摘要:裝配式建筑的高成本是阻礙其發(fā)展的主要因素。為合理管控裝配式建筑成本,通過相關(guān)數(shù)據(jù)收集和分析,構(gòu)建涵蓋20個影響裝配式建筑成本的因素。采用改進(jìn)模糊DEMATEL方法研究影響因素之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度并對關(guān)鍵因素進(jìn)行識別?;诮忉尳Y(jié)構(gòu)模型(ISM)對裝配式建筑成本影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析,并構(gòu)建多層次遞階結(jié)構(gòu)模型。研究結(jié)果表明:生產(chǎn)人員的技術(shù)水平是影響裝配式建筑成本的根源因素;經(jīng)濟(jì)政策與激勵措施、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸管理水平、構(gòu)件的運(yùn)輸防護(hù)措施及人材機(jī)費(fèi)用的市場價格波動是影響裝配式建筑成本的5個主要因素?;谘芯拷Y(jié)果,分析因素的作用途徑,為裝配式建筑成本管理提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:裝配式建筑;成本;改進(jìn)模糊DEMATEL;ISM;因素分析
0 引言
建筑業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè),傳統(tǒng)的建筑方式以現(xiàn)澆式施工為主,這種方式存在生產(chǎn)效率低、資源損耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。隨著時代發(fā)展與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的建造方式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)下發(fā)展,亟須向建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型。相較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式建筑,裝配式建筑具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保強(qiáng)、對工人依賴性低等優(yōu)點(diǎn),符合建筑業(yè)綠色發(fā)展的需求。盡管目前國家出臺了大量支持政策,但裝配式建筑的發(fā)展仍然較為緩慢,其中建筑成本過高是阻礙其發(fā)展的重要原因之一。相關(guān)研究表明,從工程造價角度來看,僅僅是土建部分,裝配式建筑成本就比現(xiàn)澆式建筑高出55.42%[1]。由此可見,識別影響裝配式建筑成本的關(guān)鍵因素并進(jìn)行把控,對于降低裝配式建筑成本、促進(jìn)其發(fā)展具有重要作用。
目前,關(guān)于裝配式建筑的成本問題,許多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究分析。桑培東等[2]運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型得出裝配式建筑的發(fā)展受五大因素影響,其中成本因素影響較大,但并未對成本影響因素做出了細(xì)致劃分。賈宏俊等[3]運(yùn)用AHP法對影響裝配式建筑成本的因素進(jìn)行了分析,并且從企業(yè)角度給出了對策建議。魏然等[4]結(jié)合具體的實(shí)例,對鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑和混凝土結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了全生命周期經(jīng)濟(jì)性對比,得出裝配式建筑的經(jīng)濟(jì)性更好。常春光等[5]運(yùn)用差分算法對裝配式建筑的生產(chǎn)成本進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)通過合理的差分可以有效降低預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本與總成本。Hong等[6]在考慮裝配式建筑效益的基礎(chǔ)上構(gòu)建成本分析框架,通過實(shí)際案例分析提出相關(guān)建議措施。Hao 等[7]通過對裝配式建筑設(shè)計(jì)階段成本風(fēng)險的研究,得出預(yù)制構(gòu)件的拆分對成本風(fēng)險影響較大。姜畔等[8]總結(jié)了裝配式建筑成本控制的難點(diǎn),并將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑成本控制。彭龍軍等[9]將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型與解釋結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合,對裝配式建筑的隱性成本進(jìn)行了分析。
