基于系统动力学的装配式建筑发展路径研究

姜 琳，周克祥，潘 辉

（天津城建大学经济与管理学院，天津 300384）

装配式建筑是我国建筑业领域实现向资源循环型经济转型、供给侧结构产业改革的重要抓手[1]，我国幅员辽阔，各地政策导向、经济发展状况、标准规范、工程定额标准、技术工艺等方面存在较大差异[2]，因此,探索一条适合各地自身状况的有效发展路径将成为建筑工业化进程中面临的实际问题.近年来，针对装配式建筑发展问题国内外学者进行了大量研究，张淇等[3]通过构建解释结构模型探讨了大连市装配式建筑发展的制约因素；王志强等[4]则通过搭建演化博弈模型研究框架辨析了地方政府监管力度与建设单位主动采用装配式建筑的影响关系；刘东卫等[5]则通过对比中日两国装配式住宅集成技术的演变历程，归纳了自主创新能力对我国装配式建筑发展的重要性；Nduka[6]、Ogunde 等[7]通过问卷调查、数理统计等方法，揭示了不同地区、政策背景、经济状况下阻碍装配式建筑推广的主要原因；Aladeloba[8]、Steinhardt 等[9]则基于实际项目，阐述了不同因素对装配式建筑推广影响的差异性.

鉴于此，在上述学者对装配式建筑影响因素研究的基础上，结合系统动力学理论，借助Vensim PLE 软件构建装配式建筑发展系统动力学模型，并以天津市为例进行方程的参数估计.在模型有效性检验通过的基础上，根据政府部门相关文件及天津装配式建筑发展态势，假设了6 条调控情景，并据此设定了12 条天津装配式建筑发展路径，试图以动态、前瞻的视角探索天津装配式建筑发展新思路.

1 装配式建筑发展影响因素分析

装配式建筑发展是一个囊括城市经济体系、社会人口状况、技术资源集成程度、理论科研水平、政府规制力度的多维集合[10].本文在倪国栋[11]、李强年[12]、金长宏[13]等学者研究的基础上，从经济体系、社会市场、技术轨道、理论科研四个层面对装配式建筑发展的作用关系依次展开分析.

1.1 经济体系层面影响装配式建筑发展的因素

城市的经济状况与装配式建筑的发展存在一定的相关性，建筑业是城市发展的基础民生工程，对城市经济增长起到促进作用的同时也激发了城市经济的活力.反之，城市的经济、城镇化率对扩充装配式住宅市场的供给空间也将起到积极正向的驱动作用.经济的需求拉动了建筑业产值的增长和带动产业链上中下游本土建筑企业的发展，二者相互融合、共同促进，从而实现建筑工业化的宏伟目标.

经济与装配式住宅市场的作用关系体现在以下几方面.一方面，对于房地产开发商而言，宽松的贷款利率会激发企业的生产性及投资性需求，当银行机构有较高或较低的贷款利率时，房地产开发商会考虑投资成本和收益率，建造成本达到一定的阈值将会抑制或促进开发商的投资需求，市场供给因此将发生改变；站在消费者角度，人均可支配收入相对稳定的情况下，过高的首付门槛、贷款利率及贷款周期，会拉低消费者需求，作用在住宅市场上就是需求量的紧缩.另一方面，土地出让金及相关税收是当地政府财政收入的主要来源，当住宅需求量大的时候，交易成本会水涨船高，供给市场会加大投入，带动地方经济的增长.然而，一旦局势相反，供给市场会减少投入，导致房地产行业经济萧条，政府税收相应的也将减少.因此，经济层面在装配式推进过程中的影响因素可以概括为装配式建筑总效益[14]、城市GDP[15]、人均可支配收入[16]、建造成本[17]、交易成本[18]等.

1.2 社会市场层面影响装配式建筑发展的因素

人口总量与装配式住宅需求量整体呈现正相关的趋势，人口的增长会加剧城市各种资源的稀缺，进而对地区经济增长速度造成一定影响，最直接的体现就是人均收入水平的下降与家庭年均收入的减少，当商品房价格波动幅度不大时，房价收入比将加大.居民购买意愿随之降低，从而对装配式住宅市场需求和房地产开发商投资产生影响. 同理，人口总量维持在城市可承载的合理范围内，会使居民的房价收入比减少，居民可用于住房上的资金会对应增加，从而提升居民购买意愿.

