多标准决策分析方法的收敛性与发散性评估：生态高效砖块的可持续性评价研究

《Journal of Building Engineering》：Convergence and Divergence Assessment for Multi-Criteria Decision Analysis methods: Sustainability evaluation study for eco-efficient bricks

　　• 生态砖通过12个可持续性指标进行评估。• 应用了4种多标准决策分析（MCDAs）和1种CDA框架进行比较。• 36位专家参与了权重分配和验证过程。• CDA显示了不确定性和验证结果。

引言
20世纪70年代初的能源危机，由于石油价格急剧上涨而引发，凸显了减少能源消耗的紧迫性和重要性。这场危机加上工业增长和人口增加，导致全球能源需求显著上升，促使研究人员和政策制定者高度重视能源消耗管理。建筑业作为最大的能源消耗者之一，占总能源消耗的约40%，并贡献了36%的全球二氧化碳排放量1,2,3。此外，根据美国能源部（DOE）的报告，住宅和商业建筑在美国的电力消费中占76%，温室气体（GHG）排放中占40% [4]。因此，提高建筑的能源效率已成为减少能源消耗和温室气体排放的最有效策略之一 [5]。

要实现节能和环保的建筑，在设计、施工和建筑材料选择阶段都需要做出明智的决策。在这方面，使用创新和环保的建筑材料不仅可以减少能源消耗，还可以在全球范围内有助于减轻温室气体排放 [6, 7]。在各种建筑构件中，墙体在提供热绝缘方面起着重要作用，被认为是影响建筑能源性能的最重要因素之一，因为它们控制着室内和室外环境之间的热量传递 [5, 8]。因此，提高墙体的热性能可以减少能量损失，提高居住者的热舒适度，并降低建筑运营成本。

评估墙体的热性能需要准确了解建筑材料的导热性能和比热容等热特性，因为这些特性决定了通过建筑围护结构的热传递速率 [8, 9, 10, 11]。墙体的另一个重要功能是分隔空间和房间，同时定义建筑物的形态和功能。此外，墙体在许多建筑中还起到结构支撑的作用。因此，使用低导热性的材料不仅能够改善建筑的能源性能，还能增强结构安全性、热舒适度和隔音效果 [12]。

鉴于墙体的多种功能，仅基于热性能来选择合适的材料是不够的。还应同时考虑环境、社会、技术和经济方面的因素。此外，这些标准的重要性会根据气候条件和区域特性而有所不同。例如，在地震风险较高的地区，墙体的强度和安全性比其他标准更为重要。因此，应基于多种性能指标来评估建筑墙体材料，以确定每个地区最合适的选择。因此，从环境、社会、技术和经济角度研究和评估不同的墙体材料，对于在不同地区开发可持续和节能的建筑至关重要 [12, 13, 14]。

人口的快速增长、城市化、工业发展以及多样化的人类活动导致了大量废物的产生，对建筑材料的需求也在不断增加 [7, 16]。据估计，全球每年产生的固体废物约为20亿吨 [5, 9, 17]。工业和农业废物的不断积累引发了关于废物管理和环境保护的重大环境问题 [18]。因此，将这些废物材料用于建筑材料的生产受到了越来越多的关注，作为一种促进循环经济和减少环境影响的有效策略 [14]。

在建筑材料中，砖块和砌块由于其高抗压强度和出色的耐久性，一个多世纪以来一直被用作建筑物、桥梁、隧道、地板、墙体、拱门、烟囱、露台、人行道和壁炉的主要建筑材料 [11]。这些材料有多种类型，包括烧结黏土砖、粉煤灰砖、耐火砖、实心砂石灰砖、砌块和热声砖 [11]。尽管具有上述优点，但黏土砖的过度生产会导致大量黏土的消耗，从而减少可耕地并耗尽自然资源。因此，一些国家（如中国）对砖的生产中黏土的使用进行了限制，以促进用替代材料和可持续材料取代传统原材料。近年来，使用含有各种废物的烧结陶瓷砖作为废物回收和减少自然资源消耗的有效方法受到了广泛关注 [7, 19]。

