基于SD的高速公路工程造价控制模型

时维强1,2，刘玲2，许艳3

(1.济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司，山东济宁 272000；2.武汉科技大学管理学院，湖北武汉 430081；3.山东中医药大学中医学院，山东济南 250355)

摘要：高速公路工程投资数额大，其工程造价一直是建设相关者和公众关注的焦点，目前高速公路项目投资中存在资金浪费甚至超概等问题。因此，对其造价控制方法进行专题研究是当务之急。首先研究以设计阶段为切入点，分析高速公路工程造价的主要影响因素，建立造价控制指标体系，运用SD理论绘制影响因素的因果关系图，揭示影响要素的逻辑关系及作用机理；其次绘制造价控制指标系统存量流量图，构建基于SD的高速公路工程造价控制模型，定量研究造价控制指标系统结构；最后以JT高速公路项目为案例工程，检验所构建模型的先进性和有效性，为高速公路项目设计方案优化及主动、精准造价控制提供新的路径和方法，为项目投资决策提供支持和建议。

关键词：系统动力学；高速公路；工程造价；设计阶段

高速公路作为基础设施的重要组成在国民经济发展中发挥着举足轻重的作用，因其社会经济效益显著广为关注。截至2019年末，全国高速公路总里程已达14.96 万km，规模居世界第一。“十三五”时期，我国经济发展进入新常态，交通运输进入优化升级的转型期，对高速公路建设管理提出更高要求。

高速公路工程投资数额大，其造价一直是建设相关者和公众关注的焦点，也是工程项目管理的核心目标。在新一轮基建高潮中，对高速公路工程造价进行主动、精准控制，提高项目综合效益是一项亟待研究的课题。

目前，我国工程建设基本程序划分为决策、设计、发承包、施工、竣工验收等阶段；工程造价管理则相应包含投资估算、初设概算、施工图预算、合同价、竣工决算等多次计价过程。据统计显示，山东省近5年27个高速公路项目的勘察设计费占工程造价的比例均小于1.5%(其中2/3小于1%)，但设计阶段对工程造价的影响程度高达75%以上。设计阶段是决定工程造价控制效果的关键环节，但目前工程造价控制方法系统性差、动态关联性弱、效果不佳。因此，运用系统动力学(System Dynamics，SD)方法对高速公路工程造价进行有效控制，分析造价影响因素及其作用关系，构建基于SD的工程造价动态控制模型，并采用实例验证，为项目投资决策提供支持，为设计方案优化提供路径和方法。

Pagoni等[1]基于SD模型评估公共政策和PPP(Public-Private Partnership)项目特征变化对PPP项目可持续发展的影响，为决策者提供战略支持工具。Pinto等[2]以欧洲钢铁工业为例，将全生命周期分析(Life Cycle Assessment，LCA)方法整合到SD模型中，研究循环经济和工业生态学；该集成模型不仅能重现运用SD或LCA的研究结果，而且可发挥各自优势，具有潜在效益，可为政策制定提供支持。Hu Wanjie等[3]基于SD研究城市交通运输网络的内部运作与外部影响，模拟不同场景对网络系统的影响，为投资决策和调控机制提供政策建议。Bureš等[4]以交通系统的T，X和环形交叉口为基本模块，运用SD理论在介观层次上构建交通系统控制模型，并可扩展到任何类型的道路网，实证模拟仿真为交通控制系统提供科学的解决方案。

国内研究人员尝试将SD理论应用于工程管理。莫俊文等[5]系统分析影响房地产项目成本的因素，研究其动态反馈机制，建立项目成本控制的SD模型，实证模拟结果可为房企项目成本控制提供科学的建议。孙春玲等[6]基于SD理论，研究EPC(Engineering Procurement Construction)总分包交易成本的影响因素及动态调控规律，构建SD模型仿真并提出成本控制策略。杨玉胜等[7]基于SD方法，分析研究PC(Precast Concrete)建筑造价影响因素的逻辑关系，建立造价控制模型并仿真，为政府决策和企业实施项目提供建议。谢婷等[8]分析研究城市轨道交通PPP项目特许期的影响因素，构建特许期的SD模型，对各因素进行敏感性分析，为确定PPP项目的特许期提供参考。

