基于SD的高速公路工程造價(jià)控制模型

時(shí)維強(qiáng)，劉 玲，許 艷

(1.濟(jì)寧市鴻翔公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.武漢科技大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.山東中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355)

高速公路作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著廣為關(guān)注。截至2019年末，全國高速公路總里程已達(dá)14.96 萬km，規(guī)模居世界第一?！笆濉睍r(shí)期，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，交通運(yùn)輸進(jìn)入優(yōu)化升級(jí)的轉(zhuǎn)型期，對高速公路建設(shè)管理提出更高要求。

高速公路工程投資數(shù)額大，其造價(jià)一直是建設(shè)相關(guān)者和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，也是工程項(xiàng)目管理的核心目標(biāo)。在新一輪基建高潮中，對高速公路工程造價(jià)進(jìn)行主動(dòng)、精準(zhǔn)控制，提高項(xiàng)目綜合效益是一項(xiàng)亟待研究的課題。

目前，我國工程建設(shè)基本程序劃分為決策、設(shè)計(jì)、發(fā)承包、施工、竣工驗(yàn)收等階段；工程造價(jià)管理則相應(yīng)包含投資估算、初設(shè)概算、施工圖預(yù)算、合同價(jià)、竣工決算等多次計(jì)價(jià)過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，山東省近5年27個(gè)高速公路項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)費(fèi)占工程造價(jià)的比例均小于1.5%(其中2/3小于1%)，但設(shè)計(jì)階段對工程造價(jià)的影響程度高達(dá)75%以上。設(shè)計(jì)階段是決定工程造價(jià)控制效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但目前工程造價(jià)控制方法系統(tǒng)性差、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性弱、效果不佳。因此，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)方法對高速公路工程造價(jià)進(jìn)行有效控制，分析造價(jià)影響因素及其作用關(guān)系，構(gòu)建基于SD的工程造價(jià)動(dòng)態(tài)控制模型，并采用實(shí)例驗(yàn)證，為項(xiàng)目投資決策提供支持，為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供路徑和方法。

Pagoni等[1]基于SD模型評(píng)估公共政策和PPP(Public-Private Partnership)項(xiàng)目特征變化對PPP項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展的影響，為決策者提供戰(zhàn)略支持工具。Pinto等[2]以歐洲鋼鐵工業(yè)為例，將全生命周期分析(Life Cycle Assessment，LCA)方法整合到SD模型中，研究循環(huán)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生態(tài)學(xué)；該集成模型不僅能重現(xiàn)運(yùn)用SD或LCA的研究結(jié)果，而且可發(fā)揮各自優(yōu)勢，具有潛在效益，可為政策制定提供支持。Hu Wanjie等[3]基于SD研究城市交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部運(yùn)作與外部影響，模擬不同場景對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響，為投資決策和調(diào)控機(jī)制提供政策建議。Bure?等[4]以交通系統(tǒng)的T，X和環(huán)形交叉口為基本模塊，運(yùn)用SD理論在介觀層次上構(gòu)建交通系統(tǒng)控制模型，并可擴(kuò)展到任何類型的道路網(wǎng)，實(shí)證模擬仿真為交通控制系統(tǒng)提供科學(xué)的解決方案。

國內(nèi)研究人員嘗試將SD理論應(yīng)用于工程管理。莫俊文等[5]系統(tǒng)分析影響房地產(chǎn)項(xiàng)目成本的因素，研究其動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制，建立項(xiàng)目成本控制的SD模型，實(shí)證模擬結(jié)果可為房企項(xiàng)目成本控制提供科學(xué)的建議。孫春玲等[6]基于SD理論，研究EPC(Engineering Procurement Construction)總分包交易成本的影響因素及動(dòng)態(tài)調(diào)控規(guī)律，構(gòu)建SD模型仿真并提出成本控制策略。楊玉勝等[7]基于SD方法，分析研究PC(Precast Concrete)建筑造價(jià)影響因素的邏輯關(guān)系，建立造價(jià)控制模型并仿真，為政府決策和企業(yè)實(shí)施項(xiàng)目提供建議。謝婷等[8]分析研究城市軌道交通PPP項(xiàng)目特許期的影響因素，構(gòu)建特許期的SD模型，對各因素進(jìn)行敏感性分析，為確定PPP項(xiàng)目的特許期提供參考。

