高铁智能建造造价演变机理及SD估算方法研究.pdf

NO.3(Ser.294)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERING SOCIETY第3 期（总2 94）Mar2023程报学道铁2023年3 月文章编号：10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 3-0 110-0 6高铁智能建造造价演变机理及SD估算方法研究段晓晨*孟阳钱睿（石家庄铁道大学，石家庄0 50 0 43）摘要：研究目的：高铁智能建造技术不断创新与发展，然而现行的线性造价估算方法逐渐出现与之不匹配、不适应等问题。本文运用非线性复杂系统预测等方法，建立高铁智能建造造价非线性估算系统，主要以高铁智能建造造价为研究对象，通过挖掘其影响因素及其作用关系，建立高铁智能建造造价估算SD模型，为高铁智能建造造价控制优化提供决策支持。研究结论：（1）分析验证了高铁智能建造实际造价随机性演变规律及趋势；（2）构建了高铁智能建造造价影响因素结构方程模型，确定了具有普适性的初步设计概算影响因素；（3）改革现行初步设计概算编制办法，屏蔽了现行概预算定额滞后性劣势，构建了以近端历史数据为依据的高铁智能建造基础数据库；（4）构建了高铁智能建造造价估算SD模型；（5）本文模型可为高铁智能建造造价管理提供决策支持。关键词：高铁工程；智能建造；系统动力学模型；非线性估算中图分类号：G304文献标识码：AResearch on the Evolution Mechanism and SD Estimation Method of IntelligentConstruction Cost of High-speed RailwayDUAN Xiaochen,MENG Yang,QIAN Rui(Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang,Hebei 050043,China)Abstract:Research purposes:The intelligent construction technology of high-speed railway is constantly innovatingand developing.However,the existing linear cost estimation methods are gradually mismatched and inadaptable.In thispaper,a nonlinear estimation system of high-speed railway intelligent construction cost is established by using nonlinearcomplex system prediction and other methods.Taking the intelligent construction cost of high-speed railway as theresearch object,the SD model of intelligent construction cost estimation of high-speed railway is established byexploring its influencing factors and their functional relationships,providing decision support for the optimization ofintelligent construction cost control of high-speed railway.Research conclusions:(1)The random evolution law and trend of the actual cost of high-speed railway intelligentconstruction are analyzed and verified.(2)The structural equation analysis theoretical model of influencing factors ofintelligent construction cost of high-speed railway are constructed,and the influencing factors of preliminary designestimate with universality are determined.(3)The current preliminary design estimate preparation method is reformed,the lag disadvantage of the current estimate and budget quota is shielded,and a basic database of high-speed railwayintelligent construction is built based on near end historical data.