铁路智能建造对造价管理模式创新的需求分析

张飞涟，刘佳鑫，钟明琳，杨中杰

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2. 中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；3. 湖南中天建设集团股份有限公司，湖南株洲 412011)

进入21 世纪，我国高速铁路发展成绩斐然，路网规模快速扩大，运营里程居世界首位。随着新一轮科技革命浪潮和产业变革的不断深入，以智能技术为驱动力、先进建造技术为核心的智能铁路正加速落地。智能建造，作为智能铁路三大业务主线之一，以BIM+GIS 技术为核心，综合应用新一代信息技术与先进工程建造技术，通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段进行工程化应用，构建全寿命期可追溯的闭环体系，实现项目全寿命期质量、安全、进度、投资、环保的精细化和智能化管理[1]。铁路智能建造不仅带来了生产方式和组织方式的变革，同时也促使铁路造价管理理念、造价标准表现形式、计价方法、控制手段等发生新变化，推动铁路造价管理智能化。 目前已有不少学者针对工程造价管理的智能化发展进行探索。针对造价计价，ELMOUSALAMI[2]提出了基于遗传模糊模型的项目开发概念性成本预测方法。CHAKRABORTY等[3]提出了基于混合光和自然梯度提升的施工成本估算模型。ABANDA 等[4]基于本体论和机器可读格式构建了基于BIM 的计量标准，实现投标阶段成本的精确估算。JUSZCZYK[5]提出了基于人工神经网络对建设项目非参数成本的估算方法。高立扬等[6]运用显著性成本理论和模糊C 均值聚类法，提出了高铁土建工程造价的智能估算方法。针对造价控制，CHEN 等[7]实现了基于BIM 模型和数字编程的建筑结构维修成本计划设计，以提高运维阶段的管理绩效和维修效率。SALEM 等[8]提出了利用全寿命期管理理念，实现可持续建设项目运维阶段的成本控制。BOVSUNOVSKAYA[9]从项目全寿命期出发，提出了地下工程项目成本管理的文件支持系统。王琼[10]从基于BIM 的全过程造价管理出发，构建了人工智能工程造价信息管理平台。综上，上述研究主要是利用智能技术对造价管理某方面的智能化应用进行研究，尚未全面地、系统地探究智能建造技术对铁路工程造价管理各方面可能带来的根本性变革及发展趋势。为了明确铁路工程造价管理在智能建造发展背景下的发展需求和创新方向，本文通过探讨铁路智能建造与造价管理的辩证关系，剖析铁路智能建造对造价管理的影响，提出铁路智能建造造价管理的新需求。

1 铁路智能建造与造价管理的辩证关系分析

基于理性分析和演绎推理，本文认为铁路智能建造造价管理与建造技术、建造管理之间相互影响、相互促进，三者辩证关系如图1所示。

图1 辩证关系Fig.1 Dialectical relationship

1) 智能建造技术激发智能建造管理创新，智能建造管理提高智能建造技术效益、促进技术革新。

从建造管理外部需求看，新一轮科技变革浪潮正加快推动铁路工程建造向智能化变革，而目前铁路工程建设标准化管理模式对于实现全寿命期高度智能化的管理理念、方法和手段还不够完善[11]，较难为智能化生产、管理和服务提供坚实有力的保障。从内部优化看，开展BIM 等智能建造技术与铁路建造管理在全寿命期的集成创新和综合应用，为铁路智能建造管理发展扩展了新的提升空间，引领其不断优化创新，促进铁路工程建造管理向智能精益、协同高效、绿色创新的方向发展。

在技术效益方面，铁路智能建造管理基于BIM 信息在全寿命期的闭环协同机制，通过整合和优化建设过程和资源要素配置，有效控制技术使用过程中的资源消耗，在提高建设质量的同时，提高建造技术效益。另一方面，为满足铁路建造管理的信息化、可视化和智能化，需要融合智能技术对铁路建造技术进行创新，为项目全寿命期各要素的动态协同管理提供技术支持。同时智能铁路项目在智能建造中体现的新需求，也促进智能建造技术优化创新以促进智能建造管理发展。

