基于演化博弈的装配式建造技术扩散决策机理

窦玉丹,王玉娜,薛小龙

(1.大连理工大学 建设管理系,辽宁 大连 116024；2.广州大学 管理学院,广东 广州 510006)

装配式建筑能够节约资源[1]和工期[2]、降低能耗和浪费[3]、减少垃圾和施工污染[4]、提高质量[5]和生命周期效益[6],是低碳、高效、精益的新型建造方式的重要载体[7]。近年来,国务院主导各级建设管理部门与地方政府大力发展装配式建筑,在顶层框架支持下,装配式建筑推广和应用取得一定成效。然而我国装配式建筑整体发展水平仍然较低,且呈现区域不平衡[8]态势。装配式建造技术驱动装配式建筑发展,装配式建造技术扩散实现先进技术从研发到应用、从创新成果到经济效益的转变,促进通用体系的建立,降低装配式建造成本,达成规模经济,是大力发展新型建造方式的关键,但尚未引起足够重视,制约了装配式建筑发展。

技术扩散在微观层面反映了主体对创新技术的扩散决策过程[10]。装配式建造技术扩散取决于主体是否供给和采纳(即“扩散”)技术,即在多重因素影响下,扩散主体与其利益相关者发生交互作用而做出各自的技术扩散决策。现有装配式建造技术扩散研究主要分析企业对特定技术的采纳行为[11]、采纳意愿[12]及影响技术采纳的因素识别[13],以BIM等信息化管理技术扩散研究成果最多[14,15]。装配式建造过程追求设计-生产-施工一体化[16],其技术扩散的本质是主体之间的技术协同[17]。全面揭示技术扩散的微观机理,需要同时考虑扩散主体的采纳决策与供给决策[18]。此外,由于损益数据获取困难,已有研究缺乏对主体扩散决策的实证分析,主体动态决策过程揭示及关键指标定量优化不足,实践指导意义有限。

现阶段,我国装配式建造技术扩散尚未实现完全的市场化,存在并需要很多政策干预[17]。已有研究通过政府与企业间演化博弈关系,分析激励政策对企业选择装配式建造技术的影响,也有从开发商视角,探索经济激励与非经济激励对企业扩散决策的影响[19]。并在政府与开发商博弈基础上引入消费者,研究政府如何通过经济手段促使三方合作共赢[20,21]。企业满足有限理性假设,在扩散决策过程中能够不断试错和调整,最终达到博弈各方都满意的演化稳定策略[22],诸多学者采用博弈论方法开展装配式建筑相关研究,得到有意义的结论[23]。

然而,一方面,已有研究忽略了市场中合作者决策对企业扩散装配式建造技术的动态影响,仅关注政府与企业交互作用的决策分析存在偏差,且现阶段消费者对装配式建筑推广的影响并不显著[24]。另一方面,现有研究大多聚焦装配式建筑激励政策,忽视强制政策对企业扩散决策的影响,且对于政策干预的分析较为宏观,缺乏对装配式建筑监管政策的合理分类及定量分析,尚未深入分析政府和企业达到“双赢”状态的政策拐点的存在及重要性。

企业作为装配式建造技术扩散的核心主体,其选择扩散决策是装配式建造技术得以全面市场化扩散的前提,对加速推广装配式建筑作用显著,但已有研究对此关注度不足,尤其缺乏定量分析,管理实践缺乏科学指导,造成政府自上而下推行而企业被动接受[9],技术扩散效率低且效果不佳。因此,装配式建造技术扩散决策研究具有重要的理论和现实意义。本文将采用演化博弈理论与方法,探明企业扩散决策的形成与过程,揭示多指标作用下装配式建造技术扩散的微观机理,并提出不同监管政策的定量优化建议,为企业做出适宜扩散决策及政府制定合理政策提供理论依据。