(4)The SD model of intelligent construction costestimation of high-speed railway is constructed.(5)The model established in this paper can provide decision support米收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 9基金项目：河北省自然基金项目（G2019210226）；国家自然科学基金面上项目（7 2 0 7 113 3）；中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司开发项目（K LT Z-K X 0 1-2 0 2 0）；河北省“巨人计划 第三批创新创业团队（冀办字 2 0 18 3 3 号）*作者简介：段晓晨，196 2 年出生，男，教授，博士生导师。孟睿：高铁智能建造价演变机理及SD估算方法研究钱阳段晓晨第3 期111for intelligent construction cost management of high-speed railway.Key words:high speed railway project;intelligent construction;system dynamics model;nonlinear estimation1研究背景随着高铁智能建造的不断推进，智能化程度对铁路工程建造造价的影响日益显现，具有造价高、技术密集等特点的高铁工程更易受新技术影响。BIM+GIS、大数据、物联网等技术不断拓宽传统建造方式，高铁智能建造造价受多方因素影响，呈现出非线性、不确定性、突变性等演变机理和趋势特点,是一个多回路的非线性复杂系统。然而，现行定额计价法存在滞后性、确定性等缺陷，远不能适应各种消耗费用非线性、耦合性等要求。在造价估算方面，李一红 1 通过构建SD模型，以实现估算绿色建筑增量成本效益；时维强等 2 基于SD建立了高速公路工程造价控制模型；陈琳 3 研究了基于SD的铁路隧道成本动态控制方法；张梦 4通过SD模型研究优化了铁路桥梁工期和成本管理；黄晓光 5 研究了SD视角下建设工程造价控制研究；吴丹 6 对基于SD的大型桥梁工程施工成本控制进行了研究。综上所述，国内外学者在高铁工程造价管理问题上做了大量研究工作，但由于不同研究中数据、方法的不同，在高铁智能建造造价管理问题研究上仍存在一些局限性和空白。本文运用系统动力学知识，针对高铁智能建造造价特点，在分析其影响因素的特点和规律基础上，对高铁智能建造造价作出预测，为高铁工程造价管理提供参考。2高铁智能建造造价非线性估算SD模型研究2.1研究范围界定本文立足于初步设计阶段，以智能化和机械化水平衡量智能建造程度。智能化主要反映高铁建造决策智能化、设计智能化、施工管理智能化水平。机械化主要反映施工机械一体化和设备先进程度。2.1.1高铁智能建造造价组成高铁智能建造造价主要由建筑安装工程费、设备购置费、其他费、基本预备费、造价增涨费、债务资金利息、机车车辆购置费、铺底流动资金等组成。其中设备购置费、机车车辆购置费、铺底流动资金等估算比较单一，本文不予考虑。建安费占高铁智能建造全过程造价的6 0%7 0%，为估算重点。为简化估算，本文将材料费和运杂费合并，施工措施费、特殊施工增加费分别计人人工、机械、材料费中，并分离出环保费用，间接费分解为管理费和利润，建安费按人工费、机械费、材料费、环保费用、管理费、利润、税金7 项计算。2.1.2高铁智能建造造价特点及趋势分析高铁工程建设造价受内生变量、外生变量等多重影响,是一个多回路的非线性复杂系统。因此,基于该特点，研究高铁智能建造造价的主要影响因素，以期提高造价估算的准确性和有效性。2.2高铁智能建造造价影响因素研究2.2.1主要影响因素的识别与选取通过文献检索、问卷调查和半结构化访谈形式提取高铁智能建造造价的主要影响因素，如表1所示。表1高铁智能建造造价主要影响因素潜在变量测量变量人工费比重（CECI1）材料费比重（CECI2）、机械费比重（CECI3）、环保成本影响（CECI4）、管理费影响建安费构成(CECI)（CECI 5）、工资影响（CECI6）材料价格影响（CECI7）、机械台班单价影响（CECI8）外部环境(EE)区域经济水平（EE1）、政策法规（EE2）设计质量水平（ETF1）、自然环境影响（ETF2）、结构复杂程度（ETF3）、技术水平（ETF4）、合同管理水平工程技术(ETF)(ETF5)机械化程度(ML)机械一体化程度（ML1）、设备先进程度（ML2）智能化程度(IL)现场管理智能化水平（IL1）、企业组织管理智能化水平（IL2）、信息化建设程度（IL3）2.2.2影响因素演变趋势及衍生机理分析基于高铁智能建造造价影响因素自组织、耦合性等特点,采用结构方程模型分析影响因素的演变趋势与衍生机理。选取调查所获得的2 0 4份有效样本量表，通过Cochran公式即式（1)计算得出误差值符合精度要求，样本合理。Zap(1-p)n=(1)E2式中n样本量；Z/2置信区间；2023年3 月程报学道铁112P-取0.5；E一一误差幅度。