福建省農村裝配式建筑制約因素的系統動力仿真與生態效益探討

何春玲, 張子晨, 羅志宇, 胡潤

(華僑大學 土木工程學院, 福建 廈門 361021)

裝配式建筑的環保性與節能減排的突出性可促進經濟可持續發展。近年來,裝配式建筑推廣政策密集出臺, 2016年,《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]指出發展裝配式建筑是建造方式的重大變革,建筑業開始關注綠色建筑及建筑工業化生產。同時,隨著國家發展戰略的推進,2018年,《鄉村振興戰略規劃(2018-2022年) 》[2]指出我國農村建設要以美麗宜居村莊為導向,農村建筑的環保性及宜居性成為評判鄉村建設的重要一環,因此,農村裝配式建筑在這個大背景下產生與發展。2019年,《關于開展農村住房建設試點工作的通知》[3]強調在農村運用現代化的建造方式中考慮多方要素,例如,經濟、氣候和傳統習俗等,發展好鄉村現代建筑。同年,《關于印發住房和城鄉建設部建筑市場監管司2019年工作要點的通知》[4]提到在農村危房改造和易地扶貧搬遷中要明確一定的裝配式建造比例。因此,地方政府加大了對農村裝配式住房的投入和推廣力度。2021年,《福建省住房和城鄉建設廳等9部門關于加快推動新型建筑工業化發展的實施意見》[5]鼓勵要在新農村建設中推廣應用裝配式建筑。

目前,我國的農村裝配式企業較多,但大多停留在設計研發階段[6],實際落地項目較少,建筑信息模型(BIM)等裝配式建筑的重要技術手段[7]尚未得到較好的運用。由于農村的規劃和設計多是借鑒城市建筑的模式,所以農村裝配式建筑未得到大范圍的推廣,發展較為緩慢。

國內外學者對裝配式建筑的發展制約因素與推廣機制進行了相關研究[8-17]。由農村裝配式建筑發展的現實情況可知,裝配式建筑的影響因素之間并非相互獨立,需考慮各因素間的因果關系。基于此,本文運用系統動力學方法,將影響因素進行賦值仿真,確定關鍵影響因素,并據此制定農村裝配式建筑的推廣策略。

1 裝配式建筑發展的制約因素分析與仿真

1.1 制約因素分析

為了解裝配式建筑發展的制約因素,在混凝土結構條件下,以裝配式建筑、建筑工業化和裝配式建筑制約因素等為主題,在中國知網進行文獻搜索,對下載量大且闡述全面的文獻進行歸納總結、提取和分類,提出具備共識的34個制約因素。

全國裝配式建筑的制約因素,如表1所示。表1中:N為相關文獻篇數。

表1 全國裝配式建筑的制約因素Tab.1 Constraining factors of prefabricated buildings across country

為進一步了解福建省農村裝配式建筑的制約因素,通過上述文章,進一步以鄉村振興、裝配式建筑、裝配式建筑制約因素等為關鍵詞進行歸納,對表述相近的制約因素進行整合,可得福建省農村裝配式建筑的制約因素,如表2所示。

表2 福建省農村裝配式建筑的制約因素Tab.2 Constraining factors of rural prefabricated buildings in Fujian Province

1.2 仿真模型的建立

在整理裝配式建筑制約因素的基礎上,考慮制約因素間的相互影響及間接因素對裝配式建筑發展可能產生的影響,通過系統動力學建立影響因素仿真模型。系統運行的時間邊界為2012—2032年,并假設4個條件:1) 假設研究數據為平均值;2) 假設國民經濟水平穩定增長,人民生活水平逐漸提高,人口水平持續增長,但仍面臨人口老齡化壓力及勞動力缺口壓力;3) 假設福建省裝配式建筑持續健康發展,房地產市場穩步發展,裝配式建筑市場價格穩定;4) 假設福建省裝配式建筑發展遵循可持續發展原則。通過因果關系分析,可得福建省農村裝配式建筑推廣影響因素的因果關系圖,如圖1所示。

