基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的西寧市裝配式建筑政策模擬

韓麗花，龔志起，2*

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

傳統(tǒng)建造模式建設(shè)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)率低下、資源消耗量大、環(huán)境污染嚴(yán)重[1]，以綠色發(fā)展、高效生產(chǎn)為目標(biāo)的新常態(tài)下，國(guó)內(nèi)外通過(guò)積極推進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展來(lái)推動(dòng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。2016年以來(lái)，為推動(dòng)裝配式建筑的綠色發(fā)展，青海省圍繞“一優(yōu)兩高”發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)展區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局及規(guī)劃，并將西寧市、海東市作為推進(jìn)裝配式建筑的重點(diǎn)區(qū)域。但到目前為止，裝配式建筑的推進(jìn)工作依然舉步維艱，因此，確定影響裝配式建筑發(fā)展的主要因素,進(jìn)行政策模擬,分析發(fā)展方向是西寧市亟待解決的問(wèn)題。

裝配式建筑在創(chuàng)造可持續(xù)建筑工業(yè)化方面受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注，Blismas等[2]從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境方面，分析了澳大利亞裝配式建筑發(fā)展的環(huán)境。Rahimian等[3]基于大量文獻(xiàn)研究和市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)裝配式建筑的發(fā)展需在政府支持、公私合作、技術(shù)培訓(xùn)和財(cái)政補(bǔ)貼方面進(jìn)行改進(jìn)。王愛(ài)飛[4]通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與敏感性分析的方法，確定廈門市裝配式建筑發(fā)展的影響因素，找出關(guān)鍵性指標(biāo)和政策變量，并提出適當(dāng)?shù)恼牟呗?；潘越等[5]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法，對(duì)江蘇省裝配式建筑在市場(chǎng)占有率、支持力度增加率方面的落地效果進(jìn)行政策模擬研究，結(jié)果證明政府支持力在裝配式建筑發(fā)展前期有著重要的作用。裝配式建筑發(fā)展的影響因素由促進(jìn)因素和阻礙因素組成，目前學(xué)者們主要對(duì)制約裝配式建筑的成本因素進(jìn)行分析研究[6-8]，對(duì)市場(chǎng)、利益相關(guān)者方面動(dòng)態(tài)變化的探索則較為缺乏。

本文以初始影響因素為研究基礎(chǔ)，明確西寧市裝配式建筑發(fā)展的主要影響因素，繪制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果反饋回路圖和存量流量圖，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行政策模擬研究，以預(yù)測(cè)改變各類指標(biāo)后裝配式建筑在西寧市發(fā)展的效果。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 識(shí)別影響因素

本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的檢索、閱讀、整理及分析，確定影響裝配式建筑發(fā)展因素的可能來(lái)源，形成影響因素清單。

在中英文數(shù)據(jù)平臺(tái)(知網(wǎng)、Web of Science、Scopus等)進(jìn)行相關(guān)論文檢索，設(shè)定中文關(guān)鍵詞為“裝配式建筑”、“阻礙因素”，英文關(guān)鍵詞為“off-site construction OR prefabricated construction OR Off-site Manufacturing”、“impact factors OR barriers”，最終確定31篇關(guān)聯(lián)度較大的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，篩選出其中已確定的影響因素，作為初始影響因素。

1.2 篩選影響因素

由于初始影響因素來(lái)源廣泛，涉及種類繁多，不同研究人員對(duì)同一因素的表述差異性較大，不能將西寧市裝配式建筑的市場(chǎng)現(xiàn)狀全面、科學(xué)的反映出來(lái)。因此，本文通過(guò)對(duì)西寧市裝配式建筑的具體發(fā)展情況進(jìn)行分析，采用專家訪談方式獲得專家對(duì)影響因素間關(guān)系的看法，更進(jìn)一步地篩選出西寧市裝配式建筑的影響因素?；趯＜以L談篩選出的285種影響因素，按經(jīng)濟(jì)因素、政策因素、技術(shù)因素、市場(chǎng)因素、管理因素五個(gè)方面進(jìn)行分類歸納(表1)。其中，前10個(gè)影響較強(qiáng)的因素為項(xiàng)目總成本、經(jīng)濟(jì)效益、土地政策、稅收政策、獎(jiǎng)勵(lì)政策、建筑施工水平、BIM技術(shù)應(yīng)用、管理經(jīng)驗(yàn)、人均GDP、投資建造意愿。

