李成謙， 方 琦， 駱漢賓

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

設(shè)備安裝工程是建筑施工的重要環(huán)節(jié)，一般包括暖通、給排水等機(jī)電設(shè)備的安裝施工。設(shè)備安裝工程所耗費(fèi)的成本更占總造價(jià)的30%～60%[1]，其中工程變更頻繁是造成設(shè)備安裝成本偏高的重要原因。

工程變更具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：變更的發(fā)生具有不確定性、隨機(jī)性；其次，變更發(fā)生的范圍廣；最后，其影響是多維度的，可能造成工期拖延及質(zhì)量問題，也可能引起成本上漲[2]。因此，工程變更具有高度的復(fù)雜性與不確定性，這給工程項(xiàng)目管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外對(duì)建設(shè)工程變更的研究可分為兩類。第一類是變更發(fā)生的原因以及影響分析。Keane等[3]通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及文獻(xiàn)綜述歸納出工程變更發(fā)生的原因及后果；Love等[2]通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法尋找影響工程變更的關(guān)鍵因素。第二類是工程變更的控制方法以及流程。劉清華等[4]從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、人員職責(zé)以及變更流程三個(gè)方面分析工程變更的管理方法；劉文等[5]通過深圳5號(hào)線的案例分析了工程變更的分類以及處理流程。

然而，以上研究都僅考慮了單個(gè)變更本身所造成的影響，并沒有考慮到已有變更還會(huì)引起新的變更。Jarratt等[6]研究了工業(yè)領(lǐng)域的零件加工組裝后發(fā)現(xiàn)，變更的發(fā)生可以分為兩類：原生變更與次生變更。原生變更是指由各種外因引起的首次變更，而次生變更是指由于原生變更發(fā)生導(dǎo)致的其他構(gòu)件的多米諾骨牌效應(yīng)。原生變更難以預(yù)測(cè)，但次生變更卻是有章可循。因?yàn)榇紊兏陌l(fā)生物件設(shè)施之間都沒有任何關(guān)系，那么無論其中哪一項(xiàng)構(gòu)件發(fā)生變更，其他構(gòu)件都不會(huì)受影響。這種影響實(shí)質(zhì)上是工程項(xiàng)目各項(xiàng)構(gòu)件之間的耦合關(guān)系，因此研究次生變更的發(fā)生路徑實(shí)質(zhì)上是在梳理工程項(xiàng)目的耦合內(nèi)因。

本文研究了設(shè)備安裝工程項(xiàng)目中的次生變更發(fā)生情況以及傳播條件。試圖梳理并識(shí)別出工程項(xiàng)目中潛藏著的變更傳播路徑以重點(diǎn)監(jiān)控這些容易變更路徑的傳播，盡量降低變更的影響范圍。

1 工程變更的傳播

工程變更的傳播范圍可分為三個(gè)層次：構(gòu)件層次、路徑層次以及整體系統(tǒng)層次。

構(gòu)件層次的變更傳播是指兩個(gè)實(shí)體構(gòu)件對(duì)象之間存在著聯(lián)系作用，當(dāng)其中某一構(gòu)件發(fā)生變化時(shí)，會(huì)通過其間的聯(lián)系傳遞到其他構(gòu)件上去。構(gòu)件之間發(fā)生這種傳播關(guān)系的實(shí)質(zhì)是各種能量流、物質(zhì)流的需要。能量流、物質(zhì)流(如力流、電流、水流、風(fēng)流)都需要有載體依存[7]，例如，電流依存于各項(xiàng)電子元件(如發(fā)電機(jī)、配電箱、控制箱、變壓器等)中。建筑設(shè)施內(nèi)的能量流、物質(zhì)流會(huì)貫穿各項(xiàng)構(gòu)件，游走于各項(xiàng)中。這就是構(gòu)件之間發(fā)生變更傳播的實(shí)質(zhì)。

從構(gòu)件層次進(jìn)一步發(fā)展，就會(huì)形成變更傳播路徑[8]。變更傳播不是分段產(chǎn)生的，它是一個(gè)連續(xù)的過程。從某一個(gè)構(gòu)件發(fā)生變更開始，它會(huì)影響到另一構(gòu)件也發(fā)生變化，而另一個(gè)構(gòu)件同樣也會(huì)使其他有關(guān)構(gòu)件發(fā)生變化[9]。

