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(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展，符合建筑可持續發(fā)展、綠色建筑、碳達峰等相關(guān)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)境重負荷成為傳統建筑業(yè)的標志。設計階段的成本占建筑總造價(jià)的5%~7%，然而設計方案對建筑總造價(jià)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(huì )影響建筑最終耗能表現，及時(shí)有效的決策信息對提高綠色建筑設計水平至關(guān)重要。根據現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(lèi)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(shí)調整建筑圖和計算模型才能實(shí)現節能設計優(yōu)化。除日照分析和節能計算外，其余建筑使用舒適度和能耗的相關(guān)分析主要依靠建筑師的經(jīng)驗，因此在實(shí)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(shù)能夠實(shí)現建筑全生命周期的信息高度集成，進(jìn)行多維度、多時(shí)間建筑性能分析，將成為可持續設計和建造的重要工具。BIM技術(shù)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(zhuān)業(yè)的相關(guān)數據信息進(jìn)行數據集成與一體化管理。BIM技術(shù)在節能虛擬優(yōu)化中具有重要的作用。目前相關(guān)研究主要圍繞IFC與節能分析軟件的結合、基于BIM的節能軟件功能擴展、基于BIM的節能應用3個(gè)方向。盡管學(xué)者取得了豐厚的研究成果，但仍然存在一些問(wèn)題。

基于前期關(guān)于節能設計評價(jià)指標優(yōu)化方面的研究成果，以綜合評價(jià)理論為基礎，結合BIM技術(shù)、能耗模擬技術(shù)、三維可視化仿真技術(shù)，本研究提出了一種適用于工業(yè)化鋼結構建筑的節能虛擬建造評價(jià)方法（Modeling-Analysis-Evaluation-Display，簡(jiǎn)稱(chēng)MAED），通過(guò)系統設計和原型實(shí)現，旨在為節能設計優(yōu)化提供有效的決策依據，以提高鋼結構建筑的節能設計水平，促進(jìn)鋼結構建筑向新興建筑工業(yè)化發(fā)展。

1 相關(guān)理論與技術(shù)

1.1 綜合評價(jià)理論

綜合評價(jià)是指對多屬性體系結構描述的對象系統做出全局性、整體性的評價(jià)。其中，評價(jià)方法的研究是最重要的研究方向之一。綜合評價(jià)面臨的往往是復雜系統，正確評價(jià)難度較大，尚有許多理論和實(shí)踐問(wèn)題沒(méi)有解決，因此綜合評價(jià)研究前景較可觀(guān)。目前，常用的評價(jià)方法大致分9類(lèi)，包括：定性評價(jià)方法（如：專(zhuān)家問(wèn)卷法、Delphi法）、技術(shù)經(jīng)濟分析方法（如：凈現值分析法、投資回收期法）、多屬性多目標決策方法、運籌學(xué)方法（如：數據包絡(luò )分析模型）、統計分析方法（如：主成分分析、聚類(lèi)分析、判別分析）、系統工程方法（如：層次分析法、關(guān)聯(lián)矩陣法、評分法）、模糊數學(xué)方法（如：模糊綜合評價(jià)法、模糊積分、模糊模式識別）、對話(huà)式評價(jià)方法（如：逐步法、序貫解法）、智能化評價(jià)方法（如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法）。

以上9類(lèi)方法各具特色，能夠解決不同領(lǐng)域、不同對象、不同邊界條件下的不同問(wèn)題。然而，關(guān)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(jià)問(wèn)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(shí)施的技術(shù)難度（實(shí)施簡(jiǎn)便）、經(jīng)濟強度（花費較�。┖徒�壯程度（容錯較好）�？紤]綜合評價(jià)的科學(xué)性和合理性，本研究基于綜合評價(jià)法對鋼結構建筑節能方案進(jìn)行評價(jià)，旨在為方案優(yōu)化提供合理有效的決策依據。

1.2 主成分分析法

主成分分析（Principal Component Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)PCA）是將多個(gè)變量通過(guò)線(xiàn)性變換以選出較少個(gè)數重要變量的一種多元統計分析方法。在評價(jià)指標體系建立的過(guò)程中，為了全面分析問(wèn)題，初始的評價(jià)指標數量一般較多。指標之間具有一定的聯(lián)系，這種相互聯(lián)系會(huì )對評價(jià)結果產(chǎn)生錯誤的影響，因而需要對所選的指標進(jìn)行“降維”處理，旨在簡(jiǎn)化計算和消除指標之間的相關(guān)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信息的基礎上，用統計分析原理和方法從多指標中提取少數彼此不相關(guān)的綜合性指標，進(jìn)而建立最終的評價(jià)指標體系。鑒于此，采用PCA法對節能指標進(jìn)行優(yōu)化處理。

1.3 層次分析法

由于鋼結構建筑節能方案評價(jià)發(fā)生在項目前期，評價(jià)內容包含定性指標和定量指標。隨著(zhù)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(huì )隨之改變。鑒于建設項目的唯一性、獨特性等特點(diǎn)，評價(jià)方法必須將主觀(guān)與客觀(guān)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(jià)。

