基于SD模型的建设项目资源管理

郑生钦， 王德芳， 钱祝山

(山东建筑大学 管理工程学院， 山东 济南 250101)

随着我国城市化进程进一步加快，建筑产业发展迅速，在城市空间体系内，针对城市发展和基础设施建设，越来越多的建设项目开始启动。建设项目具有资源密集性，基于投资多、工程量大、工期长、技术复杂、参与方众多等特点，项目建设过程需要人力、物力、财力、时间和信息等多种资源。而目前，许多项目在建设过程中出现资源浪费严重、分配不合理、组织混乱、质量差等现象[1]，导致建设项目工期与成本增加、质量下降，甚至出现烂尾现象。因此，建设项目资源管理工作尤为重要，它是管理者在考虑项目成本、进度和质量要求的前提下，利用组织、计划、指挥、协调和控制职能实现各项资源的合理分配，以确保项目建设顺利实现的工作。建设项目资源管理工作具有复杂性、系统性和动态性的特点，是项目从投入到产出全过程需要关注的重点工作。

针对建设项目资源管理的研究，国外开始较早并取得一定的研究成果，其中以欧、美国家为代表的项目管理协会共同指出项目建设所涉及的资源范围，包括主要种类、规格和质量要求。20世纪50年代后期，美国形成的关键线路法(Critical Path Method，CPM)和计划评审技术(PERT，Program，Project Evaluation and Review Technique)被广泛应用于包括资源管理在内的建设项目管理，并一直沿用至今[2]。随后，Park[3]通过研究资源管理水平与项目绩效之间的关系指出资源应用过度导致造价成本超支问题。Nazareth等[4]基于数学规划方法提出多项目资源调度的优先级评价体系。Harris[5]针对单资源均衡问题提出目标函数法，并重点研究人力资源的调配问题。Brucker[6]等提出用多资源权重优选法进行资源管理。Rodrigues[7]将资源投入间隔时间考虑在内配置资源，即考虑项目实施进度。Lee等[8]基于模拟项目作业工期和调度方案来进行资源管理。国内学者根据我国建筑产业发展现状，针对建设项目资源管理提出不同见解。常金贵[9]指出资源管理应全面考虑项目施工过程中的相关限定因素，包括：作业属性、进度要求、投资限额等。王宇静等[10]通过对大型项目建设计划模型的研究，探讨非关键路线上建设活动的组织和优化，以此达到对资源合理调配的目的。罗福周等[11]考虑建筑材料采购、库存和运输的问题来优化资源管理工作。冯勇等[12]运用模糊综合相似优选法研究了多种资源进入施工网络时的最佳时间的问题，提出资源投入与施工进度的相关关系。现阶段，国内外专家学者针对建设项目资源管理系统的研究较少，大多数研究多考虑单因素，如进度、质量、投资等对资源管理的影响；同时，在众多工程项目建设实践过程中，资源管理工作的实现形式参差不齐、侧重点不一，并未形成切实可行的建设项目资源管理体系。

系统动力学(System Dynamics，SD)模型是在20世纪50年代由美国麻省理工学院Forrester教授提出用于分析企业生产和库存管理等问题的系统方法，这是SD模型用于资源管理的探索性实践，后被广泛应用于社会科学、经济发展、企业规划、系统管理等多个研究领域。SD模型能够从系统角度处理复杂非线性、多因素、多相关关系，并直观反映系统内部结构及变化趋势。

基于建设项目资源管理体系内各因素之间复杂的关系，文章运用SD模型深入探讨建设项目资源管理系统，在考虑项目进度、质量和投资成本的基础上，着重分析人力、物力、财力资源的管理机制，并通过仿真模拟，揭示建设项目各项资源的需求变化趋势，以实现对资源的动态管理。为了方便研究，在对模型构建和分析时，将物力和财力资源称为物资，与人力资源并行。

1 建设项目资源管理机理分析

1.1 建设项目资源管理系统边界

在SD模型的范畴里，系统界限是指该系统研究的范围，即系统研究主要囊括的研究内容。文章根据国内外学者对建设项目资源管理的研究成果及实际操作经验，确定建设项目资源管理系统的主要内容应包括：物资资源、人力资源、工程进度、投资成本、工程质量和工程变更。其中，物资与人力资源，是建设项目资源的主体；工程进度、投资成本和工程质量是建设项目资源管理实现的条件；工程变更通过影响工程进度、投资成本等间接影响建设项目资源管理。

