基于KanBIM和物联网的施工物料管控平台研究

公婷婷 苏振民

摘  要： 針对我国施工物料管理存在物料需求计划不精确，项目部与供应商之间没有统一有效的信息共享平台，物料不能高效配合施工等问题，提出运用KanBIM和物联网技术构建精益物料管控平台。利用KanBIM内置的最后计划者体系（LPS）制定拉式、精确的物料需求计划。同时，引入物联网技术对物料进行实时追踪管理，结合KanBIM对施工过程的可视化功能，安排即将进场的物料直接运送到相应的工作面，实现准时、拉式、协同的施工过程精益物料管控。为进一步提升建筑施工效率、实现精益建造提供基础。

关键词： 施工物料管控; KanBIM; 物联网; 物料管控平台; 需求计划;实时追踪管理

中图分类号： TN911?34; TU71                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）17?0016?04

Abstract： Since the construction material control in China has some problems that construction material demand planning is inaccurate， there is no unified and effective information sharing platform between the project departments and suppliers， and the material flow can not cooperate with the construction efficiently， the establishment of lean material management and control platform using KanBIM and Internet of Things （IoT） technology is proposed in this paper. The last planner system （LPS） built in KanBIM is used to make a pulling mode and accurate material demand plan. In this plan， the IoT technology is introduced to track and manage the material flow in real time， and the visualization function of KanBIM in construction process is combined to arrange the upcoming materials to be transported directly to the working spot of the corresponding construction process for realization of punctual， pulling and synergistic lean material control in the process of construction. It provides a basis for improving the efficiency of construction and realizing the lean construction.

Keywords： construction material control; KanBIM; IoT; material control platform; demand planning; real?time tracking management

0  引  言

建筑施工物料的种类繁多、需求量大、使用时间不明确、物料不能精准供应是建筑行业的效率明显低于制造业的主要原因之一，提高物料管控水平是提升建筑效率的关键。目前，国内施工物料管理方面存在的问题有：物料需求信息不够细化、做不到拉式;物料信息和现场施工信息往往存在于不同的系统，供应商无法及时获得精准的物料需求信息[1];物料信息没有及时获取和处理[2]，无法与项目信息及时对接，物料不能准确送达相应工作面。

为提高物料管理效率，许多学者把焦点集中在信息协同上来构建管控平台，如文献[3]设计了基于BIM的建筑供应链的信息流模型基本架构，试图把BIM应用于建筑供应链信息流管理。而文献[4]认为BIM中只包含与项目本身有关的信息，没有涉及与施工现场工作及工作流相关的信息，因此，依然不能做到物料需求计划的拉式。由此，文献[5]引入国外KanBIM技术，构建基于KanBIM的项目信息协同模型来提高信息的传递效率，促进施工方和供应方的协作，实现更有效的管控。KanBIM内置的最后计算者体系（Last Planner System，LPS）是目前制定拉式物料需求计划的先进计划体系，文献[6]在分析支持该体系的技术和方法的基础上，认为利用KanBIM可以实现项目管理过程的可视化，这为施工过程的管控提供了基础。

针对施工物料流信息的获取问题，物联网技术的应用可以妥善解决。物联网能够实现物品的自动识别与信息实时共享，对于物料的全过程跟踪监控及供应链的可视化具有重要意义[7]。作为国家大力推动的新兴技术，物联网在建筑行业已经有了实践应用，主要体现在：对供应链和库存的协同管理、对工程质量的监控、对施工的安全管控、建筑能耗的监测和智能建筑等方面。

综上可见，KanBIM技术能实现对施工现场工作状态和工作流的可视化，结合工作状态和BIM模型真正实现LPS拉动物料需求计划，物联网技术可以对物料进行跟踪可视化管理，因此，本文将KanBIM技术与物联网技术结合，获取和传递物料需求信息和物料信息，构建准时、拉式的施工过程物料管控平台，实现物料的精益化管控。

1  KanBIM和物联网技术的内涵

1.1  KanBIM系统

KanBIM是由Rafael Sacks团队开发的包括程序、软件和硬件的管理信息系统，它包括内部系统（BIM数据库包括生产模型、过程模型和状态模型）和外部系统（用户界面）两部分，并内置LPS体系。该系统引用了精益建设原则、建设信息技术（BIM）和看板，是信息技术与管理方法的融合。它可以提供一个详细的生产计划和控制工作流程，可以处理施工管理中的变更和“流”方面的问题，用来支持在建筑工地的精益工作流程控制，有助于短期的工作规划和监测，提供清晰成熟的计划任务和正在进行的工作状态的可视化。

