基于SNA-ISM的装配式建筑成本影响因素分析

李强年，黄亚琴

（兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050，E-mail：1940649617@qq.com）

随着人类活动的不断增加，气候变暖，资源短缺及环境污染等问题成为人类社会所面临的巨大挑战。《建筑能耗研究报告2020》数据显示,在建筑能耗方面,建筑业全生命周期总能耗21.47亿tce，占总能源消耗46.5%，其中生产过程占比23.8%，施工过程占比1%，运行过程能耗占比21.7%。在CO2排放方面建筑全生命周期碳排放量为49.3亿t CO2，占全国能源碳排放总量的51.2%。其中，生产阶段占28.3%，施工阶段占1%，建筑运行占21.9%。由此可见，建筑业是我国主要能源消耗的来源，装配式建筑作为建筑业可持续发展的重要方向，相比于传统建筑，具有降低能耗、减少环境污染、提高建造效率等特点。因此全面推进装配式建筑，有利于减轻资源短缺及环境污染的问题。在国家各项政策的引导下，我国装配式建筑开始发展，相关技术与标准体系、组织管理模式及体制机制等不断完善。但是我国装配式建筑发展时间较短，在设计经验、先进技术、工业化基础、专业人才、组织管理模式等方面还有欠缺，使得装配式建筑在设计、生产、运输及施工过程中的效率不高，并且存在一些成本、质量和安全等问题，且过高的成本也使得装配式建筑发展受阻。因此，如何有效减少装配式建筑成本是装配式建筑推广进程中亟需解决的问题。

在装配式建筑成本方面，已有不少研究成果。孙永彦等[1]通过层次分析法和WBS法分析了影响装配式建筑成本的主要原因。彭军龙等[2]从设计、管理、技术、政策和环境的角度，通过ISM-BN建立模型，对装配式建筑隐形成本进行研究。吕哲琦等[3]从生产、运输、施工3个方面，通过模糊层次分析法对青海省装配式建筑成本进行研究。刘国强等[4]将EPC模式下的装配式建筑企业作为研究对象，从装配式构件采购和安装两个阶段对影响建造成本因素进行分析评价。罗祥等[5]利用ISM-AHP法从设计、技术、管理、环境等方面分析装配式建筑成本，结果表明产业链完整、预制率和装配率是最关键的因素。肖光明等[6]通过多个案例对比，探究影响装配式混凝土高成本的主要因素。

上述文献通过不同方法研究装配式建筑成本影响因素，但对影响因素的重要程度及层次结构的研究较少。且现有研究大多数是将各影响因素看作孤立的点，没有考虑各影响因素之间的相互作用关系，对装配式建筑成本因素识别缺乏一定的全面性和系统性。鉴于此，为有效明确装配式建筑成本的主要影响因素及内在联系，本文运用SNA社会网络分析法与ISM解释结构模型法相结合，从设计、生产、运输、施工[7]等4个方面，系统科学地构建影响因素评价指标体系，明确关键因素，梳理因素间内在联系和层级关系，从而制定出应对措施和建议，为装配式建筑的发展提供参考依据。

1 装配式建筑成本影响因素确定

为科学客观地找出影响因素，本文通过资料及文献分析，在CNKI数据库，搜索“装配式建筑成本”，初步筛选检索出近10年关于装配式建筑成本的137篇论文。再经过详细筛选，选取了和装配式建筑成本分析密切联系的24篇论文，并结合现场调研的装配式建筑项目实际情况，最终按照设计阶段、生产阶段、运输阶段、施工阶段得到16个主要影响因素，如表1所示。

2 基于SNA-ISM综合建模方法

装配式建筑成本各影响因素间有较复杂的内在联系，因此要有效识别出装配式建筑成本关键影响因素，并梳理影响因素的层级关系，需寻求既能识别关键因素，又能明确各因素相互关系的方法。社会网络分析（SNA）基于图论、社会计量学对数据定量分析，通过软件计算得到网络结构特征指标[8]。该方法通过UCINET软件计算各因素的中心性指标，进而分析关键因素和内在联系；解释结构模型（ISM）通过矩阵的运算，确定影响因素的层次，使复杂系统转变为更加简洁明晰的多层递阶结构模型。