人口结构也是造成装配式住宅供需市场波动的潜在因素，对于适婚年龄段的青年人，对住宅有着刚性需求，该群体人均可支配收入是所有年龄层相对较高的，庞大的适婚年龄群体会促进房屋住宅市场的需求量.除适婚年龄段外，其余人群市场需求的关系主要是住房改善、不动产投资理财与家庭年收入之间的关系，因此20—35 岁群体成为了住宅市场的主力军.与之不同的是在老龄人口与20 岁以下的人口中，这一类群体收入水平明显降低，住房消费倾向也会受到严重影响.总的来说，人口是房地产市场运行的基础核心，住宅是满足人类基本生活需求的民生工程，二者密不可分；同时又会有居民购买意愿[19]、建设单位开发意愿[20]、人均住房面积[21]等中间变量来共同作用于装配式住宅市场供需与社会人口之间的关系.

1.3 技术轨道层面影响装配式建筑发展的因素

技术轨道是指通过研发、创新、整合等一系列活动，在装配式建筑各种边界以及技术壁垒不断刷新、打破过程中积累形成的一条特定且不可逆的工艺流程，其最终目的是提高生产效率、降低建造成本.因此，技术轨道层面促进装配式建筑发展的途径则是通过降低建造成本提升建设单位开发意愿.

现浇建筑作为传统劳动密集型行业，建造成本费用的管理主要从控制建筑原材料成本、人工费、施工机械使用费等方面入手.对建筑材料成本的控制，主要通过材料员严控材料的收发程序和手续，根据施工现场进行定额供料，避免材料堆积造成浪费；另外，还可在材料生产阶段从降低生产能耗、提高生产效率等环节入手；对于人工费用的控制，主要通过提高劳动生产率或合理统筹制定施工组织计划、多单位联动管理来实现降低人工费用的目的.对于预制构件繁多、施工安装技术要求较高的装配式建筑而言，技术轨道会将产业链上设计、生产、物流、施工等阶段进行多专业、多单位协调联动管理，通过资源、信息、技术等要素的高度集中，以此来实现建造成本的节约.例如，设计规划阶段需要考虑预制构件的标准化、产品的流水线适应性、生产厂商仓库的存储量、构件运输的成本等内容；施工安装阶段要考虑的不仅仅是垂直运输机械的使用费，更要关注预制构件供应的及时性，合理布局施工场地预制构件堆放区域；同时还需注重工程质量，减少因质量缺陷带来的不必要成本的损耗，包括预制构件不合格的返工及返修成本、原材料检验成本等，以此促使装配式建筑增量成本趋于合理化，提升建设单位主动开发预制住宅项目的意愿.因此，行业技术轨道维度则通过装配式施工能力[22]、构件的标准化水平[23]、构件厂商生产能力[24]、设计效率[25]等因素对装配式建筑发展产生影响.

1.4 理论科研层面影响装配式建筑发展的因素

理论科研层面对装配式建筑发展的作用主体主要以科研机构、高等院校等产业链上游组织群体为主进行发散影响.装配式建筑系列部品构件、技术等理论方面的研究首先会干预房地产开发商的投资意愿，性能优越、标准化水平较高的构件能达到节省成本、缩减建设工期、提升工程质量的目的，此时，建设单位开发意愿强烈. 相反，产业链上游企业研发阶段资源整合能力较弱，则会导致构件生产成本较高、连接难度较大、施工成本较高等局面的出现，使得建设单位开发装配式建筑的意愿偏低.因此，通过巩固科研机构的资源要素投入，夯实装配式建筑基础理论科研根基，来激发上游企业组织群体在部品构件、新型建筑材料、构件连接技术等方面的研发创新能力的方式，对于推动装配式建筑深度发展具有重要意义.