表1 西寧市裝配式建筑發(fā)展影響因素的統(tǒng)計(jì)分析

2 帕累托圖分析

2.1 繪制帕累托圖

帕累托圖(Pareto chart)是根據(jù)意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家Vilfredo Pareto的名字而命名的，它也被稱作“二八原理”，即80%的問(wèn)題是20%的原因所造成的[9]。這是一種制定決策時(shí)采用的統(tǒng)計(jì)方法，項(xiàng)目管理中經(jīng)常采用帕累托圖找出產(chǎn)生大多數(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵因素，以解決大多數(shù)的問(wèn)題。本研究基于表1中的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，采用Minitab軟件繪制帕累托圖，見(jiàn)圖1。

圖1 影響因素的帕累托圖

2.2 確定影響因素

由表2可知，經(jīng)濟(jì)因素和政策因素的累計(jì)構(gòu)成比在0～80%，是影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的主要因素；技術(shù)因素的累計(jì)構(gòu)成比在80%～90%，是影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的次要因素；市場(chǎng)因素和管理因素的累計(jì)構(gòu)成比在90%～100%，是影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的一般因素。

表2 帕累托圖分析表

3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

3.1 因果關(guān)系模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，1956年由美國(guó)麻省理工學(xué)院Jay W.Forrester教授最早提出[10]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上，將控制理論和信息論的精髓結(jié)合起來(lái)，以更加便捷簡(jiǎn)易的方式來(lái)解決復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。采用SD解決問(wèn)題的過(guò)程是定性分析和定量分析的統(tǒng)一，從復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)入手，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行剖析并建立模型，憑借計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)行為的關(guān)系，最后尋找出問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施。

在帕累托圖分析出的經(jīng)濟(jì)和政策兩類主要因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合各變量之間相互作用的因果關(guān)系，運(yùn)用Vensim DSS軟件建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果反饋回路圖(圖2)，主要包含經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)、政策決策子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和裝配式建筑發(fā)展規(guī)模子系統(tǒng)。圖2中的變量由經(jīng)濟(jì)因素、政策因素、專家訪談前10的因素以及為實(shí)現(xiàn)圖中因果關(guān)系而添加的輔助因素(公眾滿意度、人均住房面積、預(yù)制率和可持續(xù)需求壓力等)組成。

圖2 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的因果反饋回路圖

3.2 反饋分析

由圖2可以看出，圖中有正、負(fù)兩種反饋機(jī)理，正反饋回路對(duì)系統(tǒng)有增強(qiáng)效果，負(fù)反饋回路對(duì)系統(tǒng)有平衡效果。研究中存在4條關(guān)鍵路線(表3)，關(guān)鍵回路1、3的反饋分析內(nèi)容如下：

表3 關(guān)鍵回路分析表

關(guān)鍵回路1：該回路為正反饋回路，具有增強(qiáng)作用。裝配式建筑發(fā)展規(guī)模增大，其經(jīng)濟(jì)效益得到有效提升，從而促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高，使得消費(fèi)者購(gòu)買意愿增加，為滿足消費(fèi)者的市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)商建造裝配式建筑的項(xiàng)目不斷增多，推動(dòng)裝配式建筑在西寧市的發(fā)展。

關(guān)鍵回路3：該回路為負(fù)反饋回路，具有平衡作用。公眾滿意度的持續(xù)上升使得消費(fèi)者對(duì)裝配式建筑的需求不斷增大，促進(jìn)了開(kāi)發(fā)商的投資建造意愿，從而加大了裝配式建筑的發(fā)展規(guī)模，此時(shí)政府支持意愿上升，將會(huì)采取更多政策措施來(lái)提高裝配式建筑的質(zhì)量，以降低公眾的質(zhì)量期望差。

