基于SD的高速公路項目進度-質量分析

王建華 ，凃云峰 ，明 曌

1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100044

2.曲靖中建曲昆高速公路投資開發有限公司，云南 曲靖 655000

3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070

近年來，隨著國民經濟的發展，高速公路數量正在不斷增加，高速公路建設作為影響社會經濟發展，促進區域經濟快速增長的一項重點工程，在建筑領域中得到大力發展[1]。高速公路建設項目作為系統性綜合工程，包括路基、路面及橋梁等工程，涉及復雜的建設規模，巨大的人力及機械籌措調度和投入，具有復雜性、多樣性、風險性的特點，因而使其管理過程綜合性較強、難度較高。在當前社會高度重視高速建設項目的背景下，如何針對建管過程中的三大核心控制目標，尤其是建設項目的工期、質量控制目標，進行科學、合理的規劃、組織、管理與實施，是相關領域重點研究的課題，也是各級管理部門最為關心的問題[2]。

目前，國內外諸多學者都對高速公路建設項目的目標管理進行了研究。孫月峰等[3]對關鍵鏈技術進行了改進，從多資源調度、工序約束和團隊勝任力的角度創新計算方法，將改進關鍵鏈技術運用到高速公路工程建設項目進度管理中。張超[4]將4D與BIM技術應用于實際的項目施工管理過程，開發出了基于BIM的高速公路建設管理系統，應用于對高速公路項目的施工質量和安全監控與分析。呂鳳龍[5]采用工程質量管理、安全管理、進度管理、費用管理、合同管理等綜合管理方法，對大型公路項目建設的管理模式進行了探索。Bayraktar等[6]將各利益相關者之間的相互關系以及影響工程項目的關鍵因素對項目的動態制約綜合考慮，提出了達成進度、成本、質量平衡的一種高速公路建管決策支持系統。以上研究都對高速公路項目的各目標管理進行了探討，并實現了相應的目標控制，但大多是對高速公路項目的單個目標進行研究，而對高速公路項目重點目標進度與質量的關系及其對高速公路項目管理影響的研究較少。

高速公路建設項目中進度與質量相互制約相互影響，會對項目績效產生很大的影響，系統動力學是一種研究系統信息反饋的方法，能夠從系統視角考慮問題，考察系統各組成部分的相互作用。應用系統動力學處理復雜項目管理問題早已受到國內外學者的廣泛關注，黃建文等[7]利用系統動力學對地下洞室開挖施工進度系統進行仿真，提出能加快進度的相關措施。李斌[8]分析出施工項目質量的主要影響因素，通過系統動力學研究施工項目質量控制相關問題。但利用系統動力學方法探索高速公路項目進度、質量之間的影響機制還有待進一步研究。

文章嘗試利用系統動力學的方法，建立進度-質量的因果關系圖，分析進度和質量之間的相互關系，根據實際高速公路項目數據進行實例分析，重點探究高速公路項目進度與質量的相互影響，旨在為高速公路項目進度與質量控制提供一定的參考。

1 進度-質量系統分析

1.1 高速公路項目特點

高速公路項目具有造價高、投資大、線路長、參建方多、質量要求高、施工周期長、工序交叉復雜、區域網密集、施工環境復雜，外部協調繁冗、信息量大等特點，在施工過程中各種因素的影響會導致工程進度慢、施工周期較長等現象，工期和質量作為高速公路建設中重點關注的兩大因素，如何處理好二者的關系尤為重要。

1.2 系統分析

在建立高速公路進度-質量系統時，基于高速公路的項目特點和必要簡約的原則劃分系統邊界，主要包括內生因素和外生因素。內生變量是SD模型中的重要變量，隨著仿真的推進而不斷發生變化，如施工效率、工期壓力、返工率等；外生變量一般與項目的基本特征有關，根據外部環境賦值，數值固定不變，不受系統內部作用的影響，例如計劃工期、自然環境、施工技術水平等，如圖1所示。

圖1 系統邊界圖

2 進度-質量SD模型

2.1 模型假設

高速公路項目涉及的影響因素眾多，基于此研究的目的提出以下假設：

假設1：為了簡化模型，不考慮成本、資源等外部因素，只針對進度、質量兩因素的關系建立模型，假設施工過程中內外部環境穩定。

假設2：根據實際高速公路項目工程特征及施工重難點分析，確定影響質量的主要外生因素。

2.2 因果關系圖

因果回路圖是依據研究目的和基本假設，在系統邊界內，對系統的變量進行因果關系分析，構成因果反饋回路。因果關系圖可以描述系統內各部分之間的內在聯系，基于進度與質量的控制反饋機制，依據高速公路工程的實際情況，分析建立進度與質量之間的聯動關系，采用Vensim軟件繪制因果回路圖，形成高速公路工程項目進度-質量控制因果關系如圖2所示。

