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建筑技术丨适用于工业化钢结构建筑的节能虚拟建造评价方法建筑产业化是与信息化深度融合的工业化，钢结构建筑相比其他结构更符合建筑产业化的要求。装配式钢结构建筑有利于推动建筑工业化的发展，符合建筑可持续发展、绿色建筑、碳达峰等相关政策的要求。目前我国既有建筑面积接近400m2，高能耗建筑占95%以上，能源利用率仅33%。每年新建建筑近20亿m2，其中80%属于高能耗建筑。因此，消耗高、利用率低、环境重负荷成为传统建筑业的标志。设计阶段的成本占建筑总造价的5%~7%，然而设计方案对建筑总造价产生的影响高达70%~80%。在设计初期，建筑师大约80%的设计决策会影响建筑最终耗能表现，及时有效的决策信息对提高绿色建筑设计水平至关重要。根据现有的建筑性能分析软件的模拟结果，建筑师判断设计方案对绿色建筑的影响。然而，各类分析软件需要单独建模、工作烦琐，较难与建筑原设计完全一致。在有限的设计周期下，需要同时调整建筑图和计算模型才能实现节能设计优化。除日照分析和节能计算外，其余建筑使用舒适度和能耗的相关分析主要依靠建筑师的经验，因此在实际工程中设计前期的绿色建筑性能模拟往往被忽视。 BIM技术能够实现建筑全生命周期的信息高度集成，进行多维度、多时间建筑性能分析，将成为可持续设计和建造的重要工具。BIM技术是对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑材料以及设备等专业的相关数据信息进行数据集成与一体化管理。BIM技术在节能虚拟优化中具有重要的作用。目前相关研究主要围绕IFC与节能分析软件的结合、基于BIM的节能软件功能扩展、基于BIM的节能应用3个方向。尽管学者取得了丰厚的研究成果，但仍然存在一些问题。 基于前期关于节能设计评价指标优化方面的研究成果，以综合评价理论为基础，结合BIM技术、能耗模拟技术、三维可视化仿真技术，本研究提出了一种适用于工业化钢结构建筑的节能虚拟建造评价方法（Modeling-Analysis-Evaluation-Display，简称MAED），通过系统设计和原型实现，旨在为节能设计优化提供有效的决策依据，以提高钢结构建筑的节能设计水平，促进钢结构建筑向新兴建筑工业化发展。 1 相关理论与技术 1.1 综合评价理论 综合评价是指对多属性体系结构描述的对象系统做出全局性、整体性的评价。其中，评价方法的研究是最重要的研究方向之一。综合评价面临的往往是复杂系统，正确评价难度较大，尚有许多理论和实践问题没有解决，因此综合评价研究前景较可观。目前，常用的评价方法大致分9类，包括：定性评价方法（如：专家问卷法、Delphi法）、技术经济分析方法（如：净现值分析法、投资回收期法）、多属性多目标决策方法、运筹学方法（如：数据包络分析模型）、统计分析方法（如：主成分分析、聚类分析、判别分析）、系统工程方法（如：层次分析法、关联矩阵法、评分法）、模糊数学方法（如：模糊综合评价法、模糊积分、模糊模式识别）、对话式评价方法（如：逐步法、序贯解法）、智能化评价方法（如：神经网络法）。 以上9类方法各具特色，能够解决不同领域、不同对象、不同边界条件下的不同问题。然而，关于各种方法尚未界定较为具体的适用范围，因此对于特定情景下特定对象的综合评价问题，选择何种方法，除了方法本身的精度之外，还需要考虑方法的可操作性，包括：方法实施的技术难度（实施简便）、经济强度（花费较�。┖徒∽吵潭龋ㄈ荽斫虾茫��？悸亲酆掀兰鄣目蒲院秃侠硇�，本研究基于综合评价法对钢结构建筑节能方案进行评价，旨在为方案优化提供合理有效的决策依据。 1.2 主成分分析法 主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA）是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。在评价指标体系建立的过程中，为了全面分析问题，初始的评价指标数量一般较多。指标之间具有一定的联系，这种相互联系会对评价结果产生错误的影响，因而需要对所选的指标进行“降维”处理，旨在简化计算和消除指标之间的相关性。利用“PCA降维”的思想，在保留初始的指标所提供的绝大多数信息的基础上，用统计分析原理和方法从多指标中提取少数彼此不相关的综合性指标，进而建立最终的评价指标体系。鉴于此，采用PCA法对节能指标进行优化处理。 1.3 层次分析法 由于钢结构建筑节能方案评价发生在项目前期，评价内容包含定性指标和定量指标。随着项目地理位置的气候条件、项目建设单位的建设要求、项目设计单位的设计意图等因素的变化，指标之间的重要性也会随之改变。鉴于建设项目的唯一性、独特性等特点，评价方法必须将主观与客观相结合，定性与定量相匹配，旨在充分利用有限信息做出可靠性高的评价。 主成分分析法是一种客观确定权重的方法，该方法不受人为因素干扰，能根据指标的实际情况给出客观的权重。然而，并非所有样本都能进行主成分分析，当主成分分析不适用时，引入层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）作为确定权重的替代方法。尽管AHP是一种主观赋权方法，该方法采用的判断矩阵和一致性检验机制能最大限度地消除主观判断中判断结果的前后不一致性，保证评价结果的合理性。因此采取“PCA+AHP”的方法确定节能评价指标的权重。 