基于系統動力學的裝配式建筑產業發展研究

劉 偉，江振松

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013）

裝配式建筑在20世紀五六十年代首次引入我國，1956年國務院首次發布了關于裝配式建筑的政策性文件《關于加強和發展建筑工業的決定》，此后全國各地預制構配件廠雨后春筍般出現，但這種發展熱潮僅僅持續了十余年。改革開放以后，隨著國民經濟的提升，裝配式建筑的發展又迎來一波新的熱潮，但是由于裝配式建筑技術、質量問題未能得到很好的解決，且當時現澆施工技術發展較為成熟，使得裝配式建筑失去與之競爭的能力，裝配式建筑的發展又再次變得緩慢下來。自1999年起，裝配式建筑再次得到國家的重視，國務院發布了《關于推進住宅產業現代化提高住宅質量的若干意見》，裝配式建筑又進入一個新的發展階段。

目前國內學者對裝配式建筑發展政策的研究也在日益深化，如齊園等[2]運用TOPSIS熵權法分析評價區域政策力度和政策工具演變情況，并提出相關裝配式建筑發展政策建議。金占勇等[3]通過建立政府-建設單位-消費者三方的博弈模型，得出應從稅收優惠、財政補貼和金融支持等政策方面對建設單位和消費者進行激勵。劉曉君等[4]從裝配式建筑開發意愿的角度出發，研究制定政府推廣政策。劉貴文等[5]從政策工具的視角展開研究，運用內容分析法，對國家裝配式建筑政策文本進行計量和分析，為完善建筑政策體系提出建議。根據以往學者對裝配式發展政策研究結果，可以發現國內大多數學者的研究均從政策對裝配式建筑產業發展影響的定性角度出發，忽略了裝配式建筑產業發展具有受政策影響時效的系統動態變化特性。而產業鏈作為產業發展而產生的產業聚集產物[6]，能夠準確地對產業發展趨勢進行動態展示，以產業鏈為視角對建筑業發展進行研究，已經成為國外學者的研究熱點，例如Du等[7]，Kainer等[8]，Yulia等[9]，Burlotos等[10]學者分別從產業鏈的產業聯盟、伙伴關系鏈、供應鏈、價值鏈等屬性對建筑產業鏈進行研究，以期找到適合當下社會環境的建筑業發展模式。

系統動力學作為研究復雜系統的結構、功能與行為之間動態的辯證對立統一關系的一門學科[11]，可以有效解決系統性的問題，動態反映系統內部各個因素之間的反饋關系[12]，已經廣泛應用于建筑行業中的住房需求[13]、建筑廢棄物處理[14]、綠色住宅市場[15]、綠色建筑成本效益估算[16]、建筑能源消費預測[17]等領域中。

因此，借鑒已有的研究結果，將系統動力學理論引入裝配式建筑產業鏈的發展研究中，通過建立系統動力學模型，進行政策變量的模擬仿真分析，以期為我國裝配式建筑產業發展政策的制定提供參考。

1 模型邊界及因果回路分析

1.1 模型的邊界分析

裝配式建筑產業鏈的發展涉及的主體多且復雜，主要包括政府部門，投資商，消費者[18]，以及產業鏈內部的上中下游企業，例如上游企業的原材料生產企業、建筑設計企業、建筑設備制造企業等，中游企業的構件生產企業、運輸企業以及施工企業等，下游企業主要包括裝配式建筑銷售企業、物業管理企業等[19]。為了便于系統建模仿真，主要選取產業鏈外部主體對裝配式建筑產業鏈發展的影響，并在其基礎上綜合考慮不同類型的政府政策對產業鏈內部的影響作用，進一步細化模型邊界，構建以資源投入、技術研發、生產能力和市場需求系統為邊界的SD模型。圖1反映了裝配式建筑產業鏈發展系統仿真的理論模型。

圖1 裝配式建筑產業鏈發展理論模型Fig.1 Theoretical model for the development of prefabricated construction industry chain

1.2 因果回路分析

將上述4個子系統整合到一起，運用系統動力學Vensim-PLE軟件構建復合系統的因果回路圖，如圖2所示。因果回路圖是建立系統流圖的基礎，是對整個系統內變量的定性分析，通過對各個子系統的反饋回路進行分析，可以明晰每個元素對其它元素的作用機理。

