装配式建筑预制构件生产基地多目标选址研究.pdf

Jun.2023JournalofEngManagement2023年0 6 月Vol.37No.3第3期理报程学第37 卷管装配式建筑预制构件生产基地多目标选址研究李明顺1.2，刘紫薇1，黎嘉琪1，邓鑫涛1（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙41 0 1 1 4，E-mail：2 2 91 8 97 8 2 8 q q.c o m；2.长沙理工大学交通基础设施智慧建造与生态乡村建设管理湖南省高等学校重点实验室，湖南长沙41 0 1 1 4）摘要：为了在装配式建筑预制构件生产基地选址中减少运输过程中的碳排放量、降低预制构件配送的总成本，从5个维度识别出影响选址的因素，利用决策实验室分析法（DEMATEL）筛选出关键影响因素，再根据关键因素碳排放量和总成本构建0-1整数规划的多目标选址模型，并采用基于改进的优劣解距离法（TOPSIS）将多目标转化为单目标求解选址模型。以长沙市进行实例验证，更加接近理想解的选址地为岳麓区，基于此，可以进行特定范围内多个厂址的评估和决策。研究表明：DEMATEL筛选出的关键影响因素适用于多目标的装配式建筑预制构件生产基地选址，基于改进的TOPSIS方法能精确达到符合经济和环境最优的研究目的，且具有良好的适用性。关键词：装配式建筑；影响因素；预制构件生产基地；多目标选址；碳排放中图分类号：TU741文献标识码：A文章编号：1 6 7 4-8 8 59（2 0 2 3）0 3-0 2 5-0 6D0I:10.13991/ki.jem.2023.03.005Multi-objective Site Selection Study of Prefabricated ComponentsProduction Base for Assembled BuildingsLI Mingshunl2,LIU Ziweil,LI Jiaqil,DENG Xintaol!(1.School of Traffic&Transportation Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China,E-mail:;2.Key Laboratory of Intelligent Construction of Transportation Infrastructure and Ecological RuralConstruction Management in Hunan Province,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)Abstract:In order to reduce carbon emissions during transportation and the total cost of prefabricated components distribution inthe site selection of prefabricated components production base for assembled buildings.The factors affecting the site selection areidentified,the key influencing factors are screened out using decision laboratory analysis(DEMATEL).Then,a multi-objective siteselection model with 0-1 integer programming is constructed.Finally,the site selection model is solved using the improved distancebetween superior and inferior solutions(TOPSIS)based method.The key influencing factors are carbon emission and total cost,andthe site selection location closer to the ideal solution is Yuelu District by using Changsha City for example verification.The studyshows that the key influencing factors