川藏铁路建设预制化生产物流运作管理模式研究

汪恭书，殷振豪，蔡超勋，常 凯，赵 任

（1. 智能工业数据解析与优化教育部重点实验室（东北大学），辽宁 沈阳 110919，E-mail wanggongshu@ise.neu.edu.cn；2. 辽宁省智能工业数据解析与优化工程实验室，辽宁 沈阳 110919；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；4. 东北大学 工业与系统工程研究所，辽宁 沈阳 110919）

川藏铁路建设是一项质量要求高、工期严格、 投资成本巨大的超级工程。为在规定工期内高质量完成工程建设，降低投资成本，需要在施工中广泛应用各种先进的施工技术和科学的工程管理方法。构配件预制化生产是指在工程施工建设前由各专业工厂预先制造好构配件，然后将其运输到施工现场进行装配。构配件在专业预制工厂批量化生产，可以有效减少现场狭窄的施工环境和复杂气候等因素对构配件质量的影响，提高生产效率，加快施工进度。

构配件预制化生产已在我国铁路工程建设中得到了广泛应用。卢春房[1]在铁路工程建设开工标准中提出了“工厂化、机械化、专业化、信息化”的管理理念，倡导对预制梁、钢构件等构配件进行工厂化生产。大西客运专线建设中，对预制构配件全面实行工厂化生产，设计了完整的标准化生产线，提高了生产效率和质量安全[2]。唐元宁等[3]分析了预制化生产技术在高速铁路建设中的特征及优势。京沪高铁的建设中，大量使用的 CRTSⅡ型无砟轨道系统在预制化工厂内生产，保障了轨道系统的质量安全和精度要求[4]。川藏铁路预制化生产物流涉及多个参与主体，为更有效地实现信息共享，需要借助BIM（Building Information Modeling）信息平台进行精细化管理。卢春房[5]指出信息化是支撑铁路工程建设的重要手段，BIM技术需广泛应用。郑州东广场项目建设中，使用BIM技术和云计算技术搭建了协同管理平台，实现了施工进度、施工技术、施工物资的信息互通，提高了施工管理水平和施工作业效率[6]。在装配式隧道建设中，王志伟等[7]开发了基于BIM、RFID与ERP融合的智能建造系统，对预制装配式铁路隧道建设起到支撑作用，推动了隧道工程的智能化建设。重庆沙坪坝铁路枢纽综合改造工程中，施工建设采用“BIM+”机电预制化技术，实现不同工程参与主体间的信息共享，大幅缩短了建设周期[8]。杨川等[9]介绍了BIM技术在铁路预制梁施工建设中的钢筋放样、碰撞检测、施工场地布置、施工工序模拟等应用，提高了预制梁施工建设的施工质量，加快了施工进度等。马杰[10]针对铁路无砟轨道预算问题，提出了一种BIM 编码系统下自动编制无砟轨道预算的数据结构，为项目前期投资、工程进度等动态监控提供实践基础。连茜椰等[11]从施工进度动态管控、综合管线碰撞检查、物资材料管理以及工程资料收集管理等方面研究 BIM 技术在铁路车站综合体施工管理中的具体应用。张飞涟等[12]构建了基于 BIM 技术的建设工程项目全寿命期集成管理研究框架，提出BIM 技术应用于建设工程项目全寿命期集成管理的建议。徐勇戈等[13]基于业主方管理视角，利用BIM信息集成管理平台，通过使参与方提早介入以及向后延伸的方法构建全寿命周期组织集成的基本框架模型。以往研究表明，BIM信息平台与技术在铁路建设工程管理中已经有了广泛的应用，为其应用于铁路建设预制化生产与物流的运作管理提供了很好的借鉴。

川藏铁路穿越横断山区，地势差高，为消除显著的地形高差，采用了大量的高桥、隧道，全线桥隧比高[14]。这些桥梁、隧道的施工建设需要大量高质量的构配件。对于川藏铁路而言，由于其建设环境异常复杂，受地理位置和气候等因素的影响，难以在施工现场制作构配件。此外，川藏铁路所在地区地质条件恶劣，易发生滑坡、泥石流等地质灾害，季节性冻土等因素导致川藏铁路建设不能全年一直施工。为了保障川藏铁路建设的质量和工期，对川藏铁路建设中的一些梁、板、混凝土轨枕、钢轨等工程构配件进行预制化生产具有重要意义。

