馬智亮， 馬健坤

(清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084)

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消除建筑工程設(shè)計變更的定量激勵機制

馬智亮， 馬健坤

(清華大學(xué) 土木水利學(xué)院，北京 100084)

設(shè)計變更是建筑工程成本超預(yù)算的主要原因.國外興起的集成項目交付(IPD)模式可消除設(shè)計變更，主要是因為采用基于IPD原則建立的激勵機制使設(shè)計階段就加入項目的施工方積極協(xié)助設(shè)計方優(yōu)化設(shè)計.在先前的研究中，適應(yīng)我國建筑工程實際、定性的、基于IPD消除設(shè)計變更的激勵機制已被建立.概述該定性激勵機制，通過分析我國建筑工程施工方和設(shè)計方消除設(shè)計變更的特征，建立定量激勵機制，利用實際項目數(shù)據(jù)驗證該定量激勵機制的有效性.

集成項目交付； 建筑信息模型； 設(shè)計變更； 激勵機制； 工程結(jié)算

建筑工程的設(shè)計變更是指在施工合同履行過程中，由工程不同參與方提出，最終由設(shè)計方以設(shè)計變更或設(shè)計補充文件形式發(fā)出的工程變更指令[1].成本超預(yù)算是我國建筑工程中出現(xiàn)的主要問題之一，設(shè)計變更是成本超預(yù)算的主要原因[2].因為設(shè)計變更發(fā)生時，部分工程已經(jīng)完工，所以它們引起的返工或者窩工會增加建造成本、降低工程質(zhì)量和拖延工期[3].可見，按照設(shè)計變更的定義，針對它們修改圖紙是必要的，而相應(yīng)的施工改變對于建造成本卻是有害的.為打破上述矛盾，必須在施工前發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計變更并修改圖紙，從而阻止設(shè)計變更在施工中發(fā)生.然而，在我國建筑工程實踐中，一般以被動方式處理設(shè)計變更，即在變更發(fā)生后先確定責(zé)任再賠償.這種被動處理設(shè)計變更的方式不僅破壞參與方協(xié)作關(guān)系[4]，更重要的是不能在施工前主動預(yù)防設(shè)計變更在施工中發(fā)生.

國外興起的集成項目交付(integrated project delivery, IPD)模式已經(jīng)展現(xiàn)出解決多種建筑工程問題的能力，包括消除設(shè)計變更.美國AIA(American Institute of Architects)將IPD定義為一種集成人員、系統(tǒng)、知識和經(jīng)驗，能夠減少浪費、降低成本、減少返工、縮短工期和提升建筑物使用價值的建筑項目交付模式[5].Asmar通過分析比較包含10個實施IPD模式的項目(以下簡稱IPD項目)的35個美國工程實例，發(fā)現(xiàn)IPD模式不僅能提高工程質(zhì)量、縮短工期，還能消除幾乎全部工程設(shè)計變更[6].在國外，IPD模式效果顯著的原因是施工方在設(shè)計階段早期就參與項目，在基于利益分享和財務(wù)公開等IPD原則建立的激勵機制下，協(xié)助設(shè)計方全面優(yōu)化設(shè)計，包括消除潛在設(shè)計變更[7].遵循以上兩條原則按固定比例在建設(shè)方、設(shè)計方和施工方之間分配新增利潤是國外IPD項目普遍使用的激勵機制.美國和英國的行業(yè)協(xié)會建議在項目準(zhǔn)備階段就確定按何種比例分配新增利潤[5,8-9].澳大利亞財政部推薦了在公共項目上確定新增利潤分配比例的方法[10].為獲得法律強制力支持，已經(jīng)確定新增利潤分配比例的激勵機制必須寫入IPD項目合同或合同附件中[11-13].Jung使用囚徒困境模型推斷按固定比例分配利潤的激勵機制是有效的[14].據(jù)文獻，美國至少有14個IPD項目因為使用這種激勵機制而獲得顯著經(jīng)濟效益[11，16-17].然而，由于我國建筑業(yè)競爭激烈，施工方主要依賴設(shè)計變更獲得利潤，所以施工方不但不可能按IPD原則公開財務(wù)，而且即使參與設(shè)計階段，施工方也不愿主動消除設(shè)計變更.因此，我國建筑工程不能照搬國外IPD項目激勵機制消除設(shè)計變更.筆者等在先前的研究中，立足我國國情，建立了定性的、基于IPD消除設(shè)計變更的激勵機制[18].但是，在建筑工程實踐中，需要定量的、被驗證為有效的激勵機制.