screened by DEMATEL are applicable to the multi-objective site selection of prefabricatedbuilding components production base,and the improved TOPSIS-based method can precisely achieve the research purpose ofmeeting the economic and environmental optimum and has good applicability.Keywords:assembled buildings;influencing factors;prefabricated components production base;multi-objective site selection;carbon emissions我国建筑领域年碳排放占全国总碳排放的比例超过40%，传统建筑行业具有高耗能、高污染的特点。装配式建筑是“工业4.0”时代建筑业的一收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 8.基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（52 2 0 42 0 2）；湖南省教育厅科研项目（2 2 A0202）.场重大变革，能够有效降低建筑的碳排放量。“十四五”规划提出，要推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅，培育一批装配式建筑基地，建设低碳城市。但是，装配式建筑的成本相对于现浇建筑却高很多，不利于装配式建筑产业未来的发展，其中一个主要原因是预制构件运输成本占比较高，需要.026.理报学程第37 卷管合理选择构件生产厂。因此，为促进装配式建筑未来的发展，在生产基地选址时降低运输过程的碳排放量和成本成为呕待解决的问题目前对装配式建筑选址的研究中，不同学者在研究设施选址的过程中考虑不同的目标，最初大多是高预制率和低成本等单目标，如单翠等1 基于预制合格率建立构件生产基地选址模型。单目标还包括服务水平和设施覆盖范围，如VATSAD等2 。一般来说，单一目标难以满足实际需求，因此采用多目标决策选址的研究逐渐发展起来。如马春山等3将选址问题与服务网络优化问题相结合。张岚等4同时考虑成本、距离、平均时间及线路客流情况等要素。随着环境污染的严重，学者们开始关注绿色选址问题，以确保环境保护和经济发展的双赢。如陶经辉等5 建立总成本和二氧化碳排放量最小的多目标模型，设计NSGA-II算法求解模型。王璇等6 研究在用地条件和资源环境约束下高耗能项目的选址。综上所述，目前国内外有不少学者对装配式建筑选址进行研究，但缺少对运输阶段和绿色发展因素的研究；且考虑的目标均来源于阅读文献，没有采用系统的分析方法解读。鉴于此，本文利用决策实验室分析法（DEMATEL）筛选关键影响因素，使选址的目标更有依据；根据关键因素构建总成本最低和碳排放量最少的0-1 整数规划的多目标选址模型；并采用基于改进的优劣解距离法（TOPSIS）将多个目标转化为单一目标来求解选址模型。以长沙市为模型对象进行实例验证，从经济和绿色的角度为装配式建筑基地布局及其他类似的规划提供合理的建议。1关键影响因素的识别与筛选1.1影响因素识别装配式建筑构件生产基地选址需要考虑众多的影响因素，同时由于建筑业及预制构件的特殊性，其考虑因素与传统的规划选址不同。基于选址原则和对绿色装配式建筑推广的考虑，通过检索和阅读众多文献，从社会环境、经济环境、自然条件、产业环境和绿色发展5个维度初步识别装配式建筑预制构件生产基地选址可能存在的影响因素，经修正完善后最终确定1 6 个影响因素。（1）社会环境。社会环境维度包括地方激励政策Si、城市发展规划S2、基础设施条件S3和劳动力水平S4。地方激励政策指地方政府为支持装配预制率制定的优惠政策；城市发展规划，产业基地的建设应协调城市发展模式、空间布局和各项建设所作的战略部署和方案7 ；基础设施条件主要包含水、电、通信、燃力及污水和垃圾处理等；劳动力水平，不同地区的劳动力数量和劳动成本不同，产业基地的正常运营需要足够的劳动力来维持。（2）经济环境。经济环境维度包括市场需求情况Ss、交通条件S6、土地成本S7、原材料运输成本S：和预制构件运输成本S9。市场需求情况，充分了解当地对预制构件的需求，可以帮助投资者确定生产基地的产能和资源配置；交通条件，产业基地对公路运输的车辆运力、限高限宽达标和道路平整度要求很高；土地成本，不同地区的工矿仓储用地单价不同；原材料运输成本，原材料主要包括砂石、混凝土、木材及钢材等；预制构件运输成本，主要是指预制构件从生产地到施工地的运费。