2) 智能建造技术创新推动智能建造造价计价和造价控制优化完善，智能建造造价管理保障智能建造技术投入成效。

对于造价计价，智能建造施工技术创新意味着新技术、新设备应用以及施工工效的大幅提升，促使现行铁路造价标准体系更新完善以适应智能建造的造价编制需求。同时，BIM 技术提供了一种以工程结构实体为对象，以虚拟三维建筑模型为载体的数字化、参数化信息模型，围绕此模型实现建筑产品全寿命周期数据承载，从而为探究基于BIM 的计价依据和计价方法提供技术支撑，为铁路智能建造造价计价提供创新平台。对于造价控制，智能建造施工技术通过提高机械化程度和质量水平，优化施工资源配置并降低运维阶段的费用支出，有效控制智能建造造价水平。同时，基于BIM 的管理平台有助于实现造价信息在全寿命期的实时监管、动态控制和智能分析，提高管控智能化水平。

智能建造造价管理以科学的管理理念、先进的管理方法、智能化的管理手段，通过提高造价管控精细化程度，为项目节省建设成本进而平衡智能建造技术的研发支出，保证技术最大程度地实现其投入成效。此外，造价管理绩效也可证明智能建造技术引入对造价管理的优化作用，进而推动智能建造技术的广泛应用。

3)智能建造管理创新引领造价管理模式革新，智能建造造价管理保障建造管理高效实施。

铁路智能建造管理要求项目全寿命期的数据支持、全方位的目标管控、建养一体化管理平台等智能化管理手段的应用等。铁路智能建造造价管理也应高度契合智能建造管理发展特点，在造价管理理念、计价体系、控制手段、管理内容等方面都应立足于项目全寿命期，提高造价编制水平，提升数据分析及经济效益预测能力，加强铁路智能建造造价水平的动态管控，实现项目整体价值最大化。

智能建造管理是实现项目管理多目标协同的过程，而造价管理中的造价控制作为五大核心目标之一，其管理效果更影响着项目的整体利益。智能化的造价管理通过合理规划资金调配和保障项目投资效益，保持建造管理各要素的动态平衡，实现质量、安全、进度、环保等多目标管理最优化和整体价值最大化，进而保障建造管理的高效实施。

2 铁路智能建造对造价管理创新的关系实证

为验证铁路智能建造对造价管理的作用，本文采用结构方程模型(Structural Equation Model,SEM)，验证铁路智能建造技术、建造管理对造价管理的辩证关系。

2.1 研究假设及理论模型

基于三者辩证关系的理性探讨，本文提出以下关系理论假设：H1，智能建造技术水平显著正向影响智能建造管理创新；H2，智能建造技术水平显著正向影响智能建造造价管理创新；H3，智能建造管理显著正向影响智能建造造价管理创新，进一步构建变量关系理论模型，如图2所示。

图2 变量关系理论模型Fig.2 Theoretical model of variable relation

2.2 研究工具与数据采集

1) 研究工具

本文采用问卷调查来获取指标数据以实证分析。由于目前暂无成熟量表以供数据采集，故采用以下方法确保问卷的内容效度：①整理相关文献[12-14]，选择与潜变量对应的观察变量。针对智能建造技术水平，选择智能施工技术、GIS 技术、BIM 技术、CIM 技术以及智能化平台5个观察变量；针对智能建造管理创新，选择建养一体化、标准规范、顶层制度、协同运作和基于BIM 的业务应用5 个观察变量；针对智能建造造价管理创新，选择管理理念、计价体系、控制手段和绩效评价4个观察变量，通过设计对应题项，初步形成测量量表。②召开专家研讨会，进一步精简题项，提高问卷的适切性和科学性。本问卷采用LIKERT五点量表，专家根据具体问题与所在项目实际情况的符合程度进行选择，其中1 为非常不符合，2为比较不符合，3为不确定，4为比较符合，5为非常符合。

2) 数据采集

问卷调查以现场调查和电子问卷的方式采集数据。问卷发放对象为智能高铁项目建设、设计、施工等相关单位的管理人员。调查共收回问卷175份，其中有效问卷为161份，有效问卷率为92%。

