適用于工業(yè)化鋼結構建筑的節(jié)能虛擬建造評價方法

建筑產(chǎn)業(yè)化是與信息化深度融合的工業(yè)化，鋼結構建筑相比其他結構更符合建筑產(chǎn)業(yè)化的要求。裝配式鋼結構建筑有利于推動建筑工業(yè)化的發(fā)展，符合建筑可持續(xù)發(fā)展、綠色建筑、碳達峰等相關政策的要求。目前我國既有建筑面積接近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)境重負荷成為傳統(tǒng)建筑業(yè)的標志。設計階段的成本占建筑總造價的5%~7%，然而設計方案對建筑總造價產(chǎn)生的影響高達70%~80%。在設計初期，建筑師大約80%的設計決策會影響建筑最終耗能表現(xiàn)，及時有效的決策信息對提高綠色建筑設計水平至關重要。根據(jù)現(xiàn)有的建筑性能分析軟件的模擬結果，建筑師判斷設計方案對綠色建筑的影響。然而，各類分析軟件需要單獨建模、工作煩瑣，較難與建筑原設計完全一致。在有限的設計周期下，需要同時調整建筑圖和計算模型才能實現(xiàn)節(jié)能設計優(yōu)化。除日照分析和節(jié)能計算外，其余建筑使用舒適度和能耗的相關分析主要依靠建筑師的經(jīng)驗，因此在實際工程中設計前期的綠色建筑性能模擬往往被忽視。BIM技術能夠實現(xiàn)建筑全生命周期的信息高度集成，進行多維度、多時間建筑性能分析，將成為可持續(xù)設計和建造的重要工具。BIM技術是對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設備等專業(yè)的相關數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)集成與一體化管理。BIM技術在節(jié)能虛擬優(yōu)化中具有重要的作用。目前相關研究主要圍繞IFC與節(jié)能分析軟件的結合、基于BIM的節(jié)能軟件功能擴展、基于BIM的節(jié)能應用3個方向。盡管學者取得了豐厚的研究成果，但仍然存在一些問題?；谇捌陉P于節(jié)能設計評價指標優(yōu)化方面的研究成果，以綜合評價理論為基礎，結合BIM技術、能耗模擬技術、三維可視化仿真技術，本研究提出了一種適用于工業(yè)化鋼結構建筑的節(jié)能虛擬建造評價方法（Modeling-Analysis-Evaluation-Display，簡稱MAED），通過系統(tǒng)設計和原型實現(xiàn)，旨在為節(jié)能設計優(yōu)化提供有效的決策依據(jù)，以提高鋼結構建筑的節(jié)能設計水平，促進鋼結構建筑向新興建筑工業(yè)化發(fā)展。1?相關理論與技術1.1?綜合評價理論綜合評價是指對多屬性體系結構描述的對象系統(tǒng)做出全局性、整體性的評價。其中，評價方法的研究是最重要的研究方向之一。綜合評價面臨的往往是復雜系統(tǒng)，正確評價難度較大，尚有許多理論和實踐問題沒有解決，因此綜合評價研究前景較可觀。目前，常用的評價方法大致分9類，包括：定性評價方法（如：專家問卷法、Delphi法）、技術經(jīng)濟分析方法（如：凈現(xiàn)值分析法、投資回收期法）、多屬性多目標決策方法、運籌學方法（如：數(shù)據(jù)包絡分析模型）、統(tǒng)計分析方法（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、關聯(lián)矩陣法、評分法）、模糊數(shù)學方法（如：模糊綜合評價法、模糊積分、模糊模式識別）、對話式評價方法（如：逐步法、序貫解法）、智能化評價方法（如：神經(jīng)網(wǎng)絡法）。以上9類方法各具特色，能夠解決不同領域、不同對象、不同邊界條件下的不同問題。然而，關于各種方法尚未界定較為具體的適用范圍，因此對于特定情景下特定對象的綜合評價問題，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：方法實施的技術難度（實施簡便）、經(jīng)濟強度（花費較?。┖徒殉潭龋ㄈ蒎e較好）?？紤]綜合評價的科學性和合理性，本研究基于綜合評價法對鋼結構建筑節(jié)能方案進行評價，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，簡稱PCA）是將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法。在評價指標體系建立的過程中，為了全面分析問題，初始的評價指標數(shù)量一般較多。指標之間具有一定的聯(lián)系，這種相互聯(lián)系會對評價結果產(chǎn)生錯誤的影響，因而需要對所選的指標進行“降維”處理，旨在簡化計算和消除指標之間的相關性。利用“PCA降維”的思想，在保留初始的指標所提供的絕大多數(shù)信息的基礎上，用統(tǒng)計分析原理和方法從多指標中提取少數(shù)彼此不相關的綜合性指標，進而建立最終的評價指標體系。鑒于此，采用PCA法對節(jié)能指標進行優(yōu)化處理。1.3?層次分析法由于鋼結構建筑節(jié)能方案評價發(fā)生在項目前期，評價內容包含定性指標和定量指標。隨著項目地理位置的氣候條件、項目建設單位的建設要求、項目設計單位的設計意圖等因素的變化，指標之間的重要性也會隨之改變。鑒于建設項目的唯一性、獨特性等特點，評價方法必須將主觀與客觀相結合，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價。主成分分析法是一種客觀確定權重的方法，該方法不受人為因素干擾，能根據(jù)指標的實際情況給出客觀的權重。然而，并非所有樣本都能進行主成分分析，當主成分分析不適用時，引入層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，簡稱AHP）作為確定權重的替代方法。盡管AHP是一種主觀賦權方法，該方法采用的判斷矩陣和一致性檢驗機制能最大限度地消除主觀判斷中判斷結果的前后不一致性，保證評價結果的合理性。