1 演化博弈模型

1.1 指标选择

装配式建造技术是设计、生产、施工等多种技术的有机整体,具有高度集成性与协同性[25]。因此,装配式建造技术扩散过程涉及诸多主体,包括政府、设计商、开发商、承包商、生产商等[9,26]。开发商和承包商在装配式建造技术扩散过程中面临相似的技术、组织和环境因素,而设计商和生产商受组织因素影响小[9]。此外,现有装配式建筑政策主要面向开发商和承包商,而针对设计商和生产商的政策较少。且生产商的预制产品主要以m3或套数计量,其定价和税收模式与开发商和承包商不同。因此,开发者和承包商之间的政策监管及损益数据具有可比性,本文选取开发者和承包商分别作为技术采纳者和技术供给者。

已有研究表明,企业间交互、企业网络权力、政策干预和技术成本对装配式建造技术扩散的影响最显著[9,26]。具体地,“企业间交互”通过主体间的演化博弈关系体现。“网络权力”通过“扩散偏好”引入演化博弈模型,这是因为,企业网络权力越大,越会积极优化与政府和公众的关系[27],关注长远且可持续的回报而乐于扩散装配式建造技术[28]。合理的技术成本与政策干预能极大促进技术扩散,否则将产生抑制作用[9],需重点讨论。因此,本文将“技术成本”和“政策干预”作为关键变量引入博弈模型,并重点探究政策指标对企业扩散决策的影响机理和定量优化。

为大力发展装配式建筑,我国中央和地方政府在 2017 年集中发布很多监管政策,包括鼓励性政策和强制性政策。根据政府网站公开信息及政策法规资料整理,汇总 2017 年中国 31 个省区市的装配式建筑监管政策,如图1所示。

图1 2017年我国31省市装配式建筑相关政策数量

本文将这些监管政策划分为3类,即直接补贴、间接补贴和装配率指标要求。监管政策直接造成政府财政支出和企业收益的增加,则称为直接补贴,比如财政补贴、专项基金、科研经费等措施。如果监管政策没有造成政府直接财政支出,而是通过间接监管增加企业获取项目机会或减少资金占用,从而鼓励其扩散装配式建造技术,称为间接补贴,比如土地支持、投标倾斜、提前预售、优先审批、容积率奖励等措施。不同于直接补贴,间接补贴无法获取直观损益数据或直接计算得到,而是需要通过经验预估换算。直接补贴和间接补贴都属于鼓励性政策,对提升企业经济效益和降低技术采纳风险发挥重要作用。

我国装配式建筑发展尚不成熟,多数企业被动采纳装配式建造技术,政府监管以鼓励性政策为主,但对于享受政府补贴的企业仍需要一定约束,以确保装配式建造技术扩散的有效性。政府部门对装配式建造的强制性指标要求体现在装配率、预制率及装配式建造面积比例等方面。工程实践中装配率指标的使用最为广泛,且各地区均发布了装配率计算标准,因此,本文采用装配率指标要求进行强制性政策的相关分析。

1.2 模型假设与变量定义

假设1：将同一地区扩散装配式建造技术的企业视为一个系统。随机选择两个有限理性个体,即技术采纳者(开发商)和技术供给者(承包商),其策略集分别为采纳{装配式建造技术,传统建造技术}和供给{装配式建造技术,传统建造技术}。

假设2：企业在扩散装配式建造/传统建造技术时,将在支付技术成本并获得相应收益的基础上建造装配式建筑/传统建筑产品。即,企业一旦采纳或供给技术,技术将被实施而充分扩散。

假设3：现阶段,消费者对装配式建筑的认知度较低[24],装配式建筑产品的市场需求主要来自所在地区政府的发展计划,如经济适用房和强制要求装配式建造的商品房。政府通常按年度规划开发装配式建筑,且不会实时调整。因此,本文假设装配式建筑市场需求稳定,企业扩散偏好不会在短时间出现大幅度波动。开发商的采纳偏好为x,承包商的供给偏好为y。