（3）自然条件。自然条件维度包括原材料获取情况Sio和地形状况Sil。原材料获取情况指生产基地在生产过程中对上述原材料的可得性；地形状况，备选地要地势平坦，具备良好的地质条件，避开地震带和软弱土层。（4）产业环境。产业环境维度包括地方技术与科研创新Si2和现有产业基地的竞争S13。地方技术与科研创新，当科研能力和技术领先时，有利于提高构件生产的效率；现有产业基地的竞争包括行业内竞争者、周围生产类似产品和潜在竞争者等，良性竞争对生产基地有促进作用。（5）绿色发展。绿色发展维度包括碳排放S14、生态环境的影响S1s和民众认知程度S16。碳排放，装配式建筑大幅度规避建筑废弃物、扬尘、噪声的出现，有效推进建筑“双碳”工作；对生态环境的影响，要考虑当地对如噪声、扬尘、废水、废物处理等是否符合当地要求8 ；民众认知程度，须树立并贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，践行低碳的绿色生活方式。1.2基于DEMATEL的关键影响因素筛选DEMATEL的中心思想是确定影响因素体系通过判别系统中各要素的直接作用和逻辑联系，计算各要素间的影响程度，依此计算中心度与原因度，从而判断出每个因素的重要程度9。1.2.1模型构建步骤（1）构建影响因素体系。明确影响装配式建筑预制构件生产基地选址的因素，依次记为Si，S2,Sno027李明顺，等：装配式建筑预制构件生基地多目标选址研究第3期（2）构造直接影响矩阵A。采用专家打分法，划定5种影响级别，分别赋值0 4，按照各影响因素之间相互影响的程度进行两两比较，对各影响因素进行量化处理，得到矩阵A=(ai)nxn。设定当ij时,aij-0。（3）求得规范化影响矩阵B。矩阵B由直接影响矩阵A进行规范化运算获得，计算式为：AB=(b,)nxn(1)nmaxi1inj=1（4）求解综合影响矩阵C。按照下式以矩阵B为基础，求得矩阵C，式中E为单位矩阵。C=B(E-B)-1（2）（5）在矩阵C的基础上，分别计算每个因素的影响度Xi被影响度Yi、中心度M和原因度N,9,计算方法如下：X,=Zcy,其中1in（3）j=1Y,=Zcj,其中ljnn（4）i=1M,=X,+Y,（5）N,=X,-Y,(6)1.2.2数据处理以上述识别的16 个影响因素作为选址标准，采用0 4标度制作调查问卷。分别向建设管理部门政府人员、高校从事建设工程的专家学者、工程咨询单位、开发商、承包商等发放。共发放问卷95份，回收7 9份，其中6 8 份有效，有效率为7 1.58%。应用SPSS来分析数据的可靠性，计算出Cronbachsalpha为0.7 91，检验合格，以每个专家对每个影响因素的平均评分创建直接影响矩阵A，如表1所示。表1直接影响矩阵ASTS2S3S4SsS6S7SsS9SoSilS12S13S14SisS16Si03121 20 013203101S210022000一11 12100S302022000 111 12100S41120211200 2210 0 0Ss31420 103333 3 3200S6010220312231 1 100S721 4321044 43 3 3300Ss20322310222 33200S90 113214303223100Sio0011110230212 00 0S1 1 222 21 1一2021一00S123 1311 000一1204011S13303222111 1 1 101 00S144142123324203011Sis10000000000111 01S160001100 0000001 10根据DEMATEL的构建步骤，利用Matlab软件最终得到以中心度为横坐标、原因度为纵坐标的中心度-原因度图（见图1）1.51一*S.41一10.5*55+591一52T*512+S.1-0.5+1SS.*S4+S101131*S3111.51.522.533.54图1中心度-原因度图1.2.3中心度-原因度分析在DEMATEL中，根据公式（5）求出的中心度来评价该因素在所有因素中的作用程度，由式（6）求得的原因度指其对其他因素的重要性。由图1的中心度-原因度图做出解释，根据实际情况进一步处理。（1）中心度。在16 个影响因素中，中心度大的影响因素有7 个，分别为 Ss、S7、S13、S9、S8、S14和S11。中心度的大小表明该因素在装配式建筑预制构件生产基地选址的关键程度，即中心度越大，该因素在生产基地选址的影响程度越大，更有被考虑的价值。