圖1 福建省農村裝配式建筑推廣影響因素的因果關系圖Fig.1 Causal relationship diagram of influence factors of rural prefabricated buildings popularization in Fujian Province

對反饋回路進行設計與分析,可得因素的作用機理與影響路徑,從政府支持意愿、功能與質量水平和消費者購買意愿等關鍵因素發展3條反饋回路(+表示正向影響;-表示負向影響)。

1) 反饋回路1: 政府支持意愿→(+)宣傳引導→(+)消費者認可度→(+)消費者購買意愿→(+)裝配式建筑市場需求→(+)裝配式建筑經濟效益→(+)勞動生產率→(-)建筑業勞動力缺口→(+)政府支持意愿。

2) 反饋回路2:功能與質量水平→(+)消費者認可度→(+)消費者購買意愿→(+)裝配式建筑市場需求→(+)裝配式建筑經濟效益→(+)城市GDP總量→(+)研究與試驗發展(R&D)投資→(+)技術創新水平→(+)功能與質量水平。

3) 反饋回路3:消費者購買意愿→(+)裝配式建筑市場需求→(+)裝配式建筑經濟效益→(+)城市GDP總量→(+)人均GDP→(+)人均可支配收入→(-)房價收入比→(+)消費者購買力→(+)消費者購買意愿。

由此可得以下3個結論。

1) 反饋回路1為負反饋回路,對系統演變起平衡作用,即政府對裝配式建筑的支持意愿不斷增加,加大宣傳引導可使消費者認可度逐漸提高而增加購買意愿,消費者購買意愿增強可使裝配式建筑市場需求擴大,裝配式建筑經濟效益越來越好,勞動生產率逐漸提高,建筑業勞動力缺口不再緊缺。

2) 反饋回路2為正反饋回路,對系統演變起加強作用,功能與質量水平提高,消費者接受程度提高使市場規模變大,裝配式建筑經濟效益穩步提升,城市GDP總量逐漸增加,加大對裝配式建筑行業的研發資金的投入使技術創新水平提高。

3) 反饋回路3為負反饋回路,消費者愿意購買裝配式建筑使市場需求變大,裝配式建筑經濟效益穩步提升,國民經濟水平穩步提高,人均可支配收入不斷增加使房價收入比下降,消費者有更多的可支配收入而提升了購買力。

在因果關系圖的基礎上,建立福建省農村裝配式建筑推廣影響因素的存量流量圖,如圖2所示。

圖2 福建省農村裝配式建筑推廣影響因素的存量流量圖Fig.2 Stock flow diagram of influence factors of rural prefabricated buildings popularization in Fujian Province

為保證模型輸入變量所需數據的完整性及數據來源的合理性,收集了大量官方數據,主要包括宏觀基礎數據(由福建省統計年鑒查詢獲得)和福建省裝配式建筑經濟效益(類比相關研究與政府技術報告數據)[18]。對于難以量化的影響因素,如功能質量與水平、支持意愿、房價收入比、消費者購買意愿、增量成本、供給意愿等,則通過問卷調查與專家打分的方式進行賦值,打分專家均來自福建省。

1.3 農村裝配式建筑影響因素的模型仿真

1.3.1 模型檢驗 為獲得模擬的穩定性與結果的可靠性,在仿真前先進行模型檢驗。

1) 穩定性測試。改變時間間隔,對建立的模型進行穩定性測試。將時間步長由1.0變為0.5,以房價收入比為觀測對象,在不同的時間間隔下,檢驗模型是否穩定運行。穩定性測試結果,如圖3所示。由圖3可知:在兩種不同時間間隔的條件下,系統的運行趨勢相同,證明穩定性良好。

圖3 穩定性測試結果 圖4 極端情況測試結果Fig.3 Test results of stability Fig.4 Test results of extreme case