高速公路工程造價(jià)控制具有自身的特點(diǎn)，SD理論鮮有涉及該領(lǐng)域或研究淺嘗輒止，其在工程等領(lǐng)域的研究成果，說明SD應(yīng)用于高速公路工程造價(jià)控制是先進(jìn)的和可行的，且可豐富該理論的應(yīng)用領(lǐng)域、拓展其發(fā)展空間。研究為高速公路工程造價(jià)控制提供一種新思路、新方法，有利于提升其造價(jià)管理水平，促進(jìn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)是一門認(rèn)識(shí)和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科；它將系統(tǒng)科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)模擬仿真緊密結(jié)合，研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為，是系統(tǒng)科學(xué)與管理科學(xué)的重要分支[9]。該理論為分析、解決社會(huì)與自然科學(xué)問題提供一種新路徑、新方法。SD模型被稱為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等復(fù)雜大系統(tǒng)的“試驗(yàn)室”。SD研究方法將定性與定量、模型同計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，并進(jìn)行綜合推理。

系統(tǒng)是指相互作用、相互聯(lián)系的事物，按照一定規(guī)律組合起來的集合[10]，其作為SD理論的基礎(chǔ)，正是系統(tǒng)各部分之間的相互作用決定總的動(dòng)態(tài)行為特征。

為研究系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在SD中常采用因果關(guān)系圖、存量流量圖等表示。因果關(guān)系圖可直觀、定性地反映系統(tǒng)要素間的因果關(guān)系；在其基礎(chǔ)上繪制的系統(tǒng)存量流量圖，可進(jìn)一步定量描述變量的性質(zhì)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，明確反映系統(tǒng)要素相互作用關(guān)系的全貌，提供構(gòu)建SD方程的藍(lán)圖、數(shù)據(jù)搜集的依據(jù)、系統(tǒng)分析和策略構(gòu)思的基礎(chǔ)[11]。

2 高速公路工程造價(jià)控制指標(biāo)選取

2.1 工程造價(jià)控制現(xiàn)狀及問題

通過文獻(xiàn)研究和專題調(diào)查，現(xiàn)階段我國高速公路建設(shè)存在工程造價(jià)節(jié)節(jié)攀升、“三超”等現(xiàn)象[12,13]。根據(jù)文獻(xiàn)梳理及分析，主要有以下問題引起工程造價(jià)的增加：(1)前期工作保障措施不力；(2)地方政府要求增設(shè)立交、連接線等；(3)設(shè)計(jì)方案不合理；(4)工料機(jī)價(jià)格、土地征遷補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)等大幅提高。

2.2工程造價(jià)影響要素

依據(jù)JTG 3830—2018《公路工程建設(shè)項(xiàng)目概預(yù)算編制辦法》[14]，工程造價(jià)由建安費(fèi)、土地使用及拆遷補(bǔ)償費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)、預(yù)備費(fèi)、建設(shè)期貸款利息等組成。工程造價(jià)具有異質(zhì)性、組合性、動(dòng)態(tài)性、多次性、專業(yè)性、系統(tǒng)性等特征，并受諸多因素影響。

根據(jù)文獻(xiàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)計(jì)階段高速公路工程造價(jià)的主要影響因素有五個(gè)方面：(1)設(shè)計(jì)方案；(2)建設(shè)條件；(3)工料機(jī)價(jià)格；(4)項(xiàng)目規(guī)模與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；(5)國家政策[10,12]。各因素及其細(xì)分指標(biāo)對造價(jià)的影響程度大小將在項(xiàng)目模型參數(shù)設(shè)計(jì)及敏感性分析中體現(xiàn)。

2.3 工程造價(jià)控制指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)上述編制辦法等現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合造價(jià)構(gòu)成、工程屬性和數(shù)據(jù)可采集性等，綜合考慮造價(jià)影響因素，選取并建立設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制指標(biāo)體系，如表1所示。

