目前, 尽管国家大力提倡发展、推广装配式建筑, 但其在我国的推广工作仍然比较缓慢, 很多业主并不愿意采用装配式建筑, 其中一个最大的阻碍因素就是其成本太高, 装配式建筑单方造价较传统现浇式建筑高出300~700元。找到有效降低装配式建筑成本的方法, 能有效促进装配式建筑在我国的发展与推广, 并为我国的建筑工业化提供一个强有力的契机。本文从装配式建筑项目模式出发, 通过比较EPC和DBB模式, 以成本优化为目标, 探讨装配式建筑的适用模式。

1 EPC模式与传统DBB模式特征及其比选分析

研究表明, 承发包模式是影响工程建设项目成本的关键因素之一, 承发包模式选择合理, 能有效提高建设效率, 缩短工期, 降低成本。对于装配式建筑乃至整个我国建筑业市场, 承发包模式仍以传统DBB模式为主流, 而技术和理念更为先进的工程总承包模式仅占有很少份额。 DBB模式即设计-招标-建造模式, 这种模式最突出的特点是强调工程项目的实施必须按照设计—招标—建造的顺序方式进行, 只有一个阶段结束后, 另一阶段才能开始。传统DBB模式应用广泛, 管理方法成熟, 程序明确, 但随着建筑业的发展, 这种模式由于其效率低下, 资源消耗量大以及各主体之间利益关系复杂, 已无法满足建筑业可持续发展的要求。 EPC即工程总承包, 是指公司受业主委托, 按照合同约定对工程建设项目的设计、采购、施工、试运行等实行全过程或若干阶段的承包。在EPC模式下, 总承包商将工程的设计、采购、施工均列入一个统一的体系中进行集中管理, 从工程总目标的角度对各环节进行把控, 合理配置资源。EPC模式能有效克服设计、采购、施工相互制约和相互脱节的矛盾, 有利于各阶段工作的合理衔接, 有效地实现建设项目的进度、成本和质量控制符合建设工程承包合同约定, 并最终实现较好的整体效益。表1为传统DBB模式与EPC模式的特征比较。 通过分析发现, EPC模式由于采取整体决策和整体优化思想, 较传统DBB模式更优。通过EPC模式的运用, 能有效缩短项目建设周期, 降低装配式建筑成本, 实现更好的经济效益。以下基于动态规划理论对此观点进行分析与证明。

2 用动态规划理论证明EPC模式能有效降低装配式建筑成本

动态规划理论是研究动态系统的工具之一, 其原理是将多阶段决策问题转化为相互关联的若干单阶段问题, 从而使动态的多阶段问题简化为静态的单阶段决策问题。在这里, 笔者将动态规划理论引入到装配式建筑全过程的总成本问题中, 借以分析研究降低装配式建筑成本的方法。对于本研究而言, 将装配式建筑建设过程的不同参与方看作动态规划理论中的不同阶段, 通过动态规划理论研究工程整体的最低成本, 其本质也是将设计、构件制作以及现场装配放在了同一个体系中, 不考虑单一阶段的成本最低, 而是追求工程的总成本最低。这种思维模式放到工程领域中, 即是工程总承包, 也即EPC模式。因此, 本文将基于动态规划理论, 分析证明采用EPC模式能有效降低装配式建筑的成本。