（2）原因度。原因因素有6 个，分别为S7、S14、S8、Ss、Sg 和S6。表明上述因子可以对其他因子产生影响，是所有影响因素中的主要因素。本文以中心度和原因度的综合关系作为影响因素重要程度判定的依据，即第一象限内的因素为关键因素。装配式建筑所需资源主要为砂、石、水泥、钢材和木材等原材料，生产商数量多且遍布范围广，因此原材料运输成本S：暂不考虑。所以根据实际的关键影响因素，选取市场需求情况Ss、土地成本S7、预制构件运输成本Sg和碳排放S14这4个因素建立关于总成本和碳排放量最低的选址模型。2基于关键因素的选址模型构建与求解2.1问题描述及基本假设2.1.1问题描述本文构建的模型所涉及的是一个多目标规划问题（Multi ObjectiveProgramming，M O P）。对于此选址模型，可以简要描述为：某个区域内有n个坐标和需求量已知的需求点，在n个需求点内建立.028理程报学管第3 7 卷m个备选生产基地10 2.1.2基本假设（1）生产基地的生产能力能够满足其服务范围内的需求，其生产能力足够大，由其服务半径内所有项目的总需求决定。（2）一个需求点仅由一个生产基地配送预制构件，一个生产基地为半径内的所有需求点提供配送服务。（3）在生产基地服务半径内的客户均具有可达性，即预制构件到需求点的运输费用和碳排放量与距离成正比，距离取空间中两个点之间的真实距离。2.1.3符号设置（1）模型涉及的集合。假设备选需求点集合为I,总共有n个,其坐标集合为(XI,Y),(X,Y,),(X,Y,。备选生产基地集合为J，总共有m个，其坐标集合为(X,Y),(X,Y2),(X,Y)。（2）模型涉及的变量及常量。模型所涉及的变量为备选生产基地的分配方案xi；常量包括：预制构件的运输距离、运输运费、运量、生产基地面积、土地单价、预制构件的需求量等，如表2 所示。表2模型中的变量及常量变量名含义变量X在产业园区j处选址为1，否则为0常量(X/.Y/)需求点位置坐标(XY)备选生产基地位置坐标di需求点i到生产基地的欧式距离qi单位产品运输单位距离的运费Wij需求点1的装配式建筑需求量，也即生产基地运往需求点的运量aij生产基地面积ui土地单价Vi预制构件的需求量货车运输的碳排放因子S表示生产基地的分配关系，若为1，表示点j为生产基地，否则为0N需求点的集合M表示备选生产基地集合m事先给定的生产基地数量W为需求点i的最大需求量2.2模型构建2.2.1目标函数基于以上假设，建立0-1整数规划的多目标选址模型。设总成本为Fi(x)，包括建设生产基地的土地成本、预制构件的运输成本；碳排放量为F2(x)，本文中碳排放是指CO2的排放量。minFi(x)=)ZZ(q.d,w,+a,u)(7)ieN jeMminF(x)=ZZadivixj(8)ieNjeM其中，i=1,2,.,n;j=1,2,m。目标函数（7）表示由预制构件运输成本和土地成本构成的总成本最小；目标函数（8）依据IPCC指南的碳排放系数法，计算预制构件运输过程中的最小CO2排放量。2.2.2约束条件o,在点建设生产基地s.t.ZXj=1,Xj=(9)jeM1，在j点不建设生产基地d,s,ieN(10)W,W,ieM(11)jeM式（9）约束每个需求点只由一个生产基地配送预制构件，且生产基地满足0-1整数规划；式(10）约束需求点不能超过生产基地的服务区域；式（11）表示每个需求点的所需产品都能被生产基地满足。2.3TOPSIS法求解在单一目标问题中，通常容易求出唯一的最优解。但是对于多目标优化问题，由于存在相互牵制的目标，某个解在一个目标上是最优解，在其他的目标却可能是最差的解决方案。本文选用基于离散系数法改进的TOPSIS方法筛选出选址方案。TOPSIS法是解决多目标决策的一种方法，通过构建一个正、负理想解（即最优解和劣质解）的评估问题，计算每个解与正负理想解的相对接近程度，对计算结果进行排序并确定最优方案。对于具有W个解的目标，每个解的目标可以表示为：Fi(x)=fi(x),fi2(x),fi(x),fz(x),其中乙是目标数量。TOPSIS方法的主要步骤如下：步骤1：无量纲化处理，可以消除评价指标之间不同单位的影响，能让不同维度的指标具有可比性。用归一化方法将目标函数的值变换到0，1 区间。f,(x)-min f,(x)(x)=(12)max f,(x)-min f,(x)k=1.2.Z步骤2：定义权重向量2 1，2，2 ，其中(0)表示第i个指标的权重。若根据决策者对目标的重视程度和偏好来定义指标的权重，主观性太强，故本文采用离散系数法确定权重以改进TOPSIS方法。离散系数主要是用来对样本的离散程度进行比较。