预制化工厂生产的构配件经专业物流运输配送交付给施工现场，经专业技术人员装配和施工完成工程的建设。预制构配件从生产、运输至现场装配的整个过程中，众多构配件的空间定位、精准装配，施工现场材料转运、吊装设备调度、场地动态布置等都面临极大挑战。此外，预制构配件生产、运输和装配过程中存在设备故障、构配件质量安全等大量不确定性因素，这也给川藏铁路建设的预制化生产物流管理带来了挑战。

1 预制化生产物流运作过程及管理要素分析

1.1 预制化生产物流过程

预制化生产将大量原材料加工任务搬离施工现场，减少对现场的占用及依赖。预制化生产物流中主要有3个参与主体，预制工厂、专业物流公司和施工方。预制工厂根据现场进度设计生产预制构配件，并将预制构配件的成品交付到施工现场；预制构配件的运输配送通常由专业物流公司来提供服务；最终施工方采用吊车塔架等设备组装预制构配件。预制化生产优化了现场实物流，能够增加工程建设的灵活性和适应性，缩短建设周期，保证工程质量。预制化生产物流的运作过程包括构配件生产、构配件运输配送和构配件装配施工3个过程，如图1所示。

1.2 预制化生产物流运作管理要素

图1 预制化生产物流运作过程

预制构配件的生产与物流运作管理受到诸多方面的影响，其中的关键要素包括工程建设的总体目标、物流对象、管理特征、评价指标、参与主体等，如图2所示。预制构配件的质量对铁路工程的质量具有重要影响，为了保证预制构配件的质量，需要从源头上对预制构配件的生产与物流进行一体化管理，建立质量体系，明确质量要求，提升预制构件产品品质。预制构配件的准时交付保证了施工进度，避免了因缺料造成的工期拖延。预制化生产物流的评价指标是保证构配件的质量，并且准时交付构配件。

图2 预制化生产物流运作管理的要素分析

影响预制化生产物流运作过程的对象主要有施工便道、吊车、塔吊等吊装设备、专业车辆、施工现场的空间等。由于预制构配件的体积大、质量重，需要借助吊车、塔吊等专业的吊装设备，受场地狭窄和施工建设成本等的影响，吊车、塔吊等设备数量有限。川藏铁路沿线路况条件差，临时修建了大量的施工便道，常规的运输车辆无法满足预制构配件的运输要求，因此需要使用专业的运输车辆。使用专业物流服务可以在保障构配件质量安全的前提下，提升构配件运输的效率。

由于施工现场空间狭小，施工现场附近的仓库容量有限，不能一次性地将所有预制构配件运输到施工现场。预制构配件运输需要考虑施工现场预制构配件的库存、工人作业进度消耗构配件的速度和构配件运输时间，及时将一定量的预制构配件送达施工现场。

2 基于BIM信息平台的预制化生产物流一体化运作管理模式

2.1 BIM信息平台架构

BIM 是工程建设项目在物理和功能特性方面的数字表达，通过集成工程建设中的所有信息实现工程项目信息共享。在川藏铁路建设中，通过BIM信息平台可以对预制化生产物流运作管理有关的全部信息进行有机整合，为预制化生产物流提供强有力的信息共享和运作管理支撑。根据预制化生产物流涉及的对象以及信息交互机制，在川藏铁路建设中提出基于 BIM 信息平台的预制化生产物流运作管理模式，如图3所示。

图3 基于BIM信息平台的预制化生产物流运作管理模式

2.2 一体化运作管理

（1）预制化生产中，铁路设计院等工程设计商将桥梁、隧道等工程主体的设计参数，质量要求等信息上传到BIM信息平台，构配件设计人员利用工程主体的参数和质量要求等信息，进行构配件设计。构配件设计完成后，设计人员将设计方案通过BIM信息平台发送给工程设计商，工程设计商对其进行检查筛选，选择合适的预制构配件设计方案。传统的构配件设计流程是一个线性的过程，在设计前期各方缺乏及时有效的沟通，在预制构配件设计完成后，工程设计商进行核对。这种模式是在设计基本完成后进行的，一旦产生问题，需要重新二次设计，设计效率低，耗费时间。预制构配件的设计中，利用BIM技术实现不同部门之间信息共享，及时反馈，高效设计出预制构配件。这种设计模式有利于各部门在设计之初及时交流，减少因信息不畅，沟通不及时产生的设计问题，提高效率。

（2）预制构配件设计完成后，设计部门将相关图纸等资料信息上传到BIM信息平台，预制构配件工厂根据设计参数等信息进行预制品生产。由于铁路工程预制构配件具有体积大，重量重等特征和预制构配件批量化生产的要求，预制构配件的生产存在一定的挑战，应用BIM信息平台能够使预制构配件的生产更加精细化，有序化，提高生产效率。

