基于系统动力学的西宁市装配式建筑政策模拟

韩丽花，龚志起，2*

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016； 2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

传统建造模式建设周期长、生产率低下、资源消耗量大、环境污染严重[1]，以绿色发展、高效生产为目标的新常态下，国内外通过积极推进装配式建筑的发展来推动建筑业转型升级。2016年以来，为推动装配式建筑的绿色发展，青海省围绕“一优两高”发展战略，开展区域产业布局及规划，并将西宁市、海东市作为推进装配式建筑的重点区域。但到目前为止，装配式建筑的推进工作依然举步维艰，因此，确定影响装配式建筑发展的主要因素,进行政策模拟,分析发展方向是西宁市亟待解决的问题。

装配式建筑在创造可持续建筑工业化方面受到国内外研究学者的关注，Blismas等[2]从社会、经济及环境方面，分析了澳大利亚装配式建筑发展的环境。Rahimian等[3]基于大量文献研究和市场调查，发现装配式建筑的发展需在政府支持、公私合作、技术培训和财政补贴方面进行改进。王爱飞[4]通过系统动力学与敏感性分析的方法，确定厦门市装配式建筑发展的影响因素，找出关键性指标和政策变量，并提出适当的整改策略；潘越等[5]采用系统动力学的研究方法，对江苏省装配式建筑在市场占有率、支持力度增加率方面的落地效果进行政策模拟研究，结果证明政府支持力在装配式建筑发展前期有着重要的作用。装配式建筑发展的影响因素由促进因素和阻碍因素组成，目前学者们主要对制约装配式建筑的成本因素进行分析研究[6-8]，对市场、利益相关者方面动态变化的探索则较为缺乏。

本文以初始影响因素为研究基础，明确西宁市装配式建筑发展的主要影响因素，绘制系统动力学因果反馈回路图和存量流量图，构建系统动力学模型并进行政策模拟研究，以预测改变各类指标后装配式建筑在西宁市发展的效果。

1 数据来源

1.1 识别影响因素

本文通过对文献的检索、阅读、整理及分析，确定影响装配式建筑发展因素的可能来源，形成影响因素清单。

在中英文数据平台(知网、Web of Science、Scopus等)进行相关论文检索，设定中文关键词为“装配式建筑”、“阻碍因素”，英文关键词为“off-site construction OR prefabricated construction OR Off-site Manufacturing”、“impact factors OR barriers”，最终确定31篇关联度较大的国内外文献，筛选出其中已确定的影响因素，作为初始影响因素。

1.2 筛选影响因素

由于初始影响因素来源广泛，涉及种类繁多，不同研究人员对同一因素的表述差异性较大，不能将西宁市装配式建筑的市场现状全面、科学的反映出来。因此，本文通过对西宁市装配式建筑的具体发展情况进行分析，采用专家访谈方式获得专家对影响因素间关系的看法，更进一步地筛选出西宁市装配式建筑的影响因素。基于专家访谈筛选出的285种影响因素，按经济因素、政策因素、技术因素、市场因素、管理因素五个方面进行分类归纳(表1)。其中，前10个影响较强的因素为项目总成本、经济效益、土地政策、税收政策、奖励政策、建筑施工水平、BIM技术应用、管理经验、人均GDP、投资建造意愿。

表1 西宁市装配式建筑发展影响因素的统计分析

2 帕累托图分析

2.1 绘制帕累托图

帕累托图(Pareto chart)是根据意大利经济学家Vilfredo Pareto的名字而命名的，它也被称作“二八原理”，即80%的问题是20%的原因所造成的[9]。这是一种制定决策时采用的统计方法，项目管理中经常采用帕累托图找出产生大多数问题的关键因素，以解决大多数的问题。本研究基于表1中的统计分析数据，采用Minitab软件绘制帕累托图，见图1。

图1 影响因素的帕累托图

2.2 确定影响因素

由表2可知，经济因素和政策因素的累计构成比在0～80%，是影响西宁市装配式建筑发展的主要因素；技术因素的累计构成比在80%～90%，是影响西宁市装配式建筑发展的次要因素；市场因素和管理因素的累计构成比在90%～100%，是影响西宁市装配式建筑发展的一般因素。

表2 帕累托图分析表

3 系统动力学

3.1 因果关系模型

系统动力学(System Dynamics，SD)是一门分析研究信息反馈系统的学科，1956年由美国麻省理工学院Jay W.Forrester教授最早提出[10]。系统动力学在系统论的基础上，将控制理论和信息论的精髓结合起来，以更加便捷简易的方式来解决复杂的系统问题。采用SD解决问题的过程是定性分析和定量分析的统一，从复杂系统的内部机制、微观结构入手，对系统进行剖析并建立模型，凭借计算机模拟技术来分析内部结构与动态行为的关系，最后寻找出问题的应对措施。

在帕累托图分析出的经济和政策两类主要因素的基础上，结合各变量之间相互作用的因果关系，运用Vensim DSS软件建立系统动力学因果反馈回路图(图2)，主要包含经济效益子系统、政策决策子系统、社会经济子系统和装配式建筑发展规模子系统。图2中的变量由经济因素、政策因素、专家访谈前10的因素以及为实现图中因果关系而添加的辅助因素(公众满意度、人均住房面积、预制率和可持续需求压力等)组成。

图2 基于系统动力学的因果反馈回路图

3.2 反馈分析

由图2可以看出，图中有正、负两种反馈机理，正反馈回路对系统有增强效果，负反馈回路对系统有平衡效果。研究中存在4条关键路线(表3)，关键回路1、3的反馈分析内容如下：

