基于系统动力学和多因素方差的施工返工致因分析

尹燕谱 陶卫

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200241)

0 引言

在我国建筑业施工中，返工是普遍存在的问题。返工是指因工程项目偏离业主需求、不符合规范、施工错误等而导致的纠正工作[1]。尽管返工现象很普遍，但返工原因比较复杂，且具有多样性。返工不仅造成项目进度延迟和项目成本增加，而且增加了负面社会影响[2]。对于基础设施项目，直接返工的平均成本达到5.07%[3]。因此，对返工进行有效管理十分必要，确认返工原因亦非常重要。

大多数针对返工原因的研究以调查报告、访谈等方式进行，未形成一个系统模型。本文建立了一套施工项目系统动力学(SD)模型，将模型运行282次，对运行后导致返工原因的三个主要因素进行多方差分析，并确定模型中影响返工因素的大小及效应量，从而帮助项目管理者更好地控制返工原因，减少返工工程量，进而有效地控制整个项目工期及成本。

1 施工项目返工原因研究现状

不同学者确定了不同类型的返工原因。Burati等[4]指出了设计、施工、制造、运输和可操作性5个主要原因。Hwang等[5]通过对数据库中建筑项目的调查，确定了业主变更和设计错误的原因。Marujo[6]开发了一个系统动力学通用返工模型，评估产品开发返工的影响，但并未建立详细的反馈和循环，研究结果仍需进一步完善。Ye等[7]通过对我国建筑从业人员访谈、问卷和因子分析，确定了项目管理流程不明确、施工技术质量差、施工材料使用不良是最重要的原因。单翠等[8]通过贝叶斯网络分析了返工致因传递路径。然而，以上研究并未建立一个全面的动态系统。

基于此，本文建立了施工项目的系统动力学模型，涉及施工速度、总施工工程量、施工质量、返工工程量等，研究了在施工过程中项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例三因素对返工工程量的影响，并运用系统动力学模型和多因素方差法对这三个主要因素进行效应估计量分析。

2 研究方法

2.1 系统动力学方法

系统动力学最初是研究企业生产管理和库存管理之间问题的系统仿真方法[9]。系统动力学是通过分析社会或经济系统内部各变量之间的反馈结构关系来研究系统整体行为[10]。随着应用范围扩大，越来越多SD模型运用于航空航天、军工等大型项目。大型项目的动态系统比较复杂，很多动态变量随着时间变化而变化，同时很多动态过程是一些非线性关系，因此SD模型为项目管理提供了动态研究方法。

本文运用Vensim软件建立了一个施工项目的动力学基本模型，涉及熟练劳动力、项目总量、项目工期、施工质量、施工总人数、施工速度、返工速度、问题发现等多个变量。将项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例三个主要影响因素加入SD模型，运用函数方程模拟模型中变量间的关系，并建立定量模型，进行动态模拟，记录返工工程量的变化。

2.2 多因素方差分析法

多因素方差分析法是一种数理统计方法[11]，指当因变量受到两个或两个以上变量影响时，通过假设检验判断多个因素是否对因变量产生显著性影响，单个因素对因变量产生的影响为主效应，多个因素之间的交互作用对因变量产生的影响为交互效应[12]。

本文运用SPSS软件对产生返工的三个主要因素进行分析，返工工程量为因变量，三个主要因素为变量，将系统模型运行282次，对所产生的282组数据进行多因素方差分析，进而进行主体间效应检验分析，比较每个因素的显著性水平，根据显著性水平值对三个影响因素进行分析。通过检查95%置信区间以确定特定组之间的显著差异性[13]。

3 施工返工的系统动力学模型

3.1 项目管理流程明确对施工速度影响模型

项目管理流程明确对施工速度的影响，直接决定了后续待甲方验收的工程量，进而影响返工工程量。熟练劳动力及项目管理流程明确对施工速度的影响模型如图1所示。Kim等[14]研究了熟练劳动力短缺的原因和影响，指出熟练劳动力短缺对项目进度影响最大。此部分模型中引入了熟练劳动力的流入流出模型及对施工速度的影响。正常人均施工速率是由熟练工人总施工速率和新工人总施工速率决定的，劳累对施工速率也会产生影响。同时，此部分模型中还引入了施工阶段人数的限制，剩余工程量影响了施工人数，剩余工程量是总工程量减去已完成工作量，同时考虑到最大施工速度取决于剩余工程量，而最大施工速度又限制了模型中的施工速度，因此构建了工程量及工期对施工速度影响模型，如图2所示。

图1 熟练劳动力及项目管理流程明确对施工速度的影响模型

图2 工程量及工期对施工速度的影响模型

3.2 积极主动返工和合格材料使用比例对返工的影响模型

在施工过程中，甲方有验收通过的质量要求，因此施工质量会对甲方验收通过速度产生影响，从而影响甲方验收通过的工程量。然而，甲方验收通过的工程量中也会存在一些隐患问题，因此待返工工程量由两部分组成：第一部分是在待甲方验收工程量中发现问题所产生的返工工程量；第二部分是甲方通过验收的工程量中出现的一些隐含问题所产生的返工工程量。待返工工程量会引起返工速度变化，积极返工因素也会对返工速度产生影响，所以返工总工程量是对返工速度进行积分的结果，具体的积极主动返工及施工质量对返工工程量的影响模型如图3所示。同时，施工质量受新工人正常施工质量、熟练工人正常施工质量和合格材料使用比例的影响。合格材料使用比例越高，施工质量会越好，相应的待返工工程量也会越少。合格材料使用比例对施工质量的影响模型如图4所示。