因为装配式建筑构配件大多是在工厂进行预制，需要提前完成各类套管孔洞预留、水平及竖向预制构件数量位置确定、多专业多单位策划等前期大量的信息集成性工作，因此，项目全生命周期需要既有装配式丰富施工经验又有管理生产活动所需的其他学科专业知识的T 型复合人才.可依靠计算机技术进行多专业、多单位协同设计，在提高设计效率的同时为后续参建单位施工作业提供技术、施工工艺咨询等服务保障.综上，该层面影响装配式建筑的主要因素有科研投入[26]、T 型人才[27]、建筑企业从业人员[28]等.

2 系统动力学模型的构建

2.1 系统边界假设

本研究借助系统动力学理论，探索装配式建筑发展最佳路径，建模过程中边界以外的要素不会对模型敏感性、精确性造成较大影响.考虑到数据的可获取性及模型的实用性，故将装配式建筑研究范围界定为民用住宅，仿真起止时间为2015—2030 年，仿真步长为1 年.

2.2 模型构建及系统结构分析

基于装配式建筑发展影响因素的分析，在咨询相关专家及借鉴霍正刚[29]、潘越[30]等运用系统动力学在装配式建筑领域研究的基础上绘制了装配式建筑发展因果回路图（见图1），主要反馈环如下：

图1 装配式建筑发展因果回路

（1）装配式建筑面积→+扶持力度→+监管机制→+采用EPC 管理模式概率→+协作团队经验→-建造成本→-交易成本→+居民购买意愿→+PC 住房需求→+建设单位开发意愿→+装配式建筑面积（正反馈回路，长度9）；

（2）装配式建筑总效益→+GDP→+人均GDP→+人均可支配收入→-房价收入比→+居民购买意愿→+PC 住房需求→+建设单位开发意愿→+装配式建筑面积→+装配式建筑总效益（负反馈回路，长度8）；

（3）监管机制→+采用EPC 管理模式概率→+协作团队经验→-建造成本→+建设单位开发意愿→+装配式建筑面积→+扶持力度→+监管机制（负反馈回路，长度6）.

基于因果回路图中各要素间的逻辑结构与相互关系，在经过一系列推导验证后引入了一些间接或次间接影响装配式建筑发展的中介变量如房价、房屋新开工面积等因素，构建装配式建筑发展存流图如图2所示.在前文分析的基础上结合系统论思想，确定了7个状态变量、7 个速率变量、22 个辅助变量、12 个常量共计48 个变量，并将模型划分为经济发展子系统、社会市场子系统、技术轨道子系统以及理论科研子系统.其中，经济发展子系统包括装配式建筑总效益、城市GDP、人均可支配收入等变量；社会市场子系统则包括PC 住房需求、建设单位开发意愿、房屋新开工面积等变量；技术轨道子系统包括构建厂商生产能力、标准体系完善度等；而理论科研子系统则包括科研投入、T型人才等变量.

图2 装配式建筑发展存量流量

各子系统相辅相成、相互作用，共同揭示了装配式建筑发展的运行原理，其之间的内在机理如图3 所示.经济发展、社会市场、技术轨道、理论科研四大子系统共同作用于装配式建筑的发展，装配式建筑产生一定的规模效益后对社会市场有一个正向的调控作用，同时市场上的供给量与需求量引发的价格波动也将反馈到经济发展过程中；装配式建筑技术轨道是建筑工业化进程中，相关建筑单位必须采取的统一的设计模式、施工工艺选择、构件尺寸标准等一系列路线.技术轨道的完善将会极大地推动装配式建筑的规模，理论科研作为技术发展的基础研究会逐渐引导技术轨道趋于完善，同时科研对装配式建筑产生的规模效益会产生一定的助推效果.

图3 各子系统内在机理示意

2.3 方程参数估计——以天津市为例

在系统存量流量图建立的基础上进行参数估计，选取天津市作为实证分析对象，数据主要来源为中国统计年鉴、天津市统计局网站、中经网数据库、天津市住房和城乡建设委员会官网、CNKI 数据库及相关文献.模型函数关系式共51 个，涉及函数种类主要包括表函数、积分函数、常量函数.参数估计方法包括算术平均值法、回归分析法、文献借鉴赋值、专家咨询法等.下面以文献借鉴赋值加以说明：徐勇戈等[31]在装配式建筑增量成本的实证研究中模拟分析了预制装配率为65%的条件下每平方米所产生的经济效益为407.68 元，环境效益为2 766.31 元/m2. 基于此，本文将PC 经济效益与PC 环境效益拟定为常数，即PC 经济效益为0.040 8；PC 环境效益为0.276 6.