3 高速公路工程造價(jià)動(dòng)態(tài)控制的SD模型

3.1 確定系統(tǒng)邊界

SD認(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為緣于系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的作用關(guān)系，系統(tǒng)邊界界定形成特定行為所包含的最小數(shù)量單元。在建模時(shí)先確定模型的系統(tǒng)邊界，包羅核心、關(guān)鍵要素，忽略非關(guān)鍵因素。根據(jù)表1，模型將設(shè)計(jì)階段涉及的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)劃到系統(tǒng)邊界內(nèi)，保證系統(tǒng)邊界清晰和模型運(yùn)行效果。

表1 設(shè)計(jì)階段高速公路工程造價(jià)控制指標(biāo)體系

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 繪制因果關(guān)系圖

在建模時(shí)，運(yùn)用VensimPLE軟件繪制因果關(guān)系圖，見圖1。因果關(guān)系圖清晰地反映工程造價(jià)的組成、影響因素及其邏輯關(guān)系。

根據(jù)圖1，以工程造價(jià)為起點(diǎn)，分析該系統(tǒng)存在兩條正反饋回路：高速公路工程造價(jià)→+設(shè)計(jì)方案→+工程量→+直接費(fèi)→+建安費(fèi)→+靜態(tài)投資→+工程造價(jià)；工程造價(jià)→+設(shè)計(jì)方案→+工程量→+占地面積→+土地使用及拆遷補(bǔ)償費(fèi)→+靜態(tài)投資→+工程造價(jià)。

圖1 高速公路工程造價(jià)影響要素的因果關(guān)系

3.2.2 繪制存量流量圖

在圖1基礎(chǔ)上繪制系統(tǒng)存量流量圖，見圖2。

圖2 高速公路工程造價(jià)控制指標(biāo)的系統(tǒng)存量流量圖

存量流量圖主要涉及兩個(gè)變化：一是考慮模型的可操作性和數(shù)據(jù)的可獲取性，引入主材權(quán)重系數(shù)、橋梁比等常量；二是引入建安費(fèi)、土地使用及拆遷補(bǔ)償費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)、高速公路工程造價(jià)等4個(gè)狀態(tài)變量，前三個(gè)變量是工程造價(jià)的主要組成部分，決定第4個(gè)變量，4個(gè)變量密切相關(guān)。

3.2.3 建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)圖2，運(yùn)用Vensim軟件建立各變量的SD方程，如表2所示。

表2 工程造價(jià)控制模型方程一覽

續(xù)表2

4 模型檢驗(yàn)

4.1 項(xiàng)目簡介

以山東省JT高速公路為研究對象，模擬設(shè)計(jì)方案與工程造價(jià)的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選。

該項(xiàng)目路線全長為55.798 km，雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。主線設(shè)特大橋5316 m(4座)，大中小橋14077 m(63座)，隧道13087 m(6座)，互通立交8處。新增永久占地面積519.481 ha，項(xiàng)目計(jì)劃工期為3.5 年，批復(fù)初設(shè)概算為112.94 億元，核準(zhǔn)估算為105.66 億元。本項(xiàng)目沿線地形復(fù)雜，橋隧比高，為一條生態(tài)旅游的山區(qū)高速公路。

4.2 模型假設(shè)和參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 模型假設(shè)

高速公路工程造價(jià)指標(biāo)與項(xiàng)目影響因子等有關(guān)，對模型做如下假設(shè)：

(1)該系統(tǒng)外部環(huán)境穩(wěn)定。工程造價(jià)除受自身特性影響外，還受國內(nèi)外社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響。但系統(tǒng)無法考慮所有因素，否則會(huì)增加其復(fù)雜性，影響模擬結(jié)果。

(2)本研究未考慮價(jià)差預(yù)備費(fèi)。模型與現(xiàn)實(shí)要求一致。

(3)該模型模擬時(shí)間為2 年，時(shí)間步長為1年。通常高速公路工程設(shè)計(jì)周期為2 年。

4.2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合JT高速公路實(shí)際情況，設(shè)定模型參數(shù)。

(1)各專業(yè)技術(shù)影響因子

建安費(fèi)與工程量、技術(shù)影響因子等有關(guān)，技術(shù)影響因子與各專業(yè)系數(shù)及其權(quán)重相關(guān)。依據(jù)設(shè)計(jì)文件，本項(xiàng)目技術(shù)影響因子見表3。

