基于云物元的老旧小区改造生态性能评价

2022-01-05杨美玉田杰芳

华北理工大学学报(自然科学版) 2022年1期

杨美玉，田杰芳

(华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063210)

引言

在我国每年新增的建筑面积中占比较大的为住宅小区，而随着时间的推移，城镇中早期建设的小区也在逐渐老化，已经不能满足居民当前居住的需求，直接拆除这些建筑不仅费时费力、成本高，还会产生大量建筑垃圾破坏生态环境，不符合环境友好型发展和可持续发展的要求[1]，因此老旧小区的改造尤为重要。

目前许多学者都对老旧小区的改造问题进行研究，顾昊运用AHM-熵权法和物元可拓模型建立了老旧小区绿色改造综合效益评价指标体系[1]，陈琳等人运用AHP和模糊综合评价法对老旧小区的改造结果进行评价[2]，李辉山等人基于ANP和FCE建立了全新的老旧小区改造综合效益评价[3]，谭兆秋等利用层次分析法、聚类分析法和灰色聚类法建立了老旧小区改造的可持续评价模型和宜居视角下的绩效评价[4]，柯丹妮通过层次分析法、熵权法和物元可拓模型针对老旧小区的海绵化改造进行了综合评价[5]，宋德萱等人运用模糊综合评价法建立了老旧小区的生态性能评价模型[6]。国外对老旧小区改造的研究主要集中在老旧小区的适老化及社区治理。Antonio Serrano-Jiménez等(2018)通过分析老旧建筑对"老龄化"居民的影响，对老旧建筑改造的适老化进行整体评估[7]，Yahya Qtaishat等(2020)注意到很多老旧建筑的改造过程中忽视了社会文化和环境功能，所以建立了老旧建筑改造的生态文化评价体系[8]；Aleksandra Maksimovska等(2019)运用数学方法分析出居民改造房屋需求，建立衡量社区治理质量的指标体系[9]，Taherkhani Roohollah等提出以具有可持续力及复原力的方式进行改造，可以维护好建筑的文化特色[10]。

综上所述，对于老旧小区改造的研究虽角度多样，但多为综合评价，缺少对于生态性能角度的深入探讨。鉴于此，该项目从老旧小区改造过程中存在的问题入手，分析出生态性能的主要影响因素，建立老旧小区改造生态性能评价指标体系，运用云物元模型对老旧小区改造生态性能进行评价，分析老旧小区改造生态性能等级，并通过分析提出相应的改进措施。

1 老旧小区改造生态性能评价指标体系

1.1 老旧小区改造存在的问题

老旧小区改造一般针对的是建成及使用时间超过20年、基础配套设施不全、环境恶化不能满足居民日益增长的居住环境要求，需要改造以升级修缮为主的小区。在改造过程中主要解决以下问题。

(1)公共基础设施落后。老旧小区在建成之初是为了满足我国快速增长的人口住房需求，小区规划设计较为简单，多以楼梯为主不设电梯，室外活动场所、停车场等配套设施规划不足，路面窄，人车混杂，排水管道雨污合流，下雨时容易积水产生径流污染，这些都与现阶段居民对于生活环境的要求背道而驰。

(2)环境差。"脏、乱、差"是许多老旧小区的通病，基础设施不足，违章搭建、车辆无序停放、道路破损、管道老化、公共绿地被占用、垃圾清理不到位等问题突出。

(3)绿色度不足。在老旧小区建筑建造时期，国内关于绿色建筑的相关规范指标还不够完善，相对落后的技术和不充足的资金也限制了建筑过程中对于绿色度的追求，导致老旧小区的绿化率低，公共绿地不足，道路硬化率高等问题。