在變更傳播路徑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展就會(huì)總結(jié)出變更傳播網(wǎng)絡(luò)(整體系統(tǒng)層次)[10]。根據(jù)Clarkson等[11]的理論，變更傳播網(wǎng)絡(luò)對(duì)初始變更的系統(tǒng)層次反應(yīng)包括三種類型：開花式、水波式、雪崩式。以上三種層次的反應(yīng)強(qiáng)度、范圍從弱到強(qiáng)排列，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雪崩式反應(yīng)時(shí)，表明初始變更在變更傳播網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了極嚴(yán)重的擴(kuò)散效應(yīng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域造成了大量變更，需要采取措施避免該種情況發(fā)生。圖1為工程變更傳播的分析流程。

圖1 工程變更傳播的分析流程

2 工程變更傳播的模型構(gòu)建

設(shè)備安裝工程變更的傳播實(shí)則上是通過各類建筑設(shè)備之間的關(guān)系聯(lián)系參數(shù)來傳遞的。因此，要建立建筑工程中的變更傳播模型，就必須先分析各類建筑產(chǎn)品之間所存在的可以發(fā)生變更傳播的聯(lián)系路徑。下文將以部分暖通、給排水設(shè)備來梳理各類設(shè)備之間潛在的變更傳播聯(lián)系路徑。

2.1 暖通設(shè)備

暖通設(shè)備實(shí)則是利用水作為能量載體與空氣傳遞能量，最終處理的主要對(duì)象還是空氣氣流。暖通專業(yè)包括三大動(dòng)力設(shè)備：風(fēng)機(jī)(驅(qū)動(dòng)空氣)、壓縮機(jī)(驅(qū)動(dòng)氟利昂)、水泵(驅(qū)動(dòng)水循環(huán))。按照以上思路，可把暖通專業(yè)所涉及的設(shè)備分為兩類：(1)空調(diào)冷熱源設(shè)備(水流設(shè)備)，主要包括各項(xiàng)水流的冷卻設(shè)備、水流輸送設(shè)備，目的是給末端空調(diào)氣流輸送冷熱能量。常見的設(shè)備有冷水機(jī)組，膨脹水箱，換熱機(jī)組，鍋爐、冷卻塔、水泵、水管等等；(2)空調(diào)末端設(shè)備(氣流設(shè)備)，主要是各類風(fēng)機(jī)(包括送風(fēng)、排風(fēng)、排煙、新風(fēng)、防排煙等)、風(fēng)機(jī)盤管、空調(diào)處理機(jī)組、散流器、風(fēng)管、風(fēng)口、風(fēng)閥等。

各項(xiàng)設(shè)備之間的聯(lián)系關(guān)系可按能量流動(dòng)途徑來梳理[12]：冷水處理設(shè)備(熱水處理設(shè)備)—水泵—水箱—各類風(fēng)機(jī)(水流與氣流交換熱量的場(chǎng)所)—風(fēng)管—風(fēng)口。除了能量流動(dòng)途徑(室內(nèi)的空氣循環(huán))外，再需額外考慮新風(fēng)(新風(fēng)機(jī)從室外引入新鮮空氣)、排風(fēng)(排風(fēng)機(jī)將廢氣排到室外)的途徑以及引水、排水途徑。

2.2 給排水設(shè)備

給排水專業(yè)的功能是負(fù)責(zé)構(gòu)筑物內(nèi)各類用水的循環(huán)供應(yīng)以及排放，分為給水工程與排水工程。

水流從市政管道輸入到項(xiàng)目中，首先經(jīng)過水表計(jì)量，然后接冷卻塔或鍋爐改變水溫。此時(shí)水流還在建筑底層，要將其輸送到高層用戶要依賴動(dòng)力設(shè)備，常見的送水動(dòng)力設(shè)備有氣壓給水設(shè)備或水泵。水泵將水流壓送至建筑頂層的膨脹水箱或貯水池中存儲(chǔ)，再經(jīng)過水箱輸送到建筑各層的用戶末端。用戶的用水附件包括噴頭、衛(wèi)浴裝置、消防栓、水龍頭、水閥等等[13]。這就是給水工程的線路：水表—冷卻塔—強(qiáng)壓送水設(shè)備—儲(chǔ)水池—噴頭、水龍頭等。