1.2.1 資源投入子系統

裝配式建筑產業鏈的發展主要靠政府與社會投資企業通過投入資源的方式促進發展，在裝配式建筑產業發展的初期，所有的物料資源相對于市場而言可認為是無限制的；因此主要研究資金的投入對產業鏈發展的影響。考慮到資金的來源，將裝配式產業鏈發展的資源投入子系統分為投資開發商投資和政府資金投入2個部分。投資開發商主要是將資金投入到資金回收見效快的PC構配件生產線上，而政府作為產業鏈發展的引導者，為了確保產業鏈能夠健康可持續的發展，更偏向于將資金投入到技術研發項目上，例如出資成立裝配式建筑技術研發機構，建立科研專項基金等。

圖2 裝配式建筑產業鏈發展因果回路Fig.2 Causal loop of prefabricated construction industry chain development

資源投入子系統主要反饋回路如下。

1）開發商投資意愿（+）→裝配式建筑投資比例（+）→開發商企業內部集資（+）→裝配式建筑產業鏈資金投入（+）→產業鏈資金累計投入（+）→PC構配件生產線投資（+）→構配件生產線發展水平（+）→裝配式產業鏈發展水平（+）→開發商投資意愿。

該反饋回路是正反饋回路，主要反映開發商投資對PC構配件生產線發展水平的促進作用，從而加速了裝配式建筑產業鏈的發展，而發展成熟的產業鏈又會進一步吸引開發商的投資意愿。

2）政府裝配式建筑產業鏈資金投入（+）→裝配式建筑產業鏈資金投入（+）→產業鏈資金累計投入（+）→技術研發投資（+）→技術研發項目增加量（+）→技術發展水平（+）→裝配式建筑產業鏈發展水平（+）→裝配式建筑開工面積（+）→裝配式建筑總產值（+）→政府支持力度（+）→政府裝配式產業鏈資金投入。

該反饋回路是正反饋回路，政府投資提升了裝配式建筑產業技術發展水平，進而推動了產業鏈的發展，擴大裝配式建筑的開工面積，帶來的產業增值效應繼續刺激政府對裝配式建筑產業的資金投入。

1.2.2 技術研發子系統

裝配式建筑與傳統現澆建筑相比對于技術要求更加嚴格，無論是在組裝施工上還是在新產品研發上，都具有高新技術的特性；因此技術研發是裝配式建筑產業鏈發展的動力保證。從資金投入和技術產出的角度將技術研發子系統分為2個部分。

技術研發子系統主要反饋回路如下。

1）技術發展水平（+）→裝配式建筑使用成本（-）→消費者購買意愿（+）→消費者購買（+）→市場需求（+）→裝配式建筑銷售面積（+）→裝配式建筑經濟效應（+）→政府支持力度（+）→產業成熟度（+）→技術研發項目增加量（+）→技術發展水平。

該反饋回路為負反饋回路，主要反映技術水平的提高降低了裝配式建筑的使用成本，激發了消費者購買意愿，從而提升裝配式建筑市場需求，帶動國家經濟發展，加大政府的支持力度，形成良性循環。

2）技術發展水平（+）→質量性能水平（-）→產品質量問題（-）→裝配式建筑產業鏈發展水平（+）→開發商投資意愿（+）→裝配式建筑投資比例（+）→開發商企業內部集資（+）→裝配式建筑產業鏈資金投入（+）→產業鏈資金累計投入（+）→技術研發投資（+）→技術研發項目增加量（+）→技術發展水平。

該反饋回路為負反饋回路，主要反映過低的技術發展水平會導致質量性能水平的下降，從而產生裝配式建筑產品的質量問題，在一定程度上限制產業鏈的發展；因此開發商會相應地提高在技術研發上的投資比例，從而促進技術研發。

1.2.3 生產能力子系統

體現裝配式建筑產業鏈發展快慢的主要途經之一就是產業鏈內部企業將投入資源轉化為裝配式建筑產品能力的強弱；因此在裝配式建筑產業鏈發展過程中，生產能力子系統是至關重要的因素。

生產能力子系統主要反饋回路如下。

裝配式建筑產業基地數量（+）→產業鏈發展水平（+）→裝配式建筑開工面積（+）→裝配式建筑總產值（+）→政府支持力度（+）→產業成熟度（+）→裝配式建筑產業基地數量。