因此采取“PCA+AHP”的方法確定節(jié)能評價指標的權重。1.4?灰色關聯(lián)度分析法經(jīng)過長時間的發(fā)展和大量實踐應用，灰色關聯(lián)度分析（GreyRelationAnalysis，GRA）是一種對少數(shù)據(jù)、貧信息的系統(tǒng)進行綜合評價的方法。對于兩個系統(tǒng)之間的因素，隨時間或不同對象而變化的關聯(lián)性大小的量度，稱為關聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，則二者關聯(lián)程度較高；反之，則較低。該方法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度（即灰色關聯(lián)度）衡量因素間關聯(lián)程度。鑒于該方法對數(shù)據(jù)的要求不高、計算量不大，越來越多的學者將其應用于社會、經(jīng)濟、管理的評價問題，該方法也適用于鋼結構節(jié)能虛擬建造評價。因此選擇GRA法作為方案評價選優(yōu)的方法。2?MAED方法的研究思路基于BIM技術、建筑能耗與技術評價方法，提出了一套適用于鋼結構建筑節(jié)能虛擬建造技術的MAED方法，即建模（Modeling）—分析（Analysis）—評價（Evaluation）—展示（Display），旨在實現(xiàn)鋼結構建筑的節(jié)能技術評價、優(yōu)化與決策分析。2.1?建模鋼結構建筑節(jié)能虛擬建造中涉及的模型包括設計模型、分析模型和展示模型。3類模型相互關聯(lián)、互為依托。設計模型是分析模型的基礎和前提；分析模型是設計模型的抽象和簡化；展示模型是設計模型和分析模型的有機融合。三者共同構成了MAED方法的模型基礎和信息支撐。2.2?分析在建筑模型的基礎上，依據(jù)相關的建筑節(jié)能設計規(guī)范，考慮項目環(huán)境條件和項目自身屬性，利用節(jié)能評價分析軟件，對建筑的聲環(huán)境、熱環(huán)境、光環(huán)境、風環(huán)境以及建筑能耗等進行模擬分析的過程。該過程實際上是一個對建筑信息收集和再加工的過程，包括設計信息、建設環(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、圍護結構熱工性能、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?分析階段過程示意2.3?評價當備選方案較多時，需要對各個備選方案進行評價，以選擇最優(yōu)方案。方案評價與指標體系、備選方案和評價方法息息相關。評價的作用是通過特定的評價方法對反映評價對象的眾多方面（指標）進行綜合，進而獲取一個反映評價對象整體水平的量，使不同方案之間的相互比較成為可能，是方案選優(yōu)的基礎和前提。2.4?展示展示功能是將之前分析及評價獲取的信息進行集成和重構，將原來零散的信息變?yōu)榻Y構性強、直觀清晰的信息，以便決策者進行多方案選擇和單一方案優(yōu)化。3?算例分析鑒于鋼結構建筑節(jié)能設計評價指標較多，傳統(tǒng)手工計算的方式工作量較大，本研究開發(fā)了一個基于MAED的評價軟件原型。該軟件原型基于MATLAB、VS2010、Navisworks聯(lián)合開發(fā)，選擇的數(shù)據(jù)庫是sqlServer?2008。以實際工程為背景，通過算例分析，對MAED方法的可行性和合理性進行論證。3.1?工程概況以某低層模塊化生態(tài)鋼結構建筑項目為例，該項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、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、結構模塊化設計、節(jié)能材料圍護結構、中庭采光、太陽能熱水以及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術，因此符合工業(yè)化鋼結構建筑節(jié)能虛擬建造的研究條件。3.2?基于PCA和AHP的節(jié)能設計評價指標優(yōu)化通過文獻查閱法總結國內外節(jié)能評價指標，兼顧該工程設計的實際情況，針對節(jié)能設計的8個方面歸納了35個初級評價指標。利用問卷調查法和SPSS統(tǒng)計分析軟件，通過PCA法對初級評價指標進行提煉，最終獲得13個節(jié)能評價指標，基于AHP法對計算優(yōu)化后的節(jié)能指標的權重。3.3?基于GRA的方案優(yōu)化3.3.1?備選方案設置以外墻圍護結構為例，該項目有2種設計方案。（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方案的Revit模型轉換為NWD格式，通過軟件上傳到服務器，然后將指標及權重通過該系統(tǒng)輸入服務器端的數(shù)據(jù)庫。專家進行評分時系統(tǒng)將指標及方案自動錄入打分界面。由于模型具備屬性信息，專家在打分的過程中可以通過點選構件查看相應的信息，并以此為判斷的依據(jù)。當專家評分完成后，系統(tǒng)將專家評分錄入數(shù)據(jù)庫。最后決策者根據(jù)權重和專家評分對備選方案進行排序（圖2）。圖2?基于MAED的軟件原型的操作流程（計算機截圖）本系統(tǒng)采用GRA法，首先通過計算各方案與基準方案的灰色關聯(lián)度，然后根據(jù)關聯(lián)度的大小判斷方案的優(yōu)劣。關聯(lián)度越大，則表示方案更優(yōu)。方案1的評價結果為0.9475，方案2的評價結果為0.6554，最終評價結果表明方案1比方案2更優(yōu)。該算例分析有效驗證了基于MAED的評價軟件的可操行，進而論證了MAED方法技術的可行性。4?結束語基于BIM、能耗模擬、三維可視化仿真等技術以及統(tǒng)計與綜合評價方法，提出了一套適用于工業(yè)化鋼結構建