基于SD的高速公路项目进度-质量分析

王建华 ，凃云峰 ，明 曌

1.中国建设基础设施有限公司，北京 100044

2.曲靖中建曲昆高速公路投资开发有限公司，云南 曲靖 655000

3.武汉理工大学，湖北 武汉 430070

近年来，随着国民经济的发展，高速公路数量正在不断增加，高速公路建设作为影响社会经济发展，促进区域经济快速增长的一项重点工程，在建筑领域中得到大力发展[1]。高速公路建设项目作为系统性综合工程，包括路基、路面及桥梁等工程，涉及复杂的建设规模，巨大的人力及机械筹措调度和投入，具有复杂性、多样性、风险性的特点，因而使其管理过程综合性较强、难度较高。在当前社会高度重视高速建设项目的背景下，如何针对建管过程中的三大核心控制目标，尤其是建设项目的工期、质量控制目标，进行科学、合理的规划、组织、管理与实施，是相关领域重点研究的课题，也是各级管理部门最为关心的问题[2]。

目前，国内外诸多学者都对高速公路建设项目的目标管理进行了研究。孙月峰等[3]对关键链技术进行了改进，从多资源调度、工序约束和团队胜任力的角度创新计算方法，将改进关键链技术运用到高速公路工程建设项目进度管理中。张超[4]将4D与BIM技术应用于实际的项目施工管理过程，开发出了基于BIM的高速公路建设管理系统，应用于对高速公路项目的施工质量和安全监控与分析。吕凤龙[5]采用工程质量管理、安全管理、进度管理、费用管理、合同管理等综合管理方法，对大型公路项目建设的管理模式进行了探索。Bayraktar等[6]将各利益相关者之间的相互关系以及影响工程项目的关键因素对项目的动态制约综合考虑，提出了达成进度、成本、质量平衡的一种高速公路建管决策支持系统。以上研究都对高速公路项目的各目标管理进行了探讨，并实现了相应的目标控制，但大多是对高速公路项目的单个目标进行研究，而对高速公路项目重点目标进度与质量的关系及其对高速公路项目管理影响的研究较少。

高速公路建设项目中进度与质量相互制约相互影响，会对项目绩效产生很大的影响，系统动力学是一种研究系统信息反馈的方法，能够从系统视角考虑问题，考察系统各组成部分的相互作用。应用系统动力学处理复杂项目管理问题早已受到国内外学者的广泛关注，黄建文等[7]利用系统动力学对地下洞室开挖施工进度系统进行仿真，提出能加快进度的相关措施。李斌[8]分析出施工项目质量的主要影响因素，通过系统动力学研究施工项目质量控制相关问题。但利用系统动力学方法探索高速公路项目进度、质量之间的影响机制还有待进一步研究。

文章尝试利用系统动力学的方法，建立进度-质量的因果关系图，分析进度和质量之间的相互关系，根据实际高速公路项目数据进行实例分析，重点探究高速公路项目进度与质量的相互影响，旨在为高速公路项目进度与质量控制提供一定的参考。

1 进度-质量系统分析

1.1 高速公路项目特点

高速公路项目具有造价高、投资大、线路长、参建方多、质量要求高、施工周期长、工序交叉复杂、区域网密集、施工环境复杂，外部协调繁冗、信息量大等特点，在施工过程中各种因素的影响会导致工程进度慢、施工周期较长等现象，工期和质量作为高速公路建设中重点关注的两大因素，如何处理好二者的关系尤为重要。

1.2 系统分析

在建立高速公路进度-质量系统时，基于高速公路的项目特点和必要简约的原则划分系统边界，主要包括内生因素和外生因素。内生变量是SD模型中的重要变量，随着仿真的推进而不断发生变化，如施工效率、工期压力、返工率等；外生变量一般与项目的基本特征有关，根据外部环境赋值，数值固定不变，不受系统内部作用的影响，例如计划工期、自然环境、施工技术水平等，如图1所示。

图1 系统边界图

2 进度-质量SD模型

2.1 模型假设

高速公路项目涉及的影响因素众多，基于此研究的目的提出以下假设：

假设1：为了简化模型，不考虑成本、资源等外部因素，只针对进度、质量两因素的关系建立模型，假设施工过程中内外部环境稳定。

假设2：根据实际高速公路项目工程特征及施工重难点分析，确定影响质量的主要外生因素。

2.2 因果关系图

因果回路图是依据研究目的和基本假设，在系统边界内，对系统的变量进行因果关系分析，构成因果反馈回路。因果关系图可以描述系统内各部分之间的内在联系，基于进度与质量的控制反馈机制，依据高速公路工程的实际情况，分析建立进度与质量之间的联动关系，采用Vensim软件绘制因果回路图，形成高速公路工程项目进度-质量控制因果关系如图2所示。

