐結構，具有較好的抗側性能；建造中僅部分中間樓層樓板采用混凝土，其余建筑構件均為各類木產品[7]。通過分析目前的膠合木-混凝土結構建筑，展現(xiàn)出其較高的發(fā)展趨勢。

但是，目前多種因素制約著膠合木-混凝土裝配式建筑發(fā)展，諸如施工管理規(guī)范尚不完整、土地供給制度的完善、前期較高的建造成本以及社會普遍的住宅觀[8]，都嚴重影響該類建筑的市場動力。綜合分析行業(yè)現(xiàn)狀與市場數(shù)據(jù)統(tǒng)計，科學的經濟性評價，提高社會認同度，是推進膠合木-混凝土裝配式建筑發(fā)展亟待解決的問題。為此，本研究以黑龍江地區(qū)膠合木-混凝土裝配式建筑、磚混結構建筑、普通裝配式建筑、框剪結構建筑為研究對象，從經濟效益、社會效益、環(huán)境效益3個角度，遴選9個影響因素，構建了評價指標體系；在概率猶豫費馬(Fermatean)模糊環(huán)境下，應用改進的全乘比例多目標優(yōu)化(MULTIMOORA(IM))方法構建了膠合木-混凝土建筑經濟性評價模型；依據(jù)采集的已知定量數(shù)據(jù)和評價信息，采用紹凱(Choquet)積分幾何算子聚合各類指標值；利用改進的全乘比例多目標優(yōu)化方法對評價的建筑進行經濟性綜合排序，比較不同結構建筑的經濟性差異。旨在為膠合木-混凝土組合結構建筑的科學設計及建造應用提供參考。

1 研究方法

1.1 膠合木-混凝土裝配式建筑經濟性評價模型的構建

在概率猶豫費馬(Fermatean)模糊環(huán)境下，采用改進的全乘比例多目標優(yōu)化(MULTIMOORA(IM))方法對膠合木-混凝土建筑評價作為框架。多目標優(yōu)化模型是由Braurs et al.[9]提出，將比率模型、參照點法以及全乘模型相結合的多屬性決策方法，可以有效地提高決策的魯棒性。模型首先對采集的已知定量數(shù)據(jù)和專家定性評價信息，采用紹凱積分幾何算子(PFn)聚合各指標值，最后利用改進的全乘比例多目標優(yōu)化方法對擬評價建筑進行綜合排序(見圖1)。

圖1 膠合木-混凝土建筑經濟性評價流程

1.1.1 權重的確定

1.1.2 初始數(shù)據(jù)的處理

1.1.3 改進的全乘比例多目標優(yōu)化

4)優(yōu)勢理論可以將多種排序結果整合為一種排序結果[12]。因此將優(yōu)勢理論和上述排序規(guī)則結合后，運用加權平均運算得到改進的最終排序公式。

1.2 膠合木-混凝土建筑評價指標體系的構建

本研究從經濟效益、社會效益、環(huán)境效益3個方面，構建了膠合木-混凝土建筑經濟性評價指標體系(見表1)。

表1 膠合木-混凝土建筑經濟性評價指標

(1)經濟效益。經濟效益主要依據(jù)建筑全壽命期，對膠合木-混凝土裝配式建筑直接經濟效益和間接經濟效益進行分析。采用裝配式建造模式，可以有效降低前期設計研發(fā)部分關于標準化模數(shù)、構件組合方式的研發(fā)費用，同時可以提高施工效率、縮短工期，減少施工過程中的材料用量；而且膠合木比其他建筑材料的一大優(yōu)勢在于其造價較低，無論是施工建造階段、運營維護期間對建筑部分構件的更新維護，或是建筑壽命期期末材料的拆除回收，膠合木作為建材都有較高的性價比。

(2)環(huán)境效益。健康生活越來越成為人們倡導的生活方式，住宅也不在僅僅停留在遮風擋雨的層面，而且還需要舒適度、生態(tài)環(huán)保等。木材與混凝土、鋼以及黏土磚等建筑材料相比，是重要的可持續(xù)可再生資源[13]。研究數(shù)據(jù)顯示，每噸鋼的生產比木材多消耗3 327 kW電力[14]，單位建材生產能耗比值為E(木)∶E(水泥)∶E(鋼)=1∶5∶191；每立方米木材生命周期平均儲存0.8～0.9 t的CO2，用來替代混凝土的使用將額外減少1.1 t的CO2的排放。因此，每使用1 t木材相當于減少了2 t CO2的排放[1]。通過近期在北美和澳洲的針對材料能耗評估顯示，在全壽命期內與鋼結構和混凝土結構相比，木結構建筑不論在能源消耗、碳排放、空氣污染和水污染方面都有較大優(yōu)勢[15]。因此環(huán)境效益方面主要為場地生態(tài)環(huán)境、碳排放以及固體廢棄物3個方面。