(1)物资资源

物资资源是工程项目建设过程所需要的基础资源，主要包括建筑材料和建筑设施设备。在考虑工程进度与投资成本的前提下，物资资源涉及的主要因素包括物资需求、物资瓶颈、物资采购、物资消耗、资源闲置与浪费等方面。物资需求是第一要素也是必然要素，参考施工方案与设计图纸明确所需物资的种类、数量、性能、规格、消耗时间等内容；物资瓶颈是在确定物资需求的前提下，查看现有物资能否满足需求的程度，通过对比发现差额瓶颈并汇总整理；物资瓶颈的确定促使建设项目相关参与方进行物资采购；同时，在物资需求确定的情况下，物资消耗数量、种类和时间也相应确定，物资余量则构成了资源的浪费与闲置。

(2)人力资源

人力资源是工程项目建设过程所需要的主体资源，项目全寿命周期内的所有建设活动离不开人力资源的分配、作业和管理。在考虑工程进度和投资成本的前提下，人力资源涉及的主要因素包括人员分配、人员工作效率、投入产出效率、工作强度、疲劳、返工率和返工等方面。人员分配是组织管理的主要工作，应按照不同的专业属性、工作内容、进度要求等合理分配人力资源，在此基础上重点考察人员工作效率，以确保较高的人力资源投入产出效率；同时，工程进度和质量要求增大了人力资源的工作强度，长时间累积使得员工疲劳感增大，工程返工情况出现，并进一步降低投入产出效率。因此，建设项目返工率的高低决定了人力资源投入产出率对投资成本的正、负相关情况。

(3)工程进度

工程进度是建设项目实现过程的直接体现，既反映项目建设计划，也表示项目完成的结果，是项目建设过程中不可或缺的评价指标。一般，工程进度按照项目建设要求提前拟定计划，确定物资需求、采购计划、人员分配、组织计划等工作内容，进度压力与质量压力的产生促使各项工作内容完成度提高；同时，因不确定因素造成的工程变更会直接导致工程进度发生变化。

(4)投资成本

投资成本是工程项目实现的根本，能够保证项目所需的各项资源需求和建设活动的顺利进行。项目范围和项目目标是投资成本拟定的前提，投资控制是项目管理的重要组成部分，由此产生的投资控制压力进一步促使施工计划、施工技术和进度压力的强化，以对人力、物资等资源进行合理调配；同时，因不确定因素造成的工程变更会直接影响投资成本的额度。

(5)工程质量

工程质量是评价项目完成是否合格的重要内容，必须符合国家规定和相关质量标准。一般来说，建设项目目标确定了工程质量的基本要求，相应的质量压力深化了施工技术和工作强度的要求，并进一步对人力、物资等资源进行合理调配，保证工程质量合格。

(6)工程变更

由于建设项目具有工程量大、工期长、投资多、操作复杂、参与方众多等特点，在其建设过程中，因市场环境、政治环境、自然环境等因素带来的工程变更是无法避免的。因此，建设项目资源管理工作必须考虑工程变更对工程进度和投资成本造成的影响。

1.2 建设项目资源管理系统因果关系分析

SD模型中的因果关系反映了系统中各变量因素之间的影响关系，主要用于定性分析，不考虑具体数量和时间的变化。系统中的变量关系，只存在正关系和负关系，表示两个变量因素之间的促进或者削弱。基于对建设项目资源管理系统边界的分析，文章将各因素的因果关系绘制如图1所示。

图1 建设项目资源管理运作系统因果关系

2 建设项目资源管理系统模型构建

2.1 SD模型建立

由于建设项目从立项到交付使用的过程具有工程量大、工期长、耗资大、操作复杂及不可控因素多等特点，文章构建的建设项目资源管理模型与实际项目操作有所偏差。为了更方便地研究模型的本质结构，文章做出如下假设：(1)假设工作人员的生产力在项目建设周期内基本保持不变；(2)假设项目可以通过增加资源投入促使工程进度回到计划状态，排除实际项目中部分工作的返工行为；(3)假设建设项目施工过程中外部环境相对稳定，如建筑企业的组织结构、施工技术等外部因素在施工过程中不会有重大改变等。在此基础上，文章根据建设项目资源管理系统因果关系图，在Vensim PLE平台上构建了建设项目资源管理系统SD模型，如图2所示。