1.2 生态性能指标的筛选

针对老旧小区改造过程中需要解决的问题，参考目前国家推行的《中国生态住宅技术评估手册》(2011年)、《既有建筑绿色化改造评价标准》等相关专业文件中居民对于居住环境的要求，遵循科学、综合、有效、可操作性强等原则，从物理环境、水环境、绿化环境、交通环境、卫生环境5个方面筛选出15个影响老旧小区改造生态性能指标及标准，对老旧小区改造生态性能进行评价。其中物理环境准则层包含有房屋保温隔热效果、小区夜间照明效果、隔离噪声效果3个指标，水环境准则层包含雨水收集率、路面渗透装占比、浇灌节水率、水景水体自净能力4个指标，绿化环境准则层包含绿化覆盖率和植物优良率2个指标，交通环境准则层包含无障碍化、交通通达性、停车位规模3个指标，卫生环境准则层包含异味排放、污染物扩散程度和垃圾分类收集率3个指标。整个指标体系如图1所示。

图1 老旧小区改造生态性能评价指标体系

2 云物元基本理论

2.1 物元模型

物元可拓模型是一种可以将定性分析与定量计算有效结合的实用模型，可以将实际问题转化为数学模型，有效解决事物的不相容问题。所谓的物元是指事物、事物的特征以及特征的量值的统称[11]。通常由式(1)表明。

(1)

N-事物名称，C-事物特征，V-事物特征所表现出的量值。

2.2 云模型

云模型是可以实现定性定量相互转换的模型。用云模型表示语言值，可以充分体现出实际生活中语言值的机性、模糊性，而语言值的数学性质就可以用云的数字特征(期望Ex、熵En和超熵He)表示[12]。

传统的物元分析中的特征量值V是个确定值，不能反映实际生活中的模糊性和随机性，所以将云模型引入物元理论，即用云模型中的(Ex，En，He)来取代物元模型中的具体数值V，有效解决了上述缺陷[13]。

(2)

3 基于云物元理论的老旧小区生态性能评价模型

3.1 评价指标的量化及分级

首先，划分出5 个生态性能等级，分别对应优、良、中、弱、差，综合实践调查、资料整理并结合了专家意见，划分老旧小区改造生态性能各指标等级见表1所示。

表1 老旧小区改造生态性能指标等级

然后再参考相关资料对各指标进行量化，方便进行打分评价，量化结果见表 2所示。

3.2 确定云的数字特征

以老旧小区生态性能评价等级的界限[Cmin，Cmax]为约束空间，根据正态云的"3E"规则，可以利用区间界限值通过下列公式求出云模型的数字特征。

(3)

(4)

He=s

(5)

式中，Cmin为区间最小值，Cmax为区间最大值，s为常量，可结合指标的实际情况和相关专家的意见进行调整。云模型中熵表现的是度量的不确定性，熵越大，则概念范围越大，概念也就越模糊。在本次评价中指标属于生态性能等级的界限无需过于严格，隶属于相对模糊一些评价的结果相对更准确，所以令μ(x)=0.5得到(6)式，意为隶属度为0.5的边界处既可以属于上一个等级也可以属于下一个等级。

表2 老旧小区改造生态性能评价指标量化表

(6)

运用matlab模拟出生态性能等级隶属云图选取s值，隶属度大于0.5的部分相对清晰，而隶属度低于0.5的部分交叉且模糊。模拟中选取了s为0.2、0.4、0.6，效果如图2所示，最后取s为0.4。

图2 生态性能等级隶属云图

综上所述，由式(3)、式(4)、式(6)计算可得到云物元模型的数字特征，如表 3 所示。

表3 生态性能等级界限的标准云模型数字特征

3.3 各生态性能等级隶属度计算

由于加入了云模型的思想，因此其关联度的计算需要通过隶属度函数来进行量化评价。则老旧小区改造生态性能的各评价指标值x对于各等级云的隶属度μ(x)，可以表示为式(7)。

(7)

3.4 指标权重确定

指标权重的确定采用层次分析法。这种方法通过将问题层次化，分解成若干个组成部分，再通过对比每2个部分的相对重要性来确定不同部分的权重[14]。该项目通过邀请专家按照上述步骤得出各功能指标权重。

