施工項目中設(shè)計風險元傳遞模型研究

李存斌， 劉赟奇， 李書科

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206)

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施工項目中設(shè)計風險元傳遞模型研究

李存斌， 劉赟奇， 李書科

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206)

針對設(shè)計變更對項目實施的影響，本文將影響施工項目的設(shè)計變更原因稱為項目的設(shè)計風險元，基于廣義項目風險元傳遞理論建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，動態(tài)研究設(shè)計風險元傳遞過程。通過模型模擬分析不同時間、不同程度的設(shè)計風險元對項目工期和項目費用影響程度，當設(shè)計風險元發(fā)生后，設(shè)計審批及設(shè)計過程將影響項目工期；受施工工序影響設(shè)計風險元造成實際施工速度不飽和，使得施工效率低下形成窩工；由于設(shè)計風險元導(dǎo)致的返工造成施工項目的工期延誤和成本超支。此模型為風險管理者或項目管理者在設(shè)計風險管理方面提供了有力依據(jù)。

項目管理；設(shè)計風險；風險元傳遞；系統(tǒng)動力學(xué)

0 引言

設(shè)計風險是在施工過程中導(dǎo)致返工的主要原因之一，這往往會迫使項目管理者延長項目工期或增加項目費用支出[1,2]；無論一個人的技能水平有多高、經(jīng)驗有多足，受人類的生理和心理的限制，設(shè)計風險可能發(fā)生在任何時間里[3]。在實踐中，設(shè)計和施工組織只是通過有限的精力和注意力去關(guān)注這些風險，并不能有效地預(yù)測和規(guī)避，從而導(dǎo)致了項目施工過程中需要返工[4,5]。

項目風險應(yīng)對是風險管理的一個值得關(guān)注的重要研究問題[6],隨著工程項目建設(shè)規(guī)模的擴大、建設(shè)周期的延長以及項目環(huán)境的日趨復(fù)雜，項目設(shè)計風險也隨之不斷復(fù)雜化，國外文獻[7～10]分別從不同角度和方面對設(shè)計風險進行了研究；國內(nèi)學(xué)者也對設(shè)計風險進行較多的研究[11～14]。然而，項目的一個風險元的微小變化，經(jīng)過連鎖反應(yīng)影響，可能會導(dǎo)致企業(yè)目標的巨大偏離[15]。因此，項目風險管理有必要研究風險的傳遞影響，即項目風險元傳遞[16]。在本文，將導(dǎo)致工程量變化的各種設(shè)計變更原因稱為項目的設(shè)計風險元。

關(guān)于對風險的界定，學(xué)者們有不同的觀點[17]，本文作者已在項目風險元傳遞方面做過研究：將項目的基礎(chǔ)風險變量定義為風險元，并提出了不同的風險元度量方法；研究了經(jīng)濟評價項目中風險元傳遞對項目投資的影響；利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立工程項目風險元傳遞矩陣，以此為基礎(chǔ)判斷和比較不同風險元的傳遞影響；基于風險元傳遞理論研究了多目標工程項目中風險、工期與費用三者之間的均衡問題；針對項目風險，提出了基于GERT網(wǎng)絡(luò)計劃的風險元傳遞解析模型，以此來研究項目工期風險元傳遞影響。而本文將運用系統(tǒng)動力學(xué)來研究施工項目中的設(shè)計風險元傳遞問題。

系統(tǒng)動力學(xué)(System dynamics, SD)的概念和理論最初由Forrester教授提出[18]，并得到廣泛應(yīng)用，其最突出的特點是能夠處理非線性高階層多重反饋復(fù)雜時變的系統(tǒng)問題[19]。Wang等[20]專門論證了系統(tǒng)動力學(xué)在項目風險管理中的優(yōu)勢；文獻[21]運用系統(tǒng)動力學(xué)定量地研究風險元是如何通過工程項目系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在項目進行過程中動態(tài)影響項目目標。本文首先分析設(shè)計風險元的傳遞過程，給出系統(tǒng)框架，接著運用Vensim軟件對系統(tǒng)中的各組成要素和要素間的關(guān)系進行剖析，最終形成整體循環(huán)體系，對模擬結(jié)果進行對比分析并給出結(jié)論。

