基于系統動力學和多因素方差的施工返工致因分析

尹燕譜 陶衛

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200241)

0 引言

在我國建筑業施工中，返工是普遍存在的問題。返工是指因工程項目偏離業主需求、不符合規范、施工錯誤等而導致的糾正工作[1]。盡管返工現象很普遍，但返工原因比較復雜，且具有多樣性。返工不僅造成項目進度延遲和項目成本增加，而且增加了負面社會影響[2]。對于基礎設施項目，直接返工的平均成本達到5.07%[3]。因此，對返工進行有效管理十分必要，確認返工原因亦非常重要。

大多數針對返工原因的研究以調查報告、訪談等方式進行，未形成一個系統模型。本文建立了一套施工項目系統動力學(SD)模型，將模型運行282次，對運行后導致返工原因的三個主要因素進行多方差分析，并確定模型中影響返工因素的大小及效應量，從而幫助項目管理者更好地控制返工原因，減少返工工程量，進而有效地控制整個項目工期及成本。

1 施工項目返工原因研究現狀

不同學者確定了不同類型的返工原因。Burati等[4]指出了設計、施工、制造、運輸和可操作性5個主要原因。Hwang等[5]通過對數據庫中建筑項目的調查，確定了業主變更和設計錯誤的原因。Marujo[6]開發了一個系統動力學通用返工模型，評估產品開發返工的影響，但并未建立詳細的反饋和循環，研究結果仍需進一步完善。Ye等[7]通過對我國建筑從業人員訪談、問卷和因子分析，確定了項目管理流程不明確、施工技術質量差、施工材料使用不良是最重要的原因。單翠等[8]通過貝葉斯網絡分析了返工致因傳遞路徑。然而，以上研究并未建立一個全面的動態系統。

基于此，本文建立了施工項目的系統動力學模型，涉及施工速度、總施工工程量、施工質量、返工工程量等，研究了在施工過程中項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例三因素對返工工程量的影響，并運用系統動力學模型和多因素方差法對這三個主要因素進行效應估計量分析。

2 研究方法

2.1 系統動力學方法

系統動力學最初是研究企業生產管理和庫存管理之間問題的系統仿真方法[9]。系統動力學是通過分析社會或經濟系統內部各變量之間的反饋結構關系來研究系統整體行為[10]。隨著應用范圍擴大，越來越多SD模型運用于航空航天、軍工等大型項目。大型項目的動態系統比較復雜，很多動態變量隨著時間變化而變化，同時很多動態過程是一些非線性關系，因此SD模型為項目管理提供了動態研究方法。

本文運用Vensim軟件建立了一個施工項目的動力學基本模型，涉及熟練勞動力、項目總量、項目工期、施工質量、施工總人數、施工速度、返工速度、問題發現等多個變量。將項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例三個主要影響因素加入SD模型，運用函數方程模擬模型中變量間的關系，并建立定量模型，進行動態模擬，記錄返工工程量的變化。

2.2 多因素方差分析法

多因素方差分析法是一種數理統計方法[11]，指當因變量受到兩個或兩個以上變量影響時，通過假設檢驗判斷多個因素是否對因變量產生顯著性影響，單個因素對因變量產生的影響為主效應，多個因素之間的交互作用對因變量產生的影響為交互效應[12]。

本文運用SPSS軟件對產生返工的三個主要因素進行分析，返工工程量為因變量，三個主要因素為變量，將系統模型運行282次，對所產生的282組數據進行多因素方差分析，進而進行主體間效應檢驗分析，比較每個因素的顯著性水平，根據顯著性水平值對三個影響因素進行分析。通過檢查95%置信區間以確定特定組之間的顯著差異性[13]。

3 施工返工的系統動力學模型

3.1 項目管理流程明確對施工速度影響模型

項目管理流程明確對施工速度的影響，直接決定了后續待甲方驗收的工程量，進而影響返工工程量。熟練勞動力及項目管理流程明確對施工速度的影響模型如圖1所示。Kim等[14]研究了熟練勞動力短缺的原因和影響，指出熟練勞動力短缺對項目進度影響最大。此部分模型中引入了熟練勞動力的流入流出模型及對施工速度的影響。正常人均施工速率是由熟練工人總施工速率和新工人總施工速率決定的，勞累對施工速率也會產生影響。同時，此部分模型中還引入了施工階段人數的限制，剩余工程量影響了施工人數，剩余工程量是總工程量減去已完成工作量，同時考慮到最大施工速度取決于剩余工程量，而最大施工速度又限制了模型中的施工速度，因此構建了工程量及工期對施工速度影響模型，如圖2所示。

圖1 熟練勞動力及項目管理流程明確對施工速度的影響模型

圖2 工程量及工期對施工速度的影響模型

3.2 積極主動返工和合格材料使用比例對返工的影響模型

在施工過程中，甲方有驗收通過的質量要求，因此施工質量會對甲方驗收通過速度產生影響，從而影響甲方驗收通過的工程量。然而，甲方驗收通過的工程量中也會存在一些隱患問題，因此待返工工程量由兩部分組成：第一部分是在待甲方驗收工程量中發現問題所產生的返工工程量；第二部分是甲方通過驗收的工程量中出現的一些隱含問題所產生的返工工程量。待返工工程量會引起返工速度變化，積極返工因素也會對返工速度產生影響，所以返工總工程量是對返工速度進行積分的結果，具體的積極主動返工及施工質量對返工工程量的影響模型如圖3所示。同時，施工質量受新工人正常施工質量、熟練工人正常施工質量和合格材料使用比例的影響。合格材料使用比例越高，施工質量會越好，相應的待返工工程量也會越少。合格材料使用比例對施工質量的影響模型如圖4所示。