2.4 模型有效性检验

为验证模型的可行性及实用性需要对模型进行有效性检验，有效性检验是衡量模型仿真精度的一种测试方法，是对整个系统内各指标预测数据与真实数据仿真趋势吻合度的直接检验.在考虑变量数据获取难易程度后，选取天津市常住人口、天津市GDP 总量与房屋新开工面积三项指标进行有效性检验，结果显示（见表1）三项积分变量绝对误差均小于5%，表明模型参数的赋值能较好地拟合天津市装配式建筑发展的演变趋势.

表1 模型有效性检验

3 装配式建筑发展路径设定

装配式建筑发展内部结构各变量具有动态的属性，伴随着时间的变化而变化.为较客观、准确地模拟其动态的演变趋势，在对模型有效性检验的基础上，依据住建部颁布的《“十三五”装配式建筑行动方案》及系统发展的基本要素，选取经济发展子系统下的GDP 增长率、社会市场子系统下的人口自然增长率、理论研究子系统下的PC 研究增长率、技术轨道子系统下的行业标准数量4 个变量为控制变量，通过对仿真结果的分析，这4 个变量能较好地反映装配式建筑发展的动态演变趋势.

3.1 调控情景假设

基于上述4 个控制变量的选取，在综合考虑后，假设了以下6 条调控情景.

（1）自然增长型.本情景为其他情景参照数据集，在维持现有各子系统相互关系及发展状态模式下，仿真模拟天津装配式建筑发展趋势，为衡量其他情景发展效果提供依据.

（2）经济驱动型.天津自2016 年来经济下跌，尽管市住建委提出到2020 年装配式建筑占新建建筑面积比例达30%的目标，但在经济下滑的背景下装配式建筑发展必然受到影响. 基于此，在其他辅助变量不变的情况下，根据天津市经济发展潜力，将该情景下GDP 平均增长速率由0.059 调整为0.063.

（3）人口驱动型.人口是发展的基础要素，装配式建筑作为实现建筑工业化的重要途径，加之各级政府的大力推广，取缔传统现浇建筑亦是必然趋势.随着国家二胎政策的放开，装配式建筑的市场需求量将会提升.2015 年天津市常住人口自然增长率为0.23‰，2016 年为1.83‰，2017 年为2.8‰，整体呈现增长态势，综合考虑人口发展趋势，将该情景下人口自然平均增长率由1.58‰调整为1.60‰.

（4）科研驱动型.科学技术是第一生产力，行业技术的完善离不开基础的理论研究，通过对中国知网数据库的检索，发现装配式建筑相关的研究在2016 年呈现爆发式增长，研究视角也在不断丰富，在综合考虑其研究趋势后，将装配式建筑研究年平均增长率由0.215 设定为0.220.

（5）政府驱动型. 目前天津市已颁布的装配式建筑标准规范包括剪力墙设计规程、混凝土构件验收标准、装配率计算细则等系列文件15 余项，而住建部颁布国家层面的标准为13 余项，结合天津市装配式建筑发展“十三五”规划将行业标准数量设定为20.

（6）协调发展型. 此情景为情景2～5 数据集的组合，将GDP 增长率、人口自然增长率、PC 研究增长率、行业标准数量均提高至设定数据以此仿真模拟2015—2030 年天津市装配式建筑发展效果.

3.2 装配式建筑发展路径设定

以上假设的调控情景并不能完全真实地反映系统内各要素的变化规律，因此，在咨询相关专家的基础上设置了现状延续、单一驱动、双向融合、全面协调发展4 种模式共12 类装配式建筑发展仿真路径，如表2 所示.其中，现状延续模式包含一条发展路径，该模式各控制变量数值均不改变即维持现在的发展状况；单一驱动模式包含4 条发展路径，此模式只改变4 个控制变量中某一个变量的值；而双向融合模式则包含6 条发展路径，通过改变4 个变量中两个变量的数值来模拟装配式建筑的发展状况；全面协调发展模式则是通过同时改变4 个变量的值来预测装配式建筑的发展效果，此模式包含一条发展路径.