生产预制构配件首先要有高质量和高精度的模具。通过BIM信息平台，对预制构配件进行模具设计，设计出模具的三维立体模型，经过碰撞检查等实验后最终确定模具模型。由于模具的复杂性和现场安装人员对模具不熟悉，现场安装模具时容易出现问题，影响构配件的生产精度。使用BIM信息平台对模具安装进行分解，生动形象地展示模具安装的详细步骤，指导现场工人进行安装。预制化构配件的生产过程中，BIM信息平台将预制构配件的生产工艺、生产资料等信息发送给预制构配件生产工厂，预制工厂根据生产工艺制定相关的生产流程。通过BIM信息平台对预制构配件生产的具体步骤进行拆解，制定构配件的生产标准，优化构配件的生产流程。通过BIM信息平台和工厂的生产管理系统，指导安排生产作业计划。预制构配件生产后，存放在预制工厂库房中，预制构配件体积大，需要专业的吊装设备，库房空间有限，需要优化预制构配件的存放。使用BIM信息平台建立库房的虚拟模型，对库房区域进行划分，合理地放置吊机塔吊等设备，有序摆放预制构配件。

（3）铁路工程建设预制构配件体积大，质量重，需要使用专业的吊车等设备进行装卸，运输过程中需要使用专门的运输车辆。吊车等装卸设备、运输车辆数量有限和沿线路况条件差等因素，给预制构配件的运输带来了挑战。预制构配件的运输配送通常由专业物流公司来提供服务，专业的物流公司具有专业的装卸设备、运输设备和大量重大件运输经验，通过对物流运输网络的规划，可以减少预制构配件在装卸和运输环节因质量问题出现的损耗，在保障预制构配件质量和提升预制构配件运输效率的前提下，有效降低物流成本。通过BIM信息平台对预制构配件进行结构分析，对易受损的部位进行加固，减少因路况条件差造成的构配件受损等质量问题。此外，川藏铁路施工现场空间狭窄，可以存放的预制构配件数量有限，为了避免施工现场因缺乏预制构配件停工，需要合理决策预制构配件的配送时间和数量。BIM信息平台根据施工现场仓库的实际库存、施工进度和预制构配件的运输时间来安排构配件运输的时间和数量。

（4）预制构配件的装配施工中，通过BIM信息平台优化装配施工过程，指导现场施工人员装配施工。使用BIM信息平台对预制构配件的装配施工进行虚拟模拟，制定装配施工标准。BIM信息平台对装配施工进行可视化模拟，对装配施工步骤进行拆解，将装配施工过程形象地展示在工人面前，指导工人现场装配施工，合理安排工人装配施工，使整个装配施工过程可控，降低因施工人员装配施工不熟悉等客观因素造成的工期延误。装配施工中需要使用塔吊、吊机等设备，通过BIM信息平台进行施工场地模拟，在空间狭窄的施工现场合理放置这些设备，能够提高装配施工效率。

预制构配件的设计、生产、运输和装配施工涉及的参与方众多，需要多方协助，构建科学的协调管理机制使各方加强协助沟通。在预制化生产前，组建合理的预制化生产物流管理层，全方位协调管理预制化生产物流，组织协调不同参与方、不同环节之间的利益纠纷。预制化生产管理层结合川藏铁路施工进度和预制化生产物流各参与方的实际情况，制定出详细的预制化生产计划，及时与各参与方进行沟通，及时发现并解决不同参与主体之间的冲突。充分利用BIM信息平台共享信息，实时更新和处理预制构配件的信息，确保预制构配件信息的准确性，协调预制构配件生产物流运作的各参与主体，实现各参与主体间的信息互通，有效解决工程建设中的多主体协调问题。

3 预制化生产物流中的不确定性因素及应对策略

3.1 不确定性因素分析

预制构配件通常都希望以准时制方式交付，即将施工现场需求的预制构配件准时准量地配送到施工现场。但是在川藏铁路建设的预制化生产物流中，存在着大量的不确定性阻碍了预制构配件的准时交付，由此导致施工过程的中断和等待。总体而言，预制化生产物流的不确定性来源于物料流、资金流和信息流。与物料相关的不确定性主要来源于砂石料、钢材等原材料需求不确定、供给不确定、价格不确定等。另外川藏铁路沿线地质环境恶劣，易发生滑坡、泥石流等自然灾害，导致物流通道受损引起的配送不确定性。在预制化生产物流运作管理过程中，找出潜在的不确定性并提出相应的有效应对方法对预制构配件的准时交付具有重要意义。按照预制生产物流涉及的对象，不确定性可以分为以下几类：