2) 極端情況測試。采用極限法對模型進行觀測檢驗,將消費比率由0.2變為1.0,以市場供給量為觀測對象,對模型進行極端情況測試。極端情況測試結果,如圖4所示。由圖4可知:即使消費比例達到極限值(1.0),市場供給量并沒有向不合理的方向發展,在不同消費比率條件下的發展趨勢相近,說明模型具有可靠性。

1.3.2 系統模型的仿真分析 根據歷史數據,對房價收入比、支持意愿增加率進行趨勢模擬及預測。

1) 房價收入比。房價收入比反映房地產市場水平和居民經濟水平,房價收入比=(商品房價格+裝配式建筑增量成本)/人均可支配收入。房價收入比、人均可支配收入和商品房價格的模擬曲線,如圖5～7所示。由圖5～7可知:人均可支配收入穩步提升,商品房價格在波動中逐漸提升;2015-2017年,人均可支配收入提升幅度不及商品房價格提升幅度,房價收入比上升;2018-2023年,房價收入比在波動中下降;2023年后,在政策的有效調控下,房價收入比呈穩定下降趨勢,房地產市場穩定發展。

圖5 房價收入比模擬曲線 圖6 人均可支配收入模擬曲線 圖7 商品房價格模擬曲線Fig.5 Simulation curve of house price to income ratio Fig.6 Simulation curve of per capita disposable income Fig.7 Simulation curve of commercial house price

2) 支持意愿增加率。支持意愿增加率= 可持續發展訴求×0.5+建筑業勞動缺口因子×0.5。隨著可持續發展訴求的呼聲越來越高,福建省政府發展裝配式建筑的意愿日益強烈。支持意愿增加率、可持續發展訴求和建筑業勞動缺口因子模擬曲線,如圖8～10所示。由圖8～10可知:支持意愿增加率不斷提高,可持續發展是當今社會發展的主旋律。

圖8 支持意愿增加率模擬曲線 圖9 可持續發展訴求模擬曲線 圖10 建筑業勞動缺口因子模擬曲線Fig.8 Simulation curve of increase rate of support willingness Fig.9 Simulation curve of sustainable development demand Fig.10 Simulation curve of labor gap factor in construction industry

1.3.3 政策變化的模擬 在政策變化的影響面上,對功能與質量水平、成本影響因子和支持意愿增加率進行模擬。

1) 功能與質量水平的模擬(調控1)。將功能與質量水平變量系數由1.0變為1.4,觀察供給意愿、消費者購買意愿、市場供給增加量和市場需求增加量的發展趨勢,結果如圖11～14所示。由圖11～14可知:當裝配式建筑的功能與質量水平提升后,消費者對于裝配式建筑的購買意愿與開發商的供給意愿明顯增強;當消費者與開發商對裝配式建筑共同出現正向意愿時,裝配式建筑市場供給與裝配式建筑市場需求穩步上升,且兩者的增加量較為顯著。

圖11 供給意愿模擬(調控1) 圖12 消費者購買意愿模擬(調控1)Fig.11 Simulation of supply willingness (regulation 1) Fig.12 Simulation of consumer purchase willingness (regulation 1)

圖13 市場供給增加量模擬(調控1) 圖14 市場需求增加量模擬(調控1)Fig.13 Simulation of market supply increase (regulation 1) Fig.14 Simulation of market demand increase (regulation 1)

2) 成本影響因子的模擬(調控2)。將成本影響因子變量系數由1.0變為0.5,觀察供給意愿、裝配式建筑市場規模的發展趨勢,結果如圖15,16所示。由圖15,16可知:由于成本影響因子變量系數變小,相較于現有裝配式建筑市場的成本價格表現,裝配式建筑市場規模與供給意愿的發展趨勢相對較低;若增大成本影響因子的調控力度,供給意愿及裝配式建筑市場規模也將顯著提升。

