基于SD 模型的绿色建筑建造成本控制研究

肖朔晨，朱亚飞，李 磊，李家豪，王 宇，莫盛杰

（河北建筑工程学院 经济管理学院，河北 张家口075000，E-mail：1960592078@qq.com）

绿色建筑集“四节一环保”于一身，最大限度地节能减排、节约资源和保护环境，为人类提供健康舒适、高效的生活空间，尽可能地实现人与自然环境和谐共生的高质量建筑[1]。虽然绿色建筑完全符合时代发展的要求，但建造成本的高昂一直是限制绿色建筑发展的壁垒，同时也是投资方望而却步的主要原因之一。

许多学者围绕绿色建筑成本这一主题做了大量研究，如王连月等[2]梳理相关文献来提取影响绿色建筑成本的影响因素，结合DEMATEL-ISM 构建指标模型，并结合关键指标的研究结果提出绿色建筑成本控制的针对性建议。薛凡等[3]通过半结构问卷收集绿色建筑的增量成本影响因素的数据来构建其指标体系，得出项目理念、相关政策、节能等是影响绿色建筑增量成本的重要因素。王艺蕾等[4]提出了基于数字孪生的绿色建筑运营成本管理框架，从技术的角度来优化运营成本的管理，降低绿色建筑运营成本。何向彤[5]基于全寿命周期成本理论，采用主成分分析法对影响绿色建筑的24 个因子进行分析，结合模糊识别法及蒙特罗卡法构建绿色建筑全寿命周期成本估算模型。魏文娇[6]运用多目标粒子群优化计算方法对绿色建筑的墙体、窗等围护结构对不同热环境和光照情况模拟计算出不同的建设成本，以此筛选最优的设计方案进而降低其建设成本。赵维树等[7]基于问卷数据，结合结构方程模型研究特性、管理、技术、经济4 个维度之间的关联度，进而确定影响绿色建筑成本的关键影响因素。李丽红等[8]通过关键词检索梳理绿色建筑相关文献提取其15 个影响因素，运用ISM-MICMAC分析指标间的层级关系、驱动力度及依赖性程度并针对研究结果提出具体的优化措施。丁洪涛等[9]基于建立的绿色建筑大数据管理平台，采用大数据技术对绿色建筑能源和资源实时监控，科学合理地分配资源，最终从技术角度有效降低了绿色建筑成本。

综上所述，关于绿色建筑成本方面的研究大多采用定性的研究方法，或建立静态的数学模型进行定量分析，或运用数字化技术、可视化管理平台等从技术角度来管控成本，很少有学者从动态视角对该问题进行量化分析。基于此，本文针对绿色建筑成本的重点阶段即建造阶段进行研究。通过梳理系统动力学运作原理，构建系统动力学方程模拟绿色建筑建造成本这一复杂系统的因果信息反馈，结合Vensim-PLE 软件进行不同情景的动态仿真，并针对关键因素提出合理化建议，以期降低建造成本，为投资方提供成本管控的参考依据，进而促进绿色建筑的发展。

1 绿色建筑建造成本的构成

绿色建筑项目的寿命周期包含规划设计阶段、实施阶段、使用阶段及后期的报废处置阶段[10]。根据以往项目经验及相关文献梳理，大量的成本发生在建筑的施工期，虽然规划设计阶段发生的费用较少，但是它对于后期施工阶段的影响较大。所以本文将这两个阶段结合在一起作为同一个系统进行分析，而绿色建筑相较于传统建筑在费用成本构成上并无多大区别，通关查阅绿色建筑成本相关文献，搜集、归纳各阶段成本费用单元，对绿色建筑建造成本构进行划分。具体构成如图1 所示（按照EBS 分解原则、方法对其进行编写代码[11]，其中系统目标和阶段代码命名取首字母缩写）。

图1 绿色建筑建造成本构成

2 系统动力学模型建立

系统动力学（System Dynamics，SD）适用于研究复杂系统的结构、功能与行为之间的动态联系，借助计算机模拟可以定性和定量地研究系统问题[12]。系统动力学从系统结构本身出发来建立规范的仿真模型，该模型可以从动态角度来剖析问题、解决问题，为绿色建筑建造成本管控开拓一个新的研究方法和思路。该研究方法通过对研究对象的综合分析来构建其现实系统的结构模型，用因果反馈回路和系统流图来具体描述研究对象各因素之间的逻辑关系，在专门的仿真软件中设定函数方程来具体描述因素间的数量关系并进行仿真。

2.1 确定系统目标及界限

2.1.1 系统目标

本文研究目标对象是绿色建筑建造成本影响因素，主要分析在影响因素不同情景（即改变设定变量的参数大小）的作用下，各指标对绿色建筑建造成本的影响情况及规律，进而确定关键因素，通过系统动力学方法对所建模型进行改善，在仿真结果的基础上提出合理化建议，降低建造成本，从经济的角度去促进绿色建筑的发展。

