设备安装工程变更传播路径
2018-07-05李成谦骆汉宾
李成谦， 方 琦， 骆汉宾
(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)
设备安装工程是建筑施工的重要环节，一般包括暖通、给排水等机电设备的安装施工。设备安装工程所耗费的成本更占总造价的30%～60%[1]，其中工程变更频繁是造成设备安装成本偏高的重要原因。
工程变更具有以下几个特点：变更的发生具有不确定性、随机性；其次，变更发生的范围广；最后，其影响是多维度的，可能造成工期拖延及质量问题，也可能引起成本上涨[2]。因此，工程变更具有高度的复杂性与不确定性，这给工程项目管理带来了巨大的挑战。
目前，国内外对建设工程变更的研究可分为两类。第一类是变更发生的原因以及影响分析。Keane等[3]通过对现场的经验总结以及文献综述归纳出工程变更发生的原因及后果；Love等[2]通过系统动力学的方法寻找影响工程变更的关键因素。第二类是工程变更的控制方法以及流程。刘清华等[4]从产品数据管理、人员职责以及变更流程三个方面分析工程变更的管理方法；刘文等[5]通过深圳5号线的案例分析了工程变更的分类以及处理流程。
然而，以上研究都仅考虑了单个变更本身所造成的影响，并没有考虑到已有变更还会引起新的变更。Jarratt等[6]研究了工业领域的零件加工组装后发现，变更的发生可以分为两类：原生变更与次生变更。原生变更是指由各种外因引起的首次变更，而次生变更是指由于原生变更发生导致的其他构件的多米诺骨牌效应。原生变更难以预测，但次生变更却是有章可循。因为次生变更的发生物件设施之间都没有任何关系，那么无论其中哪一项构件发生变更，其他构件都不会受影响。这种影响实质上是工程项目各项构件之间的耦合关系，因此研究次生变更的发生路径实质上是在梳理工程项目的耦合内因。
本文研究了设备安装工程项目中的次生变更发生情况以及传播条件。试图梳理并识别出工程项目中潜藏着的变更传播路径以重点监控这些容易变更路径的传播，尽量降低变更的影响范围。
1 工程变更的传播
工程变更的传播范围可分为三个层次：构件层次、路径层次以及整体系统层次。
构件层次的变更传播是指两个实体构件对象之间存在着联系作用，当其中某一构件发生变化时，会通过其间的联系传递到其他构件上去。构件之间发生这种传播关系的实质是各种能量流、物质流的需要。能量流、物质流(如力流、电流、水流、风流)都需要有载体依存[7]，例如，电流依存于各项电子元件(如发电机、配电箱、控制箱、变压器等)中。建筑设施内的能量流、物质流会贯穿各项构件，游走于各项中。这就是构件之间发生变更传播的实质。
从构件层次进一步发展，就会形成变更传播路径[8]。变更传播不是分段产生的，它是一个连续的过程。从某一个构件发生变更开始，它会影响到另一构件也发生变化，而另一个构件同样也会使其他有关构件发生变化[9]。
在变更传播路径的基础上，进一步发展就会总结出变更传播网络(整体系统层次)[10]。根据Clarkson等[11]的理论，变更传播网络对初始变更的系统层次反应包括三种类型：开花式、水波式、雪崩式。以上三种层次的反应强度、范围从弱到强排列，当系统出现雪崩式反应时，表明初始变更在变更传播网络中发生了极严重的扩散效应，对网络内的多个节点区域造成了大量变更，需要采取措施避免该种情况发生。图1为工程变更传播的分析流程。
图1 工程变更传播的分析流程
2 工程变更传播的模型构建
设备安装工程变更的传播实则上是通过各类建筑设备之间的关系联系参数来传递的。因此，要建立建筑工程中的变更传播模型，就必须先分析各类建筑产品之间所存在的可以发生变更传播的联系路径。下文将以部分暖通、给排水设备来梳理各类设备之间潜在的变更传播联系路径。
2.1 暖通设备
暖通设备实则是利用水作为能量载体与空气传递能量，最终处理的主要对象还是空气气流。暖通专业包括三大动力设备：风机(驱动空气)、压缩机(驱动氟利昂)、水泵(驱动水循环)。按照以上思路，可把暖通专业所涉及的设备分为两类：(1)空调冷热源设备(水流设备)，主要包括各项水流的冷却设备、水流输送设备，目的是给末端空调气流输送冷热能量。常见的设备有冷水机组，膨胀水箱，换热机组，锅炉、冷却塔、水泵、水管等等；(2)空调末端设备(气流设备)，主要是各类风机(包括送风、排风、排烟、新风、防排烟等)、风机盘管、空调处理机组、散流器、风管、风口、风阀等。