表2 天津装配式建筑发展路径设定

4 仿真结果分析与发展路径选取

4.1 天津装配式建筑发展路径仿真结果分析

在上述天津装配式建筑发展路径设定的基础上，借助Vensim PLE 软件进行仿真模拟，如图4 所示. 图4a 为现状延续与单一驱动模式下装配式建筑规模仿真值. 此时，自然增长型路径装配式建筑面积将达到2 133.12 万m2；单一驱动模式下路径S（科研驱动型）装配式建筑规模为2 231.4 万m2，高于该模式下的其他路径；排名第二的路径G（政府驱动型）面积为2 148.46 万m2，经济驱动型下优先发展经济带来的效果是GDP 总量虽高于其他路径但装配式建筑规模却是12 条路径中最低的.究其原因，海港贸易及石油化工作为天津经济的支柱性产业，在优先发展经济的情况下侧重点依然是海港运输及传统工业领域，装配式建筑作为建筑工业化的主要映射体，其工业化程度仍然较为薄弱，同时呈现出的优势也不太显著.

图4 装配式建筑面积仿真值结果

从图4b 可以看出：双向融合模式下的S-G（科研-政府融合型）路径，到2030 年装配式建筑规模为2 246.74万m2，高于单一驱动模式下路径S 的2 231.4万m2；值增量仿真面积为15.34 万m2，这表明政府部门对于行业标准规范的合理制定及科学研究的大力投入能对装配式建筑规模产生较为积极的作用.与之不同的是路径E-P（经济-人口融合型）为双向融合模式6 条路径中装配式建筑规模最低的一条，仅为2 122.53 万m2，仿真极差为124.21 万m2.此外，2030 年协调发展型路径C 装配式建筑规模为2 236.36 万m2，低于路径S-G 及P-S.

2030 年天津市装配式建筑面积占新建建筑面积比例的仿真值如图5 所示.从图5a 可知：自然增长型路径到2030 年装配式建筑面积占新建建筑面积的比例为68.65%；单一驱动模式下装配式建筑面积占新建建筑面积的比例范围在68.06%～71.81%区间内，其中，路径E（经济驱动型）比例最低.而双驱动模式下6条路径比例仿真值则相对接近（见图5b），上下限比例极差为3.99%.

图5 装配式建筑面积占新建建筑面积比例仿真结果

装配式建筑总效益仿真值如图6 所示.图6a 表示现状延续与单一驱动模式下天津装配式建筑总效益趋势.仿真结果显示：随着天津装配式建筑面积的不断扩增，产业规模逐渐形成，到2030 年自然增长型路径装配式建筑总效益达677.052 亿元；同时天津市GDP总量将达到25 947.2 亿元（见图7），装配式建筑产生的总效益占天津GDP 总量的2.61%.而在单一驱动模式下，2030 年天津装配式建筑总效益最大值为科研驱动型路径的708.246 亿元，最小值为经济驱动型路径的671.282 亿元.

图6 装配式建筑总效益仿真结果

图7 天津市GDP 仿真结果

图6b 表明了双向融合及全面协调发展模式下2030 年装配式建筑总效益的仿真值，最高的是科研-政府融合型路径的713.117 亿元，最低的是经济-人口融合型路径的673.69 亿元，极差为39.427 亿元.天津GDP 仿真结果如图7 所示.经济-科研融合型路径下天津GDP 总量达到27 468.2 亿元，为所有路径最高，相对于经济驱动型路径的27 461.6 亿元有所上升.导致这一现象出现的原因是，在加大科研力度之后，装配式建筑面积上升幅度最明显，产生的总效益也将随之提高；同时优先发展经济的情况下天津GDP 总量所呈现的趋势亦会优于其他路径.值得注意的是，经济-科研融合型路径下天津GDP 总量比最低的人口-政府融合型路径高出近1 520 亿元，此外，协调发展型路径下天津GDP 总量到2030 年为27 472.2 亿元.