高速公路工程造价控制具有自身的特点，SD理论鲜有涉及该领域或研究浅尝辄止，其在工程等领域的研究成果，说明SD应用于高速公路工程造价控制是先进的和可行的，且可丰富该理论的应用领域、拓展其发展空间。研究为高速公路工程造价控制提供一种新思路、新方法，有利于提升其造价管理水平，促进行业可持续发展。

1 系统动力学研究方法

系统动力学(SD)是一门认识和解决系统问题的交叉综合学科；它将系统科学理论与计算机模拟仿真紧密结合，研究系统反馈结构与行为，是系统科学与管理科学的重要分支[9]。该理论为分析、解决社会与自然科学问题提供一种新路径、新方法。SD模型被称为社会、经济、生态等复杂大系统的“试验室”。SD研究方法将定性与定量、模型同计算机技术相结合，并进行综合推理。

系统是指相互作用、相互联系的事物，按照一定规律组合起来的集合[10]，其作为SD理论的基础，正是系统各部分之间的相互作用决定总的动态行为特征。

为研究系统内部结构，在SD中常采用因果关系图、存量流量图等表示。因果关系图可直观、定性地反映系统要素间的因果关系；在其基础上绘制的系统存量流量图，可进一步定量描述变量的性质、系统的结构，明确反映系统要素相互作用关系的全貌，提供构建SD方程的蓝图、数据搜集的依据、系统分析和策略构思的基础[11]。

2 高速公路工程造价控制指标选取

2.1 工程造价控制现状及问题

通过文献研究和专题调查，现阶段我国高速公路建设存在工程造价节节攀升、“三超”等现象[12,13]。根据文献梳理及分析，主要有以下问题引起工程造价的增加：(1)前期工作保障措施不力；(2)地方政府要求增设立交、连接线等；(3)设计方案不合理；(4)工料机价格、土地征迁补偿标准等大幅提高。

2.2工程造价影响要素

依据JTG 3830—2018《公路工程建设项目概预算编制办法》[14]，工程造价由建安费、土地使用及拆迁补偿费、工程建设其他费、预备费、建设期贷款利息等组成。工程造价具有异质性、组合性、动态性、多次性、专业性、系统性等特征，并受诸多因素影响。

根据文献研究和统计分析，设计阶段高速公路工程造价的主要影响因素有五个方面：(1)设计方案；(2)建设条件；(3)工料机价格；(4)项目规模与建设标准；(5)国家政策[10,12]。各因素及其细分指标对造价的影响程度大小将在项目模型参数设计及敏感性分析中体现。

2.3 工程造价控制指标体系构建

依据上述编制办法等现行行业规范标准，结合造价构成、工程属性和数据可采集性等，综合考虑造价影响因素，选取并建立设计阶段造价控制指标体系，如表1所示。

3 高速公路工程造价动态控制的SD模型

3.1 确定系统边界

SD认为系统动态行为缘于系统内部要素之间的作用关系，系统边界界定形成特定行为所包含的最小数量单元。在建模时先确定模型的系统边界，包罗核心、关键要素，忽略非关键因素。根据表1，模型将设计阶段涉及的技术、经济指标、费率标准划到系统边界内，保证系统边界清晰和模型运行效果。

表1 设计阶段高速公路工程造价控制指标体系

注：表中项目细化分解指标见模型存量流量图。

3.2 模型构建

3.2.1 绘制因果关系图

在建模时，运用VensimPLE软件绘制因果关系图，见图1。因果关系图清晰地反映工程造价的组成、影响因素及其逻辑关系。

根据图1，以工程造价为起点，分析该系统存在两条正反馈回路：高速公路工程造价→+设计方案→+工程量→+直接费→+建安费→+静态投资→+工程造价；工程造价→+设计方案→+工程量→+占地面积→+土地使用及拆迁补偿费→+静态投资→+工程造价。

图1 高速公路工程造价影响要素的因果关系

3.2.2 绘制存量流量图

在图1基础上绘制系统存量流量图，见图2。

图2 高速公路工程造价控制指标的系统存量流量图

存量流量图主要涉及两个变化：一是考虑模型的可操作性和数据的可获取性，引入主材权重系数、桥梁比等常量；二是引入建安费、土地使用及拆迁补偿费、工程建设其他费、高速公路工程造价等4个状态变量，前三个变量是工程造价的主要组成部分，决定第4个变量，4个变量密切相关。