假设4：政府对企业提供的直接补贴能够减少企业扩散装配式建造技术的总成本,满足装配式建造技术成本越高,直接补贴金额越高,假设所在地区直接补贴系数为a。间接补贴通过提高企业建造效率,减少资金占用压力,间接降低企业扩散装配式建造技术风险,与技术成本没有直接关系。为简化计算并保证结果可靠性,本文假设在多重间接补贴政策作用下,企业获得的间接补贴转换收益为G。

假设5：政府对享受补贴政策的企业强制执行装配率要求。一定区域内,装配率底限要求统一,且底限装配率越高,企业投入的装配式建造成本越高[17]。本文将底限装配率与装配式建造增量成本间的换算系数称为装配率指标,记为b,表示底限装配率增加1%时,装配式建造成本增加b%。

假设6：开发商采纳装配式建造技术的总成本即装配式建造成本,也即承包商供给装配式建造技术收益,记为Pn；开发商采纳传统建造技术的总成本即传统建造成本,也即承包商供给传统建造技术收益,记为Pt。开发商采纳装配式建造技术收益即装配式建筑产品售价,记为Rn,采纳传统建造技术收益即传统建筑产品售价,记为Rt。承包商供给装配式建造技术成本即装配式建造技术研发与配套服务的总成本,记为Cn,供给传统建造技术成本即传统建造技术研发与配套服务的总成本,记为Ct。

1.3 模型构建

在市场与政策双重调控下,企业的技术扩散总收益由市场经营收益与政策补贴收益构成。当承包商供给装配式建造技术且开发商采纳装配式建造技术时,承包商市场经营收益为Pn-(1+b)×Cn,政策补贴收益为a×Cn+G,技术供给总收益为Pn-(1-a+b)×Cn+G,同理,开发商技术采纳总收益为Rn-(1-a+b)×Pn+G。当承包商供给传统建造技术且开发商采纳传统建造技术时,二者均无需支付装配率指标造成的额外成本,但也无法获取政府补贴收益,承包商技术供给总收益即市场经营收益Pt-Ct,开发商技术采纳总收益为Rt-Pt。当承包商供给传统建造技术而开发商采纳装配式建造技术时,二者交易无法达成,承包商技术供给收益即所支付的传统建造技术成本-Ct,开发商没有采纳相应技术,采纳收益为0。当承包商供给装配式建造技术而开发商采纳传统建造技术时,承包商支付装配式建造技术成本Cn,同时获取政府补贴收益(a-b)×Cn+G,其技术供给总收益为-(1-a+b)×Cn+G,开发商没有采纳相应技术,采纳收益为0。基于上述分析,构建演化博弈支付矩阵,如表1所示。

表1 演化博弈支付矩阵

进一步得到开发商与承包商技术扩散策略的复制动态方程,如下：

F(x)=dx/dt=x(1-x){y[Rn-Pn(1-a+b)+G+Rt-Pt]-(Rt-Pt)}

(1)

F(y)=dy/dt=y(1-y)[(Pn+Pt)x-Cn(1-a+b)+G-(Pt-Ct)]

(2)

令F(x)=0,F(y)=0,得到5个局部均衡点,分别为O(0,0),A(1,0),B(1,1),C(0,1)和D(x*,y*)。

(3)

H11=(1-2x){y[Rn-Pn(1-a+b)+

G+Rt-Pt]-(Rt-Pt)}

H12=x(1-x)[Rn-Pn(1-a+b)+G+

Rt-Pt]

H21=y(1-y)(Pn+Pt)

H22=(1-2y)[(Pn+Pt)x-Cn(1-a+b)+

G-(Pt-Ct)]

(4)

雅克比矩阵的行列式det和迹tr分别为：

detJ=H11H22-H12H21

(5)

trJ=H11+H22

(6)