該反饋回路為正反饋回路，主要反映裝配式建筑產業基地數量的增加促進產業鏈的發展，刺激總產值的提升，進而影響政府對裝配式建筑產業的支持力度。

1.2.4 市場需求子系統

市場對于裝配式建筑的需求量越大越能激勵企業發展，促進技術創新。我國裝配式建筑市場目前處于快速發展階段，在加速產業鏈發展過程中，市場需求可以起到保證產業發展活力的作用。政府部門一般通過以點帶面，引導需求等方式擴大消費者市場對于裝配式建筑的需求量，本文將市場需求子系統分為政府需求和消費者需求2個部分。

市場需求子系統主要反饋回路如下。

1）市場需求（+）→裝配式建筑銷售面積（+）→裝配式建筑經濟效應（+）→政府支持力度（+）→政府需求（+）→市場需求。

該反饋回路為正反饋回路，主要反映市場需求對經濟促進作用，推動政府對裝配式建筑的支持力度，擴大政府投資建設項目對裝配式建筑的需求量。

2）市場需求（+）→裝配式建筑銷售面積（+）→裝配式建筑經濟效應（+）→政府支持力度（+）→裝配式建筑購置貸款優惠率（+）→購買價格（+）→消費者購買意愿（+）→消費者購買（+）→市場需求。

該反饋回路為正反饋回路，主要反映市場需求通過對經濟的影響，擴大政府支持力度，使得裝配式建筑購買價格對消費者更有吸引力，從而加大市場需求量。

2 系統存量流量圖的構建

基于對上述4個子系統因果關系的分析，在整個因果回路圖的基礎上，綜合考慮評價指標輸出結果的需要，將系統中的各個變量進行分類，并添加新的輔助變量和常數變量，構建裝配式建筑產業鏈發展的存量流量圖，如圖3所示。

圖3 裝配式建筑產業鏈發展存量流量圖Fig.3 Stock flow chart of prefabricated construction industry chain development

2.1 變量說明

考慮到系統流圖變量的復雜性，選取重要變量進行詳細說明，如表1所示，其中L表示狀態變量，R表示速率變量，A表示輔助變量。

表1 存量流量圖變量說明Tab.1 Stock flow chart variable description

2.2 參數及變量方程設定

為進一步對系統變量間的關系進行定量化研究，以及確保數據的真實性和仿真結果的科學性，文中數據主要來源于2011—2019年的中國統計年鑒、中國裝配式建筑網、中國住房和城鄉建設部等官方網站。對于模型中各個參數的賦值主要根據權威網站發布的數據、專家咨詢打分估計和已有的研究結果來設置，見表2。系統中各個變量之間的關系主要采用數學方法中的回歸分析法、統計分析法、趨勢外推法對數據進行擬合分析并給出科學合理的方程，對于很難用簡單的線性關系描述的變量采用表函數的方法進行賦值。主要的方程式如下。

1）裝配式建筑產業鏈發展水平=INIEG（產業鏈發展提高量-產業鏈發展降低量，0）；

2）政府需求=政府保障性安居工程開工面積×預制裝配率；

表2 系統主要參數賦值Tab.2 Main parameters’assignment of the system

3）技術研發項目增加量=WITH LOOK UP（技術研發投資（[（0，0）-（12 334，500 000），（921.2，53 641），（3 185.9，194 400），（6 230.6，287 524），（7 294.5，322 567），（9 146.1，309 895），（10 064.3，360 997），（11 990.2，445 029），（12 333.5，472 299）]）；

4）裝配式建筑銷售面積=裝配式建筑市場累計銷售量+DELAY1I（裝配式建筑開工面積，3，0.4×裝配式建筑開工面積）；

5）產業利潤率=IF THEN ELSE（裝配式建筑產業鏈發展水平＜0.5，0.1，IF THEN ELSE（裝配式建筑產業鏈發展水平≥0.5：AND：PC產業鏈發展水平＜0.7，0.15，0.2））；

6）構配件生產能力提高量=PC構配件生產線發展水平×構配件生產能力影響系數；

7）預制裝配率=IF THEN ELSE（政府支持力度≤3，0.25，IF THEN ELSE（政府支持力度＞3：AND政府政策力度≤4，0.3，IF THEN ELSE政府支持力度＞4：AND政府政策力度≤5，0.4，0.5））；

8）建筑業固定資產投資=WITH LOOK UP（技術研發投資（Time（（2011，0）-（2026，5 000），（2011，3 357），（2012，3 738），（2013，3 669），（2014，4 125），（2015，4 956），（2016，4 614）））。