1 設(shè)計風險元傳遞系統(tǒng)分析

1.1 設(shè)計風險元分析

圖1 設(shè)計風險分析圖

項目工期持續(xù)期間，如果沒有風險發(fā)生則整個項目會在計劃工期和計劃預(yù)算的控制范圍內(nèi)順利完成，如圖1中A部分所示。當由于某種原因在項目施工期間產(chǎn)生了設(shè)計風險元，項目中某個關(guān)鍵活動的結(jié)束時間被延遲，它的后繼活動的開始時間也將會延遲，繼而可能引發(fā)一系列的延遲問題。設(shè)計風險元也會造成已經(jīng)完成的工程量進行返工，這時又產(chǎn)生了額外返工工程量。項目管理者會設(shè)法恢復(fù)原計劃項目進度，但受實際施工能力的限制，往往是增加大量成本費用用于提升施工速度也很難達到期望的施工速度。如圖1中B部分所示，項目實際完工時透支了預(yù)算，也造成了計劃工期的延期。

1.2 系統(tǒng)因果分析

設(shè)計風險發(fā)生后，設(shè)計變更無論是由哪方提出，均應(yīng)由監(jiān)理部門會同建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位等進行協(xié)商，經(jīng)過確認后由設(shè)計部門進行設(shè)計變更，再下發(fā)到施工部門付諸實施。疑似設(shè)計風險元可能在剩余工程量中發(fā)生，也可能在已完成工程量中發(fā)生，或者在二者中都發(fā)生，發(fā)生的設(shè)計風險工程量后會有一個待批復(fù)延遲過程，在這個過程中會部分疑似設(shè)計風險工程量被駁回，不同意變更。被確認為設(shè)計風險工程量的部分在經(jīng)過設(shè)計變更協(xié)商后只是部分確認為有變更的必要，最后設(shè)計單位的能力等因素不同又給設(shè)計工作造成不同程度的延遲。

設(shè)計變更后部分已完工工程量會進行返工導(dǎo)致建設(shè)材料需要調(diào)增；返工造成的工程量增加導(dǎo)致相應(yīng)的施工費用也需要增加。設(shè)計風險工程量在審批、設(shè)計、返工過程中受前后工序等影響和實際施工速率限制不得不調(diào)整工期。加班問題已在文獻[21]進行了研究，在此施工量增加時只考慮增加工期。

考慮到系統(tǒng)的邊界性，本文設(shè)定設(shè)計變更后的工程量不再出現(xiàn)設(shè)計風險元，工程質(zhì)量也都達到驗收要求。設(shè)計風險元對項目的工期和費用影響過程因果關(guān)系如圖2 所示。

圖2 設(shè)計風險因果分析圖

2 系統(tǒng)動力學(xué)建模

根據(jù)上述分析，使用Vensim系統(tǒng)動力學(xué)軟件建立設(shè)計風險元傳遞系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 設(shè)計風險流量圖

此模型中由57個變量組成六個子系統(tǒng)：設(shè)計變更子系統(tǒng)、返工子系統(tǒng)、總完工工程量子系統(tǒng)、調(diào)整工期子系統(tǒng)、調(diào)整費用子系統(tǒng)、窩工總量子系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計變更子系統(tǒng)

設(shè)計變更子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3左下部分所示。在設(shè)計變更子系統(tǒng)中，設(shè)計風險元在X1時刻發(fā)生，經(jīng)兩級審批通過后進入設(shè)計過程中，駁回的工程量返回剩余計劃工程量中，其中關(guān)系用如下公式表達：

剩余計劃工程量設(shè)計變更量=IF THEN ELSE(X1=Time, IF THEN ELSE(剩余計劃工程量<1,0,剩余計劃工程量×設(shè)計變更比例),0)

(1)

駁回待批復(fù)設(shè)計變更工程量=DELAY FIXED(剩余計劃工程量設(shè)計變更量×(1-批復(fù)設(shè)計變更工程量比例),批復(fù)設(shè)計延遲,0)

(2)

待批復(fù)設(shè)計變更工程量=INTEG(剩余計劃工程量設(shè)計變更量+完工工程量設(shè)計變更量-待設(shè)計變更量-駁回待批復(fù)完工工程量-駁回待批復(fù)設(shè)計變更工程量, 0)

(3)

完工工程量設(shè)計變更量=IF THEN ELSE(X1=Time, IF THEN ELSE(計劃工程量完成×設(shè)計變更比例<1,0,計劃工程量完成×設(shè)計變更比例),0)

(4)

駁回待批復(fù)完工工程量=DELAY FIXED(完工工程量設(shè)計變更量×(1-批復(fù)設(shè)計變更工程量比例),批復(fù)設(shè)計延遲,0)

(5)

待設(shè)計變更量=DELAY FIXED((剩余計劃工程量設(shè)計變更量+完工工程量設(shè)計變更量)×批復(fù)設(shè)計變更工程量比例,批復(fù)設(shè)計延遲,0)

(6)