一通过信效度检验后，构建造价影响因素作用机理结构方程模型，如图1所示，e8e7e6e5e4e3e2el0.420.630.650.450.480.510.590.49CECI1CECI2CECI3CECI4CECI5CECI6CECI7CECI80.630.680.590.690.690.59e21CECI0.430.38e20ETF1e200.72e220.750.240.330.28ETF2e190.690.540.700.75e9EE10.280.660.44EEETFETF3e180.550.65e10EE20.470.840.42ETF4e170.330.590.570.31ETF5e160.310.330.320.110.640.52e23MLILe240.760.720.7710.790.83ML1ML2IL1IL2IL30.350.330.360.440.32e11e12e13e14e15图1结构方程模型2.2.3建立高铁智能建造造价预测样本数据库依据结构方程分析确定的影响因素建立数据库，根据沿线城市经济水平对历史数据进行地域调整（见式（2），基准地区一般为北京地区或拟建工程地区DPi=1iri(2)=1Doi0iXP0i式中D一本地同类工程单价；Pr权重，P,其中G为同类rinGi=1Ti工程的工程量；Doi，Po i一其余区域同类项目成本和比重2.3高铁智能建造造价非线性估算SD模型构建2.3.1模型建立费用组成包括建安费、其他费和动态投资。结合结构方程模型，引人单位工程造价指标和设计工程量。其他费包括建设项目管理费、土地征用及拆迁补偿费等。企业管理智能化水平对建设单位管理费有负反馈影响。投资变化包括静态投资、动态投资。系统流图如图2 所示。主要参数方程如下：建安费=INTEG（建安费变化），单位：万元。工料机影响因子=人工费影响+材料费影响+施工机械使用费影响。人工费影响=人工费占比人工工资影响因子。材料费影响=材料费占比材料价格影响因子。施工机械使用费影响=机械费占比（0.3 0 3 2 机械台班单价影响因子+0.3 3 2 5机械一体化程度+0.3643设备先进程度）。各变量的权重由熵值法确定。建安费变化=INTEG（单位工程造价指标设计工程量工程技术影响工料机影响系数（0.16 2 8 区域经济发展水平+0.1996 环保成本影响+0.16 2 9信息化建设程度+0.1518 现场管理智能化水平+0.1472管理费影响+0.17 58 合同管理水平）（1+增值税税率）（1+利润率），单位：万元。其他费=INTEG（其他费变化），单位：万元。其他费变化=INTEG（计算机软件开发及购置费用+建设项目管理费+土地征用及拆迁补偿费+其他费用），单位：万元。孟钱阳段晓晨睿：高铁智能建造造价演变机理及SD估算方法研究第3 期113路基影响因子=路基权重路基专业系数（站场、桥梁、轨道计算方法同理）。建设单位管理建设项企业管建设项费目管理理智能目管理建设项其他费化水平信息系目管理智能化程度计算机统购建费软件开费其他影信息化发及购时间价现场管理智响因子环保政建设程置费用值系数策影响能化水平度其他费管理费影响合同管土地征其他费变化设计高铁智能方案环保措理水平用及拆投资变化建造造价优化施影响迁补偿影响费区域经因子）建安费其他费用济发展Time建安费变水平化税率工程造利润率价增涨工程技单位工程术影响造价指标工料机基本预备费一静态投资工程造价增长预留费建设期债务性资金其他工设计工程量影响系设备先进程度率建设周期利息程影响数基本预备费率因子路基影路线长度机械一体贷款年贷款比例响因子路基权重人工费施工机化程度期望偏差度项目批利率桥梁比影响材料费影响械使用费影响1复造价路基专响因子站场影桥梁影响因子轨道影人工费占比材料费占比机械台班单案优化设计方造价偏差度响因子人工工价影响因子影响因业系数自然环境资影响材料价子机械费占比影响因子工程结构站场专轨道权重因子格影响复杂程度站场桥梁专因子工程设计业系数权重业系数轨道专质量水平业系数图2系统流图工程技术因子=路基影响因子+站场影响因子+桥梁影响因子+轨道影响因子。基本预备费=（建安费+其他费）基本预备费率，单位：万元。静态投资=建安费+其他费+基本预备费，单位：万元。工程造价增涨预留费=投资变化工程造价增长率，单位：万元。建设期债务性资金利息=静态投资贷款比例建设周期贷款年利率，单位：万元。建设项目管理费=建设单位管理费+建设项目管理信息系统购建费+建设项目管理其他费，单位：万元。投资变化=INTEG（静态投资+工程造价增涨预留费+建设期债务性资金利息）/（1+时间价值系数），单位：万元。工程设计优化因子=IFTHENELSE（造价偏差度期望偏差度，0，（造价偏差度期望偏差度）（0.40 4自然环境影响因子+0.3 0 55工程设计质量水平+0.2 90 5工程结构复杂程度）。智能化程度=0.3 2 8 6 现场管理智能化水平+0.3187企业管理智能化水平+0.3 52 7 信息化建设程度。2.3.2模型参数估计本文模型要求误差不超过5%。参数确定主要通过如下途径：搜集权威文献中的数据；聚类分析，统计历史数据的算术平均值；熵值法确定部分参数权重；GM(1,1）模型预测部分难搜集、数量少的费用数据；参考工程可研报告、设计文件等工程实际信息。3高铁智能建造造价估算SD模型实例分析3.1项目概况3.1.1工程概况案例工程正线全长2 7.8 53 km，初步设计采用双线高速铁路技术标准，设计速度正线3 50 km/h，正线数目双线，正线线间距5m。