2.1.2 系统边界

系统边界的确定需坚持必要和简约的原则[13]，将对绿色建筑建造成本影响较大、必需的指标纳入界限，能集中简化的就简化后再纳入。但有些因素对非绿色建筑同样有影响，所以本文就不再作为研究重点。同时指标选取还应遵循可操作性原则：在诸多学者研究的基础上，有很大一部分指标无法精确量化。所以，在指标选取过程中考虑到后期建模、分析，优先选择具有现实可操作性，能够用数字量化的指标。

绿色建筑较于传统建筑主要的不同在于，做了“四节一环保”的目标设计。建造中注重建筑、环境和社会和谐，以低碳节能为目标，保护环境、减少污染。基于此，本文将绿色建筑建造成本系统的影响因素划分为直接影响因素和间接影响因素，前者主要是成本费用的构成，后者则是围绕绿色建筑而增加设计要求来确定指标。

（1）直接影响因素。①土地费用（X1）：指开发商用来购买地皮所支付的费用综合，是土地使用者取得土地使用权和土地对应年限收益的购买价格[14]。②可行性研究费用（X2）：就绿色建筑而言，更加强调对社会和环境的影响，项目需严格遵守绿色建筑的相关要求，对于节能、节材及室内外环境等设计方案更加看重。所以为实现绿色建筑要求，投入的设计方案就越多，相应的可行性研究的程度就越深，费用就相对越高。③勘察设计费用（X3）：主要是指对建筑环境勘察和建筑图纸设计所发生的费用，虽然所占建造成本比重不多，但其对成本影响却很大，勘察设计的质量直接关系后期的造价费用。④招标代理费用（X4）：招标过程中发生的相应服务费，一般按后期施工过程中的造价乘以相关系数来收取。⑤建安费用（X5）：发生在施工和设备安装过程中的费用，包括直接费、间接费、税费和利润。X3～X5计价一般按照直接费乘以相关系数。⑥工程监理费（X6）和预备费（X7）：X6与X7与建安费用相关，根据工程造价费用乘以相关系数来计价。

（2）间接影响因素。①节能设计（X8）、室内外环境设计（X10）：是为了实现绿色建筑节能减排，保证人能健康舒适生活的前提下，最大限度实现建筑与自然环境的和谐相处而增加的功能要求。主要是围护结构、设备系统、可再生能源利用、配套设施等设计。②节材设计（X9）：提高绿色建材、可再生能源、新型材料等利用率，一般分为建筑材料节约和建筑结构节材。

2.2 系统指标的因果关系

根据前文对各因素及相关文献对于费用成本的说明，设立辅助变量建造总成本、建造成本水平值（JCC）、期望值[11]。建设总成本辐射到各费用单元，各费用单元经时间进行累积汇总到建造成本水平值，当水平值达到期望值时，再反馈到总成本，总成本再反馈到各费用单元，这样就形成了一个完整的因果反馈回路。如图2 所示（“+”表示正相关即在反馈环中该因素的变动会导致相关变量向同一方向变动而且趋势越来越强，属于自我强化的功能。“-”表示负相关即在反馈环中该因素变动时会经过相关变量依次作用进而降低该因素的变化趋势促使变化趋于稳定，属于自我调节的功能）。

图2 因果反馈图

2.3 系统流图

系统流图中最基本的构成要素是状态变量和速率变量。状态变量是描述系统的核心，该变量在系统内部随着时间的变化而逐渐累积，它在某时间段的大小取决于该段时间与输入速率和输出速率之差的积，合理设定状态变量是实现系统正确仿真的前提；速率变量是系统活动本身的描述即单位时间内系统的流量，其变化直接影响着状态变量的值。

绿色建筑建造成本就是各单元费用在时间维度上的积累，最后再反馈到建造成本上。在整个绿色建筑建造成本的反馈系统中包含状态变量（各费用单元的积累量）、速率变量（各费用单元单位时间内的增加量）、辅助变量（各费用单元积累变量的汇总值）、常量（各变量之间的影响系数及各费用单元占总目标的比重）。将反馈系统中各变量在仿真软件中用特定图形连接在一起构成系统流图，用它可以清晰地描述影响绿色建筑建造成本反馈系统动态性能的积累效应。

基于因果反馈回路的分析，设定绿色建筑建造成本仿真模型中所涉及的参数，如表1 所示。其中绿色建筑建造成本水平值（JCC 水平）表示各状态变量乘以与之相对应的贡献率再进行相加汇总。