綜上所述,現(xiàn)有對裝配式建筑成本影響因素的研究大部分停留在單一因素層面,或只針對裝配式建筑某一階段的成本影響因素進(jìn)行分析,沒有形成規(guī)范體系,缺少對裝配式建筑全過程成本影響因素的系統(tǒng)研究,更缺乏對多個影響因素之間的關(guān)聯(lián)度及重要性的分析。鑒于此,本文首先基于現(xiàn)有研究,通過文獻(xiàn)系統(tǒng)梳理、現(xiàn)場調(diào)研和專家咨詢,從設(shè)計(jì)決策、構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸及構(gòu)件裝配4個階段歸納總結(jié)出成本影響因素;其次采用改進(jìn)模糊DEMATEL方法與解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)研究影響因素之間的關(guān)聯(lián)度,構(gòu)建多層次遞階結(jié)構(gòu)模型對關(guān)鍵因素進(jìn)行識別分析;最后基于研究結(jié)果分析因素的作用途徑,為裝配式建筑成本管理提供參考依據(jù)。
1 裝配式建筑成本影響因素識別
裝配式建筑集“設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-運(yùn)輸-裝配”于一體,不同階段的成本會受到不同因素的影響[10]。通過文獻(xiàn)查閱[11-17]與現(xiàn)場調(diào)研,初步篩選出38個影響裝配式建筑全過程成本的因素。在此基礎(chǔ)上,通過德爾菲專家咨詢法,將原有因素篩選整合精簡至20個,并歸納出最終各個階段裝配式建筑成本影響因素。裝配式建筑成本影響因素分析流程圖如圖1所示,裝配式建筑成本影響因素體系見表1。
2 改進(jìn)模糊DEMATEL-ISM分析方法
本研究基于改進(jìn)模糊DEMATEL-ISM法分析裝配式建筑成本影響因素之間的關(guān)系,該方法總體分析流程如圖2所示。
具體實(shí)施步驟如下:
(1)確定裝配式建筑成本影響因素。確定裝配式建筑成本影響因素集Q,若共有m個影響因素,則有Q={q1,q2,…,qm}。
(2)構(gòu)建專家直覺評分集。假設(shè)A=(a,b,c,d)是實(shí)數(shù)集上的一個梯形模糊數(shù),uA(x)與vA(x)分別代表其隸屬函數(shù)和非隸屬函數(shù),公式如下
梯形直覺模糊數(shù)可以表達(dá)為{(ua,ub,uc,ud),(va,vb,vc,vd)}。
建立由n名專家組成的決策團(tuán)隊(duì)S=(S1,S2,…,Sn),專家Su使用模糊語言ktij={ytij,Ytij}對任意兩個因素qi與qj之間的影響關(guān)系進(jìn)行判斷,其中,ytij表示專家t認(rèn)為因素qi對qj的最小可能影響程度,Ytij表示專家t認(rèn)為因素qi對qj的最大可能影響程度,則n名專家的判斷結(jié)果用決策向量rij表示。20個裝配式建筑成本影響因素之間的專家直覺評分集記為R=(rij)20×20(i,j=1,2,…,20)。
采用9級模糊語言評價集進(jìn)行梯形模糊數(shù)轉(zhuǎn)化,即Y={yi,i=1,2,…,9},梯形模糊數(shù)與模糊語言變量的對應(yīng)關(guān)系見表2。9級模糊語言評價集對應(yīng)的梯形模糊數(shù)g(yi)=(ai,bi,ci,di),且存在補(bǔ)集cs(yi)=y9-i,0lt;ilt;9,且當(dāng)i=9時,cs(y9)=y0,對應(yīng)的模糊數(shù)為g(yi)=(0,0,0,0)。
(3)模糊化處理專家直覺評分集。根據(jù)梯形模糊數(shù)補(bǔ)集的含義及梯形模糊語言評價集,對專家直覺評分集R進(jìn)行梯形模糊化處理。R中的元素rtij模糊化處理后可表示為梯形直覺模糊數(shù)Ttij,公式如下
Ttij={ytij,cs(ytij)}
={[(utij)a,(utij)b,(utij)c,(utij)d],[(vtij)a,(vtij)b,(vtij)c,(vtij)d]}(3)
則決策向量可以表示為Ttij=(T1ij,T2ij,…,Tnij),由此可以得到未加權(quán)的專家評分直覺模糊矩陣X=(Tij)20×20(i,j=1,2,…,20)。
(4)構(gòu)建直覺關(guān)系模糊影響矩陣。考慮到工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要性,為決策團(tuán)隊(duì)的各名專家賦予權(quán)重w=(w1,w2,…,wn),根據(jù)式(4)和式(5)以及專家權(quán)重,將專家組的決策向量Ttij=(T1ij,T2ij,…,Tnij)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為單個梯形直覺模糊數(shù)T^mn,具體公式如下
A1+A2=ua1+ua2-ua1ua2,ub1+ub2-ub1ub2,
uc1+uc2-uc1uc2,ud1+ud2-ud1ud2