圖2 進度-質量因果回路圖

2.3 流圖構建

為了能精確描述進度-質量模型運行機制，在分析相關文獻研究的基礎上，根據實際高速公路項目特點，建立系統流程圖如圖3所示。

圖3 進度-質量存量流量圖

確立該模型的各類變量性質，并建立相應的函數方程，主要變量的函數變量方程如表1所示。初始變量賦值由實際工程施工數據所得，相應的因素權重由從事相關領域的專家進行打分匯總確定。

表1 部分主要變量函數表達式

2.4 模型檢驗

（1）直觀檢驗。直觀檢驗包括分析模型中的變量是否具有準確的定義，它們之間通過公式建立的邏輯關系是否合理，以及量綱是否一致。對各變量的名稱、相互關系以及賦值的合理有效性，結合專家意見，進行了反復的斟酌和校正，以確保所構建的進度-風險SD模型的有效性。

（2）運行檢驗。利用Vensim軟件中的“check model”和“units check”功能對模型和單位分別進行檢查，結果顯示模型運行正常。此外，需要對模型的積分誤差進行檢查。選取Time Step=0.25、Time Step=0.5、Time Step=1 這3個時間步長分別對模型進行仿真模擬分析，選取已完工程量這一狀態變量，當所選取的仿真步長從0.25增至0.5，再增至1后，結果如圖4所示，已完工程量幾乎沒有發現變化，說明該模型的積分誤差可以忽略不計。

圖4 不同仿真步長的模擬結果

3 模型仿真與分析

3.1 工程概況

某X高速公路Y標段工程計劃工期為36個月，屬北亞熱帶季風氣候，具有夏無酷暑、冬無嚴寒，年溫差小，日溫差大，雨熱同季，干濕季節分明的氣候特點，項目區內氣候條件較好，全年均可進行施工。標段內無不良地質，周邊環境鄉鎮較多，交通道路大多為縣道和鄉道，道路寬度較窄，性能較差。該項目施工線路長，地形復雜，結構分散，為施工過程帶來一定的難度。

3.2 模型仿真與分析

在未壓縮工期的情況下進行施工模擬，結果如圖5所示，顯示施工過程共產生了29m的返工工程量，造成項目實際完成時間大于36個月，主要原因來自施工過程中技術難度加大，工期延誤，給項目帶來進度壓力，當采取趕工措施時，會增加工作人員的疲勞強度，造成返工工程量的進一步增加。所顯示結果與實際工程情況相符，可見返工工程量是造成工期拖延的主要因素。

圖5 施工方案模擬圖

該項目在施工過程中提出工程變更，要求提前2個月完工，在現有情況下進行施工模擬，考慮在第10周和第20周時變更工期，結果如圖6所示，由于資源的充分供應，根據曲線1和曲線2對比顯示，第10周調整時比第20周調整時工程質量情況較好，根據曲線3和曲線4分析顯示，第10周調整時的返工工程量會少于第20周的返工工程量。根據結果分析（如圖7所示），在項目前期縮短工期并不會大幅增加工作人員的疲勞強度，反而是在后期縮短工期會顯著增加進度壓力和工作人員的疲勞強度，降低工作人員的實際施工效率。在實際施工過程中，若前期縮短工期，增加進度壓力，小幅增加疲勞強度，會在后期采取加大投入等手段來加快進度，而這些措施會有效改善施工質量水平，減少返工量。

圖6 工期變更模擬圖

圖7 疲勞強度與實際施工效率結果圖

4 結論

（1）根據進度-質量SD模型的模擬，在高速公路項目中，質量與工期具有很強的相關性，為了促進施工活動的順利進行，保證工期目標的實現，要實時掌握高速公路項目施工現場的各類動態情況，進一步制訂具有針對性的施工質量監管方案，對高速公路不同階段施工質量嚴加把控，從而有效提升施工效率。

（2）通過對模型中各變量進行研究，可知進度壓力是影響項目進展重要因素，對工作人員的疲勞程度也會產生相應影響，在建設工程項目目標控制過程中，管理者應該根據實際情況來管控項目過程中工作人員的疲勞程度與進度中存在的壓力，重點加強對疲勞程度的管理。

（3）通過對進度-質量SD模型進行研究，施工的進度對高速公路工程管理質量控制影響較大，科學合理的施工計劃可以有效提高項目的質量水平，實現工期管理與質量管控的動態平衡。