面向绿色建筑建造可持续材料多目标优化的混合GA-TOPSIS框架

《Scientific Reports》：Hybrid GA-TOPSIS framework for multi-objective optimization of sustainable materials for green building construction

　　

摘要

建筑业是水泥消耗量最大的行业之一，对全球碳排放和隐含能源消耗有着重大贡献。传统混凝土材料的选取通常基于试错法，无法充分兼顾机械性能、耐久性和环境可持续性这些相互冲突的目标。因此，绿色建筑建设领域迫切需要系统化的、数据驱动的方法，在确保结构可靠性的同时降低生态足迹。本研究开发了可持续材料评估与优化工具，结合13个材料组成变量和13个混凝土性能指标，解决了材料选取方面的挑战。通过整合材料评价、基于算法的优化和多准则决策，本研究创建了一个可复制且可扩展的可持续混凝土配合比设计模型。利用数据分析和自然启发算法，如遗传算法（GA），本研究通过添加可持续材料或矿物掺合料（SCMs）来优化混凝土性能。遗传算法有效地识别出MIX_009配方，该配方含有38 kg/m³粉煤灰、8 kg/m³硅灰、15 kg/m³偏高岭土、10 kg/m³稻壳灰和5 kg/m³硅藻精粉作为可持续材料，在最佳适应度值为?0.3605的情况下，显著减少了隐含CO₂排放（约257.59 kg/m³）和隐含能源消耗（约1545 MJ/m³）。此外，TOPSIS方法也验证了遗传算法输出的可靠性，将MIX_009排在首位，其逼近度为0.810，确认其在性能和可持续性方面是最均衡的选择。研究结果表明，绿色建筑材料可以在兼具科学严谨性和实际应用性的基础上得到开发，从而应对建筑行业面临的紧迫可持续性问题。