(va1va2,vb1vb2,vc1vc2,vd1vd2)(4)
λA1=[1-(1-ua1)λ,1-(1-ub1)λ,…,1-(1-ud1)λ],[va1λ,vb1λ,…,vd1λ](5)
T^ij={[()a,()b,()c,()d],
[()a,()b,()c,()d]}(6)
由此,可以得到加權(quán)以后的直覺關(guān)系模糊影響矩陣X^=(T^)20×20(i,j=1,2,…,20)。
(5)標(biāo)準(zhǔn)化處理直覺關(guān)系模糊影響矩陣。分別計(jì)算隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)αu和非隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)αv,公式如下
αu=1max∑20j=1(ij)d (1≤i≤20)(7)
αv=1max∑20j=1(ij)d (1≤i≤20)(8)
根據(jù)式(9)和式(10)對直覺關(guān)系模糊影響矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算,得到標(biāo)準(zhǔn)直覺關(guān)系模糊影響矩陣X*,公式如下
(u*ij)θ=au×(ij)θ
(i,j=1,2,…,20;θ=a,b,c,d)(9)
(v*ij)θ=av×(ij)θ
(i,j=1,2,…,20;θ=a,b,c,d)(10)
X*=[(u*ij)a]20×20,[(u*ij)b]20×20,[(u*ij)c]20×20,
[(u*ij)d]20×20
[(v*ij)a]20×20,[(v*ij)b]20×20,
[(v*ij)c]20×20,[(v*ij)d]20×20(11)
(6)計(jì)算綜合關(guān)系模糊影響矩陣。公式如下
Xo=X*(E-X*)-1=[(u*ij)a]20×20,[(u*ij)b]20×20,
[(u*ij)c]20×20,[(u*ij)d]20×20
[(v*ij)a]20×20,[(v*ij)b]20×20,
[(v*ij)c]20×20,[(v*ij)d]20×20(12)
式中,E為單位矩陣。
(7)計(jì)算綜合關(guān)系影響矩陣。根據(jù)式(13)和式(14)將計(jì)算得出的綜合關(guān)系模糊影響矩陣Xo進(jìn)行去模糊化處理,得到綜合關(guān)系影響矩陣Xz,Xz=(uzij)20×20,公式如下
vzij=∑dθ=a(voij)θ4 (i,j=1,2,…,20)(13)
uzij=14∑dθ=a(uoij)θ(uoij)θ+(voij)θ (i,j=1,2,…,20)(14)
(8)計(jì)算各影響因素的影響度mi與被影響度ni。公式如下
mi=∑nj=1uzij (i=1,2,…,n)(15)
ni=∑nj=1uzij (i=1,2,…,n)(16)
(9)計(jì)算各影響因素的中心度Hi與原因度Ki。公式如下
Hi=mi+ni (i=1,2,…,n)(17)
Ki=mi-ni (i=1,2,…,n)(18)
如果中心度的值越大,表明該因素在整個體系中的重要程度越高。如果原因度的值大于0,表示該因素為原因因素,且值越大因素的原因度越高,該因素越關(guān)鍵;如果原因度的值小于0,則該因素為結(jié)果因素。根據(jù)各影響因素的中心度與原因度值繪制因果圖,簡化因果關(guān)系。
(10)計(jì)算整體影響矩陣P。公式如下
P=XZ+E
P=(Pij)20×20(19)
式中,E為單位矩陣;XZ為綜合關(guān)系影響矩陣。
(11)計(jì)算可達(dá)矩陣。
通過給定的閾值λ(λ∈[0,1]),剔除影響程度較小的因素,簡化整個因素體系結(jié)構(gòu)。λ按照統(tǒng)計(jì)分布的方法計(jì)算,即λ=α+β,其中α和β分別為矩陣Xz中所有元素的均值和標(biāo)準(zhǔn)差??蛇_(dá)矩陣F的計(jì)算方法如下
F=(fij)20×20,
fij=1 fij≥λ
0 fijlt;λ(20)
(12)確定可達(dá)集、先行集與共同集。根據(jù)可達(dá)矩陣F,結(jié)合式(21)~式(23),確定可達(dá)集、先行集與共同集。公式如下
R(Qi)={Qj∈Qfij=1}(21)
A(Qi)={Qj∈Qfij=1}(22)
B(Qi)={Qj∈CR(Qi)∩A(Qi)=R(Qi)}(23)
式中,R(Qi)是可達(dá)集,表示因素Qi能夠影響到的全部因素的集合,即可達(dá)矩陣第Qi行中所有元素為“1” 的列所對應(yīng)元素的集合;A(Qi)是先行集,表示能夠影響因素Qi的全部因素的集合,即可達(dá)矩陣第Qi列中所有元素為“1” 的行所對應(yīng)元素的集合;B(Qi)是共同集,表示可行集與先行集的交集,若式(23)成立,則B(Qi)為最高級影響因素。而后劃去最高級影響因素在可達(dá)矩陣中對應(yīng)的行和列[18],再從剩余的因素中尋找最高級影響因素,不斷重復(fù)此過程,直到所有因素均被劃分。
(13)構(gòu)建多層次遞階結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)因素劃分情況,繪制裝配式建筑成本影響因素的多層次遞階結(jié)構(gòu)模型。