图2 进度-质量因果回路图

2.3 流图构建

为了能精确描述进度-质量模型运行机制，在分析相关文献研究的基础上，根据实际高速公路项目特点，建立系统流程图如图3所示。

图3 进度-质量存量流量图

确立该模型的各类变量性质，并建立相应的函数方程，主要变量的函数变量方程如表1所示。初始变量赋值由实际工程施工数据所得，相应的因素权重由从事相关领域的专家进行打分汇总确定。

表1 部分主要变量函数表达式

2.4 模型检验

（1）直观检验。直观检验包括分析模型中的变量是否具有准确的定义，它们之间通过公式建立的逻辑关系是否合理，以及量纲是否一致。对各变量的名称、相互关系以及赋值的合理有效性，结合专家意见，进行了反复的斟酌和校正，以确保所构建的进度-风险SD模型的有效性。

（2）运行检验。利用Vensim软件中的“check model”和“units check”功能对模型和单位分别进行检查，结果显示模型运行正常。此外，需要对模型的积分误差进行检查。选取Time Step=0.25、Time Step=0.5、Time Step=1 这3个时间步长分别对模型进行仿真模拟分析，选取已完工程量这一状态变量，当所选取的仿真步长从0.25增至0.5，再增至1后，结果如图4所示，已完工程量几乎没有发现变化，说明该模型的积分误差可以忽略不计。

图4 不同仿真步长的模拟结果

3 模型仿真与分析

3.1 工程概况

某X高速公路Y标段工程计划工期为36个月，属北亚热带季风气候，具有夏无酷暑、冬无严寒，年温差小，日温差大，雨热同季，干湿季节分明的气候特点，项目区内气候条件较好，全年均可进行施工。标段内无不良地质，周边环境乡镇较多，交通道路大多为县道和乡道，道路宽度较窄，性能较差。该项目施工线路长，地形复杂，结构分散，为施工过程带来一定的难度。

3.2 模型仿真与分析

在未压缩工期的情况下进行施工模拟，结果如图5所示，显示施工过程共产生了29m的返工工程量，造成项目实际完成时间大于36个月，主要原因来自施工过程中技术难度加大，工期延误，给项目带来进度压力，当采取赶工措施时，会增加工作人员的疲劳强度，造成返工工程量的进一步增加。所显示结果与实际工程情况相符，可见返工工程量是造成工期拖延的主要因素。

图5 施工方案模拟图

该项目在施工过程中提出工程变更，要求提前2个月完工，在现有情况下进行施工模拟，考虑在第10周和第20周时变更工期，结果如图6所示，由于资源的充分供应，根据曲线1和曲线2对比显示，第10周调整时比第20周调整时工程质量情况较好，根据曲线3和曲线4分析显示，第10周调整时的返工工程量会少于第20周的返工工程量。根据结果分析（如图7所示），在项目前期缩短工期并不会大幅增加工作人员的疲劳强度，反而是在后期缩短工期会显著增加进度压力和工作人员的疲劳强度，降低工作人员的实际施工效率。在实际施工过程中，若前期缩短工期，增加进度压力，小幅增加疲劳强度，会在后期采取加大投入等手段来加快进度，而这些措施会有效改善施工质量水平，减少返工量。

图6 工期变更模拟图

图7 疲劳强度与实际施工效率结果图

4 结论

（1）根据进度-质量SD模型的模拟，在高速公路项目中，质量与工期具有很强的相关性，为了促进施工活动的顺利进行，保证工期目标的实现，要实时掌握高速公路项目施工现场的各类动态情况，进一步制订具有针对性的施工质量监管方案，对高速公路不同阶段施工质量严加把控，从而有效提升施工效率。

（2）通过对模型中各变量进行研究，可知进度压力是影响项目进展重要因素，对工作人员的疲劳程度也会产生相应影响，在建设工程项目目标控制过程中，管理者应该根据实际情况来管控项目过程中工作人员的疲劳程度与进度中存在的压力，重点加强对疲劳程度的管理。

（3）通过对进度-质量SD模型进行研究，施工的进度对高速公路工程管理质量控制影响较大，科学合理的施工计划可以有效提高项目的质量水平，实现工期管理与质量管控的动态平衡。