本文旨在闡述在該激勵機制的基礎(chǔ)上建立的定量激勵機制.首先概述定性的激勵機制，然后通過分析我國建筑工程施工方和設(shè)計方消除設(shè)計變更的特征，建立以該激勵機制為基礎(chǔ)的定量化的激勵機制，最后利用實際項目數(shù)據(jù)驗證了該定量激勵機制的有效性.

1　定性激勵機制概述

對于該定性激勵機制，基于IPD意味著兩點，一是施工方在設(shè)計階段早期就參加項目；二是在設(shè)計階段設(shè)計方使用BIM(building information modeling)技術(shù)完成設(shè)計，施工方基于BIM模型提出改進建議.一般地，利用BIM技術(shù)，例如基于BIM模型進行沖突檢查[15]，使設(shè)計方有能力發(fā)現(xiàn)并消除比較嚴(yán)重的潛在設(shè)計變更.同時，為在投標(biāo)時估算包含設(shè)計變更獲利的實際利潤，施工方必然有能力依靠施工經(jīng)驗從圖紙中發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計變更.因此，基于IPD的激勵機制的核心功能是，在項目管理上促使設(shè)計方和施工方主動消除所有借助BIM技術(shù)和施工經(jīng)驗可事先發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更[18].

該定性激勵機制是在分析一個已竣工別墅項目A標(biāo)段的工程結(jié)算書的基礎(chǔ)上建立起來的.首先從中提取設(shè)計變更相關(guān)數(shù)據(jù)，計算每項設(shè)計變更的合價，然后按其合價從小到大順序排列，繪制設(shè)計變更合價分布曲線，如圖1所示.該曲線是一個下凹曲線，這是使用該激勵機制的必要條件.該定性激勵機制的總體思路是，通過補償設(shè)計方和施工方使他們分工協(xié)作消除設(shè)計變更，這意味著圖1中展示的設(shè)計變更被分為兩部分，一部分是“高”的，由設(shè)計方負責(zé)解決，另一部分是“寬”的，由施工方負責(zé)解決.

圖1　別墅項目中設(shè)計變更的合價

補償設(shè)計方的辦法是，建設(shè)方將給予設(shè)計方的設(shè)計費分為兩部分，即原有普通設(shè)計費和新增的、充當(dāng)保證金的固定總額補償E；取圖1中方框內(nèi)設(shè)計變更合價的最小值為最大容許損失值C，建設(shè)方對損失額大于C的設(shè)計變更零容忍，即只有施工階段不發(fā)生損失額大于C的設(shè)計變更，設(shè)計方才能在竣工后獲得E.因為BIM技術(shù)使設(shè)計方有能力發(fā)現(xiàn)并消除這種設(shè)計變更，設(shè)計方一定會使用BIM技術(shù)，所以E必須高于使用BIM技術(shù)的成本.

補償施工方的辦法是，建設(shè)方首先公布固定單價補償P，用于補償施工方因上報每項潛在設(shè)計變更而損失的預(yù)期利潤.可以推斷，在審查圖紙時，施工方會將每個潛在設(shè)計變更的預(yù)期利潤與該單價進行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)低于該單價時，就將它上報給設(shè)計方.當(dāng)設(shè)計方核實并修正施工方上報的設(shè)計變更后，建設(shè)方再根據(jù)核實后的有效上報總數(shù)計算補償施工方的總金額.如圖1所示，為促使施工方將其發(fā)現(xiàn)的、合價小于最大容許損失值C的潛在設(shè)計變更全部上報，固定單價補償P必須高于最大容許損失值C與總承包合同中利潤率的乘積，因為在工程實踐中，施工方利用某項設(shè)計變更的獲利一般由該項設(shè)計變更導(dǎo)致的成本增加與利潤率的乘積決定.

2　激勵機制參數(shù)的計算方法

為實施該激勵機制，建設(shè)方必須確定它的3個參數(shù)，即C和針對設(shè)計方的E，以及針對施工方的P.以下將分析并確定這些參數(shù)的計算方法，從而建立定量激勵機制.

2.1每項設(shè)計變更的最大容許損失值

首先假設(shè)，新建項目與已竣工項目在設(shè)計變更導(dǎo)致?lián)p失上遵循相同規(guī)律.為此，可以利用已竣工項目的結(jié)算數(shù)據(jù)確定C的計算方法.本文將在第3.1節(jié)驗證該假設(shè).

