基于SD 模型的綠色建筑建造成本控制研究

肖朔晨，朱亞飛，李 磊，李家豪，王 宇，莫盛杰

（河北建筑工程學院 經(jīng)濟管理學院，河北 張家口075000，E-mail：1960592078@qq.com）

綠色建筑集“四節(jié)一環(huán)?！庇谝簧?，最大限度地節(jié)能減排、節(jié)約資源和保護環(huán)境，為人類提供健康舒適、高效的生活空間，盡可能地實現(xiàn)人與自然環(huán)境和諧共生的高質量建筑[1]。雖然綠色建筑完全符合時代發(fā)展的要求，但建造成本的高昂一直是限制綠色建筑發(fā)展的壁壘，同時也是投資方望而卻步的主要原因之一。

許多學者圍繞綠色建筑成本這一主題做了大量研究，如王連月等[2]梳理相關文獻來提取影響綠色建筑成本的影響因素，結合DEMATEL-ISM 構建指標模型，并結合關鍵指標的研究結果提出綠色建筑成本控制的針對性建議。薛凡等[3]通過半結構問卷收集綠色建筑的增量成本影響因素的數(shù)據(jù)來構建其指標體系，得出項目理念、相關政策、節(jié)能等是影響綠色建筑增量成本的重要因素。王藝蕾等[4]提出了基于數(shù)字孿生的綠色建筑運營成本管理框架，從技術的角度來優(yōu)化運營成本的管理，降低綠色建筑運營成本。何向彤[5]基于全壽命周期成本理論，采用主成分分析法對影響綠色建筑的24 個因子進行分析，結合模糊識別法及蒙特羅卡法構建綠色建筑全壽命周期成本估算模型。魏文嬌[6]運用多目標粒子群優(yōu)化計算方法對綠色建筑的墻體、窗等圍護結構對不同熱環(huán)境和光照情況模擬計算出不同的建設成本，以此篩選最優(yōu)的設計方案進而降低其建設成本。趙維樹等[7]基于問卷數(shù)據(jù)，結合結構方程模型研究特性、管理、技術、經(jīng)濟4 個維度之間的關聯(lián)度，進而確定影響綠色建筑成本的關鍵影響因素。李麗紅等[8]通過關鍵詞檢索梳理綠色建筑相關文獻提取其15 個影響因素，運用ISM-MICMAC分析指標間的層級關系、驅動力度及依賴性程度并針對研究結果提出具體的優(yōu)化措施。丁洪濤等[9]基于建立的綠色建筑大數(shù)據(jù)管理平臺，采用大數(shù)據(jù)技術對綠色建筑能源和資源實時監(jiān)控，科學合理地分配資源，最終從技術角度有效降低了綠色建筑成本。

綜上所述，關于綠色建筑成本方面的研究大多采用定性的研究方法，或建立靜態(tài)的數(shù)學模型進行定量分析，或運用數(shù)字化技術、可視化管理平臺等從技術角度來管控成本，很少有學者從動態(tài)視角對該問題進行量化分析?；诖?，本文針對綠色建筑成本的重點階段即建造階段進行研究。通過梳理系統(tǒng)動力學運作原理，構建系統(tǒng)動力學方程模擬綠色建筑建造成本這一復雜系統(tǒng)的因果信息反饋，結合Vensim-PLE 軟件進行不同情景的動態(tài)仿真，并針對關鍵因素提出合理化建議，以期降低建造成本，為投資方提供成本管控的參考依據(jù)，進而促進綠色建筑的發(fā)展。

1 綠色建筑建造成本的構成

綠色建筑項目的壽命周期包含規(guī)劃設計階段、實施階段、使用階段及后期的報廢處置階段[10]。根據(jù)以往項目經(jīng)驗及相關文獻梳理，大量的成本發(fā)生在建筑的施工期，雖然規(guī)劃設計階段發(fā)生的費用較少，但是它對于后期施工階段的影響較大。所以本文將這兩個階段結合在一起作為同一個系統(tǒng)進行分析，而綠色建筑相較于傳統(tǒng)建筑在費用成本構成上并無多大區(qū)別，通關查閱綠色建筑成本相關文獻，搜集、歸納各階段成本費用單元，對綠色建筑建造成本構進行劃分。具體構成如圖1 所示（按照EBS 分解原則、方法對其進行編寫代碼[11]，其中系統(tǒng)目標和階段代碼命名取首字母縮寫）。