本项目为长江经济带交通网骨干线路，沿线地形复杂，全线桥梁占比高。3.1.2项目工程特征分析该项目建设实现运输调度信息化、运行监控实时化、管理系统化、统计分析自动化，通过AI、物联网、BIM、北斗系统等技术实现智能建造。项目机械化程度大致可达到90%、智能化程度达到8 5%左右，是一个智能化程度高、机械化程度高的高铁智能建造项目。3.2模型系统参数设置3.2.1基础数据库案例K-prototype聚类分析基于样本数据库，使用K-prototype聚类分析筛选类似工程，结果如表2 所示。最终得到3 类群体，占比分别是3 0.43%、3 4.7 8%、3 4.7 9%，聚类效果较好。选取2 2 个相似案例数据，求取算术平均值，最终得到各参数数值。2023年3 月程报学道铁114表2 真聚类类别方差分析差异对比结果聚类类别方差分析差异对比结果（平均值标准差）参数FPcluster_1cluster_2cluster_3区域经济水平2.25 0.891.94 0.981.00 0.003.5510.037*区段路线长度/km52.50 22.4253.71 22.1698.17 17.8420.0320.000*单位工程造价/万元976 227.48 490 871.41900 264.47 371 378.021 977 812.32 953 599.7212.4870.000*人工工资影响2.80 0.411.43 0.761.33 0.7828.2250.000*材料价格影响2.40 0.941.14 0.361.83 0.949.9460.000*机械台班单价影响1.50 0.832.57 0.512.00 0.858.3470.001*环保政策影响2.20 1.011.43 0.762.17 0.943.3280.045*人工费占比/%24.44 0.4323.63 0.4422.73 0.6545.0160.000*材料费占比/%68.00 1.8467.08 1.1765.00 1.2114.9200.000*机械费占比/%7.55 1.819.29 1.2412.28 1.3735.0230.000*注：*表示p0.05；*表示p0.01。3.2.2摘值法确定部分参数方程权重结合问卷，使用熵值法确定智能化程度和设计方案优化因子的各变量权重，计算结果如表3 所示。表3滴值法计算权重结果表项信息熵值e信息效用值d权重系数W现场管理智能化水平0.994 60.005 432.86%企业管理智能化水平0.994 70.005 331.87%信息化建设程度0.99420.005835.27%区域经济发展水平0.994 20.005816.28%环保政策影响0.992 90.007 119.96%合同管理水平0.994 20.005816.29%现场管理智能化水平0.994 60.005 415.18%企业管理智能化水平0.99470.005 314.72%信息化建设程度0.99370.006 317.58%自然环境影响0.993 20.006 840.40%工程设计质量水平0.994 80.005230.55%工程复杂程度影响0.995 10.004 929.05%机械台班单价影响因子0.995 20.004830.32%机械一体化程度0.994.70.005 333.25%设备先进程度0.994 20.005 836.43%现场管理智能化水平0.994 60.005 432.86%企业管理智能化水平0.994 70.005331.87%信息化建设程度0.994 20.005835.27%3.2.3GM(1,1）模型预测部分费用建设单位管理费等数据涉及企业内部数据，数据量较少，同时此类费用随时间有指数增长趋势，因此适用GM(1,1)模型预测。数据库中搜集到4个案例数据，下面以建设单位管理费为例进行预测。首先进行级比值检验，结果显示：级比检验值均在标准范围区间 0.6 7 0，1.492 内，适合进行GM(1,1)模型构建。模型构建后得到发展系数、灰色作用量b,以及后验比C值；后验差比C值0.0 0 2 90.3 5，说明模型精度十分好。数据预测结果如表4所示。表4模型预测值序号原始值预测值1398.848398.8482373.155372.7063375.945376.8214381.421380.982向后1期一385.188向后2 期一389.441向后3 期一393.741向后4期二398.0883.2.4结合工程实际情况确定主要参数参照该区段拟建工程的设计文件、实地调研数据等信息，设定基本参数，取值情况如表5所示。表5高铁智能建造造价SD系统主要参数变量参数数值变量参数数值单位工程造价/万元9 283.76工程造价增长率/%3环保政策影响1.021建设周期/年4路基权重/%0.788贷款年利率/%4.75站场权重/%1.98增值税税率/%11桥梁比/%85.7利润率/%7轨道权重/%1.44贷款比例/%61.26其他工程权重/%8.07期望偏差度/%5基本预备费率/%53.3模型检验与应用3.3.1模型检验运用Vensim进行参数方程极限、量纲、模型界限检验。在构建SD模型时，分析高铁智能建造造价系统，该模型的方程和结构等参照实际系统设立，部分参数采用科学研究方法确定，与实际系统的真实状况契合，符合一致性。