2 演化稳定策略分析

根据演化博弈理论,解析开发商与承包商的技术扩散演化稳定策略,结果如表2所示。

由表2可知，16种收益组合对应16种演化策略。特别地，对情形1，当采纳和供给装配式建造技术及传统建造技术的总收益均为正，存在(0,0)和(1,1)两个局部均衡点，表明企业扩散装配式建造技术和传统建造技术均有利可图。对情形16，当采纳和供给装配式建造技术及传统建造技术的总收益均为负，存在(1,0)和(0,1)两个局部均衡点，表明开发商采纳决策与承包商供给决策刚好相反，供求双方无法实现交易。对情形7和10，开发商采纳收益与承包商供给收益方向相反，不存在局部均衡点，表明供求双方利益冲突严重，无法达成合作。

表2 开发商与承包商的演化稳定策略分析

续表2

3 政策变量敏感性分析

3.1 直接补贴

固定其他参数,模拟直接补贴对企业扩散决策的影响,如图2所示。直接补贴系数a越大,企业越倾向于扩散装配式建造技术,反之则扩散传统建造技术。特别地,直接补贴系数a=0.24(仅代表本次模拟结果)是两种不同演化稳定策略的近似分界点。

图2 直接补贴对企业扩散决策的影响

3.2 间接补贴

固定其他参数,模拟间接补贴对企业扩散决策的影响,如图3所示。间接补贴金额越大,企业越倾向于扩散装配式建造技术,反之则扩散传统建造技术。特别地,间接补贴金额G=3.63(仅代表本次模拟结果)是两种不同演化稳定策略的近似分界点。

图3 间接补贴对企业扩散决策的影响

3.3 装配率指标

固定其他参数,模拟装配率指标对企业扩散决策的影响,如图4所示。装配率指标要求越大,企业越倾向于扩散传统建造技术,反之则扩散装配式建造技术。特别地,装配率指标要求b=0.44(仅代表本次模拟结果)是两种不同演化稳定策略的近似分界点。

图4 装配率指标对企业扩散决策的影响

直接补贴与间接补贴的鼓励性政策以及装配率指标的强制性政策,均对企业扩散决策影响显著。直接补贴与间接补贴越高,越能促进企业扩散装配式建造技术,但补贴过高会加重政府财政负担,需要合理利用两种补贴对企业扩散决策影响的拐点,优化监管配置,刺激企业扩散装配式技术的同时避免财政资源浪费,这在已有研究中很少提及[29]。较低的装配率指标有利于企业扩散装配式建造技术,但装配率过低则无法满足发展装配式建筑的基本要求。借助装配率指标对企业扩散决策影响的拐点值,设置合理的装配率,促使企业主动扩散装配式建造技术,同时保证所在地区装配式建筑发展目标,现有研究缺乏对此深入分析[20,21]。本文进一步通过案例分析,探索直接补贴、间接补贴与装配率指标三项监管政策的合理配置,实现企业选择扩散决策，同时政府监管成本最小的“双赢”目标。

4 案例分析

吉林省位于我国东北,被列为严寒地区,其气候条件不利于传统建造方式工期和质量的保证,装配式建造方式受温度等外部环境影响小,适宜采用。住房和城乡建设部产业化促进中心在《中国装配式建筑发展报告(2017)》中,将吉林省确定为装配式建筑积极推进地区,反映了国家层面对吉林省推广装配式建造技术的重视。然而现阶段,吉林省装配式建筑整体发展较落后,低于全国平均水平[8]。一方面,该地区装配式建筑市场尚不成熟,供求关系不平衡且供求信息不对称,企业难以做出合理的技术扩散决策,装配式建造技术扩散效率低且效果不佳。另一方面,吉林省装配式建筑政策监管不完善,无法有效刺激企业主动采纳装配式建造技术,装配式建造技术扩散动力不足。因此,本文以吉林省作为案例省份,验证构建的演化博弈模型,分析企业演化稳定的扩散决策,并探索政府监管政策的定量优化,助力国家战略重视与实际发展落后之间的平衡。