2.3 数据分析

1) 问卷信度检验

利用SPSS 软件进行问卷的信度和效度检验，结果如表1 所示，3 个维度的信度α值均大于0.8，表明各维度的数据可靠性高，符合数据收集要求。

表1 问卷信度检验结果Table 1 Reliability test results of questionnaire

2) 探索性因子分析

由于测量量表为自行设计，故利用SPSS 软件对量表进行探索性因子分析以验证其合理性。结果显示，量表的KMO 值为0.898 大于0.8，Bartlett球形检验的显著性水平小于0.05(显著性为0.000)，表明问卷数据适合进行因子分析。

从旋转成分矩阵可知，智能建造技术水平、智能建造管理创新和智能建造造价管理创新均只提取了1 个因子，与本文所构建的量表结构相符，说明本文设计的测量量表的建构效度较高。

3) 验证性因子分析

运用AMOS 软件对量表进行验证性因子分析，进一步探究测量量表的效度情况。

①模型拟合分析

模型运行后的拟合指标及数据如表2所示。

表2 整体拟合系数Table 2 Overall fitting coefficients

从结构效度看，X2/df为1.256，小于3；p为0.068，大于0.05，因而接受虚无假设，即理论模型与实际样本的匹配度较高。RMSEA 值为0.04，小于0.08；SRMR 值为0.038，小于0.05；CFI 为0.986， TLI 为0.983，均大于0.9。综上，各项指标均满足适配标准，说明模型拟合较好。

②共同方法偏差检验

针对可能存在的共同方法偏差问题，采用单因子的验证性因子分析进行共同方法偏差检验[15]，检验结果如表3所示。结果显示指标均不符合适配标准，模型拟合很差，故不存在共同方法偏差问题。

表3 单因子检验拟合系数Table 3 Single factor test fitting coefficients

③收敛效度检验

收敛效度一般以平均方差抽取量(AVE)及组合信度(CR)作为模型中潜在变量收敛效度的检验指标，其计算公式如(1)～(2)所示。

其中：λ为标准化估计系数；n为变量数；δ为残差变量。

模型运行后因子荷载、计算所得的AVE 及CR值如表4 所示。各变量的因子荷载基本大于0.7，少数也满足大于0.5 的基本标准，表示题项具有较高的代表性。另外各变量的AVE 均大于0.5，CR均大于0.8，表示收敛效度理想。

表4 因子荷载、AVE及CR值Table 4 Factor load,AVE and CR

④区分效度检验

从区分效度看，各变量的相关系数如表5 所示，结果显示3个变量之间具有显著的相关性，其相关性系数绝对值均小于所对应的AVE 平方根，说明各变量不仅存在一定的相关性又存在一定的区分性，即量表数据的区分效度理想。

表5 区分效度Table 5 Discriminant validity

4) 结构方程建模

在AMOS 软件中根据理论模型建模，本结构方程包含33 个变量，其中观测变量14 个，非观测变量19 个，得到运行结果如图3 所示。结果表明，各回归系数均达到0.001 的显著性水平，CMI 和PMI 的被解释百分比(R2值)分别为26%和43%。由于受到自变量个数少的影响，R2在0.2～0.5 之间均可接受，因此该结果可表明假设H1，H2 和H3 均得到样本数据的证实。

图3 SEM建模运行结果Fig.3 SEM modeling results

5) 中介效应的Bootstrap检验

本文采取Bootstrap[15]对智能建造造价管理创新所产生的中介效应进行检验，模型运行结果如表6所示。中介效应显著性水平小于0.001，同时偏差校正和百分位数的置信区间均不包含0，可认为智能建造技术水平通过智能建造管理创新对智能建造造价管理创新产生的间接影响显著。

表6 中介效应检验结果Table 6 Mediating effect test results

6) 检验结果

由检验结果可知，智能建造技术水平显著正向影响智能建造管理创新(0.51***)，智能建造技术水平显著正向影响智能建造造价管理创新(0.36***)，智能建造管理创新显著正向影响智能建造造价管理创新(0.40***)。3 个研究假设的路径系数均为正值且达到p值均0.001的显著性水平，即3个研究假设均成立。