主成分分析法是一種客觀(guān)確定權重的方法，該方法不受人為因素干擾，能根據指標的實(shí)際情況給出客觀(guān)的權重。然而，并非所有樣本都能進(jìn)行主成分分析，當主成分分析不適用時(shí)，引入層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP）作為確定權重的替代方法。盡管AHP是一種主觀(guān)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(guān)判斷中判斷結果的前后不一致性，保證評價(jià)結果的合理性。因此采取“PCA+AHP”的方法確定節能評價(jià)指標的權重。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的發(fā)展和大量實(shí)踐應用，灰色關(guān)聯(lián)度分析（Grey Relation Analysis，GRA）是一種對少數據、貧信息的系統進(jìn)行綜合評價(jià)的方法。對于兩個(gè)系統之間的因素，隨時(shí)間或不同對象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱(chēng)為關(guān)聯(lián)度。在系統發(fā)展過(guò)程中，若兩個(gè)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(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。該方法是根據因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度（即灰色關(guān)聯(lián)度）衡量因素間關(guān)聯(lián)程度。鑒于該方法對數據的要求不高、計算量不大，越來(lái)越多的學(xué)者將其應用于社會(huì )、經(jīng)濟、管理的評價(jià)問(wèn)題，該方法也適用于鋼結構節能虛擬建造評價(jià)。因此選擇GRA法作為方案評價(jià)選優(yōu)的方法。

2 MAED方法的研究思路

基于BIM技術(shù)、建筑能耗與技術(shù)評價(jià)方法，提出了一套適用于鋼結構建筑節能虛擬建造技術(shù)的MAED方法，即建模（Modeling）—分析（Analysis）—評價(jià)（Evaluation）—展示（Display），旨在實(shí)現鋼結構建筑的節能技術(shù)評價(jià)、優(yōu)化與決策分析。

2.1 建模

鋼結構建筑節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(lèi)模型相互關(guān)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(jiǎn)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，依據相關(guān)的建筑節能設計規范，考慮項目環(huán)境條件和項目自身屬性，利用節能評價(jià)分析軟件，對建筑的聲環(huán)境、熱環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境以及建筑能耗等進(jìn)行模擬分析的過(guò)程。該過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)對建筑信息收集和再加工的過(guò)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據，如圖1所示。

圖1 分析階段過(guò)程示意

2.3 評價(jià)

當備選方案較多時(shí)，需要對各個(gè)備選方案進(jìn)行評價(jià)，以選擇最優(yōu)方案。方案評價(jià)與指標體系、備選方案和評價(jià)方法息息相關(guān)。評價(jià)的作用是通過(guò)特定的評價(jià)方法對反映評價(jià)對象的眾多方面（指標）進(jìn)行綜合，進(jìn)而獲取一個(gè)反映評價(jià)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(jià)獲取的信息進(jìn)行集成和重構，將原來(lái)零散的信息變?yōu)榻Y構性強、直觀(guān)清晰的信息，以便決策者進(jìn)行多方案選擇和單一方案優(yōu)化。

3 算例分析

鑒于鋼結構建筑節能設計評價(jià)指標較多，傳統手工計算的方式工作量較大，本研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于MAED的評價(jià)軟件原型。該軟件原型基于MATLAB、VS2010、Navisworks聯(lián)合開(kāi)發(fā)，選擇的數據庫是sql Server 2008。以實(shí)際工程為背景，通過(guò)算例分析，對MAED方法的可行性和合理性進(jìn)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，房間功能分區主要包括臥室、客廳、車(chē)庫、衛生間等。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、節能材料圍護結構、中庭采光、太陽(yáng)能熱水以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統技術(shù)，因此符合工業(yè)化鋼結構建筑節能虛擬建造的研究條件。

3.2 基于PCA和AHP的節能設計評價(jià)指標優(yōu)化

通過(guò)文獻查閱法總結國內外節能評價(jià)指標，兼顧該工程設計的實(shí)際情況，針對節能設計的8個(gè)方面歸納了35個(gè)初級評價(jià)指標。利用問(wèn)卷調查法和SPSS統計分析軟件，通過(guò)PCA法對初級評價(jià)指標進(jìn)行提煉，最終獲得13個(gè)節能評價(jià)指標，基于A(yíng)HP法對計算優(yōu)化后的節能指標的權重。

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(gè)方案的Revit模型轉換為NWD格式，通過(guò)軟件上傳到服務(wù)器，然后將指標及權重通過(guò)該系統輸入服務(wù)器端的數據庫。專(zhuān)家進(jìn)行評分時(shí)系統將指標及方案自動(dòng)錄入打分界面。由于模型具備屬性信息，專(zhuān)家在打分的過(guò)程中可以通過(guò)點(diǎn)選構件查看相應的信息，并以此為判斷的依據。當專(zhuān)家評分完成后，系統將專(zhuān)家評分錄入數據庫。最后決策者根據權重和專(zhuān)家評分對備選方案進(jìn)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）

本系統采用GRA法，首先通過(guò)計算各方案與基準方案的灰色關(guān)聯(lián)度，然后根據關(guān)聯(lián)度的大小判斷方案的優(yōu)劣。關(guān)聯(lián)度越大，則表示方案更優(yōu)。方案1的評價(jià)結果為0.9475，方案2的評價(jià)結果為0.6554，最終評價(jià)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(jià)軟件的可操行，進(jìn)而論證了MAED方法技術(shù)的可行性。

4 結束語(yǔ)

基于BIM、能耗模擬、三維可視化仿真等技術(shù)以及統計與綜合評價(jià)方法，提出了一套適用于工業(yè)化鋼結構建筑節能虛擬建造評價(jià)方法（即MAED），并設計和開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于MAED的評價(jià)軟件原型。以某低層模塊化生態(tài)鋼結構建筑項目為例，通過(guò)算例分析重復驗證了該系統的可操作性，論證了該方法的技術(shù)可行性。通過(guò)運用主成分分析法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法，該綜合評價(jià)方法為鋼結構建筑節能方案優(yōu)化提供了更合理有效的決策依據。MAED法對于利用BIM技術(shù)進(jìn)行節能技術(shù)評價(jià)、優(yōu)化與決策分析的實(shí)際工程具有指導意義，為鋼結構建筑向新興建筑工業(yè)化發(fā)展提供了技術(shù)支持。