4.1 数据获取

当数据资料缺乏，或数据采集时间过长，或付出代价过高时,专家知识和经验是有效并可靠的数据获取方法[30]。在企业扩散决策过程中,涉及较多敏感的损益信息,无法通过调研直接获取。并且,吉林省多数企业处于探索装配式建筑的起步阶段,覆盖建设全生命周期的损益数据并不完善。因此,专家调查法适用于本研究的数据获取。

首先,拟定调查提纲,明确企业扩散决策分析所需的损益信息。然后,选择调查对象,为保证所选专家的代表性,作者通过前期调研与网络公开信息,确定万科、金地、华润、中海与永祥等开发商以及中建科技、新星宇、新土木、欣琦、苏通建设与金田建设等承包商为专家来源企业,这些企业既包括装配式建造能力强且全国布局的大型集团企业,也有近几年投入到装配式建筑领域但发展潜力较高的本地企业,比如,新土木为国家装配式建筑产业基地,而新星宇等企业为长春市首批装配式建筑施工企业名录成员。为遵守保密约定,开发商表示为KF,承包商用SG表示,专家意见按企业类型从1开始随机编号。进而,通过邮件、微信、电话等方式反复评估,得到较为统一的专家意见。

全部调查结果中共有11名专家反馈信息有效,分别来自5家开发商和6家承包商,对应编号KF01-KF05及SG01-SG06。将所获取的案例数据进行描述性统计分析,如表3所示。

由表3可知,大部分变量数据离散程度较低,专家意见较为集中。专家调查得到的装配式建造增量成本约为350～550 元/m2,与已有研究一致[31],调查数据合理。装配式建筑产品与传统建筑产品的收益(即Rn和Rt)直接体现在产品售价上,通过国内房地产租售服务平台“安居客”(https://cc.anjuke.com/),查询吉林省新楼盘售价信息,其中定价10000～15000元/m2占比最多,约为37%,与专家评估均价基本吻合,调查数据可靠。

表3 装配式建造专家调查结果统计分析

4.2 结果与讨论

(1)企业扩散决策分析。根据表3获取的变量数据,求解演化博弈模型,具体如下：

Rn-Pn(1-a+b)+G=9734.91>0

Pn-Cn(1-a+b)+G+Ct=1256.05>0

Rt-Pt=10195.45>0

Pt-Ct+Cn(1-a+b)-G=2075.77>0

该结果满足表2的第一种收益组合情境,其对应的局部均衡点有两个,分别为(0,0)和(1,1),表明在现有条件下,开发商与承包商能够达成合作,实现装配式建造技术的有效扩散。但对于大多数企业而言,扩散装配式建造技术和传统建造技术获利无显著差别,装配式建造技术扩散优势不突出。如保持现状不变,随着时间推移,企业可能扩散装配式建造技术也可能扩散传统建造技术,存在两种演化稳定状态,这与专家调查结果以及吉林省装配式建筑推广现状吻合。

相比传统建造技术,装配式建造技术扩散需要企业更高的技术水平和建造能力,吉林省装配式建筑市场发展不成熟,装配式建造技术初始投入较高,收益存在不确定性,而多数企业对于传统建造方式却很熟悉。因此,当扩散装配式建造技术并没有在经济效益上显著优于扩散传统建造技术时,少数规模实力雄厚、社会责任感较强的企业愿意主动扩散装配式建造技术,更多企业仍会选择传统建造技术,或者被动选择装配式建造技术,这并不利于装配式建筑的推广。探究造成这种情况的原因,吉林省政府虽然发布若干装配式建筑扶持政策,但政策监管措施较笼统,缺乏针对全生命周期不同阶段的具体操作办法,比如预制构件生产与运输方面的政策还未单独成文。此外,现有政策监管力度不足,无法刺激企业主动扩散装配式建造技术,更多处于观望甚至悲观状态。基于上述分析,本文尝试探索不同监管政策的优化。