3 模型仿真

在對模型進行仿真運行前，需對模型進行檢驗，檢驗的內容分為兩大部分：①根據Vensim軟件自帶的檢查功能，對模型的結構以及變量的量綱單位進行檢查，結果顯示合格；②對模型的真實性進行檢驗，保證該模型能真實、準確地反映我國裝配式建筑產業的發展狀況。將裝配式建筑購買價格歷史值與仿真值進行對比，結果顯示誤差范圍的絕對值在10%以內，符合仿真要求，該模型可進行仿真研究。

以2011年為仿真模擬的初始時間，2026年為終止時間，單位設置為年，步長為0.5；仿真對象主要選擇直接受國家政策變動影響而變化的政策性變量。

3.1 技術支持政策變動場景的仿真分析

技術支持政策的改變直接影響裝配式產業鏈發展水平和技術發展水平，假設其它政策變量不變，改變變量方程裝配式建筑產業鏈投入系數的值，設置3種模擬仿真情景，對應模型中裝配式建筑產業鏈投入系數-50%、裝配式建筑產業鏈投入系數+50%以及基準情景，模擬仿真結果如圖4所示。

圖4 技術支持政策變化的仿真結果Fig.4 Simulation results of technical support policy changes

由圖4（a）可知裝配式建筑產業鏈投入系數的增加和減少對產業鏈發展水平的初、中期影響比較大，但在2021年后，產業鏈投入系數的增加和減少對產業鏈發展水平的影響逐漸減弱；圖4（b）反映了產業鏈投入系數的大幅度增加對技術發展水平沒有起到很大的促進作用，但是降低投入系數，技術發展水平有明顯的下降。

原因在于，在裝配式建筑產業發展的初、中期，政府對裝配式建筑的資金投入主要運用在技術研發項目上，而技術水平的提高直接促進產業鏈的發展。到了產業鏈發展的后期，產業鏈資金的投入主要來源于開發商企業的內部集資，所以政府加大或者減少產業鏈的投入系數對產業鏈的發展作用已經不太明顯。大幅度增大政府對產業鏈的投入系數，在技術水平發展的初期，技術發展水平已經超越了產業鏈的發展需要，所以超越的那部分技術投資資金會流入裝配式建筑基礎生產設施的建造上；而到了后期，企業也逐漸重視裝配式建筑的創新發展能力，投資意愿逐漸往裝配式建筑技術項目上傾斜。政府對裝配式建筑技術投入有著非常重要的作用，良好的初始技術發展水平，對整個產業鏈的發展起著主要的引導作用。

3.2 稅收支持政策變動場景的仿真分析

稅收支持政策主要包括3個方面：①新技術、新產品、新工藝研發的稅收優惠政策；②符合條件的企業可以享受增值稅即征即退的優惠政策；③納入西部大開發的稅收優惠范圍。通過降低采用裝配式建筑的成本、構配件的生產成本以及中間環節的交易成本等形式，稅收支持政策作用于整個產業鏈環節，對推動傳統建筑業全產業鏈企業參與裝配式建筑的發展，促進企業轉型升級具有積極引導作用。綜合考慮稅收支持政策的多樣性，模擬仿真企業稅收優惠增加50%和減少50%的情景，模擬仿真結果如圖5所示。企業稅收優惠力度增加，產業鏈發展水平就增加；企業稅收優惠力度減少，產業鏈發展水平就減慢。從產業鏈發展變化的幅度與時間的延續性來看，企業稅收優惠對于裝配式建筑產業鏈發展的影響是長期且穩定的。

圖5 企業稅收優惠政策變化的仿真結果Fig.5 Simulation results of enterprise tax incentive policy change

3.3 金融支持政策變動場景的仿真分析

為了研究金融支持政策對裝配式建筑產業發展的影響，選取購房貸款優惠政策作為主要的金融政策變量，通過探討裝配式建筑購置貸款優惠變化對裝配式建筑市場累計需求量和產業鏈發展水平的影響，分析金融支持政策影響機理。模擬仿真結果見圖6，由圖6（a）可知，裝配式建筑購置貸款優惠率的變化在2016年前對裝配式建筑市場累計需求量影響不太明顯，在產業發展的中、后期影響幅度有所提升；并且在產業鏈發展初期，購置貸款優惠率的減少對于裝配式建筑市場需求量的影響程度大于購置貸款優惠率的增加。

原因在于，在產業發展初期，消費者對裝配式建筑產品的了解程度不高，購買意愿不僅受到購買價格的影響，還受到建筑使用成本、使用性能等性質的影響，隨著技術水平的提高，購買成本成為影響消費者選擇裝配式建筑的主要因素。購置貸款優惠率對于產業鏈的發展水平作用同理。購置貸款優惠率是裝配式建筑產業鏈的發展長期影響因素。