駁回待設(shè)計變更工程量=DELAY FIXED(待設(shè)計變更量×設(shè)計變更駁回比例×計劃工程量完工量占總計劃量比值,待設(shè)計延遲,0)

(7)

待設(shè)計變更工程量=INTEG (待設(shè)計變更量-設(shè)計變更駁回量-設(shè)計中的工程量變化量-駁回待設(shè)計變更工程量, 0)

(8)

設(shè)計變更駁回量=DELAY FIXED(待設(shè)計變更量×設(shè)計變更駁回比例×(1-計劃工程量完工量占總計劃量比值),待設(shè)計延遲,0)

(9)

設(shè)計中的工程量變化量=DELAY FIXED(待設(shè)計變更量×(1-設(shè)計變更駁回比例),待設(shè)計延遲,0)

(10)

設(shè)計中的工程量=INTEG (設(shè)計中的工程量變化量-設(shè)計速度,0)

(11)

設(shè)計速度=DELAY FIXED(設(shè)計中的工程量變化量,設(shè)計中延遲,0)

(12)

計劃工程量完工量占總計劃量比值=INTEG(完工量占總量比值變化,0)

(13)

完工量占總量比值變化=IF THEN ELSE(X1=Time, IF THEN ELSE((剩余計劃工程量+計劃工程量完成)>0, 計劃工程量完成/(剩余計劃工程量+計劃工程量完成),0),0)

(14)

公式中IF THEN ELSE(a,b,c)是系統(tǒng)動力學(xué)中表示條件的一個函數(shù)，其中a表示是條件，b和c分別表示條件成立和不成立時的變量取值。

公式中INTEL(d,e)是系統(tǒng)動力學(xué)中表示累積變化的一個函數(shù)，其中d表示變量的變化量，e表示變量的原始值。

公式中DELAY(f,g)是系統(tǒng)動力學(xué)中表示延遲的一個函數(shù)，其中f表示被延遲的變量，而g表示延遲時間。

2.2 返工子系統(tǒng)

返工子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3左上部分所示。在設(shè)計變更完成后，已經(jīng)完工的工程量部分需要返工，本模塊為了便于量化分析工程量變化情況，上半部分考慮返工增加的那部分工程量，下半部分考慮與原計劃工程量相同的那部分。其中關(guān)系用如下公式表達：

設(shè)計完成量=INTEG(設(shè)計速度-設(shè)計完成待施工變化工程量, 0)

(15)

設(shè)計完成待施工變化工程量=設(shè)計完成量

(16)

設(shè)計完成待施工工程量=INTEG(設(shè)計完成待施工變化工程量-設(shè)計完成工程量施工速度,0)

(17)

返工工程量變化量=設(shè)計完成量×計劃工程量完工量占總計劃量比值

(18)

返工工程量=INTEG(返工工程量變化量-返工工程量施工速度,0)

(19)

2.3 總完工工程量子系統(tǒng)

總完工工程量子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3中上部分所示。受設(shè)計風險元影響，總完工工程量由原計劃完工工程量、設(shè)計變更后完工工程量和完成返工工程量三部分組成。上述三種工程量的施工速度受實際施工能力所限，認定優(yōu)先進行返工，其次進行設(shè)計變更后工程量施工，最后是原計劃工程量施工。其中關(guān)系用如下公式表達：

返工工程量施工速度=MIN(返工工程量, 實際施工能力)

(20)

返工工程量完成=INTEG(返工工程量施工速度,0)

(21)

設(shè)計完成工程量施工速度=MIN(設(shè)計完成待施工工程量,實際施工能力-返工工程量施工速度)

(22)

設(shè)計變更工程量完成=INTEG(設(shè)計完成工程量施工速度,0)

(23)

剩余計劃工程量=INTEG(設(shè)計變更駁回量+駁回待批復(fù)設(shè)計變更工程量-計劃工程量施工速度-剩余計劃工程量設(shè)計變更量,2500)

(24)

計劃工程量施工速度=MIN(剩余計劃工程量,實際施工能力-返工工程量施工速度-設(shè)計完成工程量施工速度)

(25)

計劃工程量完成=INTEG(計劃工程量施工速度,0)

(26)

總完工工程量=返工工程量完成+設(shè)計變更工程量完成+計劃工程量完成

(27)

2.4 調(diào)整工期子系統(tǒng)