圖3 積極主動返工及施工質量對返工工程量的影響模型

圖4 合格材料使用比例對施工質量的影響模型

3.3 模型的因素類型和方程

在此施工過程中，完整的返工影響因素系統動力學模型由4個部分組成，分別是熟練勞動力及項目管理流程明確對施工速度的影響模型、工程量及工期對施工速度的影響模型、積極主動返工及施工質量對返工工程量的影響模型、合格材料使用比例對施工質量的影響模型。在此系統動力學模型中，變量可分為水平變量、輔助變量、流量和常量4種類型。

水平變量表示某些物理量的累積水平，由速率變量的積分表達；輔助變量是中間變量，用來傳遞水平變量和速率變量之間的輸入和輸出；流量是使水平變量增加或減少的速率變量；常量是模型中給定的固定的值。主要模型因素及方程表達式見表1。式中，Time Step為計算積分的時間步長。

表1 主要模型因素及方程表達式

3.4 模型的仿真運行與分析

本模型考慮了在施工項目中的一些條件，如勞動力流入流出、每周工作時間、疲勞對施工質量的影響、疲勞對施工速率的影響，運用系統動力學模型模擬了項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例對返工工程量的影響。在此模型中，項目總工程量設為10 000m2的建筑項目，項目的初始工期為30周，初始熟練勞動力人數為70人，施工培訓周期為4周，時間單位為1周，每周最長工作時間為1.5周，每周正常工作時間為1周，熟練工人正常施工質量為0.88，新工人正常工作質量為0.75，主要模型因素模擬值見表2。為了研究項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例對返工工程量的影響，三個影響因素需要統一標準，通過調整每個因素在0～1的比例，分析返工工程量的變化大小。

表2 主要模型因素模擬值

通過對模型的仿真，觀察返工工程量的變化情況。本文使用Vensim軟件進行仿真，對項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例三個主要影響因素對返工工程量的影響進行控制變量分析，如圖5～圖7所示。

圖5 項目管理流程明確對返工工程量的影響

圖6 積極主動返工對返工工程量的影響

圖7 合格材料使用比例對返工工程量的影響

雖然模型仿真的結果顯示了返工工程量的變化，但其中假設了兩個因素無影響，觀察單個因素的變化對返工工程量的影響。通過分析結果圖可知，當三個因素中只有一個因素發生變化時，合格材料使用比例的變化對返工工程量的影響最大。當合格材料使用比例從0.1提高到0.9時，返工工程量減少了約75%。但此方法并未考慮三個因素同時變化時對返工工程量的影響，因此分析系統動力學模型中單一因素變化的影響是不足的，還需模擬運行三個因素同時變化時對返工工程量的影響，并利用多因素方差法對運行的數據和結果進行分析。

4 多因素方差法對模型中的返工數據分析

根據建立的系統動力學模型，分析三個影響因素同時變化對返工工程量的影響。對三個影響因素在0～1區間進行不同比例的組合，將模型運行282次，得到282組數據，自變量為三個影響因素，因變量為返工工程量，將282組數據作為實驗數據導入SPSS軟件，進行一般線性模型分析，主體間效應檢驗表見表3。在表3中，返工工程量為因變量，表中的A、B、C分別對應項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例，設A、B、C為固定因子，置信區間為95%。

表3 主體間效應檢驗表

通過SPSS分析數據表明，A(項目管理流程明確)、B(積極主動返工)、C(合格材料使用比例)的顯著性水平均小于0.05，說明拒絕原假設正確的概率小于0.05，即原假設成立，因此A、B、C三個因素對返工工程量具有顯著性影響，同時，C的顯著水平為0.000 2，低于A和B的顯著性水平(0.003)，并且C的偏Eta方為0.999，大于A和B的偏Eta方(0.994)，說明C在返工完成工程量中的效用大于A和B。因此，項目管理流程明確、積極主動返工的顯著性影響效果小于合格材料使用比例。此外，研究中還發現B和C、A和B之間存在交互作用，但本次研究旨在分析三個影響因素中的最大影響程度，因此未進行簡單效應分析。

5 結語

本研究建立了一個完整的系統動力學模型和方法研究施工返工致因，在先前研究的基礎上確定了三個主要返工影響因素，即項目管理流程明確、積極主動返工、合格材料使用比例，通過系統動力學模型分析三個因素對返工工程量的影響，同時結合多因素方差分析法，對運行模型中的數據進行研究分析，比較了三個影響因素的顯著性及效應量，得出相較于項目管理流程明確和積極主動返工，合格材料使用比例對返工影響更加顯著的結論。此研究可以使管理人員更好地控制返工，進而減少返工工程量；同時，本研究提供了一套基本的施工返工系統動力學模型，為管理人員及后續研究人員研究返工的其他影響因素提供了方法和思路。在本研究中，由于所開發的系統動力學模型基于簡單值和模擬值，本研究的結果和模型需要通過不同的實際施工情況和實際項目數據來驗證。