图3 积极主动返工及施工质量对返工工程量的影响模型

图4 合格材料使用比例对施工质量的影响模型

3.3 模型的因素类型和方程

在此施工过程中，完整的返工影响因素系统动力学模型由4个部分组成，分别是熟练劳动力及项目管理流程明确对施工速度的影响模型、工程量及工期对施工速度的影响模型、积极主动返工及施工质量对返工工程量的影响模型、合格材料使用比例对施工质量的影响模型。在此系统动力学模型中，变量可分为水平变量、辅助变量、流量和常量4种类型。

水平变量表示某些物理量的累积水平，由速率变量的积分表达；辅助变量是中间变量，用来传递水平变量和速率变量之间的输入和输出；流量是使水平变量增加或减少的速率变量；常量是模型中给定的固定的值。主要模型因素及方程表达式见表1。式中，Time Step为计算积分的时间步长。

表1 主要模型因素及方程表达式

3.4 模型的仿真运行与分析

本模型考虑了在施工项目中的一些条件，如劳动力流入流出、每周工作时间、疲劳对施工质量的影响、疲劳对施工速率的影响，运用系统动力学模型模拟了项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例对返工工程量的影响。在此模型中，项目总工程量设为10 000m2的建筑项目，项目的初始工期为30周，初始熟练劳动力人数为70人，施工培训周期为4周，时间单位为1周，每周最长工作时间为1.5周，每周正常工作时间为1周，熟练工人正常施工质量为0.88，新工人正常工作质量为0.75，主要模型因素模拟值见表2。为了研究项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例对返工工程量的影响，三个影响因素需要统一标准，通过调整每个因素在0～1的比例，分析返工工程量的变化大小。

表2 主要模型因素模拟值

通过对模型的仿真，观察返工工程量的变化情况。本文使用Vensim软件进行仿真，对项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例三个主要影响因素对返工工程量的影响进行控制变量分析，如图5～图7所示。

图5 项目管理流程明确对返工工程量的影响

图6 积极主动返工对返工工程量的影响

图7 合格材料使用比例对返工工程量的影响

虽然模型仿真的结果显示了返工工程量的变化，但其中假设了两个因素无影响，观察单个因素的变化对返工工程量的影响。通过分析结果图可知，当三个因素中只有一个因素发生变化时，合格材料使用比例的变化对返工工程量的影响最大。当合格材料使用比例从0.1提高到0.9时，返工工程量减少了约75%。但此方法并未考虑三个因素同时变化时对返工工程量的影响，因此分析系统动力学模型中单一因素变化的影响是不足的，还需模拟运行三个因素同时变化时对返工工程量的影响，并利用多因素方差法对运行的数据和结果进行分析。

4 多因素方差法对模型中的返工数据分析

根据建立的系统动力学模型，分析三个影响因素同时变化对返工工程量的影响。对三个影响因素在0～1区间进行不同比例的组合，将模型运行282次，得到282组数据，自变量为三个影响因素，因变量为返工工程量，将282组数据作为实验数据导入SPSS软件，进行一般线性模型分析，主体间效应检验表见表3。在表3中，返工工程量为因变量，表中的A、B、C分别对应项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例，设A、B、C为固定因子，置信区间为95%。

表3 主体间效应检验表

通过SPSS分析数据表明，A(项目管理流程明确)、B(积极主动返工)、C(合格材料使用比例)的显著性水平均小于0.05，说明拒绝原假设正确的概率小于0.05，即原假设成立，因此A、B、C三个因素对返工工程量具有显著性影响，同时，C的显著水平为0.000 2，低于A和B的显著性水平(0.003)，并且C的偏Eta方为0.999，大于A和B的偏Eta方(0.994)，说明C在返工完成工程量中的效用大于A和B。因此，项目管理流程明确、积极主动返工的显著性影响效果小于合格材料使用比例。此外，研究中还发现B和C、A和B之间存在交互作用，但本次研究旨在分析三个影响因素中的最大影响程度，因此未进行简单效应分析。

5 结语

本研究建立了一个完整的系统动力学模型和方法研究施工返工致因，在先前研究的基础上确定了三个主要返工影响因素，即项目管理流程明确、积极主动返工、合格材料使用比例，通过系统动力学模型分析三个因素对返工工程量的影响，同时结合多因素方差分析法，对运行模型中的数据进行研究分析，比较了三个影响因素的显著性及效应量，得出相较于项目管理流程明确和积极主动返工，合格材料使用比例对返工影响更加显著的结论。此研究可以使管理人员更好地控制返工，进而减少返工工程量；同时，本研究提供了一套基本的施工返工系统动力学模型，为管理人员及后续研究人员研究返工的其他影响因素提供了方法和思路。在本研究中，由于所开发的系统动力学模型基于简单值和模拟值，本研究的结果和模型需要通过不同的实际施工情况和实际项目数据来验证。