圖1 綠色建筑建造成本構成

2 系統(tǒng)動力學模型建立

系統(tǒng)動力學（System Dynamics，SD）適用于研究復雜系統(tǒng)的結構、功能與行為之間的動態(tài)聯(lián)系，借助計算機模擬可以定性和定量地研究系統(tǒng)問題[12]。系統(tǒng)動力學從系統(tǒng)結構本身出發(fā)來建立規(guī)范的仿真模型，該模型可以從動態(tài)角度來剖析問題、解決問題，為綠色建筑建造成本管控開拓一個新的研究方法和思路。該研究方法通過對研究對象的綜合分析來構建其現(xiàn)實系統(tǒng)的結構模型，用因果反饋回路和系統(tǒng)流圖來具體描述研究對象各因素之間的邏輯關系，在專門的仿真軟件中設定函數(shù)方程來具體描述因素間的數(shù)量關系并進行仿真。

2.1 確定系統(tǒng)目標及界限

2.1.1 系統(tǒng)目標

本文研究目標對象是綠色建筑建造成本影響因素，主要分析在影響因素不同情景（即改變設定變量的參數(shù)大?。┑淖饔孟?，各指標對綠色建筑建造成本的影響情況及規(guī)律，進而確定關鍵因素，通過系統(tǒng)動力學方法對所建模型進行改善，在仿真結果的基礎上提出合理化建議，降低建造成本，從經(jīng)濟的角度去促進綠色建筑的發(fā)展。

2.1.2 系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)邊界的確定需堅持必要和簡約的原則[13]，將對綠色建筑建造成本影響較大、必需的指標納入界限，能集中簡化的就簡化后再納入。但有些因素對非綠色建筑同樣有影響，所以本文就不再作為研究重點。同時指標選取還應遵循可操作性原則：在諸多學者研究的基礎上，有很大一部分指標無法精確量化。所以，在指標選取過程中考慮到后期建模、分析，優(yōu)先選擇具有現(xiàn)實可操作性，能夠用數(shù)字量化的指標。

綠色建筑較于傳統(tǒng)建筑主要的不同在于，做了“四節(jié)一環(huán)?！钡哪繕嗽O計。建造中注重建筑、環(huán)境和社會和諧，以低碳節(jié)能為目標，保護環(huán)境、減少污染。基于此，本文將綠色建筑建造成本系統(tǒng)的影響因素劃分為直接影響因素和間接影響因素，前者主要是成本費用的構成，后者則是圍繞綠色建筑而增加設計要求來確定指標。

（1）直接影響因素。①土地費用（X1）：指開發(fā)商用來購買地皮所支付的費用綜合，是土地使用者取得土地使用權和土地對應年限收益的購買價格[14]。②可行性研究費用（X2）：就綠色建筑而言，更加強調對社會和環(huán)境的影響，項目需嚴格遵守綠色建筑的相關要求，對于節(jié)能、節(jié)材及室內外環(huán)境等設計方案更加看重。所以為實現(xiàn)綠色建筑要求，投入的設計方案就越多，相應的可行性研究的程度就越深，費用就相對越高。③勘察設計費用（X3）：主要是指對建筑環(huán)境勘察和建筑圖紙設計所發(fā)生的費用，雖然所占建造成本比重不多，但其對成本影響卻很大，勘察設計的質量直接關系后期的造價費用。④招標代理費用（X4）：招標過程中發(fā)生的相應服務費，一般按后期施工過程中的造價乘以相關系數(shù)來收取。⑤建安費用（X5）：發(fā)生在施工和設備安裝過程中的費用，包括直接費、間接費、稅費和利潤。X3～X5計價一般按照直接費乘以相關系數(shù)。⑥工程監(jiān)理費（X6）和預備費（X7）：X6與X7與建安費用相關，根據(jù)工程造價費用乘以相關系數(shù)來計價。

（2）間接影響因素。①節(jié)能設計（X8）、室內外環(huán)境設計（X10）：是為了實現(xiàn)綠色建筑節(jié)能減排，保證人能健康舒適生活的前提下，最大限度實現(xiàn)建筑與自然環(huán)境的和諧相處而增加的功能要求。主要是圍護結構、設備系統(tǒng)、可再生能源利用、配套設施等設計。②節(jié)材設計（X9）：提高綠色建材、可再生能源、新型材料等利用率，一般分為建筑材料節(jié)約和建筑結構節(jié)材。