(2)政府监管政策优化。直接补贴力度越大,越能刺激企业扩散装配式建造技术。但直接补贴会给地方政府带来沉重的财政负担,不能无限制增加。基于案例数据的敏感性分析发现,不考虑其他因素影响时,直接补贴系数0.284(对应直接补贴金额为518.94元/m2)是两种不同扩散策略的近似拐点。由专家调查数据可知,目前吉林省装配式建筑直接补贴系数约为0.02(对应直接补贴额为36.55元/m2),这与巨额的装配式建造成本相比微不足道,无法对企业扩散装配式建造技术起到激励作用,且地方政府也很难为企业提供518.94元/m2的直接补贴。因此,有必要探索其他可行的政策措施,而不是仅仅关注直接补贴。

间接补贴不直接增加财政支出,且提高建造效率,有效减少企业资金占用压力,极大促进装配式建造技术扩散。间接补贴力度越大,企业越容易做出扩散决策。基于案例数据的敏感性分析发现,不考虑其他因素影响时,间接补贴金额484.56元/m2(约占装配式建造成本1827.27元/m2的27%)是两种不同扩散策略的近似拐点。由表3可知,现阶段吉林省装配式建筑间接补贴金额为63.18元/m2,约占装配式建造成本的3%,与优化结果相比可提升空间巨大。间接补贴最具建筑领域特色且形式丰富,宜作为吉林省推广装配式建筑的主要政策措施。

高装配率导致装配式建造成本上升,一般而言,较低的装配率指标更容易促使企业扩散装配式建造技术。然而,基于案例数据的敏感性分析发现：

(1)当装配率指标很小时,比如在0～0.13范围内,企业的扩散决策对装配率指标的变化并不敏感,且过低的装配率指标要求无法实现装配式建筑发展规划。因此,过高或过低的装配率都会制约装配式建造技术有效扩散，合理的装配率指标可以激发企业选择扩散决策，同时符合装配式建筑发展需求；

(2)当装配率指标达到0.2(对应装配率为30%)后,企业扩散决策对装配率指标变化的敏感性变小。目前,吉林省装配率指标要求为0.13,对应装配率约为20%,建议结合本地区企业整体装配式建造能力,适当提高底限装配率,至少达到30%。

5 结论与启示

本文采用演化博弈理论与方法,分析企业扩散决策的形成过程,揭示装配式建造技术扩散微观机理,并探索不同监管政策定量优化,得到如下结论：

(1)企业扩散决策受制于自身及合作者市场经营与政策补贴的总收益,是市场活动与监管政策共同调控的结果,弥补了已有研究对于市场机制作用的忽视。本研究能够协助企业选择合理的技术扩散策略,规避技术扩散风险,保证可持续的经济效益；

(2)本文将装配式建筑相关政策划分为直接补贴、间接补贴与装配率指标3类,从鼓励性政策和强制性政策两方面揭示监管政策对企业扩散决策的影响,并发现这三项监管政策均对企业扩散决策影响显著,弥补了现有研究对强制性政策(装配率指标)的忽视,细化了鼓励性政策(直接补贴与间接补贴)的类别与作用方式,有利于政府针对性优化各项监管政策；

(3)3种监管政策都存在使得企业做出技术扩散决策的取值拐点,即监管政策存在一个最优配置,使得企业选择装配式建造技术的同时政府监管成本最小。通过案例分析,验证了政策变量拐点的存在,并探索了不同监管政策的定量优化,为政府制定合理的政策措施提供理论依据。

现阶段,中国大部分地区装配式建筑市场尚不成熟,装配式建造技术的有效扩散仍然很大程度依赖政府的引导和支持。一方面,企业需要积极配合政府对行业转型升级的前瞻性规划,加强自身装配式建筑技术创新能力,注重与政府和市场的多元化协同,提高行业整体效益。另一方面,为避免过重财政负担,政府可加大对企业的间接补贴力度,土地支持、快速审批、提前预售以及容积率奖励等都是行之有效的措施。也可引导高技术企业成立技术联盟,带动更多相关联企业参与创新并应用装配式建造技术,加速装配式建造技术标准体系建立,降低项目建造成本,从而加速装配式建筑规模经济的实现。