2.1 装配式建筑成本最优的动态规划模型

装配式建筑的全寿命期涉及比较多的利益相关者, 主要包括业主、设计单位、构件厂、施工单位等。在此, 引入动态规划理论, 将各利益相关方看作不同的阶段变量k, k=1表示施工单位, k=2表示构件厂, k=3表示设计单位。由于业主是站在工程整体目标的层面上且此研究的目的即是实现业主的最大利益, 故业主方不设置在阶段变量内。k阶段的决策变量记为X_k, 表示该阶段各种资源的投入量, 如X₂表示第二阶段的资源投入量, 即是构件厂为按合同要求向施工单位提供预制构件所需投入的资源总量。用函数g (X_k) 表示k阶段的成本, 它是资源投入量X_k的函数, 且其必单调递增。假设某装配式建筑有一预算限额, 设其为c。状态变量记为S_i (i=1, 2, …k+1) , 表示i状态可供使用的预算限额, 于是可得到本问题的状态转移方程为S_k=S_k+1-g (X_k) 。对于本问题的研究, 采用逆向递推方式, 易知S₄表示起始状态, 即S₄=c。S₁为末状态, 表示各阶段工作均完成后预算限额的剩余量。V_k (S_k) 表示在S_k状态下决策的结果, f_k (S_k) 表示指标值函数, 即工程项目的总成本, 故有动态规划基本方程: 表1 传统DBB模式与EPC模式的特征比较 下载原表 以上模型的建立, 是基于动态规划的两个基本理论: (1) 动态规划的最优性定理:在n个阶段的多阶段决策问题, 阶段变量为k=1, 2…, n, 指标函数为最优的充分必要条件为:对任意k, 1该式的含义是:整体的最优指标值函数是后部最优子策略的指标函数值与前部策略指标值之和的最优值。整体的最优策略是后部最优子策略与前部策略总体的最优策略。 (2) 动态规划的最优性原理:有n个阶段的多阶段决策问题, 阶段变量为k=1, 2…, n, S₁为初状态, 如果S_k (k=1, 2..., n) 和f_k (S_k) 均为最优, 则无论S_k以及前k阶段的决策如何, 后部子策略对S_k而言均是最优策略。即是说, 如果存在最优策略, 则它的后部子策略总是最优的。

2.2 装配式建筑不同阶段成本分析

2.2.1 装配式建筑设计阶段总成本分析, 即k=3

相比于传统现浇式建筑, 装配式建筑的设计更加复杂, 技术要求更高, 因此其设计成本也相对过高。按照前文的设定, 该阶段的资源投入量为X₃, 易知对于X₃有多种不同的决策, 即可以选择在此阶段投入多少生产要素, 假定最优的资源投入量为X₃^*。这里假设存在以下三种情况: (1) X₃=X₃₁, 表示投入较少的资源, 设计工作最粗糙, 投入成本最少, 但会造成构件制作和现场装配成本大幅提高。 (2) X₃=X₃₂, 表示投入一般数量的资源, 设计工作相对精细, 投入成本相对于X₃₁较高, 但它会造成构件制作和现场装配成本相对降低。 (3) X₃=X₃₃, 表示投入较多的资源, 设计工作最为精细, 设计成本最高, 同时这将导致构件制作和现场装配成本大幅降低。 根据已经设置的模型, 存在如下推导: f₃ (S₃) =min{f₄ (S₄) +g (X₃^*) } (其中X₃^*可能取X₃₁, X₃₂, X₃₃) 因为f₄ (S₄) =0, 所以f₃ (S₃) =min{c-S₃} 注意这里X₃^*并不直接等于min{X₃₁, X₃₂, X₃₃}, 而是要取最终使总成本最低的值, 具体如何取值还与后面的讨论相关。

2.2.2 装配式建筑构件制作阶段总成本分析, 即k=2

从成本分类来看, 构件厂的总成本可以分为两个部分, 即固定成本和变动成本。其中固定成本主要是厂房、机器设备等固定资产的折旧与分摊, 变动成本是产量的函数, 跟生产要素的投入量相关。对于本阶段的资源投入量X₂, 厂家同样有不同的决策, 假设存在以下两种情况: (1) X₂=X₂₁, 表示构件制作较为精确, 即需要投入较多的人力物力以及使用更好的机器设备和更先进的技术, 如此一来制作成本较高, 即X₂₁较大, 但这将使现场装配作业变得简单准确, 降低第一阶段的成本。 (2) X₂=X₂₂, 表示构件制作比较粗糙, 投入的资源较少, 即X₂₂较小, 但这将给现场装配工作带来诸多不便, 使第一阶段的成本较高。 根据动态规划原理, 有: f₂ (S₂) =min{f₃ (S₃) +g (X₂^*) } (其中X₂^*可能取X₂₁, X₂₂) 同理, X₂^*并不一定是最小值, 而是使f₂ (S₂) 最小的X₂的取值。

