基于灰色聚类法的绿色住宅建筑结构设计问题探讨

基于灰色聚类法的绿色住宅建筑结构设计问题探讨

朱永华

广东诚实建设工程设计有限公司广东梅州514021

摘要：灰色聚类法是在绿色住宅建筑结构设计评价中常用的评价方法，对于完善绿色建筑评价体系有重要意义。本文首先对绿色住宅建筑的结构设计问题进行简单介绍，进而探讨灰色聚类法在绿色住宅结构设计评价中的应用，分析其权值计算方法和系数向量计算方法

关键字：灰色聚类法；绿色住宅；结构设计

前言：随着绿色建筑产业的快速发展，其设计评价体系逐渐完善，但主要侧重于建筑规划和建筑设计方面的评价，而对结构设计评价的研究较少。从绿色住宅建筑设计的总体目标来看，为了实现节能减排、与环境融合、延长建筑使用寿命等设计目的，需要基于科学的分析评价方法，构建完整的评价体系，为住宅结构设计提供指导和依据。从已有研究成果和应用实践来看，灰色聚类法可以满足绿色建筑结构设计评价的需求。

一、绿色住宅建筑结构设计评价

在绿色建筑产业的发展过程中，绿色建筑评价体系的构建十分重要，我国在借鉴国外先进技术经验的基础上，陆续出台了《绿色建筑评价技术细则》等指导性文件，为绿色建筑设计评价的发展提供了支持。其中，绿色住宅结构设计评价是绿色建筑评价体系的重要组成部分。在绿色住宅建筑结构设计中，需要考虑多方面因素，且各方面因素之间相互影响，是一个复杂的系统工程。

因此，可以将结构设计看作一个灰色系统，采用灰色聚类分析法对其进行科学评价。该方法是在灰色白化权函数上建立的多维等级归属分析方法，可以对评价对象进行检测，判断其类型归属，对其进行区别对待。将第i个聚类对象关于第j个聚类指数的白化权数值进行灰色聚类归纳，将其归入第k个灰类中，判断灰类等级[1]。

二、灰色聚类法在绿色住宅结构设计中的应用

（一）灰色聚类等级划分

按住宅建筑结构的资源使用和环境保护程度进行划分，灰色聚类等级体系一般分为四级结构：（1）A级，满足国家相关设计规范要求和绿色建筑结构设计要求，能够有效节约资源能源，降低对环境的影响；（2）B级，符合绿色建筑结构设计的相关标准，具有较高的节能环保性，但资源消耗比A级略大；（3）C级，符合建筑结构设计相关标准规范，基本达到绿色设计要求；（4）D级，符合建筑结构设计规范，但与绿色建筑设计要求还有一定距离，此类为普通建筑。

采用灰色聚类法对绿色住宅建筑结构设计进行评价，聚类指标选取尤为重要，必须按照一定原则进行遴选，在参考《住宅性能评定技术标准》等标准规范的基础上，咨询该领域技术专家，构建完整的结构设计评价体系，合理确定指标组成结构以及具体评价指标。该体系应由两级指标构成，一级指标包括建筑的节能性和能源利用情况、节水性和水资源利用情况、节约材料情况、土地资源及环境利用情况以及建筑寿命延长指标等。

对每一个一级指标进行详细划分，确定二级指标，全面反映绿色住宅建筑的结构设计绿色程度。比如节能性与能源利用情况下的二级指标应包括可再生能源设备配置情况、外围护结构热工性能、遮阳措施等。节约材料情况下设的二级指标应包括结构体系的合理性、高性能混凝土材料使用情况、可循环利用材料使用情况、基础形式合理性以及就地取材设计等[2]。

（二）确定量化指标

为了确定住宅建筑结构的绿色设计等级，需要在构建聚类指标体系的基础上，按照一定原则对其进行量化处理。在充分考虑建筑结构评价体系特点的基础上，采用加分法对其进行量化设计，将各个二级指标的D级评分作为基准分值，如果某一级指标下的第r个二级指标能够满足更高等级评分要求，则加上该二级指标的增加分值，计算一级指标评分。根据这种方法，可以得到第j个聚类指标的分值计算方法，其计算公式为Mj=60+，其中，Mj是该一级指标的所得分值，Xjr是某个二级指标的加分分值，累加公式中的l为该一级指标所包含的二级指标数量[3]。

在5大类一级指标中，节能性和能源利用情况包含3个二级指标，D级基准评分为80分，每项加分为5分。节水性和水资源利用情况包含3个二级指标，基准评分80分，每项加分为5分。节约材料情况包含6个二级指标，基准评分，基准评分60分，每项加分为5分。土地资源及环境利用情况包含4个二级指标，基准评分为80分，每项加分为5分。建筑寿命延长指标包含3个二级指标，基准评分60分，每项加分为10分。

由于各级指标具有不同的意义和量纲，可能会导致部分指标的参与作用减弱。因此，在对建筑结构进行评价前，还要对聚类评分等级体系进行无量纲处理，将D级指标分支转化为1.00，其他等级临界分值除以D级临界分值得到无量纲化分值。

（三）白化函数构造

各一级聚类指标的变化函数采用三角分段函数表示形式，通过无量纲化聚类评分等级确定函数曲线特征。在各指标函数图形中，横坐标代表聚类指标白化数，其对应纵坐标代表白化权函数值。

（四）灰色聚类权值和系数向量计算

1、灰色聚类权值计算

三、实例验证

采用上述绿色住宅建筑结构评价方法，对兰州市某住宅建筑工程进行评价。该工程的建设场地为一废弃工厂，设计地下结构2层，地上结构20层，属于单梯4户型住宅楼。其抗震设防烈度8度，分别属于丙类，建筑场地为II类。根据相关结构设计规范要求，初步拟定三套设计方案，并采用灰色类聚法对其进行分析评价。

第一套方案的建筑设计年限为75年，采用钢筋混凝土抗震墙结构，布置太阳能热水器设备，在屋面布置雨水回用器，在受力钢筋中，HRB400钢筋使用率为75%。第二套方案采用框架抗震墙结构，其他布置与第一套方案一致。第三套设计方案采用钢结构，布置太阳能热水器装置，但未布置雨水回用器。

通过分级计算可知，第一套方案的灰色聚类向量为（0.000,0.585,0.200,0.000），灰色等级为B级，第二套方案的灰色聚类向量为（0.000,0.552,0.200,0.000），灰色等级为B级，第三套方案的灰色聚类向量为（0.179,0.420,0.415,0.000），聚类等级为C级。由此可以得出，第一套和第二套设计方案的建筑结构设计基本满足绿色结构设计要求，资源消耗与环境负荷较小。第三套方案为C级，勉强可以达到绿色设计要求，因此，结构设计方案应采用第一套或第二套方案。

结束语：综上所述，灰色聚类法是建筑结构设计的有效评价方法，可以量化评价出建筑的绿色化设计程度，确定其灰类归属，从而判断建筑结构设计是否满足相关标准要求。通过研究灰色聚类等级的划分方法，指标确定方法以及权值和系数向量计算方法，可以为实际工程应用提供借鉴。通过实例分析可知，灰色聚类法可以有效评定出建筑结构的绿色设计等级。

参考文献：

[1]韩东.绿色住宅小区建筑环境设计存在的问题及对策分析[J].建筑知识,2016,36(13):12.

[2]张春花,侯雪.探讨绿色住宅室内设计中的相关问题[J].现代装饰(理论),2014(10):43.

[3]曹瑞林,许玄音.绿色住宅室内设计中的关键问题[J].河南工程学院学报(社会科学版),2012,27(01):72-74.