表3 JT高速公路技術(shù)影響因子

(2)工料機(jī)價(jià)格影響因子

工料機(jī)價(jià)格波動(dòng)對工程造價(jià)產(chǎn)生重要影響，依據(jù)主成分分析方法，鋼筋等五種材料占材料費(fèi)的80%以上，選取主要的工料機(jī)價(jià)格影響因子，如表4所示。

表4 工料機(jī)價(jià)格影響因子

4.3 結(jié)果分析與建議

將JT項(xiàng)目的數(shù)據(jù)代入模型，運(yùn)行VensimPLE軟件，模擬不同設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的工程造價(jià)，分析模擬結(jié)果，進(jìn)行方案比選。設(shè)計(jì)路線方案論證以K線和E線方案為例，進(jìn)行同深度設(shè)計(jì)，先進(jìn)行定性分析比較，見表5；再定量研究，調(diào)整模型的差異化參數(shù)，將模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)概算對比，見表6。模擬仿真K線、E線設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的工程造價(jià)，如圖3，4所示。

表5 路線方案比較

表6 設(shè)計(jì)方案概算對比

圖3 K線工程造價(jià)模擬曲線

圖4 E線工程造價(jià)模擬曲線

表6概算數(shù)據(jù)來源于設(shè)計(jì)文件，為簡化計(jì)算，重點(diǎn)對建安費(fèi)、征遷費(fèi)進(jìn)行比較；仿真數(shù)據(jù)包含造價(jià)的主要組成部分。E線方案比K線的路線短0.401 km，建安費(fèi)少10397.96 萬元，征遷費(fèi)少1062.99 萬元，造價(jià)降低11460.95 萬元；系統(tǒng)模擬兩方案的概算差額為15177.46 萬元(含利息等)。系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)際工程造價(jià)一致，表明該模型能快速、準(zhǔn)確得出設(shè)計(jì)概算測算結(jié)果，檢驗(yàn)E線方案功能更先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)更合理。可見模型在設(shè)計(jì)方案比選中具有明顯優(yōu)勢，能為方案比選提供決策支持。

通過工程造價(jià)控制模型的構(gòu)建與模擬分析，在工程設(shè)計(jì)階段，綜合考慮本項(xiàng)目特點(diǎn)、造價(jià)影響因素的敏感程度，在確定設(shè)計(jì)思路和多方案比選時(shí)，主動(dòng)、超前進(jìn)行造價(jià)控制，通過模型仿真進(jìn)行客觀、定量評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案功能技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一。通過對各專業(yè)技術(shù)、工料機(jī)價(jià)格影響因素的敏感性分析，建議以路線、橋隧專業(yè)為造價(jià)控制重點(diǎn)進(jìn)行方案比選和設(shè)計(jì)優(yōu)化；在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化，以鋼筋主材為重點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)，合理有效控制工程造價(jià)。

5 結(jié) 論

(1)基于高速公路工程造價(jià)管理的新需求，分析設(shè)計(jì)階段造價(jià)的主要影響因素，建立造價(jià)控制指標(biāo)體系。

(2)運(yùn)用SD理論繪制因果關(guān)系圖、存量流量圖，構(gòu)建高速公路工程造價(jià)控制的SD模型，系統(tǒng)揭示各要素或變量之間的作用關(guān)系及關(guān)聯(lián)度。研究將SD方法與高速公路工程造價(jià)管理相結(jié)合，拓展了SD理論的應(yīng)用空間。

(3)實(shí)證檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能快速測算不同設(shè)計(jì)方案的工程造價(jià)；仿真結(jié)果客觀反映設(shè)計(jì)方案比選情況，優(yōu)勢顯著。實(shí)證研究表明模型的先進(jìn)性和有效性，為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及主動(dòng)精準(zhǔn)控制工程造價(jià)提供了新的路徑和方法。

(4)模型仿真結(jié)果高效、可靠，若后續(xù)研究進(jìn)一步細(xì)化工程造價(jià)控制指標(biāo)或延伸仿真周期，則模型測算結(jié)果將更精準(zhǔn)，應(yīng)用更廣闊，為項(xiàng)目投資決策和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供支持和方法，有利于提升工程建設(shè)管理水平。