2.2.3 装配式建筑装配施工阶段总成本分析, 即k=1

区别于传统现浇建筑, 装配式建筑的现场施工主要以装配作业为主。影响本阶段资源投入量的因素主要有设计文件的完整性准确性以及可行性、预制构件的价格和制造质量、现场工人的技能水平等, 因此可以看出本阶段的资源投入量主要受前两个阶段所作决策的影响。可以假设本阶段的资源投入量X₁为以下情况: (1) X₁₁= (X₃₁, X₂₁) 或 (X₃₃, X₂₂) , 表示由V₃ (X₃₁) 决策和V₂ (X₂₁) 决策或者V₃ (X₃₃) 决策和V₂ (X₂₂) 决策导致的第三阶段的资源投入量。 (2) X₁₂= (X₃₁, X₂₂) , 表示由V₃ (X₃₁) 决策和V₂ (X₂₂) 决策导致的第三阶段的资源投入量。 (3) X₁₃= (X₃₂, X₂₁) , 表示由V₃ (X₃₂) 决策和V₂ (X₂₁) 决策导致的第三阶段的资源投入量。 (4) X₁₄= (X₃₂, X₂₂) , 表示由V₃ (X₃₂) 决策和V₂ (X₂₂) 决策导致的第三阶段的资源投入量。 (5) X₁₅= (X₃₃, X₂₁) , 表示由V₃ (X₃₃) 决策和V₂ (X₂₁) 决策导致的第三阶段的资源投入量。 不难看出, 它们之间存在这样一种关系:X₁₅131114<12。根据前文的动态规划模型, 有: f₁ (S₁) =min{f₂ (S₂) +g (X₁^*) } (其中X₁^*可能取X₁₁, X₁₂, X₁₃, X₁₄, X₁₅)

2.3 证明结果—EPC模式能实现装配式建筑成本降低

在传统的各专业分开发包的模式下, 各利益相关者的诉求各不相同, 都追求自己的成本最小, 于是设计单位追求的成本为g (X₃₁) , 则其第三阶段的决策为X₃=X₃₁, 构件厂追求的成本为g (X₂₂) , 则其第二阶段的决策为X₂=X₂₂, 由此决定了施工单位的成本为g (x₁₂) , 即第一阶段的决策为X₁=X₁₂, 于是得到整个流程的总成本为TC=g (X₃₁) +g (X₂₂) +g (X₁₂) 。而在动态规划理论下, k=3时, f₃ (S₃) =min{0+g (X₃) }=min{c-S₃}, 由于f₃ (S₃) 与S₃反向变动, 当S₃最大时f₃ (S₃) 取得最小值, 即S₃取值应尽可能大, 即是说为设计方提供的预算应尽可能大, 所以X₃^*=X₃₃;当k=2时, f₂ (S₂) =min{f₃ (S₃) +g (X₂) }=min{c-S₂}, 同理S₂取值也应尽可能大, 所以取X₂^*=X₂₁;如此便决定了X₁^*=X₁₅。所以使总成本最低的最优组合 (X₁^*, X₂^*, X₃^*) 所对应的总成本为TC′=g (X₃₃) +g (X₂₁) +g (X₁₅) 。尽管g (X₃₃) >g (X₃₁) , g (X₂₁) >g (X₂₂) , 但是g (X₁₅) <12) , 这将导致最终TC′3 EPC模式降低装配式建筑成本的机制