2.2 系統(tǒng)指標的因果關系

根據(jù)前文對各因素及相關文獻對于費用成本的說明，設立輔助變量建造總成本、建造成本水平值（JCC）、期望值[11]。建設總成本輻射到各費用單元，各費用單元經(jīng)時間進行累積匯總到建造成本水平值，當水平值達到期望值時，再反饋到總成本，總成本再反饋到各費用單元，這樣就形成了一個完整的因果反饋回路。如圖2 所示（“+”表示正相關即在反饋環(huán)中該因素的變動會導致相關變量向同一方向變動而且趨勢越來越強，屬于自我強化的功能?！?”表示負相關即在反饋環(huán)中該因素變動時會經(jīng)過相關變量依次作用進而降低該因素的變化趨勢促使變化趨于穩(wěn)定，屬于自我調節(jié)的功能）。

圖2 因果反饋圖

2.3 系統(tǒng)流圖

系統(tǒng)流圖中最基本的構成要素是狀態(tài)變量和速率變量。狀態(tài)變量是描述系統(tǒng)的核心，該變量在系統(tǒng)內部隨著時間的變化而逐漸累積，它在某時間段的大小取決于該段時間與輸入速率和輸出速率之差的積，合理設定狀態(tài)變量是實現(xiàn)系統(tǒng)正確仿真的前提；速率變量是系統(tǒng)活動本身的描述即單位時間內系統(tǒng)的流量，其變化直接影響著狀態(tài)變量的值。

綠色建筑建造成本就是各單元費用在時間維度上的積累，最后再反饋到建造成本上。在整個綠色建筑建造成本的反饋系統(tǒng)中包含狀態(tài)變量（各費用單元的積累量）、速率變量（各費用單元單位時間內的增加量）、輔助變量（各費用單元積累變量的匯總值）、常量（各變量之間的影響系數(shù)及各費用單元占總目標的比重）。將反饋系統(tǒng)中各變量在仿真軟件中用特定圖形連接在一起構成系統(tǒng)流圖，用它可以清晰地描述影響綠色建筑建造成本反饋系統(tǒng)動態(tài)性能的積累效應。

基于因果反饋回路的分析，設定綠色建筑建造成本仿真模型中所涉及的參數(shù)，如表1 所示。其中綠色建筑建造成本水平值（JCC 水平）表示各狀態(tài)變量乘以與之相對應的貢獻率再進行相加匯總。

表1 模型參數(shù)設定

根據(jù)上述對綠色建筑建造成本影響因素的解釋說明，進一步分析各影響因素之間的相互影響程度，具體分析結果如表2 所示。

表2 因素之間相互影響情況

在實際項目中，考慮到綠色建筑建造成本各費用單元所占建造總成本比重不同，所以在對構建的綠色建筑建造成本系統(tǒng)動力學模型進行仿真時需要將各因素狀態(tài)變量乘以相應系數(shù)再對輔助變量（JCC 水平）進行累加。系統(tǒng)動力學模型中的Fi就是各因素的貢獻率，其中間接因素貢獻率取平均值0.1，直接因素通過問卷調查的方式計算其貢獻率（0.7*比重）。本文對建筑工程專業(yè)的人員（造價職員、老師、學生）發(fā)放150 份問卷，回收有效問卷120 份。統(tǒng)計結果如表3 所示。

表3 各費用單元貢獻率

基于上述參數(shù)在專門的仿真軟件中構建綠色建筑建造成本系統(tǒng)流圖（見圖3），并對系統(tǒng)模型中所涉及的變量進行參數(shù)化賦值，設定狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量的函數(shù)方程。

圖3 系統(tǒng)流圖

2.4 模型檢驗

在綠色建筑建造成本反饋系統(tǒng)模型構建完成后，需要對該模型的合理性進行檢驗和判斷。

（1）檢查模型中的變量是否完全輸入正確，確保在系統(tǒng)模型中設置了與研究問題相關的變量。

（2）對仿真模型中的每個變量的函數(shù)方程進行檢驗，確保模型中設置了所輸入的變量的單位、數(shù)學符號等。

（3）檢查模型中的反饋回路是否完整合理，如若發(fā)現(xiàn)不合理的反饋環(huán)，及時做出調整，以免影響仿真數(shù)據(jù)的合理性。

通過上述流程對建立的模型進行檢查，模型中所涉及的變量、函數(shù)方程、數(shù)學符號等均通過仿真軟件的檢驗，模型構建合理（軟件自動檢測，通過檢測過程后方可進行系統(tǒng)目標仿真）。