表1 模型参数设定

根据上述对绿色建筑建造成本影响因素的解释说明，进一步分析各影响因素之间的相互影响程度，具体分析结果如表2 所示。

表2 因素之间相互影响情况

在实际项目中，考虑到绿色建筑建造成本各费用单元所占建造总成本比重不同，所以在对构建的绿色建筑建造成本系统动力学模型进行仿真时需要将各因素状态变量乘以相应系数再对辅助变量（JCC 水平）进行累加。系统动力学模型中的Fi就是各因素的贡献率，其中间接因素贡献率取平均值0.1，直接因素通过问卷调查的方式计算其贡献率（0.7*比重）。本文对建筑工程专业的人员（造价职员、老师、学生）发放150 份问卷，回收有效问卷120 份。统计结果如表3 所示。

表3 各费用单元贡献率

基于上述参数在专门的仿真软件中构建绿色建筑建造成本系统流图（见图3），并对系统模型中所涉及的变量进行参数化赋值，设定状态变量、速率变量、辅助变量的函数方程。

图3 系统流图

2.4 模型检验

在绿色建筑建造成本反馈系统模型构建完成后，需要对该模型的合理性进行检验和判断。

（1）检查模型中的变量是否完全输入正确，确保在系统模型中设置了与研究问题相关的变量。

（2）对仿真模型中的每个变量的函数方程进行检验，确保模型中设置了所输入的变量的单位、数学符号等。

（3）检查模型中的反馈回路是否完整合理，如若发现不合理的反馈环，及时做出调整，以免影响仿真数据的合理性。

通过上述流程对建立的模型进行检查，模型中所涉及的变量、函数方程、数学符号等均通过仿真软件的检验，模型构建合理（软件自动检测，通过检测过程后方可进行系统目标仿真）。

3 系统动力学模型仿真

通过Vensim-PLE 软件对构建的绿色建筑建造成本系统动力学模型进行11 次情景仿真，进而得到10 个因素指标对绿色建筑建造成本的仿真数据，通过对不同情景下仿真结果分析来判断各影响因素对绿色建筑建造总成本的影响规律及重要程度。情景1（P0）：因素投入量Si参数值均设为0.4 进行仿真，得到JCC 水平的变化趋势图；情景2（P1）：将S1参数值调整为0.8，保证其他9 个因素投入量继续为0.4，得到JCC 水平的变化趋势图；情景3-11（P2～P10）：依次调整S2～S10的参数值，同样的保证其他因素投入量继续为0.4（即控制变量原则），得到JCC 水平的变化趋势图，如图4 所示。

图4 情景1-11 的JCC 水平变化趋势图

由图4 可得出：以情景1（P0）作为参考基线，各情景对绿色建筑建造成本影响程度大小顺序是情景11（P10）、情景9（P8）、情景10（P9）、情景6（P5）、情景2（P1）、情景7（P6）、情景8（P7）、情景3（P2）、情景5（P4）、情景4（P3）。同时从趋势图中斜线的斜率可以看出情景11、情景9 影响相对突出，而其他8 个情景的影响相差不大。

参考上述结果，取前4 个因素来做进一步详细的相互影响趋势，即室内外环境设计、节能设计、节材设计、建安费用（L5）。通过改变间接影响因素的投入量，分析直接影响因素的变化趋势（即建安费用）。具体操作：设Si（i=8、9、10）取值范围为[0，3]，每次取值间隔为0.5，用Vensim-PLE软件对建安费用进行7 次仿真，分析其变化趋势，如图5 所示。

图5 节能设计、节材设计和室内外环境设计投入对绿色建筑建安费用的影响趋势图

结果显示：通过不断加大节能、室内外环境设计因素投入量，绿色建筑建安费用不断增加，反映到总成本上也是不断增大。但是增加节材设计因素投入量，绿色建筑建安费用呈下降趋势，反映到总成本上效果也是如此。所以协调间接影响因素之间的投入，对控制绿色建筑建造成本至关重要。

4 结语

本文在分析并明确绿色建筑建造成本构成的基础上，按照EBS 分解原则和方法构建了绿色建筑影响因素指标体系，分析其间的因果关系，构建系统动力学方程并设定参数，在Vensim-PLE 仿真软件中进行动态分析。研究表明室内外环境设计、节能设计、节材设计为绿色建筑建造成本关键影响因素，关键因素通过影响直接费用（主要是建安费）的累积量，进而作用到绿色建筑建造总成本上。因此，应加强方案设计的优化，由于绿色建筑的功能要求是在规划设计阶段实现的，所以要求设计单位围绕室内外环境设计、节能设计及节材设计依次研究建筑、结构和机电等设计图，充分利用当地自然条件（气候、水、植被等），多选用绿色建材，提高可再生能源、新型材料的利用率，根据相关标准，确定出低成本、低能耗的设计方案；在设计方案优化的基础上，重点考虑实施阶段的施工方案和技术措施，施工中应在建筑满足节能设计的前提下对相应材料和资源进行调整优化。同时最大限度利用当地材料和资源，减少运输成本，降低建材的不必要损耗。