从技术角度来看，烧结砖的质量基于堆积密度、表观孔隙率和吸水性来评估，这些都是评估产品质量和是否符合工业标准的重要指标 [20]。砖体在环境条件下的耐久性主要受两个物理性质的影响：抗压强度和吸水性，因此高质量的建筑材料应具有低吸水率和高的抗压强度 [6, 7]。砖的最终性能不仅取决于原材料类型，还取决于制造过程，包括成型方法、干燥过程和烧结温度，这些参数决定了最终产品的物理和机械性能 [21, 22, 23]。因此，许多研究探讨了使用黏土或天然沸石作为基础材料，并添加各种废物来生产复合烧结砖。这些添加剂包括稻壳废弃物 [24]、茶叶废弃物 [25]、椰壳废弃物 [26]、制革污泥 [27]、香烟过滤嘴 [28]、锯末 [29]、农业废弃物 [30]、处理过的废水污泥（生物固体）[31]、废弃大理石污泥 [32]、粉煤灰 [33]、蛋壳 [7] 和纸浆残渣 [34]。

尽管有许多研究关注生态高效砖的开发，并研究了其物理、机械和热性能，但只有少量研究从建筑规模和建筑能源性能的角度评估了这些材料的性能。例如，Kamalabadi Farahani等人 [5] 将生态高效砖的尺寸转换为砌块尺寸，并使用数学方程计算了砌块的热性能。将砖转换成砌块后，其导热性能从0.89 W/mK降低到0.48 W/mK。此外，通过将这种砌块纳入使用EnergyPlus软件开发的建筑能源模拟模型中，发现生态高效砌块的能源性能优于建筑行业的传统砌块，节能效果可达5%至12.5% [5]。Annaba等人 [35] 使用TRISCO软件将砖转换为砌块，然后使用TRNSYS软件进行了年度建筑能源模拟。在这项研究中，研究了砖与多层砂浆和轻质火山灰混凝土结合的热性能。使用TRISCO软件将砖制成夹层试样后，其导热性能介于0.42至0.68 W/mK之间。最后，这些产品被应用于摩洛哥的一栋建筑中，并对其能源性能进行了评估 [35]。

尽管建筑能源性能很重要，但成功规划和开发可持续建设项目不仅需要选择合适的材料，还需要评估其对环境、社会和经济指标的影响。可持续发展要求从这三个方面全面评估建筑材料。环境指标包括空气质量、气候变化、噪音污染、废物产生、可再生和不可再生能源的使用、再利用潜力或废物产生以及原材料消耗的优化。此外，还应该评估项目和对社会经济指标的影响，包括韧性、适应性材料、公共健康与安全、项目的可负担性、坚固性和劳动条件 [36, 37]。

世界银行等组织目前只资助符合环境、社会和经济可持续性要求的建设项目，这反映了这一问题的重要性 [38]。此外，CEN TC350委员会推动使用含有回收成分的材料来支持建筑业的可持续发展。这些材料应考虑其维护周期，尽量减少环境影响，具备高适应性，并便于组装和拆卸。此外，它们还应具有足够的耐久性和抗性，以减少废物产生、维护需求和更换频率。此外，这些材料应能够抵御极端天气事件和自然灾害（如地震和海啸）等不可预见的情况 [39, 40]。

多标准决策分析（MCDA）方法已成为建筑材料选择的主要工具之一，因为它们同时考虑了环境、社会和经济指标，可以确定建设项目中最合适的选择 [41, 42]。尽管生态高效砖具有多种优势，包括回收潜力、减少废物、降低原材料需求和经济效益，但由于涉及多个决策标准，选择最佳方案仍然具有挑战性。在这项研究中，使用四种不同的MCDA方法评估了生态高效砖的可持续性，并对其进行了排名，以确定最适合建筑设计和施工的选项。然而，正如之前的研究 [12, 14] 所报告的，这四种方法得出的结果并不一致。这突显了验证MCDA方法结果的必要性。表1显示了使用各种决策方法选择最佳选项的研究，例如砖块和墙体隔热材料。例如，Komisarczyk和Dachowski [43] 使用试验和评估实验室方法以及关键标准作为选择砖块的决策方法。他们发现导热性和抗压强度会影响其他标准。Zigmund等人 [44] 使用BIM模型和加权聚合和积分数评估方法来选择最佳砌体立面生产方案。Iachachene等人 [45] 使用加权求和模型（WSM）预测相变材料在生态高效砖中的应用，以获得最佳的热性能。在另一项研究中，Murugesan等人 [46] 使用VlseKriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje（VIKOR）方法评估分析和实验测试结果，以选择最佳砖块。他们认为水泥砖是最环保的，因为它的内含能量最低，温室气体排放最少。Maaze和Shrivastava [47] 使用层次分析法（AHP）选择了可持续和环保的砖块。还有一些研究人员使用基于理想解相似性的排序技术（TOPSIS）来评估使用绿色建筑材料、可再生能源以及降低建筑能耗的可持续性，同时考虑了隔热效果和可再生能源的使用 [48, 49, 50]。