3.2.3 建立系统动力学方程

根据图2，运用Vensim软件建立各变量的SD方程，如表2所示。

表2 工程造价控制模型方程一览

续表2

注：表中仅列出部分辅助变量方程。

4 模型检验

4.1 项目简介

以山东省JT高速公路为研究对象，模拟设计方案与工程造价的对应关系，进行设计方案比选。

该项目路线全长为55.798 km，双向六车道高速公路标准，设计速度为120 km/h。主线设特大桥5316 m(4座)，大中小桥14077 m(63座)，隧道13087 m(6座)，互通立交8处。新增永久占地面积519.481 ha，项目计划工期为3.5 年，批复初设概算为112.94 亿元，核准估算为105.66 亿元。本项目沿线地形复杂，桥隧比高，为一条生态旅游的山区高速公路。

4.2 模型假设和参数设计

4.2.1 模型假设

高速公路工程造价指标与项目影响因子等有关，对模型做如下假设：

(1)该系统外部环境稳定。工程造价除受自身特性影响外，还受国内外社会经济环境的影响。但系统无法考虑所有因素，否则会增加其复杂性，影响模拟结果。

(2)本研究未考虑价差预备费。模型与现实要求一致。

(3)该模型模拟时间为2 年，时间步长为1年。通常高速公路工程设计周期为2 年。

4.2.2 参数设计

结合JT高速公路实际情况，设定模型参数。

(1)各专业技术影响因子

建安费与工程量、技术影响因子等有关，技术影响因子与各专业系数及其权重相关。依据设计文件，本项目技术影响因子见表3。

表3 JT高速公路技术影响因子

(2)工料机价格影响因子

工料机价格波动对工程造价产生重要影响，依据主成分分析方法，钢筋等五种材料占材料费的80%以上，选取主要的工料机价格影响因子，如表4所示。

表4 工料机价格影响因子

4.3 结果分析与建议

将JT项目的数据代入模型，运行VensimPLE软件，模拟不同设计方案对应的工程造价，分析模拟结果，进行方案比选。设计路线方案论证以K线和E线方案为例，进行同深度设计，先进行定性分析比较，见表5；再定量研究，调整模型的差异化参数，将模拟结果与设计概算对比，见表6。模拟仿真K线、E线设计方案对应的工程造价，如图3，4所示。

表5 路线方案比较

表6 设计方案概算对比

图3 K线工程造价模拟曲线

图4 E线工程造价模拟曲线

表6概算数据来源于设计文件，为简化计算，重点对建安费、征迁费进行比较；仿真数据包含造价的主要组成部分。E线方案比K线的路线短0.401 km，建安费少10397.96 万元，征迁费少1062.99 万元，造价降低11460.95 万元；系统模拟两方案的概算差额为15177.46 万元(含利息等)。系统仿真结果与实际工程造价一致，表明该模型能快速、准确得出设计概算测算结果，检验E线方案功能更先进、经济更合理。可见模型在设计方案比选中具有明显优势，能为方案比选提供决策支持。

通过工程造价控制模型的构建与模拟分析，在工程设计阶段，综合考虑本项目特点、造价影响因素的敏感程度，在确定设计思路和多方案比选时，主动、超前进行造价控制，通过模型仿真进行客观、定量评价，实现设计方案功能技术与经济的统一。通过对各专业技术、工料机价格影响因素的敏感性分析，建议以路线、桥隧专业为造价控制重点进行方案比选和设计优化；在满足设计规范要求的基础上，进行动态设计优化，以钢筋主材为重点优化结构细部设计，合理有效控制工程造价。

5 结论

(1)基于高速公路工程造价管理的新需求，分析设计阶段造价的主要影响因素，建立造价控制指标体系。

(2)运用SD理论绘制因果关系图、存量流量图，构建高速公路工程造价控制的SD模型，系统揭示各要素或变量之间的作用关系及关联度。研究将SD方法与高速公路工程造价管理相结合，拓展了SD理论的应用空间。

(3)实证检验模型，能快速测算不同设计方案的工程造价；仿真结果客观反映设计方案比选情况，优势显著。实证研究表明模型的先进性和有效性，为设计方案优化及主动精准控制工程造价提供了新的路径和方法。

(4)模型仿真结果高效、可靠，若后续研究进一步细化工程造价控制指标或延伸仿真周期，则模型测算结果将更精准，应用更广阔，为项目投资决策和设计方案优化提供支持和方法，有利于提升工程建设管理水平。