2.2 模型变量及方程说明

文章构建的建设项目资源管理系统SD模型共包括49个变量，其中状态变量5个，辅助变量和常量44个。由于变量众多，常量在模拟时会随时调动，根据研究目的，文章获取速率、消耗速率、工作强度性建设进度、物资性建设进度、资源性建设进度、工程项目建设进度、工程进度率、工程建设项目投资、计划员工人数、返工等变量，列出计算方程，如下所示：

获取速率= IF THEN ELSE(剩余时间<目标裕度，0，(目标保有量-物资库存)/获取延迟)；

消耗速率=IF THEN ELSE(物资性建设进度<工作强度性建设进度，单位工作消耗量*消耗速率控制*(物资性建设进度/建设进度目标)，单位工作消耗量*消耗速率控制*(工作强度性建设进度/建设进度目标))；

图2 建设项目资源管理系统SD模型

工作强度性建设进度=人工日平均生产力*现有员工人数/当前工作强度；

物资性建设进度=(物资库存/单位工作消耗量)*人工日平均生产力*现有员工人数/单位控制/进度目标；

资源性建设进度=IF THEN ELSE(物资性建设进度>工作强度性建设进度，工作强度性建设进度, 物资性建设进度)；

工程建设项目进度=(资源性建设进度/建设进度目标)*(1-业主变更-监理变更-设计变更)*进度目标；

工程进度率=工程项目建设进度/进度目标；

工程建设项目投资=INTEG((工程项目建设进度*建设进度目标*当前强度单位投资)*(1+业主变更+政策变更+环境变更)/投入产出率/投资控制)，初始值为0；

计划员工人数=(施工计划/施工技术)/单位天数；

返工=INTEG (当前工作强度*返工率*工程进度率*总投资目标/投入产出率/单位天数)，初始值为0。

3 案例仿真模拟

3.1 指标参数说明

基于建设项目资源管理系统SD模型的理论分析，文章以济南市某住宅楼建设项目为例，将项目各项资源数据经优化后导入SD模型进行仿真模拟，并通过仿真结果与实际数据对比，找出差异并分析原因，进一步对建设项目资源SD模型进行优化。

该住宅楼项目规划建设总面积为210000 m2，建设内容包括3栋30层高层住宅和3栋6层小高层住宅，计划工期420 d，建筑和结构施工标准均按照相关技术规范完成。该项目建设所需资源包括人工、材料、机械和其他非物质性资源，根据文章研究模型情况，把材料和机械视为物质资源，人工视为人力资源，所需资金视为工程投资，其他资源暂不展开说明，并将工程变更相关信息引入到模型中。此外，为了确保模型内部结构的合理性和案例模拟仿真的准确性，需要设定相关变量的初始值，包括状态变量的初始值，辅助变量的系数和常量等。项目代入建设项目资源管理SD模型的相关数据指标及其他参数的初始值如表1所示。

3.2 动态仿真模拟

基于建设项目资源管理SD模型的设定以及各变量公式和数值的代入，文章通过Vensim PLE平台对该住宅楼项目实例进行模拟仿真，并且在其他条件不变的情况下，分别对由采购时间、单位完成率、投资控制率和员工工作效率的单一变化对工程建设项目投资、工程建设项目进度、物资库存和现有员工人数的影响作用进行分析。

(1)采购时间变化分析

表1 建设项目资源管理SD模型案例指标数据

在其他条件不变的情况下，依次进行该项目建筑材料平均采购时间为22，18，20 d的仿真模拟，即仿真1，2，3，并分析工程建设项目进度、工程建设项目投资、物资库存和现有员工人数的变化，结果显示如图3所示。可以看出，当采购时间由长到短变化时，工程建设项目进度、工程建设项目投资和物资库存依次递减；采购时间越长，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大，如图3a～3c所示；而建设所需要的现有员工人数不受采购时间的影响。

图3 采购时间的变化对模型变量的影响

(2)单位完成率变化分析

在其他条件不变的情况下，依次进行该项目单位完成率为0.75，0.85，0.80的仿真模拟，即仿真1，2，3，并分析工程建设项目进度、工程建设项目投资、物资库存和现有员工人数的变化，结果显示如图4所示。可以看出，当单位完成率由小到大变化时，工程建设项目进度、工程建设项目投资和物资库存依次递减；单位完成率越小，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大，如图4a～4c所示；而建设所需要的现有员工人数不受单位完成率的影响。