SNA法能有效地识别复杂系统的关键影响因素，但是不能分析因素的层次关系，相对而言ISM法能直观地将因素间的层级关系呈现。两种方法都适用于分析复杂系统，因此将两种方法相结合，可以更加全面准确地分析评价指标体系，并为装配式建筑成本的控制提供参考。分析流程如下：

（1）依据确定的指标体系，得到直接影响关系矩阵B。

（2）对B矩阵规范化后得到E，避免量纲不同对结果产生影响。

（3）计算综合影响矩阵F，得到各因素间的影响值。

（4）构建关系结构图并求取相关指标，以此确定关键影响因素。

（5）加入各因素对其本身的影响，求取整体影响矩阵G。

（6）引入阈值λ，简化矩阵。

（7）求取可达矩阵D。

（8）对矩阵层次化处理，构建多级递阶结构模型。

具体影响因素分析流程如图1所示。

图1 影响因素分析流程图

3 基于SNA-ISM影响因素分析模型构建

3.1 计算综合影响矩阵T

通过专家打分法，在识别影响装配式建筑成本因素的基础上，邀请12位装配式建筑相关领域的专家对因素间的影响强度进行打分，其中包括4位高校及科研机构专家，3位施工企业项目经理，3位设计院专家，2位政府机构管理人员。采用0~4打分制，既0、1、2、3、4分别代表无影响、较弱影响、中影响、较强影响、强影响。最后打分结果求取平均数，从而得到装配式建筑成本影响因素直接影响矩阵B=[bij]n×n，其中bij为装配式建筑成本影响因素ai对影响因素aj的影响程度。当i=j时，bij=0。规范化矩阵B，计算得矩阵E，其中Ei∈[0，1]，即：

运用下式计算综合影响矩阵F，fij为对其他因素的影响值。其中：I为单位矩阵。

得到综合矩阵F，如表2所示。

表2 综合影响矩阵F

3.2 构建关系结构图并计算中心性指标

利用UCINET 6软件中的NetDraw模块处理综合影响矩阵F，构成一个关系网络结构图，如图2所示。其中节点的大小代表因素的影响值，节点越大，影响值则越大；各节点之间的距离远近表示因素间的紧密程度，各因素间距离越小越紧密。

图2 影响因素关系网络

为进一步确定关键影响因素及各因素间的关联关系，通过计算中心性指标定量分析成本影响因素。点度中心度Cuc为该因素直接影响的因素数量，Cuc值越高，表示该因素离网络中心越近[9]。点度中心度分为出度和入度，出度值增大，该因素对其他因素影响也增强，入度值增大，该因素受其他因素影响增强；中间中心度Cubc是指某节点是否处于多个节点间联系的连线上，指标数值越高，代表该节点连接其他两个节点的可能性越大，在网络关系图中的控制作用更强；接近中心度代表该因素和其他因素间的紧密性，数值越大表示两个因素间的距离越短，关系越紧密。接近中心度有内接近中心度和外接近中心度，分别表示因素受到其他因素控制的强度及控制其他因素的强度。其计算公式为：

利用UCINET软件计算影响因素的各指标数据如表3所示。

表3 装配式建筑成本影响因素SNA分析结果

3.3 可达矩阵D

计算整体影响矩阵G。为了简化计算，引入阈值λ，其中λ∈[0，1]。式中α是矩阵F中fij的均值，β是fij的标准差。

根据上式求出阈值λ结果如下：α=0.0949，β=0.0828，λ=α+β=0.1777。将λ值代入矩阵G，并求得可达矩阵D。其中fij=1表示对应的两个因素有直接影响，fij=0则表示对应的两个因素没有直接影响[10]。