表3 关键回路分析表

关键回路1：该回路为正反馈回路，具有增强作用。装配式建筑发展规模增大，其经济效益得到有效提升，从而促进城市经济发展水平提高，使得消费者购买意愿增加，为满足消费者的市场需求，开发商建造装配式建筑的项目不断增多，推动装配式建筑在西宁市的发展。

关键回路3：该回路为负反馈回路，具有平衡作用。公众满意度的持续上升使得消费者对装配式建筑的需求不断增大，促进了开发商的投资建造意愿，从而加大了装配式建筑的发展规模，此时政府支持意愿上升，将会采取更多政策措施来提高装配式建筑的质量，以降低公众的质量期望差。

3.3 存量流量图

图2能够反映出各变量之间的相互作用关系和作用途径，但不能将变量之间的数量关系和累计作用效果反应出来。因此,基于图2中的四类子系统，通过添加辅助变量(成本增加率、质量提高、GDP增长、支持力度增加等)和参数方程建立西宁市装配式建筑发展的影响因素存量流量图，如图3所示。

图3 基于系统动力学的存量流量图

3.4 SD模型预测模拟分析

对存量流量图进行模型检测(图4)，模型检测通过表明模型结构及参数方程设计符合预测模型要求，可以进行下一步初始预测模拟分析。

图4 模型检测

根据SD模型系统边界的设定原则，将系统仿真模拟的Initial Time设定为2020年，Final Time设定为2040年，Time Step设定为1年。研究中的数据主要通过青海省统计局、西宁市统计公报和以往研究来获取，并根据回归方程等统计方法来确定变量之间的数量关系。

基于输入的初始数据对西宁市装配式建筑发展的政府扶持力度和发展规模进行模拟分析。根据图5的政府扶持力度模拟结果可知，西宁市在现有的装配式建筑发展情况下，政府扶持力度能够从2020年的0.421 2增加到2040年的0.526 8，但增长速率较慢。同时由图6可以看出，在现有的市场供给与需求条件下，西宁市装配式建筑发展规模从2020年的10万平方米将提升到135万平方米。

3.5 政策调控模拟分析

根据帕累托图分析出的经济和政策两类主要因素，对整个装配式系统模型进行政策模拟分析。假设其他变量保持不变的情况下，改变各项经济和政策指标，预测整个装配式系统的动态变化情况。

3.5.1 经济因素调控模拟分析

装配式建筑施工过程中的主要成本包括生产、运输、安装，而生产和运输是导致装配式建筑造价初始成本高的关键因素。由于西宁市工业化发展水平较低，装配式建筑施工初期的一次性投资比传统建造方式要高，因此需要投入更多的时间和资金来进行前期的设计与规划。

经济因素是影响西宁市装配式建筑发展的第一大因素，通过调整存量流量图中的初始经济指标来预测其他关键指标的发展趋势是极其重要的。假设图3中其他因素指标不变，将经济指标(生产、运输、安装、工程建设、其他、人才培养和设备购买成本)降低20%，来预测装配式建筑经济效益的变化情况。根据经济因素调控模拟分析结果(图7)，西宁市装配式建筑经济效益指标在2020年从初始的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。模拟结果证明降低各项经济指标能够提升装配式建筑的经济效益，从而吸引更多的投资建造商来拉动西宁市装配式建筑的市场供给，以此快速达到规模经济，实现推动装配式建筑在西宁市发展的目的。

3.5.2 政策因素调控模拟分析

目前，西宁市在推动装配式建筑发展的过程中，关于装配式建筑相关的政策法规支持力度明显不足。已出台的文件中，对装配式建筑的发展只是提出大致的发展目标，在发展方向、发展路径上并未给出具体说明。

政策因素作为影响西宁市装配式建筑发展的第二大因素，假设图3中的其他因素指标不变，将各项政策指标(奖励、土地和税收政策)提高20%，预测提高政策指标是否能够推动西宁市装配式建筑的发展。如图8所示，装配式建筑发展规模在2040年将从135万平方米提升到196.6万平方米。模拟结果表明，通过完善和提高各项政策指标对推动西宁市装配式建筑的发展是具有积极作用的。

4 讨论与结论

本文用文献研究和专家访谈的方法筛选出285个影响西宁市装配式建筑发展的因素，使用帕累托图分析法确定主要影响因素为经济因素和政策因素，这与梅彬等[11]研究的结果一致。采用系统动力学方法进行动态量化分析，即改变各项经济和政策指标，预测整个装配式系统的动态变化结果，最终得出降低经济指标对提升经济效益和增加投资建造率有积极作用，提高政策指标对装配式建筑在西宁市的发展有推动作用，这与Arif等[12]和Gan等[13]的研究结论基本一致。

在国家大力推进装配式建筑发展的热潮下，尽早实现建筑业的转型升级，根据地区基本发展状况制定促进建筑业发展的相应推进机制，是十分重要的。因此，本研究结合装配式建筑国内外发展经验启示，对西宁市装配式建筑的发展提出如下建议：(1)西宁市装配式建筑的发展还处于萌芽阶段，较高的初始成本制约了装配式建筑的发展。政府可引导大型国有企业先行发展，总结经验，采用单价补贴、利息补贴等方式对建设方等其他主体进行经济补偿，同时可通过在西宁市设立投资基金扩大融资渠道，以便于宏观调控和建设良好市场环境;(2)西宁市在政策机制方面，应牢牢抓住新型城镇化建设推动装配式建筑发展的契机，出台指明具体发展方向和详细发展步骤的政策文件，进一步完善政策法规体系和加强政府引导;(3)西宁市在建筑工业化方面仍处于发展阶段，导致发展装配式建筑时所需的专业技术相对匮乏，所以应加大研究所和高校等机构在装配式建筑方面的研究，教育部门也应配合高校设立专业性课程，督促学生学习BIM等新型技术，并鼓励学生积极参与相关认证考试。