4.2 天津装配式建筑发展路径选择

结合天津市装配式建筑“十三五”发展规划相关文件精神及目前全国装配式建筑发展状况，根据仿真结果的分析，以天津装配式建筑规模大小及产生效益总量即最大化实现产业增值为遴选标准，提出适合天津装配式建筑发展方向的是双向融合模式下的科研-政府融合型路径，即理论科研与行业标准相结合的发展新思路. 2030 年该路径下装配式建筑面积将达到2 246.74 万m2，产生的总效益（生态环境效益与经济效益之和）为713.117 亿元.

5 结论及建议

上述12 条路径中每条路径均对装配式建筑规模产生了不同程度的影响.其中，科研-政府驱动型路径对天津装配式建筑发展产生的效果最为显著，协调发展型路径次之，单一驱动模式下的经济驱动型路径稍显不足，结合研究结果提出以下建议.

（1）扩充装配式建筑相关理论方面的研究. 天津市作为全国教育资源的领跑者，要坚持技术、科技、材料创新在建筑工业化进程全局中的核心地位.应积极构建装配式建筑一线科研人员激励机制并制定奖励细则，进一步完善科研经费管理，提高科研系统的运作效率.此外，在建筑工业化进程中还应积极加大装配式建筑成本优化、施工工艺改进、质量管控、安全吊装等方面的科研攻关力度；积极探索木结构、钢结构与BIM 技术融会贯通的高效生产方式，坚持创新驱动，助推建筑企业转型升级.

（2）加大研发投入. 加大研发投入包括两方面内容，其一是积极鼓励企业加大相关研发的投入，大力完善企业研发财政补贴制度.对一些在高新技术方面投入大量研发成本的企业实行税收减免制度及财政奖励制度，推动大型企业进行工程技术研究中心、预制构件技术研发实验室、智慧工地研究中心等机构的联合培育，发挥天津滨海新区全国创新型城市的示范带头作用，空间上形成“滨海新区创新+装配式建筑”的辐射格局.另一方面是加大科研机构的研发投入，依托天津市优质的科研力量，鼓励装配式建筑基础理论的研究，建立促进产学研深度融合工作推进机制；进一步加强与上下游企业之间的联动性，系统整合技术、平台、资金等资源要素，更好促进产业链融合、产业升级、价值增值内部之间的良性互动，形成“研发-反馈-改进”的良性循环链条.

（3）行业标准体系的完善. 在提高“行业标准数量”这一变量的数值后，计算机最终仿真结果表明，行业标准体系的完善对装配式建筑的规模聚集至关重要.多专业制定装配式建筑系列相关标准规范是行业形成规模效应的关键法宝，也是产业链深度融合发展的关键环节. 目前，天津市装配式建筑标准体系主要包括剪力墙设计规程、施工图设计审查指南、评价标准、混凝土构件验收规程等文件，但在产业链上游设计、中游构件生产及现场施工、下游物业管理环节的标准体系并不健全. 因此，在建筑工业化进程中一方面应聚焦卫生间、厨房、阳台、地下室侧壁等关键部位，强化行业标准体系建设；另一方面应制定涵盖设计、构件生产、构件运输、构件吊装、施工、装修、验收等全产业链的标准体系框架.

（4）完善激励政策. 产业链上各企业组织群体承担着改善民生工程、建设品质工程项目的艰巨任务，在推进建筑工业化进程中起着“先锋队”的作用.企业组织群体要时刻围绕实现产业增值、推进建筑工业化进程的终极使命，在实际工程项目建设中，要做到协同管理，发挥出自身优势的作用，而真正要让上中下游企业形成良好的信息、资源、技术等要素的反馈传递效应，就需要相关政府部门完善激励机制.首先就是要建立科学合理的装配式建筑规模奖励机制，对实施装配式建筑一定规模以上的项目坚持物质、精神、口头等正向激励；其次，完善优化产业链上相关企业群体的扶持政策和公共服务，帮助企业引进更多的技能人才；最后，从装配率、预制率等指标着手，对达到一定标准的项目，在办理施工许可证、预售证、渣土外运等相关建设用证时，考虑为其开辟相应的绿色通道.