3 铁路智能建造对造价管理模式创新的需求分析

3.1 SEM结果分析

1) 观测变量对潜变量的解释程度

潜变量与观测变量之间的因子荷载越大，表明观测变量对潜变量的影响程度越大。按照因子荷载(影响程度)从大到小排序得到，对于智能建造技术水平：BIM 技术、智能施工技术、智能化平台、GIS 技术、CIM 技术；对于智能建造管理创新：协同运作、建养一体化、顶层制度、基于BIM 的业务应用、标准规范；对于智能建造造价管理创新：计价体系，控制手段，管理理念，绩效评价。

2) 效应分析

智能建造技术水平和智能建造管理创新对智能建造造价管理创新的效应值如表7所示。

表7 标准化总效应结果Table 7 Standardized total effects

由表7可知，智能建造技术水平对智能建造造价管理创新的总效应值比智能建造管理创新对其的效应值大，这是因为考虑智能建造技术通过促进智能建造管理创新而推动造价管理创新的中介作用，两者对造价管理创新均有显著正向影响。

智能建造技术水平对于计价体系和控制手段的影响效应值较高，智能建造管理创新对于管理理念、计价体系和控制手段的影响效应值相差不大，两者对于绩效评价的影响效应值最低。

3.2 影响及需求分析

根据上述模型结果讨论，分析铁路智能建造对造价管理的影响的新需求如下：

1)建养一体化等智能建造管理新理念的出现，促进全寿命期价值最大化的造价管理理念的发展。

建养一体化在智能建造管理创新中的影响程度较高。目前铁路智能建造正朝全寿命期、建养一体化等管理理念发展，要求铁路智能建造要统筹兼顾建设和运维阶段，因此铁路智能建造造价管理理念不能仅停留在全过程造价管理，应实现向全寿命期造价管理的转变，需要基于整体价值最大化的理念完成造价确定和控制，从项目前期决策阶段起，需兼顾项目建设投资、前期规划对施工实施影响以及运营产生的成本支出，协同质量、安全、进度、环保等其他建设管理目标，将项目全寿命期需要的费用作为整体综合考虑。通过平衡建设投资和运维费用，衡量全寿命期成本与工程项目建设效益的比值，以此控制项目的整体造价水平，提高经济性。

2) 智能建造技术的快速发展和BIM 模型的深度应用，促进铁路智能建造造价计价体系优化。

BIM 技术、智能施工技术在智能建造技术水平中的影响程度较大，表明铁路智能建造技术对于完善符合智能建造特点的造价计价依据、提高造价信息服务水平以及形成科学合理的造价形成机制等具有重要意义。

对于造价计价依据，我国高铁行业孕育着重大技术创新机遇，通过与人工智能技术持续融合，大幅度提升了铁路智能建造施工工效和资源配置优化。这要求铁路工程造价标准体系应结合铁路智能建造全寿命期的造价管理理念、智能建造技术的应用现状和生产力水平等，对专业定额子目类别、定额子目造价构成、消耗量定额以及各项费率等内容进行及时修正、补充和完善。同时工程量清单的分解结构、编码体系、计算规则等也应与BIM 标准对接，形成基于新模式的铁路工程工程量清单，保证计算所得的概预算能够反映项目实际造价水平。

对于造价标准表现形式，随着BIM 技术在智能铁路项目设计阶段的深度应用，基于BIM 模型的参数化设计已改变了传统二维平面设计方式，以可视化、信息化和智能化的手段，从构件级的角度，优化智能铁路总体设计。近年来，铁路BIM 标准的陆续发布也为BIM 模型的深度应用提供了技术基础。铁路工程造价计价可利用BIM 模型具有信息承载性以及以构件为单元进行工程结构分解的特点，创新一种各阶段统一适用的、更为直观的、能够简化复杂计价过程的造价标准表现形式，以满足标准化、便捷化和智能化的计价需求。