KanBIM系统开发的功能需求划分为7个主要方面：过程可视化，产品和方法可视化，工作包或任务期限的计算和显示，支持计划、谈判、承诺和状态反馈，实施拉式流控制，维护工作流和计划的稳定性，形成持续改进的不断实验。

1.2  物联网技术

物联网（Internet of Things，IoT）是指在信息网络的基础上，利用数据采集技术和传感技术，按照标准化的协议进行物品与网络的连接，以实现对物品的识别、定位、跟踪、监控和管理的智能化网络系统[8]。文献[9]把物联网分成四层：感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术和无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术是物联网的核心技术，RFID也是目前应用研究最为广泛的技术。

1.2.1  RFID技术

典型的RFID技术包含标签、阅读器和天线3个组成部分，其工作原理是把无线电信号转换成电磁场，把数据从镶嵌在物品表面或物品内部上的标签传送出去。阅读器可以接收、识别其信息并追踪该物品，而包含了電子存储信息的标签，可根据工作频率在不同范围内进行识别。目前，RFID技术应用已经普及，并在生活中常见的管理、防伪、追踪、识别等方面广为使用[10]。

1.2.2  WSN技术

WSN是一种分布式传感网络，其网络设置灵活、设备随时调换。WSN所具有的传感器类型众多、功能强大、使用范围广，可有效探测包括电磁、地震、压力、噪声、温度、湿度、土壤成分、光强度以及移动物体的大小、速度和方向等各种物理现象，还可在智能交通、军事领域、环境监控、医疗卫生等多个领域发挥巨大作用[11]。WSN的特点包括：大规模、自组织、动态性、可靠性、以数据为中心、集成化、具有密集的节点布置、协作方式执行任务。

1.2.3  物联网数据交换标准

物联网应用层中相关数据的交换标准纷繁复杂，没有统一的HTML式的数据交换标准是物联网发展的一大瓶颈。数据交换标准对物联网数据和各个应用端能否交互起到决定性作用，是物联网集成应用的关键所在[12]。数据交换标准主要应用在物联网的应用层和感知层，配合传输层通道。

2  基于KanBIM和物联网技术的施工过程物料管控平台

2.1  KanBIM和物联网技术结合的必要性分析

纵然KanBIM系统在施工管理方面有着强大的功能，但针对物料的管理功能还有待完善，需要借助物联网技术来实现，主要体现如下：

1） KanBIM技术尚未克服建筑供应链中复杂的、分布式的信息系统问题，对于企业内部和企业之间的信息系统来说，具备高抽象层次的信息接口至关重要。而通过统一物联网标准，可以为任何类型的系统或智能产品间任何信息类型的交换提供充分的通用接口[1]。

2） KanBIM系统中内置LPS计划体系和BIM模型，实现了对产品模型和实际工作流的可视化，也能根据现场可触控大屏幕上的反馈信息及时调整改进计划，但欠缺对物料的可视化功能。通过整合物联网获取的物料信息可以弥补这一欠缺，向建筑供应链的全面管理更进一步，提高施工效率。

3） 物联网技术在物流领域的应用逐渐趋于成熟，其对物流信息的获取和传输功能较其他技术有显著优势，但想在建筑领域发挥效用，还需在应用层面与合适的系统进行集成，以便于信息的全面集成、处理和应用。

因此，本文借助物联网技术弥补KanBIM对物料可视化的欠缺。

2.2  基于KanBIM和物联网技术的物料管控平台构建

本文拟构建的物料管控平台通过物联网技术建立统一的数据交换接口，拟构建的物料管控平台框架见图1。

利用物联网结构中的感知层实现对建筑物料的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理;利用网络层向下与感知层结合，向上与应用层链接，实现项目部和供应商的网络融合;利用应用层中央处理器与KanBIM系统结合，将KanBIM的内部系统与物联网应用层融合，实现信息的集成、处理和分析，提供物料在施工过程中的可视化管控。KanBIM的外部系统（现场可触控显示屏和用户界面）可以通过内部系统获取由物联网技术感知层获取的物料信息;供应商通过用户界面获取到实时的工作流信息和精准的物料需求计划。

3  基于物料管控平台的运行

3.1  基于物料管控平台的运行过程

基于物料管控平台的施工物料管控过程如图2所示。在整个施工过程中所有物料开始流动之前，项目相关信息集成到KanBIM系统中，由LPS编制施工计划。一方面，由此导出物料需求计划，供应商信息系统接收该计划，开始制定生产计划和供应计划，安排发货和运输，并由物联网技术将物料运输信息传至KanBIM系统;另一方面，KanBIM系统将施工计划和施工物料信息展示给现场施工工人指导施工，现场工人和机械进行施工准备，当物料到达现场并且准备工作完成时，工序开始。在工序结束后反馈工序状态到KanBIM系统中，更新施工进度并允许开始下一工序。