3.5 评价等级确定

各准则层对老旧小区改造生态性能等级j的隶属度需要将其对应指标对各生态性能等级的隶属度进行加权，计算如公式(8)。

(8)

μj(Ai)-第i个准表层物元对生态性能等级j的隶属度，

ωik-第k个指标对于第i个准表层物元的权重，

μj(xk)-第k个指标对生态性能等级j的隶属度

同理计算目标层物元对各生态性能等级j的隶属度时，也需要对准则层物元进行加权。如式 (9)所示。

(9)

μj(A)-目标层物元对生态性能等级j的隶属度，

ωi-第i个准表层物元的权重，

μj(Ai)-第i个准则层对生态性能等级j的隶属度

最后按照最大隶属度原则，确定所判断物元的生态性能等级。即:

(10)

4 实证分析

4.1 项目概况

选取的研究对象为河北省唐山市某一老旧小区。该小区建于1990年，其建筑面积约为211 027 m2，基本为普通砖混结构。由于之前技术落后、资源缺乏以及建设标准低等各种因素导致小区存在噪音严重、光环境和通风性一般、绿化面积少、建筑外的线网杂乱、排水系统差、雨天积水严重、垃圾臭味熏天、车辆随处停放等问题，影响了居民的日常生活品质。改造后，完善了基础设施，调整了管线系统，绿化率达50%。

4.2 老旧小区改造生态性能评价

通过向相关的部门领导及行业专家发放调查问卷的方式获取影响老旧小区改造生态性能指标的打分情况，再通过专家层次分析法得到老旧小区改造生态性能评价各项指标的权重。见表4所示。

表4 老旧小区改造生态性能评价指标分值及权重

运用式(7)完成各指标对各生态性能等级云的隶属度的计算，利用Matlab编程软件，得出结果，结果如表 5所示。

表5 各指标对各生态性能等级隶属度

根据表5中得到的各指标对于生态性能等级的隶属度，通过式(8)计算各准则层对生态性能的隶属度，式(9)计算目标层对于生态性能等级的隶属度，得到结果为：A1=[0.550 935，0.321 489，0.153 257，0.000 325 ，0.000 017]，A2=[0.477 248 ，0.535 061 ，0.021 478，0.000 004，0.000 002]，A3=[0.273 561，0.734 157，0.115 618，0.000 079，0.000 011]，A4=[0.105 460，0.918 931，0.167 943，0.000 282，0.000 033]，A5=[0.273 235，0.751 027，0.056 207，0.000 015，0.000 002]，A=[0.398 000，0.528 943，0.125 512，0.000 213，0.000 016]。

4.3 评价结果及分析

从上述的权重占比可以看出，"物理环境"是对老旧小区改造生态性能评价影响最大的因素，权重高达0.462 26，"绿化环境"是第二大影响因素，占比为0.213 16，其次影响因素分别为"水环境"、"卫生环境"和"交通环境"，权重分别为0.142 66、0.102 06、0.080 26，在"物理环境"这一因素层中权重最高的指标为"小区夜间照明效果"，在"绿化环境"这一因素层中权重最高的指标为"绿化覆盖率"，在"水环境"这一因素层中权重最高的指标为"可渗透铺张占比"，在"卫生环境"这一因素层中权重最高的指标为"垃圾分类收集率"，在"交通"这一因素层中权重最高的指标为"交通通达性"，相关部门在制定老旧小区改造规划时应着重加强对这些权重值高指标的控制。通过分析评价结果，并通过最大隶属度原则可以得出，该老旧小区改造生态性能等级是2级，为良，还有可以继续改进优化的空间。在老旧小区绿色改造过程中，涉及多个方面的改造，要准确把握各单个项目的改造要点才能提高其生态性能。分析各因素具体情况可知，该项目的"小区夜间照明效果"、"雨水收集利用率"改造等级为优，而"房屋保温隔热效果"较差，评价等级为"中"，其他的评价指标均为"良"，说明这次改造对于房屋保温隔热的设置上还不够完善。