圖15 供給意愿模擬(調控2) 圖16 裝配式建筑市場規模模擬(調控2)Fig.15 Simulation of supply willingness (regulation 2) Fig.16 Simulation of market size of prefabricated buildings (regulation 2)

3) 支持意愿增加率的模擬(調控3)。將支持意愿增加率變量系數由1.0變為1.4,觀察供給意愿、消費者購買意愿、裝配式建筑經濟效益的變化趨勢,結果如圖17～19所示。由圖17～19可知:當政府支持意愿逐漸增強,消費者與開發商對可持續發展理念的響應增強,對裝配式建筑的購買與供給意愿增強,裝配式建筑經濟效益提升顯著。

圖17 供給意愿模擬(調控3) 圖18 消費者購買意愿模擬(調控3) 圖19 裝配式建筑經濟效益模擬(調控3)Fig.17 Simulation of supply willingness (regulation 3) Fig.18 Simulation of consumer purchase willingness (regulation 3) Fig.19 Simulation of economic benefits of prefabricated buildings (regulation 3)

1.4 系統模擬結果探討

由系統模擬結果可知,村民對裝配式建筑接受程度仍然較低,造價仍然較高。在鄉村振興發展戰略的背景下,可采用以下3個策略來推動福建省農村裝配式建筑的發展。

1) 功能與質量水平的提升策略。裝配式建筑人才存在缺口,且裝配式建筑在專業技能上對施工人員的要求更加嚴格。此外,城市生活水平與農村生活水平存在差距,愿意服務基層、扎根基層的裝配式建筑人才較少,要想培養農村裝配式建筑人才,需要提供福利政策。職業院校應積極響應國家號召,在裝配式建筑教學中加大教學實踐比例,與福建省農村裝配式建筑企業合作,根據企業相關崗位的招聘標準調整教學內容。在標準規范體系方面,應推動標準化設計,這是從根本上提高裝配式建筑功能與質量水平的重要方式。

2) 政府支持度的提高策略。政府支持度是影響農村裝配式建筑推廣的重要因素之一,政府的大力支持有助于提高裝配式建筑經濟效益。在農村推廣裝配式建筑,應讓居民了解裝配式建筑相較于傳統建造模式的優勢,政府應當加大宣傳引導,利用多種媒介宣傳裝配式建筑。此外,開展試點工程并組織農村居民參觀,近距離參觀裝配式建筑是最直觀的宣傳方式,可以讓農村居民感受裝配式建筑施工現場整潔的環境,從而漸漸地接受裝配式建筑。

3) 增量成本的降低策略。降低預制構件成本十分重要,農村裝配式建筑發展需要完善的產業鏈,以產業鏈帶動生產,降低建造成本,因地制宜,制作具有地域特色的建筑樣板供農村居民挑選。同時,可增加裝配式建筑預制構件的工廠數量,降低預制構件成本。

2 農村裝配式建筑的生態效益探討

2.1 生態效益影響因素的選取

從248篇文獻資料中篩選出30篇涉及建筑生態效益評價的文獻,采用文獻分析法,進行要素識別,提取出相關的生態效益影響因素。對于生態效益影響因素的研究,大多數學者主要關注節能、節地、節水、節材和環境保護等因素,也有部分學者提到建筑對居住者的作用。對生態效益影響因素進行劃分,結果如表3所示。表3中:N1,N2分別為主要因素和次要因素的相關文獻篇數。

表3 生態效益影響因素Tab.3 Influencing factors of ecological benefit

2.2 生態效益影響因素的架構

為了解各因素間的重要性,建立農村生態效益影響因素架構。福建省農村裝配式建筑的生態效益影響因素架構,如圖20所示。

2.3 生態效益影響因素的權重分析

采用模糊層次分析法,對農村裝配式建筑生態效益影響因素進行分析,對兩兩因素相互比較的重要性程度進行分值定義(因素i與因素j的分值設定為0.1～0.9)。考慮數據的綜合性和全面性,邀請來自高校、設計單位、施工單位、建設單位和政府部門等15位專家(工作經驗7 a以上)進行打分。以專家1為例,可得模糊層次分析n維打分方形矩陣(矩陣A(n=6)),結果如表4所示。