排水工程由排水管網(wǎng)及污水處理設(shè)備組成，功能是匯集各類污水并將其輸送到污水處理設(shè)備中妥善處理后排放。

至此，設(shè)備安裝工程所包含的各類子系統(tǒng)、涉及的設(shè)備及其對(duì)象之間的連接關(guān)系已分析完畢。

3 工程變更傳播計(jì)算分析

通過變更在構(gòu)件層面上的傳播分析，為本節(jié)研究變更在整個(gè)建筑工程中的傳播路徑以及影響分析提供了最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了更直觀清楚地表達(dá)構(gòu)件之間的變更傳播關(guān)系，本文借鑒Steward等[14,15]提出的工程變更路徑影響的分析方法，以進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)建筑工程中所存在的每一條變更路徑的影響因子。

(1)

(2)

從構(gòu)件i的出度與入度的相對(duì)大小，我們可以進(jìn)一步得出該構(gòu)件的變更傳播作用系數(shù)為：

(3)

由此，根據(jù)構(gòu)件的變更傳播作用系數(shù)Ic，對(duì)構(gòu)件作相應(yīng)分類處理：對(duì)待常量型(Ic=0)以及吸收型(01)的構(gòu)件，應(yīng)采取較嚴(yán)格的控制措施，降低其變更的概率。

同理，路徑u的變更影響系數(shù)可通過式(4)計(jì)算，其意義是變更路徑u上所涉及的所有構(gòu)件的變更影響系數(shù)之和。其值越高，表示該變更路徑的相對(duì)影響越大，越需要加以控制。變更傳播影響因子Fcpu為：

(4)

最后，分析整體系統(tǒng)的變更傳播特性。Bounova and Keller提出了CPI (change propagation index)[16]的概念以反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的特性，CPI的計(jì)算公式如下：

(5)

4 案例研究

案例研究選擇某一能源站項(xiàng)目為研究對(duì)象，本項(xiàng)目擬建冷、熱、電三聯(lián)供能源站一座，為地下建筑，場(chǎng)地面積約6800 m2，通過各類能源設(shè)備共同運(yùn)行來滿足兩棟超高層寫字樓(建筑面積約28萬m2)的供能要求。

構(gòu)建該項(xiàng)目的設(shè)備安裝工程變更傳播分析模型分為兩個(gè)步驟：(1)通過骨架裝配理論確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定義以及節(jié)點(diǎn)之間的連線；(2)確定節(jié)點(diǎn)間連線的定義，即兩節(jié)點(diǎn)之間變更傳播的概率問題。

根據(jù)前文計(jì)算，利用網(wǎng)絡(luò)分析軟件Pajeck完成變更傳播網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建工作，如圖2所示。

圖2 設(shè)備安裝工程變更傳播網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以下構(gòu)件對(duì)象存在較高的變更風(fēng)險(xiǎn)(即存在較高的變更傳播作用系數(shù)Ic)，如表1所示。

表1 變更風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備

以上是理論模型的計(jì)算結(jié)果，下面對(duì)比理論結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的變更情況，分析本文提出的變更傳播機(jī)制模型是否有效、合理。通過對(duì)該項(xiàng)目的資料收集，對(duì)構(gòu)件設(shè)備的相關(guān)變更聯(lián)系單作匯總，如表2所示。

表2 設(shè)備安裝工程變更聯(lián)系單匯總

從上述的變更聯(lián)系單中，識(shí)別并抽取出3條變更的傳播路徑，如表3所示。

從表3中實(shí)際變更路徑可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件對(duì)象4101(蒸汽鍋爐)、4201(水箱)、3101(冷卻塔)都是變更傳播的重要設(shè)備，這與表2的理論剖析相一致，由此證實(shí)了本文提出模型的準(zhǔn)確性。利用式(5)對(duì)該3條變更路徑的傳播影響進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 實(shí)際變更路徑