3.3 存量流量圖

圖2能夠反映出各變量之間的相互作用關(guān)系和作用途徑，但不能將變量之間的數(shù)量關(guān)系和累計(jì)作用效果反應(yīng)出來(lái)。因此,基于圖2中的四類子系統(tǒng)，通過(guò)添加輔助變量(成本增加率、質(zhì)量提高、GDP增長(zhǎng)、支持力度增加等)和參數(shù)方程建立西寧市裝配式建筑發(fā)展的影響因素存量流量圖，如圖3所示。

圖3 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的存量流量圖

3.4 SD模型預(yù)測(cè)模擬分析

對(duì)存量流量圖進(jìn)行模型檢測(cè)(圖4)，模型檢測(cè)通過(guò)表明模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)方程設(shè)計(jì)符合預(yù)測(cè)模型要求，可以進(jìn)行下一步初始預(yù)測(cè)模擬分析。

圖4 模型檢測(cè)

根據(jù)SD模型系統(tǒng)邊界的設(shè)定原則，將系統(tǒng)仿真模擬的Initial Time設(shè)定為2020年，F(xiàn)inal Time設(shè)定為2040年，Time Step設(shè)定為1年。研究中的數(shù)據(jù)主要通過(guò)青海省統(tǒng)計(jì)局、西寧市統(tǒng)計(jì)公報(bào)和以往研究來(lái)獲取，并根據(jù)回歸方程等統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定變量之間的數(shù)量關(guān)系。

基于輸入的初始數(shù)據(jù)對(duì)西寧市裝配式建筑發(fā)展的政府扶持力度和發(fā)展規(guī)模進(jìn)行模擬分析。根據(jù)圖5的政府扶持力度模擬結(jié)果可知，西寧市在現(xiàn)有的裝配式建筑發(fā)展情況下，政府扶持力度能夠從2020年的0.421 2增加到2040年的0.526 8，但增長(zhǎng)速率較慢。同時(shí)由圖6可以看出，在現(xiàn)有的市場(chǎng)供給與需求條件下，西寧市裝配式建筑發(fā)展規(guī)模從2020年的10萬(wàn)平方米將提升到135萬(wàn)平方米。

3.5 政策調(diào)控模擬分析

根據(jù)帕累托圖分析出的經(jīng)濟(jì)和政策兩類主要因素，對(duì)整個(gè)裝配式系統(tǒng)模型進(jìn)行政策模擬分析。假設(shè)其他變量保持不變的情況下，改變各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)和政策指標(biāo)，預(yù)測(cè)整個(gè)裝配式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況。

3.5.1 經(jīng)濟(jì)因素調(diào)控模擬分析

裝配式建筑施工過(guò)程中的主要成本包括生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝，而生產(chǎn)和運(yùn)輸是導(dǎo)致裝配式建筑造價(jià)初始成本高的關(guān)鍵因素。由于西寧市工業(yè)化發(fā)展水平較低，裝配式建筑施工初期的一次性投資比傳統(tǒng)建造方式要高，因此需要投入更多的時(shí)間和資金來(lái)進(jìn)行前期的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

經(jīng)濟(jì)因素是影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的第一大因素，通過(guò)調(diào)整存量流量圖中的初始經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)其他關(guān)鍵指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)是極其重要的。假設(shè)圖3中其他因素指標(biāo)不變，將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、工程建設(shè)、其他、人才培養(yǎng)和設(shè)備購(gòu)買成本)降低20%，來(lái)預(yù)測(cè)裝配式建筑經(jīng)濟(jì)效益的變化情況。根據(jù)經(jīng)濟(jì)因素調(diào)控模擬分析結(jié)果(圖7)，西寧市裝配式建筑經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)在2020年從初始的10元/平方米提升到17.5元/平方米，到2040年由初始的137元/平方米提升到344元/平方米。模擬結(jié)果證明降低各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能夠提升裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)效益，從而吸引更多的投資建造商來(lái)拉動(dòng)西寧市裝配式建筑的市場(chǎng)供給，以此快速達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)裝配式建筑在西寧市發(fā)展的目的。