表4 專家1主要因素打分矩陣Tab.4 Scoring matrix of main factors from expert 1

矩陣元素ai,j為0≤ai,j≤1,ai,j+aj,i=1,其中,i,j=1,2,…,n。對矩陣元素按行進行求和,有

(1)

由式(1)可得

(2)

由構建的權重矩陣(表5)可得

表5 構建的權重矩陣Tab.5 Weight matrix

計算檢驗回收數據的一致性IC,即

由此可知,結果符合一致性原則要求(IC<0.100 0)。使用邁實軟件進行計算,得到修正后的主要因素權重(專家1),如表6所示。

表6 修正后的主要因素權重(專家1)Tab.6 Corrected weights of main factors (expert 1)

首先,按照上述步驟對主要因素下的各次要因素進行計算,可以得到專家組的農村裝配式建筑生態效益評估指標的各層級權重;然后,按照權重對農村裝配式建筑中間層(主要因素)進行重要性排序(表7),按照權重對農村裝配式建筑底層(次要因素)進行重要性排序(表8)。

表7 農村裝配式建筑主要因素重要性排序Tab.7 Importance ranking of main factors of rural prefabricated buildings

表8 農村裝配式建筑次要因素重要性排序Tab.8 Importance ranking of secondary factors of rural prefabricated buildings

3 結論

對福建省農村裝配式建筑制約因素進行系統動力仿真與生態效益探討,可得以下2個結論。

1) 目前,福建省農村裝配式建筑尚未形成規模,需要加大科研投入,研究出一套符合農村實際的、健全的標準規范體系,在方案設計、地方標準和技術指南等方面制定統一規范,達到功能與質量水平提升的效果。在政府支持意愿方面,裝配式建筑具有諸多優點,但也存在建筑形式單一的問題,依據《鄉村振興戰略規劃(2018-2022年)》,建筑應當突出當地文化特色,可將文化元素、歷史特點等加入裝配式建筑,有助于提高政策支持度;在農村危房的改造中,對于選擇裝配式建筑的農村居民給予一定的補貼,提高農村居民選擇裝配式建筑的積極性。農村裝配式建筑的推廣困難與成本增大往往是因基礎設施條件未能提升的緣故,由于農村交通不發達,地區偏遠,運輸大型裝配式建筑構件十分不便,應當完善農村的基礎設施,為裝配式建筑預制構件運輸提供便利,此外,強化農村裝配式建筑發展的產業鏈,活絡預制構件市場,依據環境生態效益的要求,整體帶動供需面來降低建造成本。

2) 在農村裝配式建筑生態效益影響因素中,主要因素的污染物排放權重最高,其余排序依次為資源消耗、環境反作用力、居住者需求、綠色建造和保護室外環境;由對應的次要因素可發現,權重最高者分別為廢氣排放、能源消耗量、采光、噪音、垃圾回收利用率與環境改善帶來的額外抵消效益。環境改善帶來的額外抵消效益的權重值具有影響性,故在有關政策的制定和實施中,可進一步考慮減少污染物排放所帶來的效益。相較于傳統農村建筑,裝配式建筑的經濟效益尚未達到農村住戶的期望值,因此,可加大對農村裝配式建筑的相關政策補貼。

現階段我國的城鄉發展仍然存在一定差距,農村裝配式建設模式給農村建筑的改建再建提供了一個新思路,盡管政策已經有所傾斜,農村裝配式建筑的發展仍然任重而道遠。政府在推廣鄉村振興戰略、農村裝配式建筑時,應該加大對農村裝配式建筑的經濟與環境效益的政策推廣,并進一步提出可行的建筑政策補貼,以助力裝配式建筑在農村快速長久的發展。