表4 變更路徑影響矩陣

從計(jì)算結(jié)果可知，該3條變更路徑中，第1條的變更傳播影響因子Fcpu最高，其相對(duì)影響大小Ic為100%，可作為變更管理控制的重點(diǎn)對(duì)象，避免變更沿著路徑進(jìn)行傳播。

5 結(jié) 語

設(shè)備安裝工程變更中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)類型：原始變更以及次生變更。大量的研究都是以原始變更為研究基點(diǎn)來提出控制管理策略的，并沒有考慮到次生變更加深了原始變更的影響程度和范圍，因此目前對(duì)建設(shè)工程變更的研究模型尚存在較為嚴(yán)重的缺陷：次生變更擴(kuò)大了變更影響的范圍，偏移了變更控制的重點(diǎn)，其中某些關(guān)鍵的對(duì)象可能會(huì)起著推波助瀾的作用，甚至造成雪崩式的多米諾骨牌效應(yīng)。本文引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的思想方法來計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而構(gòu)建出完整的系統(tǒng)并計(jì)算分析得出各項(xiàng)構(gòu)件的變更傳播影響大小、變更傳播路徑的影響程度以及整個(gè)系統(tǒng)的特征值。

[1] 張 拓, 劉 勇. 淺論設(shè)備安裝工程成本控制[J]. 宿州學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 26(5): 35-37.

[2] Love P E D, Holt G D, Shen L Y, et al. Using systems dynamics to better understand change and rework in construction project management systems[J]. International Journal of Project Management, 2002, 20(6): 425-436.

[3] Keane P, Sertyesilisik B, Ross A D. Variations and change orders on construction projects[J]. Journal of Legal Affairs and Dispute Resolution in Engineering and Construction, 2010, 2(2): 89-96.

[4] 劉清華, 萬 立, 鐘毅芳. 工程變更管理的分析與研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2000, 6(6): 31-36.

[5] 劉 文, 朱益海, 羅小剛, 等. 深圳地鐵 5 號(hào)線 BT 工程設(shè)計(jì)與變更管理[J]. 鐵道建筑, 2012 , (1): 73-76.

[6] Jarratt T A W, Eckert C M, Caldwell N H M, et al. Engineering change: An overview and perspective on the literature[J]. Research in Engineering Design, 2011, 22(2): 103-124.

[7] Ariyo O O, Eckert C M, Clarkson P J. Unpleasant Surprises in the Design of Complex Products: Why do Changes Propagate?[C]//ASME 2006 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2006: 33-42.

[8] Keller R, Eger T, Eckert C M, et al. Visualising Change Propagation[C]//The 15th International Conference on Engineering Design. Melbourne: Melbourne University Press, 2005: 15-18.

[9] Cohen T. A Data Approach to Tracking and Evaluating Engineering Changes[D]. Georgia: Georgia Institute of Technology, 1997.

[10] Abdelmoez W, Shereshevsky M, Gunnalan R, et al. Quantifying Software Architectures: An Analysis of Change Propagation Probabilities[C]//The 3rd ACS/IEEE International Conference on Computer Systems and Applications. Los Angeles: IEEE, 2005: 124-131.

[11] Clarkson P J, Simons C, Eckert C. Predicting change propagation in complex design[J]. Journal of Mechanical Design, 2004, 126(5): 788-797.

[12] 陳永攀. 建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[13] 朱東坡. 智能建筑設(shè)備節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)研究[J]. 節(jié)能環(huán)保與生態(tài)建設(shè), 2016, (14): 6.

[14] Steward D V. The design structure system: A method for managing the design of complex systems[J]. IEEE Transactions on Engineering Management, 1981, EM-28(3): 71-74.

[15] Aurich J C, R??ing M. Engineering change impact analysis in production using VR[J]. Digital Enterprise Technology, 2007, (s1): 75-82.

[16] Giffin M, de Weck O, Bounova G, et al. Change propagation analysis in complex technical systems[J]. Journal of Mechanical Design, 2009, 131: 081001-1-14.