圖6 金融支持政策變化的仿真結果Fig.6 Simulation results of financial support policy changes

3.4 需求引導政策變動場景的仿真分析

足夠的市場需求對于裝配式建筑在建筑市場取得競爭優勢起著積極的促進作用；因此政府率先試點，建立市場機制，推廣裝配式建筑使用范圍，制定合理的需求引導政策，引導市場發展，加大消費者對裝配式建筑的關注度和了解程度，提升開發商建設裝配式建筑項目的意愿。為了探尋政府需求量對裝配式建筑產業發展的影響機理，改變政府投資建設項目的預制裝配率，分別增加50%和減少50%，對模型進行仿真試驗，結果如圖7所示。

由圖7的仿真結果可知，加大預制裝配率，會使裝配式建筑市場累計需求量增加，且2021年之前增加幅度大于2021年之后；預制裝配率減小對于裝配式建筑市場累計需求量和發展水平的影響程度大于預制裝配率增加帶來的影響程度。這主要是因為在裝配式建筑發展初期，消費者對裝配式建筑的關注度和了解程度不高，對裝配式建筑的需求量不高，而政府對于裝配式建筑的需求量作為主要的市場需求源，刺激裝配式建筑產業的發展；到了裝配式建筑發展的后期，消費者成主要的裝配式建筑需求源，政府投資建設項目預制裝配率的增加起到的促進作用就十分有限。但是在初期就減少政府對裝配式建筑的需求，相當于限制了裝配式建筑發展的初始動力，會嚴重制約產業鏈的后續發展。

圖7 政府需求引導政策變化的仿真結果Fig.7 Simulation results of government demand-guided policy changes

4 結論

從裝配式建筑產業鏈發展的角度出發，建立系統動力學模型，通過改變政策性變量的方程式，對系統模型進行仿真分析，研究國家政策變化對裝配式建筑產業發展的影響作用。結果表明：在裝配式建筑產業發展的初期，國家對裝配式建筑產業的投入以及政府對于裝配式建筑的需求對裝配式建筑產業的發展起著重要的推進作用；而國家對于裝配式建筑產業中企業的稅收優惠和消費者裝配式建筑購買貸款優惠則起著長遠的正面影響作用。同時，為了降低國家對裝配式建筑發展的激勵政策成本，提出以下幾點政策制定建議。

1）制定合理的資金投入政策，適時調整技術投資和基礎生產設施投入比例。完善的技術體系是推進裝配式建筑發展的重要基礎，裝配式建筑的技術創新貫穿整個產業發展過程。在產業發展初期，政府應充分發揮技術政策的支持作用，適當增加技術投資，但應根據產業發展水平與技術發展水平實時，調整投資比例；當產業發展進入相對穩定時期，此時政府適量減少資金投入，增加其它政策的支持力度。

2）擴大企業稅收優惠政策范圍，明確相關部門職責，切實推動政策落地。稅收支持政策作為激發企業參與推動裝配式建筑發展積極性的重要影響因素，對裝配式建筑產業的發展起著長期且穩定的推進作用，對于這類政策應該提高政策覆蓋范圍，吸引更多相關企業向裝配式建筑轉型。

3）根據各地實際情況出臺相應的裝配式建筑購置貸款優惠政策。例如在某些裝配式建筑發展處于前沿的地區，裝配式建筑的購買價格與傳統現澆建筑價格相差不大，為了降低財政補貼直接成本，政府可以通過增加貸款額度和貸款期限增加消費者對裝配式建筑的購買意愿；對于裝配式建筑發展仍處于剛剛起步階段的地區，消費者對裝配式建筑了解不多，政府可以加大裝配式建筑購置貸款優惠力度，使消費者更愿意了解、購買裝配式建筑。

4）合理規劃政府裝配式建筑的預制裝配率。基于對需求政策的仿真結果，在裝配式建筑產業的發展初期，政府可通過加大預制裝配率的方式擴大政府對裝配式建筑的需求，從而引導、刺激裝配式建筑產業的發展；到了裝配式建筑產業發展的中、后期，綜合考慮政府需求量對裝配式建筑產業發展的作用效果不明顯，以及過高的預制裝配率給項目本身帶來的增量成本，應重新規劃政府投資建設項目的預制裝配率。