离散系数越大的指标，也就是越活跃、越难以实现的指标，相应的指标权重也越大12 。离散系数计算方法为各指标的标准差,除以样本均值了（x)，第j个目标函数的离散系数计算为：029李明顺，等：装配式建筑预制构件基地多目标选址研究第3期(13)步骤3：计算与理想解的距离。计算式如下：Dt=/(ali,(x)-min,(),i=1,2,.Z(14)D=(ai;,(x)-max f,(x)步骤4：计算与理想解的贴近度。由于C;对每个指标与被评估方案的正、负理想解的距离都考虑在内，若被评价指标到负理想解之间的比例C越大，表明其与理想解的关系更为密切，名次愈高12 。第i个评价指标到理想解的贴近度为：DC,=(15)Dt+D3实证分析近些年，湖南起草了各项绿色建筑发展条例，在2 0 2 2 年8 月印发湖南省住房和城乡建设厅湖南省装配式建筑产业基地评价技术导则（试行），装配式建筑得到政策措施的有力支持，绿色建筑也得到了法律的引导和推动。因此，本文选取湖南省长沙市作为实证对象3.1数据收集依据湖南省国家级和省级的装配式建筑产业基地企业名单，在长沙市每个区各建立一个备选生产基地，并尽量选址在工业园区、产业园等地。运用ArcGIS软件把长沙市各区及各备选生产基地的经纬度转换为坐标，如表3所示。表3需求点与备选生产基地坐标区级X坐标/mY坐标/m需求点芙蓉区1290124.163145200.39天心区1286521.343136936.48岳麓区1279836.973150192.52开福区1285100.763152862.91雨花区1290873.963139767.04望城区1267993.353161987.25长沙县1294496.893152382.57宁乡市1242829.163149877.60浏阳市1350676.983147077.67备选生产基地芙蓉区1285210.713128657.22天心区1286437.263137613.48岳麓区1280832.853149002.89开福区1281444.663160466.95雨花区1292871.973144633.45望城区1268900.583159766.02长沙县1256298.273132212.02宁乡市1245423.033156964.78浏阳市1362888.653161296.50根据距离公式d,=/(X/-X)+(Y/-Y/)，在此基础上计算出需求点到备选生产基地的欧式距离dij，如表4所示。表4膏需求点到生产基地的距离（km）生产基地需求点芙蓉天心岳麓开福 雨花 望城长沙宁乡浏阳区区区区区区县市市芙蓉区17.268.3822.2024.2124.2137.51 25.4847.4068.01天心区8.440.6814.2115.314.9330.5716.8345.3064.93岳麓区10.0413.341.555.7513.6418.2614.0838.01 69.87开福区17.5624.0710.4022.7522.7513.5415.3540.0470.52雨花区2.81 9.9814.1711.325.2630.337.9250.3257.86望城区25.7428.8414.53 17.6129.712.4026.6427.8882.75长沙县36.2330.5929.6235.4435.3931.9943.2022.2195.54宁乡市46.2245.7235.0739.8948.6023.1249.297.55105.72浏阳市74.5280.1683.79 78.2475.1694.9068.97120.6018.74根据备选生产基地位置，结合长政涵【2 0 2 152号文长沙市人民政府关于公布实施长沙市市区城镇基准地价更新成果的通知，确定备选生产基地单位地价ui。根据长沙市各区2 0 2 1年国民经济和社会发展统计公报，得出各市当年商品房销售面积；湖南省2 0 2 5年的规划显示，装配式建筑的比重要达到40%，可依此预计出装配式建筑面积，即各需求点装配式建筑需求量wi为方便计算，本文只考虑占比最大的预制构件一叠合板，叠合板面积约占装配式建筑需求量的7 0%，厚度一般为6 0 mm，含钢量为0.15t/m3，在已知装配式建筑需求量的基础上，可求出预制构件的需求量vi，如表5所示。