調(diào)整工期子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3右下部分所示。設(shè)計批復(fù)和設(shè)計過程都需要時間處理，當原計劃剩余工期小于設(shè)計批復(fù)和設(shè)計過程需要工期處理時就需要調(diào)整因設(shè)計原因?qū)е碌恼麄€項目工期。原計劃完工工程量、設(shè)計變更后完工工程量和完成返工程量三部分未全部完工時，如果所需的工期大于原計劃剩余工期，就需要調(diào)整施工工期。其中關(guān)系用如下公式表達：

計劃工期剩余=INTEG(-計劃工期速度,50)

(28)

計劃工期速度=MIN(計劃工期剩余,1)

(29)

計劃工期完成=INTEG(計劃工期速度,0)

(30)

施工調(diào)整工期速度=IF THEN ELSE(計劃工期剩余<1,IF THEN ELSE(設(shè)計調(diào)整工期速度<1,IF THEN ELSE(設(shè)計完成量>0:OR:設(shè)計完成待施工工程量>0:OR:返工工程量>0:OR:剩余計劃工程量>0,1,0),0),0)

(31)

施工調(diào)整工期=INTEG(施工調(diào)整工期速度, 0)

(32)

設(shè)計調(diào)整工期速度=IF THEN ELSE(計劃工期剩余<1,IF THEN ELSE(待批復(fù)設(shè)計變更工程量>0:OR:待設(shè)計變更工程量>0:OR:設(shè)計中的工程量>0, 1,0),0)

(33)

設(shè)計調(diào)整工期=INTEG(設(shè)計調(diào)整工期速度,0)

(34)

總工期=計劃工期完成+施工調(diào)整工期+設(shè)計調(diào)整工期

(35)

公式中h:OR:i是系統(tǒng)動力學(xué)中表示“或”的計算符號，即當滿足條件h或條件i之一時，其邏輯計算結(jié)果即為成立。

2.5 調(diào)整費用子系統(tǒng)

調(diào)整費用子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3右上部分所示。已完工工程量重新設(shè)計變更后會產(chǎn)生返工工程量，需要增加施工材料。上述工期調(diào)整后，施工費用也需要相應(yīng)調(diào)整。在發(fā)生設(shè)計風險元時，會產(chǎn)生實際施工速度小于實際施工能力的情況，但人員及設(shè)備等施工費用還是需要正常開支，原預(yù)算速率保持不變。因設(shè)計費占施工費用比例較小，不會對系統(tǒng)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，在此不對設(shè)計費作深入研究。其中關(guān)系用如下公式表達：

調(diào)整返工材料費用速度=返工工程量變化量×單位工程量材料費用

(36)

返工材料費用=INTEG(調(diào)整返工材料費用速度,0)

(37)

調(diào)整返工施工費用速度=IF THEN ELSE(施工調(diào)整工期速度>0:OR:設(shè)計調(diào)整工期速度>0,單位工作日施工費用,0)

(38)

返工施工費用=INTEG(調(diào)整返工施工費用速度,0)

(39)

計劃預(yù)算費用=INTEG(-預(yù)算速度,750000)

(40)

預(yù)算速度=IF THEN ELSE(計劃預(yù)算費用<計劃預(yù)算速度,計劃預(yù)算費用,計劃預(yù)算速度)

(41)

計劃工程預(yù)算費用完成=INTEG(預(yù)算速度,0)

(42)

費用最終完成=計劃工程預(yù)算費用完成+返工施工費用+返工材料費用

(43)

2.6 窩工總量子系統(tǒng)

窩工總量子系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖3中下部分所示。在工期持續(xù)期間由于設(shè)計風險元導(dǎo)致部分工作量在審批或設(shè)計環(huán)節(jié)受到延遲，會發(fā)生實際施工速度小于實際施工能力的情況，在項目施工過程中窩工成本小于調(diào)遷成本或窩工成本在承受范圍內(nèi)不會調(diào)遷設(shè)備和人員，此子系統(tǒng)可以模擬出窩工總量。其中關(guān)系用如下公式表達：

窩工變化量=IF THEN ELSE(計劃工期速度>0:OR:施工調(diào)整工期速度>0:OR:設(shè)計調(diào)整工期速度>0,實際施工能力-實際施工速度,0)

(44)

窩工總量=INTEG(窩工變化量, 0)

(45)

實際施工速度= 計劃工程量施工速度+設(shè)計完成工程量施工速度+返工工程量施工速度

(46)

3 模型算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置說明

模型中部分參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中比例參數(shù)是經(jīng)驗值，根據(jù)不同項目類型或管理機制可作適當調(diào)整，不影響此模型的魯棒性和分析準確性。

表1 參數(shù)設(shè)置表

3.2 模擬與分析

(1)模擬沒有設(shè)計風險元發(fā)生時，即工程量設(shè)計變更比例為0時的情況，如圖4所示。項目共進行了50天(線1)，在此期間：總費用為75萬元，曲線勻速上升(線3)；剩余工程量(線2)勻速下降，總完工工程量2500個單位。