各项设备之间的联系关系可按能量流动途径来梳理[12]：冷水处理设备(热水处理设备)—水泵—水箱—各类风机(水流与气流交换热量的场所)—风管—风口。除了能量流动途径(室内的空气循环)外，再需额外考虑新风(新风机从室外引入新鲜空气)、排风(排风机将废气排到室外)的途径以及引水、排水途径。
2.2 给排水设备
给排水专业的功能是负责构筑物内各类用水的循环供应以及排放，分为给水工程与排水工程。
水流从市政管道输入到项目中，首先经过水表计量，然后接冷却塔或锅炉改变水温。此时水流还在建筑底层，要将其输送到高层用户要依赖动力设备，常见的送水动力设备有气压给水设备或水泵。水泵将水流压送至建筑顶层的膨胀水箱或贮水池中存储，再经过水箱输送到建筑各层的用户末端。用户的用水附件包括喷头、卫浴装置、消防栓、水龙头、水阀等等[13]。这就是给水工程的线路：水表—冷却塔—强压送水设备—储水池—喷头、水龙头等。
排水工程由排水管网及污水处理设备组成，功能是汇集各类污水并将其输送到污水处理设备中妥善处理后排放。
至此，设备安装工程所包含的各类子系统、涉及的设备及其对象之间的连接关系已分析完毕。
3 工程变更传播计算分析
通过变更在构件层面上的传播分析，为本节研究变更在整个建筑工程中的传播路径以及影响分析提供了最坚实的基础。
为了更直观清楚地表达构件之间的变更传播关系，本文借鉴Steward等[14,15]提出的工程变更路径影响的分析方法，以进一步计算整个建筑工程中所存在的每一条变更路径的影响因子。
(1)
(2)
从构件i的出度与入度的相对大小，我们可以进一步得出该构件的变更传播作用系数为：
(3)
由此，根据构件的变更传播作用系数Ic，对构件作相应分类处理：对待常量型(Ic=0)以及吸收型(0
同理，路径u的变更影响系数可通过式(4)计算，其意义是变更路径u上所涉及的所有构件的变更影响系数之和。其值越高，表示该变更路径的相对影响越大，越需要加以控制。变更传播影响因子Fcpu为：
(4)
最后，分析整体系统的变更传播特性。Bounova and Keller提出了CPI (change propagation index)[16]的概念以反应整个系统的特性，CPI的计算公式如下：
(5)
4 案例研究
案例研究选择某一能源站项目为研究对象，本项目拟建冷、热、电三联供能源站一座，为地下建筑，场地面积约6800 m2，通过各类能源设备共同运行来满足两栋超高层写字楼(建筑面积约28万m2)的供能要求。
构建该项目的设备安装工程变更传播分析模型分为两个步骤：(1)通过骨架装配理论确定网络节点的定义以及节点之间的连线；(2)确定节点间连线的定义，即两节点之间变更传播的概率问题。
根据前文计算，利用网络分析软件Pajeck完成变更传播网络的构建工作，如图2所示。
图2 设备安装工程变更传播网络
根据计算分析结果，发现以下构件对象存在较高的变更风险(即存在较高的变更传播作用系数Ic)，如表1所示。
表1 变更风险较高的设备
以上是理论模型的计算结果，下面对比理论结果与现实的变更情况，分析本文提出的变更传播机制模型是否有效、合理。通过对该项目的资料收集，对构件设备的相关变更联系单作汇总，如表2所示。
表2 设备安装工程变更联系单汇总
从上述的变更联系单中，识别并抽取出3条变更的传播路径，如表3所示。
从表3中实际变更路径可以发现，构件对象4101(蒸汽锅炉)、4201(水箱)、3101(冷却塔)都是变更传播的重要设备，这与表2的理论剖析相一致，由此证实了本文提出模型的准确性。利用式(5)对该3条变更路径的传播影响进行分析，计算结果如表4所示。
表3 实际变更路径
表4 变更路径影响矩阵
从计算结果可知，该3条变更路径中，第1条的变更传播影响因子Fcpu最高，其相对影响大小Ic为100%，可作为变更管理控制的重点对象，避免变更沿着路径进行传播。
5 结 语
设备安装工程变更中会出现两个类型：原始变更以及次生变更。大量的研究都是以原始变更为研究基点来提出控制管理策略的，并没有考虑到次生变更加深了原始变更的影响程度和范围，因此目前对建设工程变更的研究模型尚存在较为严重的缺陷：次生变更扩大了变更影响的范围，偏移了变更控制的重点，其中某些关键的对象可能会起着推波助澜的作用，甚至造成雪崩式的多米诺骨牌效应。本文引入复杂网络中的思想方法来计算整个系统的影响，从而构建出完整的系统并计算分析得出各项构件的变更传播影响大小、变更传播路径的影响程度以及整个系统的特征值。
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