消除建筑工程設計變更的定量激勵機制

馬智亮， 馬健坤

(清華大學 土木水利學院，北京 100084)

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消除建筑工程設計變更的定量激勵機制

馬智亮， 馬健坤

(清華大學 土木水利學院，北京 100084)

設計變更是建筑工程成本超預算的主要原因.國外興起的集成項目交付(IPD)模式可消除設計變更，主要是因為采用基于IPD原則建立的激勵機制使設計階段就加入項目的施工方積極協助設計方優化設計.在先前的研究中，適應我國建筑工程實際、定性的、基于IPD消除設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計方消除設計變更的特征，建立定量激勵機制，利用實際項目數據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； 設計變更； 激勵機制； 工程結算

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

國外興起的集成項目交付(integrated project delivery, IPD)模式已經展現出解決多種建筑工程問題的能力，包括消除設計變更.美國AIA(American Institute of Architects)將IPD定義為一種集成人員、系統、知識和經驗，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，發現IPD模式不僅能提高工程質量、縮短工期，還能消除幾乎全部工程設計變更[6].在國外，IPD模式效果顯著的原因是施工方在設計階段早期就參與項目，在基于利益分享和財務公開等IPD原則建立的激勵機制下，協助設計方全面優化設計，包括消除潛在設計變更[7].遵循以上兩條原則按固定比例在建設方、設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.美國和英國的行業協會建議在項目準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濟效益[11，16-17].然而，由于我國建筑業競爭激烈，施工方主要依賴設計變更獲得利潤，所以施工方不但不可能按IPD原則公開財務，而且即使參與設計階段，施工方也不愿主動消除設計變更.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計方消除設計變更的特征，建立以該激勵機制為基礎的定量化的激勵機制，最后利用實際項目數據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，一是施工方在設計階段早期就參加項目；二是在設計階段設計方使用BIM(building information modeling)技術完成設計，施工方基于BIM模型提出改進建議.一般地，利用BIM技術，例如基于BIM模型進行沖突檢查[15]，使設計方有能力發現并消除比較嚴重的潛在設計變更.同時，為在投標時估算包含設計變更獲利的實際利潤，施工方必然有能力依靠施工經驗從圖紙中發現潛在設計變更.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計方和施工方主動消除所有借助BIM技術和施工經驗可事先發現的潛在設計變更[18].

該定性激勵機制是在分析一個已竣工別墅項目A標段的工程結算書的基礎上建立起來的.首先從中提取設計變更相關數據，計算每項設計變更的合價，然后按其合價從小到大順序排列，繪制設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，通過補償設計方和施工方使他們分工協作消除設計變更，這意味著圖1中展示的設計變更被分為兩部分，一部分是“高”的，由設計方負責解決，另一部分是“寬”的，由施工方負責解決.

圖1　別墅項目中設計變更的合價

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

補償施工方的辦法是，建設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計變更而損失的預期利潤.可以推斷，在審查圖紙時，施工方會將每個潛在設計變更的預期利潤與該單價進行比較，當發現低于該單價時，就將它上報給設計方.當設計方核實并修正施工方上報的設計變更后，建設方再根據核實后的有效上報總數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現的、合價小于最大容許損失值C的潛在設計變更全部上報，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，施工方利用某項設計變更的獲利一般由該項設計變更導致的成本增加與利潤率的乘積決定.

2　激勵機制參數的計算方法

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

2.1每項設計變更的最大容許損失值

首先假設，新建項目與已竣工項目在設計變更導致損失上遵循相同規律.為此，可以利用已竣工項目的結算數據確定C的計算方法.本文將在第3.1節驗證該假設.

因為建設方給予施工方的P由C決定，且隨其增大而增大，所以施工方希望由建設方確定的C盡量大；同時，因為C越小設計方不能得到E的風險就越高，所以設計方也希望由建設方確定的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，也會使設計方放棄消除設計變更的努力，因為失去E從而不能彌補BIM技術使用成本的風險太高.因此，由建設方確定的C必須保證三方共贏.

如前所述，在該激勵機制下，施工方負責發現預期損失小于C的潛在設計變更，而設計方負責發現預期損失大于C的潛在設計變更，所以圖1中合價等于C的設計變更就是施工方和設計方的責任分界點.該責任分界點在統計指標上的特征是，施工方負責發現的潛在設計變更的合價平均值較小，而設計方負責發現的潛在設計變更的合價平均值較大；同時，施工方和設計方各自負責發現的潛在設計變更的合價圍繞其平均值的變化幅度也不應該太大，即設計變更合價的離散程度不能太大.后者可以用統計學的離散系數度量，離散系數越小，表示設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；S為標準差；M為平均值.