3.2  物料管控平台的功能

3.2.1  信息集成

本文将KanBIM的内部系统作为物料管控平台的核心，获取由业主、供应商、设计方、施工方提供的建筑模型信息，该部分信息在施工前就已经导入系统，并在施工过程中可以调整更新。工作流信息和工作状态信息等施工相关信息在施工过程中实时收集，由现场人员在一项工作状态发生变化时，通过现场大屏幕的触控功能对工作状态进行更改。

库存信息由KanBIM系统对接供应商信息系统获取。在途物料信息由物联网技术提供，在物联网感知层的各个运输车辆、现场临时存放点、工作面上都装有RFID阅读器，可以精准获取带有RFID标签的物料信息（包括物料的种类、型号、数量、供应时间和供应位置，特殊物料还包括温度、湿度等信息），经过数据处理后由网络层传送至应用层，通过物联网标准提供的数据接口与KanBIM系统融合，将此信息集成和处理，实现物料可视化。

3.2.2  制定计划

在全面收集项目有关信息的基础上，运用LPS计划控制体系制定详细的物料需求计划，结合现场施工位置信息，将物料需求时间和相应工作面的位置信息附在物料需求清单的后面（即改进的物料需求清单包括物料种类、型号参数、数量、送达时间、送达位置、质量参数等信息）。在KanBIM和物联网技术的支持下，物料需求的拉式计划可以将计划精确到小时。

3.2.3  信息协同

项目各参与方通过KanBIM系统分设的独立端口实时获取项目有关信息，各项目参与方不仅可以及时了解到所需信息，还可以在权限内对项目进行变更，各项目方能够通过KanBIM系统对变更进行协商和建议。KanBIM系统集成处理所获取信息并将最新信息推送给需要的人员（如项目经理、施工班组长、材料管理人员等）。现场大屏幕作为外部系统，向施工现场工人展示施工计划信息、模型信息以及物料供应信息，同时，及时获取现场工作状态信息，并传送到内部系统，实现现场与非现场的信息全面协同。

3.2.4  变更处理

当一项变更发生前，KanBIM系统可以提供一个多方参与的变更协商平台，借助平台中的模型，各参与方可以清晰了解到变更的内容，也可以提出相关意见。变更发生后，业主、设计方和施工方都可以根据实际资源约束和变更后的需求对物料需求计划做出调整，KanBIM系统中的物料需求计划也会相应改变，保证了供应商和物料管理相关人员掌握最新、最准确的信息[9]。

3.2.5  效果分析和问题纠偏

每一项任务完成后，系统会自动分析计划完成百分比（Percent Plan Complete，PPC），这可以反映出计划的有效程度和可信程度。在此基础上，LPS根据计划的执行效果不断调整计划，这是一个对计划不断优化的过程。

4  结  语

信息技术的发展对管理方法的有效实施创造了无限可能，在精益建造理念下，将KanBIM与物联网技术应用在施工管理中，可以实现信息协同、拉式计划和可视化管理，进而实现精益建造。本文仅针对施工物料的管控进行了探讨，初步实现了物料的精益化，对精益物料的深入研究和实现提供了支持。有关资金流的融入以及该平台对施工的全面管控将在后续研究中继续讨论。

注：本文通讯作者为苏振民。

参考文献

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[2] 孙一赫.基于无线射频识别技术的施工物料管理方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[3] 许俊青，陆惠民.基于BIM的建筑供应链信息流模型的应用研究[J].工程管理学报，2011，25（2）：138?142.

[4] 郭玉瑩，刘全.基于KanBIM与WSN的施工项目安全预警系统构建研究[J].工程管理学报，2016，30（3）：127?132.

[5] 郭玉莹，苏振民.IPD模式下基于KanBIM的项目信息协同管理研究[J].施工技术，2016，45（18）：58?62.

[6] SACKS R， TRECKMANN M， ROZENFELD O. Visualization of work flow to support lean construction [J]. Journal of construction engineering & management， 2009， 135（12）： 1307?1315.

[7] 王连月.基于物联网的建筑供应链协同管理研究[J].建筑经济，2014（6）：104?106.

[8] 张培英.物联网中的物品编码[J].物流技术，2014（12）：105?107.

[9] 刘云浩.物联网导论[M].2版.北京：科学出版社，2013.

[10] 魏香梅.基于RFID技术的物流管理信息系统研发[J].科技创业月刊，2015，28（11）：64?65.

[11] 黄河清.基于WSN的变电所监控系统的研发[J].电源技术，2015，39（5）：1079?1080.

[12] 郭晓彤.物联网开源数据交换标准BITXML研究[J].物联网技术，2012（5）：68?69.