3.1 EPC模式能实现一定的“范围经济”

根据经济学理论, 当一家企业生产多种产品的总成本低于这些产品中每种产品分别由一家企业来生产所需成本的总和, 则说存在“范围经济”, 用公式表示:假定一家单产品企业生产一定量的产品X的成本为C (QX) , 另一家单产品企业生产一定量另一种产品Y的成本为C (QY) , 又假定一家多产品企业, 既生产同样产量的产品X, 又生产同样产量的产品Y, 其总成本为C (QX, QY) 。如果C (QX, QY) SC值越大, 范围经济就越大。不难看出, 在装配式建筑中, EPC模式凭借其特有的优势, 可靠地实现了一定的范围经济。所以相对于传统分包模式, EPC模式能较好地降低装配式建筑的成本。

3.2 EPC模式能有效避免各主体之间沟通协调障碍

传统承发包模式下, 合同关系复杂交错, 各主体之间沟通难度大, 协调工作难以顺利展开, 如出现问题需要层层上报, 甚至出现扯皮纠纷, 推卸责任, 导致问题很难被解决, 影响工程进度。而在EPC模式下, 总承包商仅对业主负责, 各环节工作都在自身内部展开, 各环节各部门间的协调变得简单, 且权责明确, 避免了不必要的纠纷, 从而节省了大量沟通协调时间, 使工程能顺利实施且在更短的时间内完成, 缩短了工期。工期的缩短带来工程在成本上的节约, 同时项目提前投入使用便可提前获得收益, 为业主创造更多的经济效益。

3.3 EPC模式下各方主体意图能被明确传达

在EPC模式下, 设计、构件制作、以及现场装配均由同一主体即总承包商来承担, 保证了各个环节工作之间的有效衔接, 如设计文件所要表达的意图能更容易被构件制作部门和现场装配部门所理解, 生产的构件更加精确、更加符合功能要求, 也更加有利于装配作业人员的装配工作。由于在EPC模式下, 各阶段各主体的意图均能被比较明确地传达, 便于统筹工作, 深化各部门对工程的理解, 导致工程返工量减少甚至无返工, 这将节约大量的人力物力成本, 使工程成本降低。

3.4 EPC模式能够实现资源更加有效的配置

传统DBB模式下, 设计方、构件厂、现场装配方有着不同的利益诉求, 所追求的目标均是自身的利益最大化。从资源配置的角度来看, 这使得资源无法被充分利用, 存在着不必要的消耗与浪费, 这也造成了传统发包模式下的工程总成本偏高。在EPC模式下, 总承包商作为统筹者和主导者, 能够全局性地配置资源, 即以工程总成本最低为决策目标, 合理安排各环节的资源投入量, 根据各阶段资源投入对工程总目标的影响程度, 决定哪些环节应该加大资源投入, 哪些环节可以适当减少资源投入。从经济学的角度讲, 可以综合考虑各阶段资源投入产生的边际效益, 以此选择最为合理的资源分配方案, 以达到帕累托最优为目标进行决策, 从而实现资源更高效率地使用, 充分发挥全产业链的优势, 实现资源更加合理的配置, 消除或减少传统DBB模式下资源的不必要消耗与浪费, 有效降低装配式建筑的成本。同时, 这也只有在EPC模式下才具有可行性。

4 结语

本文借助动态规划理论, 将装配式建筑不同参与主体设置为不同阶段, 通过对每个阶段的资源投入量和成本进行分析, 推导证明了推行工程总承包制度可以有效降低装配式建筑的成本, 同时分析得出, 推行EPC模式之所以能降低装配式建筑的成本, 是因为它能实现一定的“范围经济”、能有效避免各主体之间沟通协调障碍、各方主体意图能被明确传达、能够实现资源更加有效的配置等。 以EPC模式推广装配式建筑, 使得设计、构件制作以及现场装配等各项工作均在统一的管控体系内开展, 信息集中共享, 规避了沟通不流畅的问题, 减少了沟通协调工作量和时间, 节约工期, 降低工程总成本。因此, 为完成建筑业供给侧结构性改革, 推行建筑工业化, 克服装配式建筑成本过高带来的推广阻碍, 需要在装配式建筑市场中大力推广工程总承包模式, 以EPC模式实现建筑业的市场变革, 为我国的建筑工业化加油助力。