表5预制构件需求量计算地价u商品房销售面积装配式需求量预制构件需求量指标/元/m/万mWi/万mvi/t芙蓉区221095.7238.2880.2412天心区1300132.9153.1640.3349岳麓区700674.65269.8601.7001开福区1700228.3091.3200.5753雨花区840439.40175.7601.1073望城区590378.68151.4720.9543长沙县510357.60143.0400.9012宁乡市510171.1368.4520.4312浏阳市510127.4050.9600.3210根据PC构件运输经验，生产基地的服务半径为10 0 km，按照长沙市目前发展现状，不考虑长沙市内各区运费的不同，单位产品在单位距离的运输费用qi;均取0.2 元/m/km。合理的预制构件生产基地面积是5万m10万m，为尽量满足预制构件需求，备选生产基地面积aij都取10 万m。碳排放因子是指在各种技术、经济和管理条件下单位产品的平均CO2排放量，叠合板的碳排放因子为0.0 7 8 kgCO2e/(t.km)。030：第37 卷理程报学管3.2结果计算与讨论（1）将上述数据代人多目标函数，求解出各个备选生产基地的总成本和碳排放量，如表6 所示。表6 计算结果地区Fi(x）/万元F2(x)/kgc02芙蓉区22691.9614.54天心区13398.0864.32岳麓区7307.5567.51开福区17428.2997.36雨花区8770.8070.10望城区6371.42107.92长沙县5857.55149.14宁乡市5946.11178.59（2）当决策者以经济成本最优，而不太注重环境成本时，在长沙县进行选址为最优方案。此种情况下总成本为最小值58 57.55万元，但碳排放量高达149.14万kg；与优化经济成本相比，决策者更关注环境成本时，在芙蓉区进行选址为最优方案。此时，总成本为最大值2 2 6 91.96 万元，但碳排放量达到最小值为14.54万kg。（3）根据式（12）进行无量纲化处理，利用式（13）求得离散系数法的权重入1=0.43，2=0.57。（4）根据式（14）、式（15）求得偏好向量：C,=0.5700,0.7146,0.8550,0.5689,0.8229,0.7699,0.6856,0.6259,0.4162最大偏好量是0.8 550，即排序最前也就是评价最好的对象为岳麓区。因此，长沙市装配式建筑生产基地规划的最佳选址地区是岳麓区。此种情况下，总成本为7 30 7.55万元，碳排放量为6 7.51万kg。4结语预制构件厂的建设是装配式建筑产业发展的重要支撑，为解决配送预制构件的总成本高和运输阶段碳排放量大的问题，对预制构件生产基地进行科学的布局十分必要。本文运用DEMATEL方法简单直观地从影响因素清单中筛选出关键因素，从而确定因素间的因果关系和其在选址模型中的地位，使选址模型中的考虑的目标更合理。根据应考虑的关键因素，建立了以服务范围为约束的总成本最低和碳排放量最少的0-1整数规划的多目标选址模型，再通过离散系数法改进的TOPSIS法能克服主观设定权重的影响，结果也能精确地反映不同评估指标的排序，得到了符合经济和环境最优的最佳选址位置。该模型和求解方法对湖南省及全国深入研究装配式建筑产业的发展能提供借鉴作用。但本文在构建装配式构件选址模型时，并未将其与原材料之间的运输联系纳入模型中，在今后的研究中可以进一步开展。参考文献：1单翠，高文超基于预制合格率的建筑工业化基地选址模型及算例分析 建筑经济，2 0 2 2，43（S1）：884-887.2 Vatsa A K,Jayaswal S.A new formulation and Bendersdecomposition for the multi-period maximal coveringfacility location problem with server uncertaintyJ.European Journal of Operational Research,2016,251(2).3】马春山，廖正文基于服务网络的高铁快运基地选址及规模优化方法J.铁道科学与工程学报，2 0 2 3，2 0（2：463-472.4】张岚，董宝田，寇淋淋，王艳辉。基于三角模糊数的城市轨道交通应急救援中心不确定性选址研究.铁道学报，2 0 2 2，44（10）：17-2 3.5】陶经辉，郭小伟基于总成本和碳减排的物流园区与产业园区协同选址 中国管理科学，2 0 18，2 6（12）：124-134.6】王璇，杨立，许宏宇，关凯，孙道成新时期高耗能高排放项目选址研究：以临汾为例 城市发展研究，2 0 2 2，2 9（7）：18-2 3，36.7】王淑，胡婉薇，卢仲兴基于AHP与GIS技术的PC构件厂选址：以武汉市汉南区为例 土木工程与管理学报，2 0 2 0，37（2）：115-12 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