尽管之前的研究已经对生态高效砖进行了可持续性评估，并研究了其物理、机械和热性能，但尚未解决一个问题：应该使用哪种MCDA方法来对这些砖块进行排序，以确定最佳的生态高效砖？换句话说，不同的研究人员使用了多种MCDA方法。在这项研究中，使用四种MCDA方法进行了全面的可持续性评估。为了对13种生态高效砖进行可持续性评估，为所有砖块确定了12个环境、社会和经济指标。为了获得可持续性评估的累积结果，首先设计了问卷，并根据与研究相关领域的专家访谈结果和填写的问卷确定了各指标的权重和效应值。之后，使用四种MCDA方法对最佳选项进行了排序。然而，这些方法的排序结果并不完全一致。此时，需要回答哪种MCDA方法更可靠的问题。为了解决这一问题，本研究首次引入并应用了一个称为收敛性和发散性评估（CDA）的框架，以评估不同MCDA方法获得的结果的一致性和可靠性。该框架比较了不同MCDA方法的结果，评估了它们之间的收敛程度和发散程度，并评估了每种方法的可靠性。此外，还将多属性决策分析（MCDA）方法的结果与通过问卷调查和访谈获得的利益相关者判断进行比较，以确定数值排名与利益相关者实际偏好之间的吻合程度。为此，设计了一份名为“问卷第2号（Bricks Brochure）”的文件，其中包含了这些环保砖块的最终技术参数，并将其分发给不同的利益相关者群体，以便了解他们的首选选项，并将其偏好与MCDA方法及提出的CDA框架得出的结果进行对比。本文的其余部分结构如下：第2节介绍了研究方法，包括指标的选择、数据收集、权重确定过程以及四种MCDA方法和所提出的CDA框架的应用；第3节讨论了分析结果，比较了不同方法的结果，并评估了它们与利益相关者偏好的一致性或差异；最后一部分总结了主要发现，强调了研究的意义，并为未来的研究提供了建议。

**方法论**
本研究的主要目标是评估13种环保砖块的可持续性。选择这些砖块的标准是对其所有的物理和热性能进行了检测和展示。根据13种环保砖块的特性、混合比例和测试结果，确定了各指标的权重。问卷调查和访谈的结果被用来确定这些指标的权重。

**结果与讨论**
可持续性指标揭示了这些环保砖块在性能方面的明显层次结构，这一结构受到所选成分材料的显著影响。含有工业副产品（如粒化高炉矿渣、铁铬矿渣和钢渣）的砖块在所有可持续性方面都表现出更优的协同效应。这些混合物对环境的影响最小，其中规定的气候变化指标值为126.9千克二氧化碳/立方米，空气污染指标值为0.33千克/立方米。

**结论**
本研究的结果与先前使用MCDA方法对建筑材料进行可持续性评估的研究一致，并对其进行了扩展。例如，有一项研究利用TOPSIS和AECIEI方法对由受污染沉积物和石灰华废弃物制成的人造石材的可持续性进行了评估，该研究表明AECIEI方法能够提供更准确和敏感的结果，因为它能够考虑更多相关因素。

**作者贡献声明**
Mohammad Kamalabadi Farahani的职责包括撰文、审稿与编辑、原始稿撰写、资源整理、方法论制定、调查实施、数据分析及数据管理。
Aydin Shishegaran的职责包括撰文、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、软件选用、资源调配、方法论制定、调查实施、资金筹集、数据分析及概念构建。
Sajjad Mirvalad的职责包括撰文、审稿与编辑、数据可视化、结果验证及项目监督。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究工作的个人关系。

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在撰写过程中，作者使用了Grammarly工具来提升文本的可读性。作者对内容进行了审查和编辑，并对最终发布的成果负全责。

感谢来自大学、市政府、房地产机构、工程设计公司和环境机构的所有专家参与了本次问卷调查。

**致谢**