殷志偉 王海飆 徐文靜

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

膠合木-混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新的結(jié)構(gòu)，不僅保留木材本身綠色環(huán)保、保溫性能好、質(zhì)量輕、施工建造快的特點(diǎn)[1]，而且克服了木材自身消防及抗側(cè)性較弱的特點(diǎn)，組合后還提高了材料整體強(qiáng)度、增強(qiáng)了其耐火耐腐蝕的性能。并且其總體保溫及碳排放指標(biāo)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(jié)構(gòu)可以進(jìn)行工廠預(yù)制的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)中，多采用“底部混凝土+上部膠合木”的結(jié)構(gòu)形式[4]。如已經(jīng)建成的城市之家(Stadthaus)公寓，結(jié)構(gòu)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(cè)性能，同時木材橫紋受壓強(qiáng)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(xué)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(diǎn)預(yù)制化程度高[6]。目前世界較高的木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，具有較好的抗側(cè)性能；建造中僅部分中間樓層樓板采用混凝土，其余建筑構(gòu)件均為各類木產(chǎn)品[7]。通過分析目前的膠合木-混凝土結(jié)構(gòu)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(yán)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(jì)，科學(xué)的經(jīng)濟(jì)性評價，提高社會認(rèn)同度，是推進(jìn)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(jié)構(gòu)建筑、普通裝配式建筑、框剪結(jié)構(gòu)建筑為研究對象，從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益3個角度，遴選9個影響因素，構(gòu)建了評價指標(biāo)體系；在概率猶豫費(fèi)馬(Fermatean)模糊環(huán)境下，應(yīng)用改進(jìn)的全乘比例多目標(biāo)優(yōu)化(MULTIMOORA(IM))方法構(gòu)建了膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)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(biāo)值；利用改進(jìn)的全乘比例多目標(biāo)優(yōu)化方法對評價的建筑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性綜合排序，比較不同結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟(jì)性差異。旨在為膠合木-混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑的科學(xué)設(shè)計(jì)及建造應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

1.1 膠合木-混凝土裝配式建筑經(jīng)濟(jì)性評價模型的構(gòu)建

在概率猶豫費(fèi)馬(Fermatean)模糊環(huán)境下，采用改進(jìn)的全乘比例多目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化模型是由Braurs et al.[9]提出，將比率模型、參照點(diǎn)法以及全乘模型相結(jié)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(biāo)值，最后利用改進(jìn)的全乘比例多目標(biāo)優(yōu)化方法對擬評價建筑進(jìn)行綜合排序(見圖1)。

圖1 膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)性評價流程

1.1.1 權(quán)重的確定

1.1.2 初始數(shù)據(jù)的處理

1.1.3 改進(jìn)的全乘比例多目標(biāo)優(yōu)化

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

1.2 膠合木-混凝土建筑評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

本研究從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益3個方面，構(gòu)建了膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)體系(見表1)。

表1 膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)

(1)經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。采用裝配式建造模式，可以有效降低前期設(shè)計(jì)研發(fā)部分關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化模數(shù)、構(gòu)件組合方式的研發(fā)費(fèi)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(yùn)營維護(hù)期間對建筑部分構(gòu)件的更新維護(hù)，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(dǎo)的生活方式，住宅也不在僅僅停留在遮風(fēng)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(chǎn)比木材多消耗3 327 kW電力[14]，單位建材生產(chǎn)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(dāng)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(nèi)與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，木結(jié)構(gòu)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(chǎn)業(yè)向工業(yè)化逐步轉(zhuǎn)變，同時也推動了施工建造技術(shù)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(diǎn)，而且保留了其自質(zhì)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(jìn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、就業(yè)效果、施工技術(shù)水平以及業(yè)主健康及滿意度4個方面。

表2 全壽命期內(nèi)膠合木結(jié)構(gòu)與常見結(jié)構(gòu)能耗污染對比[15]

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)建筑(M2)、普通裝配式建筑(M3)、框剪結(jié)構(gòu)建筑(M4)各1棟為代表(見表3)，共4個擬評價建筑進(jìn)行比較分析；并邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?名N={N1，N2，N3}對評價過程中涉及的定性指標(biāo)進(jìn)行評價。

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

①步驟一。評價子集主要以實(shí)際過程中測算求得的定性，并結(jié)合專家相應(yīng)的評價參數(shù)分別計(jì)算，形成概率猶豫費(fèi)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(jié)構(gòu)建筑的綜合評價信息

表5 參評人員對4種結(jié)構(gòu)建筑的綜合評價值的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行整合，最終得到膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)性評價最終排序結(jié)果為：M1、M3、M4、M2。

2.2 構(gòu)建模型的穩(wěn)健性檢驗(yàn)

本研究主要的計(jì)算過程，是通過概率猶豫費(fèi)馬模糊環(huán)境下紹凱積分幾何算子(PFn)進(jìn)行的，為了進(jìn)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(jīng)濟(jì)性評價的影響。在其他條件不變情況下，對擬評價建筑的結(jié)果重新排序(見表6)，可以看出排序結(jié)果稍有差異，但隨δ的變化M1的經(jīng)濟(jì)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(jié)果

2.3 構(gòu)建模型的有效性檢驗(yàn)和比較分析

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

表7 3種模擬方法對不同結(jié)構(gòu)建筑評價結(jié)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(jié)果基本一致。但在計(jì)算過程中，基于前景理論的交互式多準(zhǔn)則模型，針對復(fù)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(fù)理想解距離的重要程度不同；采用折中理論的折中默認(rèn)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(jié)合了上述方法后的多目標(biāo)優(yōu)化模型，不僅考慮實(shí)際測算的數(shù)值，而且降低了主觀臆斷對結(jié)果的影響，同時在排序方法上對正負(fù)理想解、加權(quán)聚合算子，以及各子系統(tǒng)所占比重上進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的方法顯然更貼合客觀實(shí)際情況，通過比較分析進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究構(gòu)建模型的可行性和有效性。

3 結(jié)論

改進(jìn)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，不僅考慮了正負(fù)理想解相對重要性的問題，而且對各子系統(tǒng)的排序權(quán)重進(jìn)行了優(yōu)化，提高了建筑經(jīng)濟(jì)性評價的魯棒性和完整性。

采用的概率猶豫費(fèi)馬集合模型評價，語句更合理的體現(xiàn)了客觀實(shí)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。克服評價中偏離實(shí)際情況的現(xiàn)象，評價結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

通過實(shí)例驗(yàn)證，膠合木-混凝土裝配式建筑在經(jīng)濟(jì)、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(yùn)用提高了膠合木-混凝土建筑經(jīng)濟(jì)性評價的可操作性和科學(xué)性，對膠合木-混凝土裝配式建筑經(jīng)濟(jì)性評價具有一定的參考和借鑒意義。