因為建設(shè)方給予施工方的P由C決定，且隨其增大而增大，所以施工方希望由建設(shè)方確定的C盡量大；同時，因為C越小設(shè)計方不能得到E的風(fēng)險就越高，所以設(shè)計方也希望由建設(shè)方確定的C盡量大；然而，因為降低C可以降低支付給施工方的補償金，所以建設(shè)方希望使C盡量小，但是過小的C會使施工方消極對待該激勵機制，也會使設(shè)計方放棄消除設(shè)計變更的努力，因為失去E從而不能彌補BIM技術(shù)使用成本的風(fēng)險太高.因此，由建設(shè)方確定的C必須保證三方共贏.

如前所述，在該激勵機制下，施工方負責(zé)發(fā)現(xiàn)預(yù)期損失小于C的潛在設(shè)計變更，而設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)預(yù)期損失大于C的潛在設(shè)計變更，所以圖1中合價等于C的設(shè)計變更就是施工方和設(shè)計方的責(zé)任分界點.該責(zé)任分界點在統(tǒng)計指標(biāo)上的特征是，施工方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的合價平均值較小，而設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的合價平均值較大；同時，施工方和設(shè)計方各自負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的合價圍繞其平均值的變化幅度也不應(yīng)該太大，即設(shè)計變更合價的離散程度不能太大.后者可以用統(tǒng)計學(xué)的離散系數(shù)度量，離散系數(shù)越小，表示設(shè)計變更的合價越接近其平均值，如下式：

(1)

式中：V為離散系數(shù)；S為標(biāo)準(zhǔn)差；M為平均值.

因為待發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更總數(shù)固定，所以，當(dāng)降低施工方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的離散系數(shù)時，設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的離散系數(shù)就會升高，反之亦然.因此，本研究將這兩組潛在設(shè)計變更的兩個離散系數(shù)的加權(quán)和定義為全部潛在設(shè)計變更的總離散系數(shù)，兩個權(quán)值是兩組潛在設(shè)計變更各自數(shù)量與潛在設(shè)計變更總數(shù)的比值.如果以某個潛在設(shè)計變更為分界點，使得總離散系數(shù)最小，那么該潛在設(shè)計變更就是責(zé)任分界點，表示設(shè)計方和施工方達到責(zé)任平衡，該潛在設(shè)計變更的合價就是最大容許損失值C，如下式：

(2)

式中：m為待發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的總數(shù)；n為設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的數(shù)量；Vc為施工方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的離散系數(shù)；Vd為設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更的離散系數(shù)，表示當(dāng)設(shè)計方負責(zé)發(fā)現(xiàn)n個潛在設(shè)計變更時，全部潛在設(shè)計變更的總離散系數(shù)；ni表示使總離散系數(shù)最小的n.

圖2是將計算C的方法用于別墅項目的結(jié)果，它的Vn存在最小值，第ni個設(shè)計變更就是責(zé)任分界點，它的合價就是C.

2.2計算應(yīng)給予設(shè)計方的固定總額補償

在該激勵機制下，為保證按圖施工時不發(fā)生損失大于C的設(shè)計變更，設(shè)計方會使用BIM技術(shù).因此，除了原有普通設(shè)計費，建設(shè)方還應(yīng)該按照設(shè)計BIM模型的市場價支付E，用于彌補設(shè)計方使用BIM技術(shù)的成本.本研究收集了由38家設(shè)計院報價的BIM模型設(shè)計費單價數(shù)據(jù)，將它們的平均值5.42元·m-2作為BIM模式設(shè)計費的市場價[19].建設(shè)方可以將如此獲得的設(shè)計BIM模型的市場價與建筑面積的乘積作為E.因為BIM模型設(shè)計費會隨時間變化，所以應(yīng)根據(jù)時價計算應(yīng)給予設(shè)計方的E.