3 系統(tǒng)動力學模型仿真

通過Vensim-PLE 軟件對構建的綠色建筑建造成本系統(tǒng)動力學模型進行11 次情景仿真，進而得到10 個因素指標對綠色建筑建造成本的仿真數(shù)據(jù)，通過對不同情景下仿真結果分析來判斷各影響因素對綠色建筑建造總成本的影響規(guī)律及重要程度。情景1（P0）：因素投入量Si參數(shù)值均設為0.4 進行仿真，得到JCC 水平的變化趨勢圖；情景2（P1）：將S1參數(shù)值調整為0.8，保證其他9 個因素投入量繼續(xù)為0.4，得到JCC 水平的變化趨勢圖；情景3-11（P2～P10）：依次調整S2～S10的參數(shù)值，同樣的保證其他因素投入量繼續(xù)為0.4（即控制變量原則），得到JCC 水平的變化趨勢圖，如圖4 所示。

圖4 情景1-11 的JCC 水平變化趨勢圖

由圖4 可得出：以情景1（P0）作為參考基線，各情景對綠色建筑建造成本影響程度大小順序是情景11（P10）、情景9（P8）、情景10（P9）、情景6（P5）、情景2（P1）、情景7（P6）、情景8（P7）、情景3（P2）、情景5（P4）、情景4（P3）。同時從趨勢圖中斜線的斜率可以看出情景11、情景9 影響相對突出，而其他8 個情景的影響相差不大。

參考上述結果，取前4 個因素來做進一步詳細的相互影響趨勢，即室內外環(huán)境設計、節(jié)能設計、節(jié)材設計、建安費用（L5）。通過改變間接影響因素的投入量，分析直接影響因素的變化趨勢（即建安費用）。具體操作：設Si（i=8、9、10）取值范圍為[0，3]，每次取值間隔為0.5，用Vensim-PLE軟件對建安費用進行7 次仿真，分析其變化趨勢，如圖5 所示。

圖5 節(jié)能設計、節(jié)材設計和室內外環(huán)境設計投入對綠色建筑建安費用的影響趨勢圖

結果顯示：通過不斷加大節(jié)能、室內外環(huán)境設計因素投入量，綠色建筑建安費用不斷增加，反映到總成本上也是不斷增大。但是增加節(jié)材設計因素投入量，綠色建筑建安費用呈下降趨勢，反映到總成本上效果也是如此。所以協(xié)調間接影響因素之間的投入，對控制綠色建筑建造成本至關重要。

4 結語

本文在分析并明確綠色建筑建造成本構成的基礎上，按照EBS 分解原則和方法構建了綠色建筑影響因素指標體系，分析其間的因果關系，構建系統(tǒng)動力學方程并設定參數(shù)，在Vensim-PLE 仿真軟件中進行動態(tài)分析。研究表明室內外環(huán)境設計、節(jié)能設計、節(jié)材設計為綠色建筑建造成本關鍵影響因素，關鍵因素通過影響直接費用（主要是建安費）的累積量，進而作用到綠色建筑建造總成本上。因此，應加強方案設計的優(yōu)化，由于綠色建筑的功能要求是在規(guī)劃設計階段實現(xiàn)的，所以要求設計單位圍繞室內外環(huán)境設計、節(jié)能設計及節(jié)材設計依次研究建筑、結構和機電等設計圖，充分利用當?shù)刈匀粭l件（氣候、水、植被等），多選用綠色建材，提高可再生能源、新型材料的利用率，根據(jù)相關標準，確定出低成本、低能耗的設計方案；在設計方案優(yōu)化的基礎上，重點考慮實施階段的施工方案和技術措施，施工中應在建筑滿足節(jié)能設計的前提下對相應材料和資源進行調整優(yōu)化。同時最大限度利用當?shù)夭牧虾唾Y源，減少運輸成本，降低建材的不必要損耗。