3.4 构建多级递阶结构模型

利用Matlab软件对可达矩阵D进行计算，求出先行集Q(ai)、可达集R(ai)及S(ai)，如果S(ai)=Q(ai)∩R(ai)成立，则S(ai)为第一层因素，接下来将已分层的因素从矩阵中删除。重复上述做法直到装配式建筑成本影响因素层次划分结束，分析结果如图3所示。

图3 装配式建筑成本影响因素多级递阶结构模型

4 计算结果分析

4.1 SNA分析

通过SNA法可以确定关键影响因素，根据表4计算的相关指标分析，可得出以下结论。

表4 装配式建筑成本影响因素可达矩阵D

（1）点度中心度。从各节点维度来看，PC构件的拆分、人材机成本、预制率和装配率、预制构件重复使用率、构件生产效率、模具使用效率、构件的标准化程度等7个因素的点度中心度值大于平均值，表明这几个因素处在网络图中的中心，并与其他节点直接相连，属于重要影响因素。

（2）中间中心度。从各个节点数值来看，预制率和装配率、人材机成本、运输机械的选择、构件的标准化程度、运输过程构件损耗率、垂直运输机械、PC构件的拆分7个因素的中间中心值大于平均值，既这7个因素对其他因素起到一定的调控作用。

（3）接近中心度。计算可知，预制率和装配率、预制构件重复使用率、垂直运输机械、构件的标准化程度、人材机成本、构件生产效率、PC构件的拆分7个因素的内接近性值较高，说明更易受其他因素变化的影响。预制率和装配率、预制部件厂址的选择、运输过程构件损耗率、PC构件的拆分、构件的标准化程度、路线的选择及优化6个因素的外接近性值较高，说明更能有效地控制其他因素，改善及调整这些因素对于装配式成本控制具有重要意义。

由以上指标可以综合分析得到，预制率和装配率、构件生产效率、PC构件的拆分、构件的标准化程度、运输过程构件损耗率、构件重复使用率、人材机成本、路线的选择及优化等8个因素的各指标数值都较高，属于关键影响因素。

4.2 ISM分析

ISM法通过多级递阶模型，划分影响因素的层次关系。结果表明：

（1）16个因素共分为三阶四层，预制率和装配率处于第四层，是根本影响因素，对装配式建筑成本起着关键作用；第二、第三层属于中间影响因素，包括构件的标准化程度、PC构件的拆分等；人材机成本等处于第一层，是直接影响因素，对建造成本有着直接作用。

（2）装配率和预制率是根本因素，对成本的控制起着关键性的作用。提高预制率和装配率会直接影响人材机成本，也会通过预制部件的连接、PC构件的拆分等间接影响对建造成本产生影响。因此，要从根本控制装配式建筑成本，制定合理的预制率和装配率十分重要。第二、第三层中间因素直接影响第一层因素，在直接影响因素中，人材机成本占装配式建筑构件生产成本的大部分，装卸费、二次运输及垂直运输机械对运输过程的成本影响很大，这些因素对控制装配式建筑成本都有重要的作用。

4.3 SNA-ISM综合分析

对SNA-ISM综合分析可知，ISM法分析得到的根本驱动因素预制率和装配率是SNA法计算得到的关键因素；ISM法分析得到的间接影响因素的中间中心度及接近中心度等指标都相对较高，说明不仅容易受到其他因素的影响，同时对直接因素也起着调控作用；ISM法分析得到的直接影响因素的内接近性指标也相对较高，而外接近指标较低，说明容易受到其他因素的影响，但对于其他因素的调控能力较弱。从以上结果可以看出，SNA与ISM法在分析装配式建筑成本影响因素的重要性与层级分类中结果基本相同，这也进一步证明了SNA-ISM模型的适用性和科学性。

综合分析结果表明预制率和装配率是最关键的根本影响因素；在中间层中，PC构件的拆分、构件的标准化程度、构件生产效率及构件的重复使用率是关键性因素；在直接影响因素中，人材机成本、垂直运输机械更为关键，损耗率和装卸费相对不重要。