2.3計算應(yīng)給予施工方的固定單價補償

如上所述，目前施工方利用某項設(shè)計變更的獲利是該項設(shè)計變更的合價與總承包合同中利潤率的乘積.在該激勵機制下，因為施工方上報一項設(shè)計變更而損失利潤的最大值是C，并且通過結(jié)合施工經(jīng)驗在設(shè)計方交付的BIM模型上進行沖突檢測和虛擬施工等分析，施工方可以幾乎無成本地找出潛在設(shè)計變更[15]，所以建設(shè)方可以將C與總承包合同中利潤率的乘積作為P.

an和m的含義bn對應(yīng)的離散系數(shù)

圖2別墅項目的總離散系數(shù)曲線

Fig.2Curve of the totalVin villa construction project

2.4基于定量激勵機制的案例分析

作為例子，將上述參數(shù)計算方法應(yīng)用在別墅項目A標(biāo)段中.該標(biāo)段的總建造成本為15 052 300元，設(shè)計變更總額1 020 850.77元.由式(1)和式(2)計算C=29 980.63元；BIM模型設(shè)計費單價5.42元·m-2與該標(biāo)段建筑面積10 034.87 m2的乘積可作為E=54 389.00元；C與施工方利潤率5%的乘積作為固定單價補償P=1 499.03元，施工方上報42項設(shè)計變更，獲得補償金的總額為62 959.26元；除去支付設(shè)計方和施工方的補償金，建設(shè)方獲利903 502.51元.表1給出別墅項目使用該激勵機制，建設(shè)方、設(shè)計方和施工方的預(yù)期新增收益.可見，三方收益均增加.

3　驗證定量激勵機制

本研究分兩步驗證該激勵機制的有效性.首先，本研究專門收集了21份已竣工項目的工程結(jié)算書，通過計算假如使用定量激勵機制時，每個項目中各參與方的預(yù)期新增收益，初步驗證其有效性.然后，本研究通過擬合該激勵機制在22個項目上的參數(shù)，得到針對新建項目的參數(shù)計算公式，并應(yīng)用在某新建綜合科研樓項目中，通過總結(jié)應(yīng)用結(jié)果最終驗證定量激勵機制的有效性.

表1別墅項目參與方使用該激勵機制的預(yù)期新增收益

Tab.1Participants’ prospective additional profits from using incentive mechanism in villa construction project

萬元

3.121個工程實例使用該激勵機制的效果

本研究專門收集了21個已竣工的工程實例的結(jié)算書.表2從結(jié)算書來源、工程合同價及建筑物類型等三方面展示了這些案例的基本情況.在21個工程實例中設(shè)計變更造成的損失占工程合同價的4%～18%，其中9個實例超過10%.可見，消除設(shè)計變更對于這21個工程實例是非常必要的.

表2　21個工程實例的基本情況

針對每份工程結(jié)算書，本研究將從中提取的設(shè)計變更按其合價從小到大排序并繪圖，發(fā)現(xiàn)全部21個工程實例的設(shè)計變更合價分布曲線都是下凹的，即每個工程實例都符合使用該激勵機制的條件；更重要的是，該分布規(guī)律與工程合同價和建筑物類型無關(guān).

假設(shè)每個工程實例都使用該激勵機制，本研究使用前文所述方法求出每個工程的C，P和E，進而計算出建設(shè)方、設(shè)計方和施工方的預(yù)期新增獲利，如圖3所示.圖中橫坐標(biāo)是按工程合同價從小到大排列的工程實例的序號.可見，該激勵機制可為21個工程實例的各參與方均帶來新增獲利；同時，建設(shè)方獲利遠超受其補償?shù)脑O(shè)計方和施工方.因為在21個工程實例中建筑物都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的項目均可使用該激勵機制.

3.2在新建項目中使用該激勵機制的效果

為在新建項目中使用該定量激勵機制，必須首先為新建項目確定合適的C，E和P.因為E可以由設(shè)計BIM模型的市場價與建筑面積的乘積算出，P可以由C與工程承包合同中利潤率的乘積算出，所以新建項目只需計算出C即可.

為此，嘗試根據(jù)上述22個工程實例的數(shù)據(jù)(包括用于案例分析的1個工程實例和用于檢驗的21個工程實例)，建立C與合同價的關(guān)系，如圖4所示.以工程合同價為自變量，以C為因變量，本研究擬合由22個C和22個工程合同價組成的22個數(shù)據(jù)點，得到擬合直線如下式：

a 建設(shè)方

b 設(shè)計方

c 施工方

C=0.000 220 304Cp+5 964.38

(3)

式中：C表示最大容許損失值；Cp表示工程合同價.