因為待發現的潛在設計變更總數固定，所以，當降低施工方負責發現的潛在設計變更的離散系數時，設計方負責發現的潛在設計變更的離散系數就會升高，反之亦然.因此，本研究將這兩組潛在設計變更的兩個離散系數的加權和定義為全部潛在設計變更的總離散系數，兩個權值是兩組潛在設計變更各自數量與潛在設計變更總數的比值.如果以某個潛在設計變更為分界點，使得總離散系數最小，那么該潛在設計變更就是責任分界點，表示設計方和施工方達到責任平衡，該潛在設計變更的合價就是最大容許損失值C，如下式：

(2)

式中：m為待發現的潛在設計變更的總數；n為設計方負責發現的潛在設計變更的數量；Vc為施工方負責發現的潛在設計變更的離散系數；Vd為設計方負責發現的潛在設計變更的離散系數，表示當設計方負責發現n個潛在設計變更時，全部潛在設計變更的總離散系數；ni表示使總離散系數最小的n.

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

2.2計算應給予設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生損失大于C的設計變更，設計方會使用BIM技術.因此，除了原有普通設計費，建設方還應該按照設計BIM模型的市場價支付E，用于彌補設計方使用BIM技術的成本.本研究收集了由38家設計院報價的BIM模型設計費單價數據，將它們的平均值5.42元·m-2作為BIM模式設計費的市場價[19].建設方可以將如此獲得的設計BIM模型的市場價與建筑面積的乘積作為E.因為BIM模型設計費會隨時間變化，所以應根據時價計算應給予設計方的E.

2.3計算應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計變更的獲利是該項設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計變更而損失利潤的最大值是C，并且通過結合施工經驗在設計方交付的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計變更[15]，所以建設方可以將C與總承包合同中利潤率的乘積作為P.

an和m的含義bn對應的離散系數

圖2別墅項目的總離散系數曲線

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，將上述參數計算方法應用在別墅項目A標段中.該標段的總建造成本為15 052 300元，設計變更總額1 020 850.77元.由式(1)和式(2)計算C=29 980.63元；BIM模型設計費單價5.42元·m-2與該標段建筑面積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項設計變更，獲得補償金的總額為62 959.26元；除去支付設計方和施工方的補償金，建設方獲利903 502.51元.表1給出別墅項目使用該激勵機制，建設方、設計方和施工方的預期新增收益.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，得到針對新建項目的參數計算公式，并應用在某新建綜合科研樓項目中，通過總結應用結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算書.表2從結算書來源、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

針對每份工程結算書，本研究將從中提取的設計變更按其合價從小到大排序并繪圖，發現全部21個工程實例的設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，該分布規律與工程合同價和建筑物類型無關.

假設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，進而計算出建設方、設計方和施工方的預期新增獲利，如圖3所示.圖中橫坐標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，建設方獲利遠超受其補償的設計方和施工方.因為在21個工程實例中建筑物都是鋼筋混凝土結構，所以鋼筋混凝土結構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，嘗試根據上述22個工程實例的數據(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個數據點，得到擬合直線如下式：

a 建設方

b 設計方

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

該定量激勵機制應用于一個建設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模式的標準合同，所以該建設方的房地產子公司利用母公司的內部行政文件與建筑設計院和施工總承包事業部構建符合IPD模式的權責關系

和項目組織結構.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據檢驗該定量激勵機制，如表3所示.建筑設計院總計發現99處潛在設計變更，并使得施工中沒有發生損失大于94 085.98元的設計變更.最后它按約定可從房地產子公司獲得436 299.16元補償金.施工總承包事業部總計上報98處潛在設計變更，因為固定補償單價是3 293.01元，它從房地產子公司獲得322 714.98元補償金.最后，按照工程造價部門估算，消除197處設計變更總計挽回11 335 180元損失，除去支付建筑設計院和施工總承包事業部的補償金，房地產子公司實際節約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經濟共贏.

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

序號效果分項數量/項金額/萬元1設計院發現設計變更2總承包事業部發現設計變更3技術專業節約成本4各參與方新增獲利建筑與結構碰撞66凈高相關23幕墻相關4建筑設計相關4其他2機電與結構碰撞55建筑與結構碰撞23凈高相關20機電專業548.40給排水與暖通專業325.63建筑與結構專業259.49房地產公司1057.62建筑設計院43.63總承包事業部32.27

4　結語

在先前研究建立的基于IPD消除我國建筑工程設計變更定性激勵機制的基礎上，本文通過分析我國建筑工程施工方和設計方消除設計變更的特征，建立了基于IPD的定量激勵機制，用于主動消除所有借助BIM技術和工程經驗可被事先發現的潛在設計變更.在利用工程合同價最高2.1億元，建筑類型涉及住宅、工業廠房、教學樓、綜合辦公樓、綜合商場和醫院的21份已竣工項目結算數據，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用在工程合同價低于4億元的混凝土結構建筑工程中消除設計變更，對于其他結構的建筑工程，可以用類似的方法建立對應的定量的激勵機制.

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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

國家自然科學基金(51078201)

馬智亮(1963—)，男，教授，博士生導師，工學博士，主要研究方向為信息技術在土木工程中的應用.

E-mail: mazl@tsinghua.edu.cn

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