对于造价计价方法，基于新的造价标准表现形式，可向以工程量和计价指标为基本要素的计价方式转变，以方便快捷、智能精确的计价过程为优化目标，统筹协同多次估值的造价形成过程。通过完善与BIM 配套的工程量清单计价规范，实现基于BIM 模型的快速组合计价以及部分构筑物的商品定价。此外，可利用BIM 模型施工模拟功能，结合造价数据信息，快速确定不同施工组织方案下的造价水平，实现基于施工组织个性化的概预算编制。

3)铁路智能建造技术和建造管理的协同发展，促进基于BIM+的铁路智能建造全寿命期造价管理平台的开发。

BIM 技术、智能化平台、协同运作对于智能建造的影响程度较大，这对于造价管理控制手段创新起到了促进作用。由于基于BIM+GIS 的铁路工程全寿命期综合管理平台是铁路智能建造技术向协同发展的技术体现，有助于项目在全寿命期各专业建造过程中质量、安全、进度、投资、环保等综合协同管控。同时，铁路智能建造管理正向协同管理模式发展，能够促进智能建造过程协同、资源配置优化，强化工程质量约束，提升安全管理水平。因此，顺应铁路智能建造协同发展趋势，加强造价管理过程中各责任主体的动态监管、协同协作和资源共享，将成为造价管理手段的主要优化方向。可搭建基于BIM+的铁路智能建造造价智能化管理平台，创新以BIM+为核心的造价管理智能控制手段和造价协同管控机制。通过优化从项目立项决策、勘察设计、工程施工到运维阶段的造价智能管控，实现全寿命期造价信息实时采集、工程设备材料价格智能预测、基于施工组织个性化的智能计价、工程超概算智能预警、资金流向实时监控、施工成本快速结算、造价水平影响因素挖掘分析等功能集成。

4) 基于铁路智能建造管理提质增效的要求，促进铁路智能建造造价管理绩效评价内容的增加。

虽然绩效评价创新在智能建造造价管理中的效应值较低，但从总体促进作用看，智能化平台、价值最大化理念、协同管理等智能建造发展均强调了项目整体的精细化管理。随着智能铁路项目的大力推行，铁路建设逐渐从追求规模和速度转变为追求质量和效益，旨在实现以效益为导向的提质增效、节支降耗的建设目标。因此，科学评价铁路智能建造造价管理绩效，是改进完善造价管理模式、提升铁路项目效益的重要手段。为了契合铁路智能建造全寿命期的造价管理需求，应建立能够准确衡量造价管理绩效的评价体系，完善铁路智能建造技术和运维阶段的评价内容。通过对铁路智能建造全寿命期的及时评价，掌握建设单位和运营单位的造价管理水平，针对评价结果中需改进的方面，总结经验教训并提出措施，实现铁路智能建造造价管理在项目层面的科学评价、智能决策和反馈优化，不断提升铁路行业造价管理水平。

综上，铁路智能建造对造价管理各方面均产生了一定影响，因此，应创新铁路智能建造造价管理模式，以适应铁路智能建造的发展趋势。基于铁路智能建造对造价管理的影响，归纳出铁路智能建造造价管理的新需求如图4所示。

图4 铁路智能建造造价管理新需求Fig.4 New demands of railway intelligent construction cost management

4 结论

1) 理性分析了智能建造技术、建造管理与造价管理之间的辩证关系，强调了铁路智能建造技术和建造管理对造价管理的优化创新作用。

2) 利用结构方程模型验证了智能建造技术水平和智能建造管理创新对智能建造造价管理创新的显著正向影响。

3)基于SEM 模型的因子荷载和总效应值，分析智能建造技术和智能建造管理对造价管理理念、造价计价体系、造价管理手段以及造价管理内容带来的影响，归纳铁路智能建造造价管理创新的需求，包括发展全寿命期价值最大化的造价管理理念，优化铁路智能建造造价计价体系，开发基于BIM+的铁路智能建造全寿命期造价管理平台以及增加铁路智能建造造价管理绩效评价内容。