圖4　從22個工程實例擬合最大容許損失值

該定量激勵機制應(yīng)用于一個建設(shè)方自有自營的鋼筋混凝土綜合科研樓新建項目.由于我國目前沒有支持IPD模式的標(biāo)準(zhǔn)合同，所以該建設(shè)方的房地產(chǎn)子公司利用母公司的內(nèi)部行政文件與建筑設(shè)計院和施工總承包事業(yè)部構(gòu)建符合IPD模式的權(quán)責(zé)關(guān)系

和項目組織結(jié)構(gòu).因為該項目的工程合同價是4億元，所以由式(3)算出C=94 085.98元；因為該項目總建筑面積是80 498 m2，并且已知我國BIM模型設(shè)計費的市場價平均值是5.42元·m-2，所以E=436 299.16元；因為施工方利潤率在總承包合同中約定為3.5%，所以P=3 293.01元.

目前，該項目即將竣工交付使用.這里通過分析該項目數(shù)據(jù)檢驗該定量激勵機制，如表3所示.建筑設(shè)計院總計發(fā)現(xiàn)99處潛在設(shè)計變更，并使得施工中沒有發(fā)生損失大于94 085.98元的設(shè)計變更.最后它按約定可從房地產(chǎn)子公司獲得436 299.16元補償金.施工總承包事業(yè)部總計上報98處潛在設(shè)計變更，因為固定補償單價是3 293.01元，它從房地產(chǎn)子公司獲得322 714.98元補償金.最后，按照工程造價部門估算，消除197處設(shè)計變更總計挽回11 335 180元損失，除去支付建筑設(shè)計院和施工總承包事業(yè)部的補償金，房地產(chǎn)子公司實際節(jié)約10 576 165.86元資金.可見，該激勵機制是有效的，它能夠保證參與方實現(xiàn)經(jīng)濟共贏.

表3綜合科研樓項目使用該激勵機制的效果

Tab.3Results of applying incentive mechanism to comprehensive building project for research

序號效果分項數(shù)量/項金額/萬元1設(shè)計院發(fā)現(xiàn)設(shè)計變更2總承包事業(yè)部發(fā)現(xiàn)設(shè)計變更3技術(shù)專業(yè)節(jié)約成本4各參與方新增獲利建筑與結(jié)構(gòu)碰撞66凈高相關(guān)23幕墻相關(guān)4建筑設(shè)計相關(guān)4其他2機電與結(jié)構(gòu)碰撞55建筑與結(jié)構(gòu)碰撞23凈高相關(guān)20機電專業(yè)548.40給排水與暖通專業(yè)325.63建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)259.49房地產(chǎn)公司1057.62建筑設(shè)計院43.63總承包事業(yè)部32.27

4　結(jié)語

在先前研究建立的基于IPD消除我國建筑工程設(shè)計變更定性激勵機制的基礎(chǔ)上，本文通過分析我國建筑工程施工方和設(shè)計方消除設(shè)計變更的特征，建立了基于IPD的定量激勵機制，用于主動消除所有借助BIM技術(shù)和工程經(jīng)驗可被事先發(fā)現(xiàn)的潛在設(shè)計變更.在利用工程合同價最高2.1億元，建筑類型涉及住宅、工業(yè)廠房、教學(xué)樓、綜合辦公樓、綜合商場和醫(yī)院的21份已竣工項目結(jié)算數(shù)據(jù)，初步驗證該定量激勵機制的有效性后，又通過在一個工程合同價4億元的綜合科研樓新建工程中使用該機制，最終驗證了其有效性.可見，該定量激勵機制可應(yīng)用在工程合同價低于4億元的混凝土結(jié)構(gòu)建筑工程中消除設(shè)計變更，對于其他結(jié)構(gòu)的建筑工程，可以用類似的方法建立對應(yīng)的定量的激勵機制.

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A Quantitative Incentive Mechanism to Eliminate Change Orders in Construction Projects

MA Zhiliang, MA Jiankun

(School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Change orders are the main cause of over budget cost. A project delivery mode called IPD (Integrated Project Delivery) can eliminate change orders in foreign construction projects, because its internal incentive mechanism based on principles of IPD can prompt contractors participating in the design phase to assist designers in optimizing design actively. In previous study, an IPD-based qualitative incentive mechanism adapting the situation of construction projects in China was established to eliminate change orders. First, this paper summarized the qualitative incentive mechanism. Then, by analyzing the characteristics of change orders that would be eliminated by designers and contractors in China, established a quantitative incentive mechanism based on the qualitative one. Finally, it verified the effectiveness of the quantitative incentive mechanism with the financial data of actual projects.

integrated project delivery (IPD); building information modeling (BIM); change orders; incentive mechanism; project settlement

2015-10-27

國家自然科學(xué)基金(51078201)

馬智亮(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用.

E-mail: mazl@tsinghua.edu.cn

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