图4 单位控制的变化对模型变量的影响

(3)投资控制率变化分析

在其他条件不变的情况下，依次进行该项目投资控制率为0.80，0.90，0.85的仿真模拟，即仿真1，2，3，并分析工程建设项目进度、工程建设项目投资、物资库存和现有员工人数的变化，结果显示如图5所示。可以看出，当投资控制率由小到大变化时，工程建设项目进度、工程建设项目投资和物资库存依次递减；投资控制率越小，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大，如图5a～5c所示；而建设所需要的现有员工人数不受投资控制率的影响。

图5 投资控制率的变化对模型变量的影响

(4)员工工作效率变化分析

在其他条件不变的情况下，依次进行该项目员工工作效率为0.80，0.85，0.90的仿真模拟，即仿真1，2，3，并分析工程建设项目进度、工程建设项目投资、物资库存和现有员工人数的变化，结果显示如图6所示。可以看出，当员工工作效率由小到大变化时，工程建设项目进度、工程建设项目投资、物资库存和现有员工人数依次递减；员工工作效率越大，项目建设工期越短，投资金额越小，物资库存消耗越小，现有员工人数越少，如图6a～6d所示。

图6 员工工作效率的变化对模型变量的影响

4 建议与结论

4.1 建 议

通过模拟仿真可知，文章建立的建设项目资源管理系统SD模型能够较客观地反映工程项目所需资金、材料、人力等资源的分配机制，并且建设项目工期、投资、物资库存和人工数量会随着相关指标的变化而变化。该研究结果对建设项目资源管理的过程控制和系统应用具有一定指导作用，据此文章提出如下建议。

(1)在实际工程项目建设过程中，应着重从采购时间、单位完成率、投资控制率和员工工作效率四方面提出相应对策以加强资源管理的过程控制，以促进建设项目工期、投资、物资库存和员工数量的有效管理。

首先，针对采购时间，应加强对建筑材料采购过程的协调管控，提高采购参与各方的工作效率，合理控制采购时间，避免因材料不到位所引起的拖延施工现象，有效缩短建设项目工期和投资成本。其次，针对单位完成率，应提高施工的准确性与合理性以提高单位完成率，具体措施包括：保证施工图纸和作业流程的合理性，保证建筑材料和施工人员准确到位；加强项目管理，确保建材、机械、人力和资金的合理配置；加强项目监管，提高作业内容的合格率。再次，针对投资控制率，应从投资比例与时间节点把控、资金审核、账目清算、员工协调等方面加强投资成本管理，提高投资控制率。最后，针对员工工作效率，应从组织管理、员工招聘、技能培训、奖罚机制、协同作业等方面合理提高员工工作效率。

(2)将建设项目资源管理系统SD模型应用于实际建设项目，通过数据代入、计算与模拟提前预测项目资源的使用情况，并不断进行调整和完善，有效实现SD模型的系统应用过程。

首先，在建设项目施工之前，将相关资源数据代入到资源管理系统SD模型，提前预测项目工期、投资、物资库存及员工数量的变化，并据此及时调整和改进项目的资源配置情况；其次，在建设项目施工阶段，准确评估环境变化、工程变更及突发事件对项目施工的影响程度，并及时调整SD模型内的相关数据，模拟变化趋势并提出项目施工改进措施；最后，在项目建设完成后，核算实际项目资源数据与SD模型预测数据的偏差，找出原因并修正完善SD模型，促进建设项目资源管理SD模型在实际工程项目中更加有效的应用。

4.2 结 论

建设项目资源管理现已成为建筑行业的一项必不可少的工作内容，文章构建了以物资资源、人力资源、工程进度、投资成本、工程质量、工程变更为主要内容的建设项目资源管理SD模型，并代入济南市某住宅楼项目资源数据进行仿真模拟。

仿真分析结果显示：采购时间越长，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大，现有员工人数不受采购时间的影响；单位完成率越小，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大；投资控制率越小，项目建设工期越长，投资金额越大，物资库存消耗越大；员工工作效率越大，项目建设工期越短，投资金额越小，物资库存消耗越小，现有员工人数越少。文章根据仿真结果，提出了针对建设项目资源管理的相关建议，具有一定的理论和实际意义。