3 案例分析
為驗(yàn)證改進(jìn)模糊DEMATEL-ISM方法應(yīng)用于裝配式建筑成本影響因素分析的科學(xué)性與合理性,以某項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。該項(xiàng)目位于A市,為A市首幢20層裝配式高層保障房項(xiàng)目,由B施工單位參與建設(shè)。該項(xiàng)目總投資為4000萬元,總建筑面積約9347m2,地上20 層,主體結(jié)構(gòu)為疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu),科技含量高、施工周期短,無須傳統(tǒng)支模施工,大大減少了施工作業(yè)人員數(shù)量,具有節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)目1#樓工程概況與項(xiàng)目裝配式建筑單項(xiàng)指標(biāo)見表3和表4。
3.1 模型構(gòu)建
根據(jù)上述分析的實(shí)施步驟,邀請4名從事裝配式建筑成本研究的專家學(xué)者對20個裝配式建筑成本影響因素間的關(guān)系進(jìn)行評價,根據(jù)專家的知識背景與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定專家評估的權(quán)重向量w=(0.4,0.3,0.1,0.2),通過各專家對影響因素間的影響程度進(jìn)行最大、最小可能影響程度的判定,構(gòu)建專家直覺評分集R。由于篇幅原因,僅給出Q1~Q5影響因素兩兩之間的專家直覺評分,見表5。
將專家直覺評分集R進(jìn)行模糊化處理后,結(jié)合式(4)~式(8)計(jì)算得到隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)αu=0.531和非隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)αv=0.057。隨后,通過式(9)~式(14),計(jì)算得到綜合關(guān)系影響矩陣Xz,見表6。
按照式(15)~式(18)計(jì)算得到裝配式建筑成本影響因素的影響度、被影響度、中心度及原因度計(jì)算結(jié)果,見表7。
借助MATLAB 2021a軟件繪制裝配式建筑成本影響因素因果關(guān)系圖,如圖3所示。
根據(jù)式(19)將綜合關(guān)系影響矩陣Xz轉(zhuǎn)化為整體影響矩陣P。根據(jù)綜合關(guān)系影響矩陣Xz中的數(shù)值計(jì)算可得均值α=0.163和標(biāo)準(zhǔn)差β=0.168,閾值λ=α+β=0.331,并根據(jù)式(20)計(jì)算得到可達(dá)矩陣F,見表8。
根據(jù)可達(dá)矩陣F,結(jié)合式(21)~式(23)進(jìn)行因素層級劃分。通過計(jì)算,可將裝配式建筑成本影響因素劃分為7個層級,即L1={Q2,Q9,Q12,Q13,Q17,Q20},L2={Q5,Q10,Q11,Q14,Q15,Q16,Q18},L3={Q3,Q8,Q19},L4={Q1},L5={Q4},L6={Q6},L7={Q7}。采用高層因素只對低層因素產(chǎn)生影響的原則刪除冗余連接,降低模型的復(fù)雜性,由此繪制出裝配式建筑成本影響因素多層次遞階結(jié)構(gòu)模型,如圖4所示。
3.2 模型結(jié)果分析
(1)各因素影響關(guān)系分析。由模型計(jì)算結(jié)果可知,經(jīng)濟(jì)政策與激勵措施Q5、運(yùn)輸距離Q12、運(yùn)輸管理水平Q14、構(gòu)件的運(yùn)輸防護(hù)措施Q15和人材機(jī)費(fèi)用的市場價格波動Q19在整個裝配式建筑成本影響因素體系中的影響度較高,這5個因素的影響度均大于4,說明它們對整個影響因素體系中的其他因素的影響程度較高。
(2)各因素屬性分析。從計(jì)算結(jié)果來看,共有12個因素的原因度為正值,說明這部分因素為原因因素,在整個影響因素體系中容易受其他因素的影響。其中,經(jīng)濟(jì)政策與激勵措施Q5、生產(chǎn)人員的技術(shù)水平Q7、人材機(jī)費(fèi)用的市場價格波動Q19、不可抗力因素Q20為強(qiáng)原因因素,原因度均大于2,說明它們對裝配式建筑成本有著重要影響,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。另外,有8個因素的原因度為負(fù)值,說明這部分因素為結(jié)果因素,在整個影響因素體系中容易受到原因因素影響。
(3)各因素重要性分析。因素的中心度越大,表明該因素在裝配式建筑成本影響因素體系中的重要性越高。由表7的計(jì)算結(jié)果可知,運(yùn)輸方案的合理性Q11、運(yùn)輸距離Q12、運(yùn)輸管理水平Q14、構(gòu)件的運(yùn)輸防護(hù)措施Q15的重要性較大,尤其是構(gòu)件的運(yùn)輸防護(hù)措施Q15在裝配式建筑成本影響因素體系中的重要性最強(qiáng)。