圖4 無風險模擬結(jié)果圖

(2)模擬設(shè)計風險元在施工到第20天時發(fā)生，工程量設(shè)計變更比例設(shè)為1時，其中設(shè)計時間為2天的情況，如圖5所示。項目共進行了73天，由于施工原因調(diào)整工期23天，在此期間：總完工工程量3480個單位，返工490個單位，設(shè)計后重新施工1225個單位，原計劃工程量完成1765個單位；總費用為93.66萬元，材料費用調(diào)增11.76萬元，施工費用調(diào)整6.9萬元。

圖5 第20天設(shè)計變更比例為1，設(shè)計時間為2天的模擬結(jié)果圖

(3)模擬設(shè)計風險元在施工到第49天時發(fā)生，工程量設(shè)計變更比例設(shè)為1時，其中設(shè)計時間為10天的情況，如圖6所示。項目共進行了114天，由于施工原因調(diào)整工期50天，設(shè)計審批及設(shè)計時間為14天，在此期間：總完工工程量4901個單位，返工1200.5個單位，設(shè)計后重新施工1225個單位，原計劃工程量完成2475.5個單位；總費用為123.01萬元，材料費用調(diào)增28.81萬元，施工費用調(diào)整19.2萬元。

圖6 第49天設(shè)計變更比例為1，設(shè)計時間為10天的模擬結(jié)果圖

由于篇幅所限，其他模擬結(jié)果數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 其他模擬結(jié)果

4 結(jié)論

項目在施工過程中產(chǎn)生設(shè)計風險元，經(jīng)過傳遞會對項目的工程量、費用及工期產(chǎn)生影響，本文建立了相應(yīng)的風險元傳遞系統(tǒng)動力學(xué)模型，對項目的影響范圍及深度進行模擬，通過模擬得出以下幾方面的結(jié)論:

(1)用系統(tǒng)動力學(xué)模型將風險元傳遞理論引入到設(shè)計變更對施工項目的影響傳遞過程中，可以量化分析其影響過程及深度。

(2)設(shè)計風險元發(fā)生時間越晚原計劃工程量完工就越多，返工工程量增加越大；工程返工需要施工材料增多，購買材料費用也需要追加；返工工程量對應(yīng)的施工費用和工期也需要增加。

(3)設(shè)計風險元發(fā)生的時間加上設(shè)計審批時間及設(shè)計時間大于剩余工期時，設(shè)計審批及設(shè)計過程會影響工期調(diào)增。

(4)因設(shè)計審批和設(shè)計過程中部分工程量不能施工，使得實際施工速度低于施工能力，造成施工量不飽和形成窩工。

(5)設(shè)計變更比例值不同，對工期、材料費用、施工費用影響程度不同。

有待進一步研究的內(nèi)容包括：同一項目中多次疊加設(shè)計風險元發(fā)生的傳遞過程及影響情況；設(shè)計能力和設(shè)計審批流程影響到設(shè)計時限，對工期產(chǎn)生影響程度；設(shè)計風險元對施工材料的浪費情況。

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Study on Model of Design Risk Element Transmission in the Construction Project

LI Cun-bin, LIU Yun-qi, LI Shu-ke

(SchoolofEconomicsandManagement,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Design risk is one of the main reasons for leading to rework in the process of the construction. In this paper, based on the generic project risk element transmission theory and system dynamics, a system dynamics model of construction project design risk element transmission is developed. The factors leading to the quantity increase of construction projects are considered as design risk element, and after the analysis of transfer process of design risk element in construction project, a corresponding causal feedback loop is constructed. By assigning values to model variables and establishing functions between them, the model is simulated through software Vensim. The results indicate that design risk element exerts different degree of influence on project cost and time, and that the more design risk element occurs or the later design risk element occurs, the faster will the impact accelerate through the internal structure of project. In addition, it can be concluded that the model results chart, which reflects the dynamic changes of individual construction project, can provide sound evidence for risk management and project management.

project management; design risk; risk element transmission; system dynamics

2014-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(71271084,71071054)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2014XS55,2015XS32)；北京市產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生基地項目

李存斌(1959-)，男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：信息管理、項目風險管理;劉赟奇(1979-)，男，博士研究生，研究方向：項目管理、風險管理;李書科(1978-)，女，博士研究生，研究方向：風險管理、信息管理。

C931；N949

A

1007-3221(2015)06- 0143- 09

10.12005/orms.2015.0206