灵敏度分析模型采用式（3）和式（4）计算。AQX.S。=(3)Q.AX.孟阳段晓晨睿：高铁智能建造造价演变机理及SD估算方法研究钱第3 期115(4)ni=1式中Q(t)-状态Q在t时刻的值；X(参参数X在t时刻的值；AQct,AX(t)一Q和X在t时刻增长量；So:Q:的灵敏度;S一一参数X的平均灵敏度。采用增加和减少参数10%灵敏度对状态变量变化求均值的方法来判断模型灵敏度。经检验，模型中主要参数灵敏性均符合要求。3.3.2模型的应用研究与结果分析该拟建工程2 0 19年开工，将本系统估算数据与项目实际两年数据对比，第一年误差为3.3 0%，两年累积误差为1.91%，总体运行两年数据均符合精度要求。由上述验证、模拟可知,模型的准确性和有效性符合要求，可为高铁智能建造造价管理提供参考和决策支持。3.3.3情景模拟本文所考虑的智能化程度主要有3 个指标：现场管理智能化水平、企业管理智能化水平和信息化建设程度。当现场管理智能化水平、企业管理智能化水平、信息化建设程度提高10%时，造价分别降低了1.40%、1.98%、2.6 7%；降低10%时，造价分别增加了2.19%、1.99%、3.56%。说明现场管理智能化水平、企业管理智能化水平、信息化建设程度对造价起着负反馈作用。针对智能化程度发展，应该尤其注意控制项目的信息化建设程度。4结论高铁智能建造造价是一个非线性、自组织的复杂系统，依靠传统线性的造价估算方法已不能适应高铁智能建造造价估算。本文以高铁智能建造造价为研究对象，通过挖掘其影响因素及作用关系，建立高铁智能建造造价估算SD模型，以实现对高铁智能建造造价的预测与控制优化。主要研究结论如下：（1)分析验证了高铁智能建造造价随机性演变规律及趋势。为提高其估算的准确性和有效性，首先需挖掘其自变量和因变量影响因素。(2)构建了高铁智能建造造价影响因素结构方程模型，确定了具有普适性的初步设计概算影响因素。分析得出影响因素之间也存在着交叉影响。基于此，本文使用结构方程模型分析各影响因素之间的作用机理和互相作用。(3)构建了以历史数据为依据的高铁智能建造基础数据库，为本文SD模型估算提供了数据支持。（4）构建了高铁智能建造造价估算SD模型。通过对3 种智能化水平的情景模拟，得出现场管理智能化水平、企业管理智能化水平、信息化建设程度对造价均有负反馈作用。本文模型通过实证分析，达到了科学性、准确性要求，为高铁智能建造造价的估算和控制优化提供了数据支持和决策支持，有利于提高高铁智能建造造价的准确性和有效性。参考文献：1李一红.绿色建筑增量成本效益估算模型构建：基于系统动力学视角 J.财会通讯，2 0 2 0（12）：118-12 2.Li Yihong.Construction of Incremental Cost-benefitEstimation Model of Green Building-from thePerspective of System Dynamics J.Communication ofFinance and Accounting,2020(12):118-122.2时维强，刘玲，许艳.基于SD的高速公路工程造价控制模型 J.土木工程与管理学报,2 0 2 0（5：6 2-6 7.Shi Weiqiang,Liu Ling,Xu Yan.Cost Control Modelof Expressway Project Based on System Dynamics J.Journal of Civil Engineering and Management,2020(5):62-67.3陈琳。基于系统动力学的铁路隧道工程成本动态控制研究 D.南昌：华东交通大学，2 0 16.Chen Lin.Research on Dynamic Cost Control ofRailway Tunnel Engineering Based on System Dynamics D.Nanchang:East China Jiaotong University,2016.4张梦。基于系统动力学的铁路桥梁工程工期成本优化研究 D.兰州：兰州交通大学,2 0 19.Zhang Meng.Research on Optimization of ConstructionPeriod Cost of Railway Bridge Engineering Based onSystem Dynamics D.Lanzhou:Lanzhou JiaotongUniversity,2019.5黄晓光基于系统动力学的建设工程造价控制研究D.大连：大连理工大学,2 0 0 8.Huang Xiaoguang.Research on Construction ProjectCost Control Based on System Dynamics D.Dalian:Dalian University of Technology,2008.6吴丹基于系统动力学的大型桥梁工程施工成本控制研究 D.重庆：重庆大学,2 0 16.Wu Dan.Research on Construction Cost Control ofLarge Bridge Engineering Based on System DynamicsD.Chongqing:Chongqing University,2016.