(3)社會效益。裝配式建筑的發(fā)展，正在推動傳統(tǒng)建筑行業(yè)由勞動密集型產業(yè)向工業(yè)化逐步轉變，同時也推動了施工建造技術的提高；膠合木作為新型建筑木材，不僅克服原生木材易腐蝕、易燃的缺點，而且保留了其自質量輕、有良好的抗震性能，越來越適用于目前生態(tài)宜居、環(huán)境友好型社會的發(fā)展，同時也進一步提升了業(yè)主滿意度。因此社會效益方面主要體現(xiàn)在產業(yè)結構、就業(yè)效果、施工技術水平以及業(yè)主健康及滿意度4個方面。

表2 全壽命期內膠合木結構與常見結構能耗污染對比[15]

2 結果與分析

2.1 不同結構建筑的經濟性差異

本研究分別選取具有代表性的黑龍江地區(qū)膠合木組合裝配式建筑(M1)、磚混結構建筑(M2)、普通裝配式建筑(M3)、框剪結構建筑(M4)各1棟為代表(見表3)，共4個擬評價建筑進行比較分析；并邀請相關領域專家3名N={N1，N2，N3}對評價過程中涉及的定性指標進行評價。

根據(jù)概率猶豫費馬模糊環(huán)境下的模型對膠合木-混凝土建筑經濟性分析過程如下：

①步驟一。評價子集主要以實際過程中測算求得的定性，并結合專家相應的評價參數(shù)分別計算，形成概率猶豫費馬模糊集的形式，從而形成初始模糊評價矩陣。

表3 擬評價的建筑基本情況

表4 參評人員對4種結構建筑的綜合評價信息

表5 參評人員對4種結構建筑的綜合評價值的標準化處理值

⑥步驟六。依據(jù)優(yōu)勢理論對上述三種排序方式進行整合，最終得到膠合木-混凝土建筑經濟性評價最終排序結果為：M1、M3、M4、M2。

2.2 構建模型的穩(wěn)健性檢驗

本研究主要的計算過程，是通過概率猶豫費馬模糊環(huán)境下紹凱積分幾何算子(PFn)進行的，為了進一步分析不確定參數(shù)(δ)的敏感性，分析其對膠合木-混凝土建筑經濟性評價的影響。在其他條件不變情況下，對擬評價建筑的結果重新排序(見表6)，可以看出排序結果稍有差異，但隨δ的變化M1的經濟性始終是參評建筑中最為優(yōu)秀的，可以看出該模型具有一定的穩(wěn)定性。

表6 不確定參數(shù)變化時的評價建筑排序結果

2.3 構建模型的有效性檢驗和比較分析

本研究利用多種經典決策方法與概率猶豫費馬集合模型對比，對膠合木-混凝土裝配式建筑經濟性評價問題進行分析，計算排序結果以確定本研究建立的評價模型的有效性。因此經過比較篩選，決定采用交互式多準則法(todim)、逼近理想解(topsis)、折中默認法(vikor)方法進行模擬(見表7)。

表7 3種模擬方法對不同結構建筑評價結果

由表7可見：3種決策方法的最優(yōu)解均為M1，并且排序結果基本一致。但在計算過程中，基于前景理論的交互式多準則模型，針對復雜環(huán)境下多決策對象的效益和成本值難以確定，因此該模型的穩(wěn)定性較弱；逼近理想解模型在排序過程中，對忽視了最優(yōu)解到正負理想解距離的重要程度不同；采用折中理論的折中默認模型，存在和逼近理想解模型類似的情況，均沒有考慮兩種距離的相對重要性。

在結合了上述方法后的多目標優(yōu)化模型，不僅考慮實際測算的數(shù)值，而且降低了主觀臆斷對結果的影響，同時在排序方法上對正負理想解、加權聚合算子，以及各子系統(tǒng)所占比重上進行了優(yōu)化。改進后的方法顯然更貼合客觀實際情況，通過比較分析進一步驗證了本研究構建模型的可行性和有效性。

3 結論

改進的多目標優(yōu)化模型，不僅考慮了正負理想解相對重要性的問題，而且對各子系統(tǒng)的排序權重進行了優(yōu)化，提高了建筑經濟性評價的魯棒性和完整性。

采用的概率猶豫費馬集合模型評價，語句更合理的體現(xiàn)了客觀實際數(shù)值與參評專家選擇的不確定性，以及定性評價本身所具有的模糊性?？朔u價中偏離實際情況的現(xiàn)象，評價結果與實際情況基本吻合。

通過實例驗證，膠合木-混凝土裝配式建筑在經濟、社會、環(huán)境3個方面的整體性能優(yōu)于其他建筑。該模型的運用提高了膠合木-混凝土建筑經濟性評價的可操作性和科學性，對膠合木-混凝土裝配式建筑經濟性評價具有一定的參考和借鑒意義。