3.5.2 政策因素調(diào)控模擬分析

目前，西寧市在推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展的過(guò)程中，關(guān)于裝配式建筑相關(guān)的政策法規(guī)支持力度明顯不足。已出臺(tái)的文件中，對(duì)裝配式建筑的發(fā)展只是提出大致的發(fā)展目標(biāo)，在發(fā)展方向、發(fā)展路徑上并未給出具體說(shuō)明。

政策因素作為影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的第二大因素，假設(shè)圖3中的其他因素指標(biāo)不變，將各項(xiàng)政策指標(biāo)(獎(jiǎng)勵(lì)、土地和稅收政策)提高20%，預(yù)測(cè)提高政策指標(biāo)是否能夠推動(dòng)西寧市裝配式建筑的發(fā)展。如圖8所示，裝配式建筑發(fā)展規(guī)模在2040年將從135萬(wàn)平方米提升到196.6萬(wàn)平方米。模擬結(jié)果表明，通過(guò)完善和提高各項(xiàng)政策指標(biāo)對(duì)推動(dòng)西寧市裝配式建筑的發(fā)展是具有積極作用的。

4 討論與結(jié)論

本文用文獻(xiàn)研究和專家訪談的方法篩選出285個(gè)影響西寧市裝配式建筑發(fā)展的因素，使用帕累托圖分析法確定主要影響因素為經(jīng)濟(jì)因素和政策因素，這與梅彬等[11]研究的結(jié)果一致。采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)量化分析，即改變各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)和政策指標(biāo)，預(yù)測(cè)整個(gè)裝配式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果，最終得出降低經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)提升經(jīng)濟(jì)效益和增加投資建造率有積極作用，提高政策指標(biāo)對(duì)裝配式建筑在西寧市的發(fā)展有推動(dòng)作用，這與Arif等[12]和Gan等[13]的研究結(jié)論基本一致。

在國(guó)家大力推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的熱潮下，盡早實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，根據(jù)地區(qū)基本發(fā)展?fàn)顩r制定促進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展的相應(yīng)推進(jìn)機(jī)制，是十分重要的。因此，本研究結(jié)合裝配式建筑國(guó)內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)啟示，對(duì)西寧市裝配式建筑的發(fā)展提出如下建議：(1)西寧市裝配式建筑的發(fā)展還處于萌芽階段，較高的初始成本制約了裝配式建筑的發(fā)展。政府可引導(dǎo)大型國(guó)有企業(yè)先行發(fā)展，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，采用單價(jià)補(bǔ)貼、利息補(bǔ)貼等方式對(duì)建設(shè)方等其他主體進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，同時(shí)可通過(guò)在西寧市設(shè)立投資基金擴(kuò)大融資渠道，以便于宏觀調(diào)控和建設(shè)良好市場(chǎng)環(huán)境;(2)西寧市在政策機(jī)制方面，應(yīng)牢牢抓住新型城鎮(zhèn)化建設(shè)推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展的契機(jī)，出臺(tái)指明具體發(fā)展方向和詳細(xì)發(fā)展步驟的政策文件，進(jìn)一步完善政策法規(guī)體系和加強(qiáng)政府引導(dǎo);(3)西寧市在建筑工業(yè)化方面仍處于發(fā)展階段，導(dǎo)致發(fā)展裝配式建筑時(shí)所需的專業(yè)技術(shù)相對(duì)匱乏，所以應(yīng)加大研究所和高校等機(jī)構(gòu)在裝配式建筑方面的研究，教育部門也應(yīng)配合高校設(shè)立專業(yè)性課程，督促學(xué)生學(xué)習(xí)BIM等新型技術(shù)，并鼓勵(lì)學(xué)生積極參與相關(guān)認(rèn)證考試。