5 装配式建筑建造成本控制对策及建议

（1）健全标准规范体系，提高标准化程度。装配式建筑的设计阶段对降低建造成本最为重要，因此需要有一套完整的规范标准体系。目前国内装配式建筑正在探索阶段，相关技术标准还不够完善，导致装配式建筑成本高于传统建筑，从而限制了装配式的发展。因此应该尽快完善相关国家、地方、行业标准，并建立健全装配式建筑的评价标准和方法，进一步提高装配式建筑建造的效率。

（2）重视深化设计，科学合理地拆分构件。为降低装配式建造成本和促进我国工业化进程，应重视深化设计，科学合理地拆分构件。因此，设计单位可以将信息技术运用到前期设计阶段，如利用BIM技术进行协同设计、集成设计，优化审核设计成果[11]。并且BIM技术能够将传统的二维设计增加到三维、四维甚至五维，提高了多方信息的传递速度，具有信息化、立体化、直观化及可视化[12]，同时也可以把预制构件标准化、参数化，为后续构件生产提供依据，提高施工速度、减少后期变更、降低成本投入。

（3）合理提高预制率和装配率。相关研究提出，装配率的提高会使装配式建筑的成本降低，在预制率低于65%时，会增加构件的材料及管理费用，但是人工费和措施费会降低，并且工期缩短，综合效益明显[13]。在大于65%之后，施工成本效益会更加显著。所以在国家发布的装配式建筑相关政策中，装配率可以适当提高。

（4）提高预制构件生产技术。当前构件生产的施工技术及相关的标准还不完善，因此应加强构件的生产技术。一是通过对生产模具的通用性改进，使得模具的周转次数、使用率增加；二是设计单位可以将BIM技术运用到预制构件生产过程，实现信息化生产，并对构件拆分方案进行优化，从而提高设计效率[14]。

（5）科学管理运输环节。在装配式建筑成本组成中，运输部分产生的成本占比近20%，因此控制运输部分的成本是极其重要的。一是按照构件的体积、质量、数量等确定运输方案及车辆。而在构件厂的选择上，要根据运输距离和方便程度选择；二是通过对预制构件运输过程的有效管理，减少在运输过程中产生的成本。如引入物联网技术加强信息化管理，增加构件运输和管理的效率。

（6）提高操作人员的专业化水平。由于在装配式建筑施工阶段，需要吊装的预制部件不仅数量多、难度大，而且对专业操作人员的要求较高[15]。在施工阶段有效控制这两个影响因素对降低建造成本有着极大的作用，所以应加强产业工人的技术培训，并定期组织对施工中遇到的问题及重难点进行学习并总结，以提高工程质量及工作效率，增强工人的综合能力。

（7）提高施工管理标准化、规范化。装配式建筑比传统建筑施工更需要规范化的现场管理。在施工阶段，施工单位可以利用BIM技术实现信息化管理，实时更新施工进度以确保工期，提前模拟现场施工，提高工作人员对施工过程的了解，以及发现可能存在的问题。并结合移动互联网技术，实时共享、高效传递施工现场的信息，降低施工变更的次数，进一步提高现场施工管理效率，促进装配式建筑的发展。

6 结语

在国家推行可持续发展、绿色节能的政策下，装配式建造方式俨然成为建筑业发展的重要方向。但相比于传统建筑而言，装配式建筑成本明显过高，因此分析装配式建筑成本对其发展有重要意义。本文通过文献分析从设计、生产、运输、施工等4个阶段，系统科学地确定16个影响装配式建筑成本的因素，建立影响因素评价指标体系；以专家访谈法得到的各因素间影响强度数据为基础，利用社会网络分析法和解释结构模型法的优点，构建SNA-ISM模型综合分析装配式建筑建造成本关键影响因素及层级关系。分析结果表明预制率和装配率是最关键的根本影响因素，中间层中PC构件的拆分、构件的标准化程度、构件生产效率、以及构件的重复使用率最为关键，人材机成本、垂直运输机械是最重要的直接影响因素。根据分析结果，提出相应对策及建议，为企业降低装配式建筑成本提供了参考依据，有利于装配式建筑的发展。