1.4 灰色关联度分析法 经过长时间的发展和大量实践应用，灰色关联度分析（Grey Relation Analysis，GRA）是一种对少数据、贫信息的系统进行综合评价的方法。对于两个系统之间的因素，随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度。在系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，则二者关联程度较高；反之，则较低。该方法是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度（即灰色关联度）衡量因素间关联程度。鉴于该方法对数据的要求不高、计算量不大，越来越多的学者将其应用于社会、经济、管理的评价问题，该方法也适用于钢结构节能虚拟建造评价。因此选择GRA法作为方案评价选优的方法。 2 MAED方法的研究思路 基于BIM技术、建筑能耗与技术评价方法，提出了一套适用于钢结构建筑节能虚拟建造技术的MAED方法，即建模（Modeling）—分析（Analysis）—评价（Evaluation）—展示（Display），旨在实现钢结构建筑的节能技术评价、优化与决策分析。 2.1 建模 钢结构建筑节能虚拟建造中涉及的模型包括设计模型、分析模型和展示模型。3类模型相互关联、互为依托。设计模型是分析模型的基础和前提；分析模型是设计模型的抽象和简化；展示模型是设计模型和分析模型的有机融合。三者共同构成了MAED方法的模型基础和信息支撑。 2.2 分析 在建筑模型的基础上，依据相关的建筑节能设计规范，考虑项目环境条件和项目自身属性，利用节能评价分析软件，对建筑的声环境、热环境、光环境、风环境以及建筑能耗等进行模拟分析的过程。该过程实际上是一个对建筑信息收集和再加工的过程，包括设计信息、建设环境信息、建造要求等，其输出是建筑在可再生能源利用效能、围护结构热工性能、建造能耗模拟、建筑环境舒适度、全寿命周期碳排放等方面的各种数据，如图1所示。  图1 分析阶段过程示意 2.3 评价 当备选方案较多时，需要对各个备选方案进行评价，以选择最优方案。方案评价与指标体系、备选方案和评价方法息息相关。评价的作用是通过特定的评价方法对反映评价对象的众多方面（指标）进行综合，进而获取一个反映评价对象整体水平的量，使不同方案之间的相互比较成为可能，是方案选优的基础和前提。 2.4 展示 展示功能是将之前分析及评价获取的信息进行集成和重构，将原来零散的信息变为结构性强、直观清晰的信息，以便决策者进行多方案选择和单一方案优化。 3 算例分析 鉴于钢结构建筑节能设计评价指标较多，传统手工计算的方式工作量较大，本研究开发了一个基于MAED的评价软件原型。该软件原型基于MATLAB、VS2010、Navisworks联合开发，选择的数据库是sql Server 2008。以实际工程为背景，通过算例分析，对MAED方法的可行性和合理性进行论证。 3.1 工程概况 以某低层�？榛纸峁菇ㄖ钅课孟钅渴粲诘筒阕≌ㄖ考涔δ芊智饕ㄎ允�、客厅、车库、卫生间等。建筑高度约为6.64m，建筑面积约为311.44m2，共两层。1层主要为大厅、庭院客厅等，2层主要为卧室。该建筑采用�？榛┕し椒�、结构�？榛杓�、节能材料围护结构、中庭采光、太阳能热水以及太阳能光伏发电系统技术，因此符合工业化钢结构建筑节能虚拟建造的研究条件。 3.2 基于PCA和AHP的节能设计评价指标优化 通过文献查阅法总结国内外节能评价指标，兼顾该工程设计的实际情况，针对节能设计的8个方面归纳了35个初级评价指标。利用问卷调查法和SPSS统计分析软件，通过PCA法对初级评价指标进行提炼，最终获得13个节能评价指标，基于AHP法对计算优化后的节能指标的权重。 3.3 基于GRA的方案优化 3.3.1 备选方案设置 以外墙围护结构为例，该项目有2种设计方案。（1）外墙采用“条板+木格栅”的双层表皮外墙。（2）选择直接干挂面砖的普通外墙。 3.3.2 备选方案比选 首先将两个方案的Revit模型转换为NWD格式，通过软件上传到服务器，然后将指标及权重通过该系统输入服务器端的数据库。专家进行评分时系统将指标及方案自动录入打分界面。由于模型具备属性信息，专家在打分的过程中可以通过点选构件查看相应的信息，并以此为判断的依据。当专家评分完成后，系统将专家评分录入数据库。最后决策者根据权重和专家评分对备选方案进行排序（图2）。  图2 基于MAED的软件原型的操作流程（计算机截图） 本系统采用GRA法，首先通过计算各方案与基准方案的灰色关联度，然后根据关联度的大小判断方案的优劣。关联度越大，则表示方案更优。方案1的评价结果为0.9475，方案2的评价结果为0.6554，最终评价结果表明方案1比方案2更优。该算例分析有效验证了基于MAED的评价软件的可操行，进而论证了MAED方法技术的可行性。 4 结束语 基于BIM、能耗模拟、三维可视化仿真等技术以及统计与综合评价方法，提出了一套适用于工业化钢结构建筑节能虚拟建造评价方法（即MAED），并设计和开发了一个基于MAED的评价软件原型。以某低层模块化生态钢结构建筑项目为例，通过算例分析重复验证了该系统的可操作性，论证了该方法的技术可行性。通过运用主成分分析法、层次分析法、灰色关联分析法，该综合评价方法为钢结构建筑节能方案优化提供了更合理有效的决策依据。MAED法对于利用BIM技术进行节能技术评价、优化与决策分析的实际工程具有指导意义，为钢结构建筑向新兴建筑工业化发展提供了技术支持。 |