(4)各因素邏輯關(guān)系分析。由圖4可知,裝配式建筑成本影響因素的多層次遞階結(jié)構(gòu)模型可分為7個層級,預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)水平Q1、預(yù)制率與裝配率Q2、生產(chǎn)規(guī)模及能力Q6、模具周轉(zhuǎn)與機(jī)械使用率Q9、運(yùn)輸方法的合理性Q11、構(gòu)件的裝卸效率Q13,以及人材機(jī)費(fèi)用的市場價格波動Q19所處位置連接點(diǎn)較多,節(jié)點(diǎn)度大于等于5,且這些因素的中心度也較高,說明它們與其他因素的影響關(guān)系較為顯著,在模型中起關(guān)鍵作用,應(yīng)著重關(guān)注。
綜上所述,相較于中層、深層與根源因素而言,對直接因素采取措施的效果是比較顯著的,原因在于中層、深層與根源因素所處的位置與其他因素的聯(lián)系十分緊密,其中大多數(shù)因素是原因因素,會對其他因素產(chǎn)生比較大的影響,因而對這部分因素采取
成本管控措施時,效果明顯低于對直接因素采取措施。因此,應(yīng)多關(guān)注這類因素所起的作用。
3.3 對策建議
本文通過對各影響因素的重要程度與邏輯性進(jìn)行分析,顯示了裝配式建筑成本影響因素的作用途徑;識別出5個主要影響因素,分別為經(jīng)濟(jì)政策與激勵措施、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸管理水平、構(gòu)件的運(yùn)輸防護(hù)措施和人材機(jī)費(fèi)用的市場價格波動,生產(chǎn)人員的技術(shù)水平為根源性因素。本研究依據(jù)以上分析結(jié)果,提出如下建議:
(1)盡管目前裝配式建筑得到國家層面的積極推廣,但是缺少統(tǒng)一的制度和政策支持,這對裝配式建筑成本產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。為了進(jìn)一步推動裝配式建筑的發(fā)展,國家需要加大政策扶持力度,盡快出臺具體的激勵措施,并確保這些政策的有效實(shí)施。
(2)為減少運(yùn)輸成本,科學(xué)的運(yùn)輸方案和路線規(guī)劃十分必要。這意味著要根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的特性和現(xiàn)有的道路運(yùn)輸政策,提前對可能的運(yùn)輸路線進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和評估,以制訂出最合理的運(yùn)輸計(jì)劃。
(3)施工人員的技術(shù)能力是施工效率和成本控制、質(zhì)量保證的關(guān)鍵。有必要對施工人員進(jìn)行專業(yè)技能和崗位培訓(xùn),可以通過專業(yè)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或企業(yè)內(nèi)部的培訓(xùn)部門來開展這項(xiàng)工作,以提高施工人員的技術(shù)水平和職業(yè)能力。
4 結(jié)語
(1)考慮到傳統(tǒng)的模糊DEMATEL方法雖然能表達(dá)專家的意見,但是無法表達(dá)專家對復(fù)雜問題評價的猶豫程度,得到的評估結(jié)果難以準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜關(guān)系,本文在梯形模糊數(shù)的基礎(chǔ)上,與DEMATEL方法相結(jié)合,建立了改進(jìn)模糊DEMATEL方法,通過該方法對關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析識別,并進(jìn)一步明確了各因素的層級關(guān)系,構(gòu)建了改進(jìn)模糊DEMATEL-ISM綜合模型。
(2)本文通過對各影響因素的重要程度與邏輯性進(jìn)行分析,顯示了裝配式建筑成本影響因素的作用途徑;識別出5個主要影響因素、4個強(qiáng)原因因素和5個強(qiáng)結(jié)果因素;將所有影響因素劃分為7個層級5個類別,得到7個節(jié)點(diǎn)度較大的影響因素,并分析了根源因素在整個裝配式建筑成本影響因素體系中的重要作用。
(3)本文分析了裝配式建筑成本影響因素的作用關(guān)系,針對各影響因素提出相關(guān)的成本管控措施;但構(gòu)建的影響因素體系還不夠全面,無法客觀涵蓋裝配式建筑全過程成本影響因素,未來還需進(jìn)一步修正和完善。
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收稿日期:2024-06-07
作者簡介:
張勇(1965—),男,博士,教授級高級工程師,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向:土木建造與安全管理、項(xiàng)目管理。
楊光(通信作者)(1997—),男,研究方向:工程項(xiàng)目管理。
牟艷祥(1998—),男,研究方向:工程項(xiàng)目管理。