（1）预制工厂生产的不确定性。预制构配件生产过程中的不确定性来源于砂石料、钢材等原材料短缺、钢材质量不合格等材料不确定性，生产机器故障、生产设备预防性维修、恶劣天气、节日季节、生产中断等导致的生产过程不确定性；操作生产人员不足、操作熟练程度低等人员不确定性。

（2）构配件运输的不确定性。川藏铁路建设使用的预制构配件体积大，质量重，需要使用专业的运输车辆，而川藏铁路沿线路网密度低，道路基础设施薄弱，这些因素给预制构配件的运输过程带来了不确定性；缺乏专用运输车辆、运输车辆故障等运输工具的不确定性；交通堵塞、恶劣天气、运输通道事故、改道、因地质灾害引起的道路中断等运输过程的不确定性；缺乏专业驾驶员、驾驶技术不熟练等人员的不确定性；运输过程中因路况条件差，颠簸等导致的预制构配件受损等质量的不确定性。

（3）施工现场装配的不确定性。预制构配件交货延迟、预制构配件运输过程损坏、缺少其他施工材料等材料不确定性；吊车等专门吊装设备事故、现场施工人员操作错误、塔架等设备故障等装配施工过程的不确定性；缺乏熟练技术工人等人员不确定性。

3.2 不确定性应对策略

在预制构配件施工过程中，预制构配件体积大、质量重，需要使用昂贵的专业吊车、塔吊等设备吊装装配，任何较小的扰动都会对预制化生产物流绩效产生较大的影响。由于川藏铁路建设工程对于工期的严格控制，工期导致增加建设投资成本。因此，在预制化生产物流运作管理中，针对不确定性的优化管理非常必要。

预制化生产物流的主要特点之一是时间节点的刚性衔接要求。预制构配件不同于常规的产品，在制品的库存或最终产品的安全库存不适合预制化构配件。与传统的施工材料相比，铁路建设工程预制构配件价格昂贵，此外，预制构配件由专业吊装设备负责装配。如果延迟交货，现场装配过程将停止，会造成昂贵的工时损失。相反，如果预制构配件交付过早，由于施工场地空间狭窄，预制构配件的存储成本会大幅增加。

针对预制构配件生产物流的不确定性，常采用时间对冲和空间对冲降低不确定性带来的工程延误等影响[15]。在预制构配件的生产、运输和装配施工中，每个过程都有一个预期的完成时期。为了应对预制化生产物流中的不确定性，可以选择时间对冲方式，在预计开工时间前适当提前开工或者通过增加班组，增加产能，降低因机器故障、人员误操作等带来的不确定性。采用时间对冲时，提前期太长，造成预制构配件交付提前太早时，受装卸机械设备数量的限制和配送能力的限制，构配件无法及时运走，影响后续生产。预制化生产物流时间节点刚性要求高，预制构配件的交付既不能太早也不能太迟，为了解决预制构配件交付时间的不确定性，采用空间对冲方式，使用仓库存储预制构配件。预制构配件体积大，施工现场空间狭窄，构配件全部放置在施工现场或预制生产工厂时，影响作业效率。当预制构配件交付提前时，将构配件存放在仓库中。预制构配件交付延迟时，使用仓库中的构配件可以避免施工现场因缺少预制构配件造成的工期延误。但是，由于川藏铁路施工现场空间狭窄，仓库中不能存放大量构配件。此外，存放过多的预制构配件会造成存取构配件困难，存储费用过高等问题，因此，采用空间对冲时需要合理确定仓库的存储量。

预制构配件的生产过程中通常采用时间对冲方式解决生产过程的不确定性。在预制工厂适当提前开工生产预制构配件或者安排生产工人加班，增加构配件的产量。当接到预制构配件的订单时，预制工厂为订单设置生产完工时间，生产完工时间比客户要求的交货期提前几天。当生产机器故障、生产人员操作错误等不确定因素出现时，工厂有足够的缓冲时间来调整生产，降低构配件生产的不确定性，提高生产的可靠性。此外，预制工厂也可以采用安排工人加班，通过增加产能应对生产过程中可能出现的机器故障、操作错误等不确定性。

预制构配件的运输过程中通常采用空间对冲处理预制构配件运输中的不确定性。预制构配件的运输通过使用专业的第三方配送服务，更好地控制交货期，降低配送过程的不确定性。第三方物流公司制定配送计划，确保预制构配件能够以JIT方式交付到装配施工现场。在仓库中存放适量相同的预制构配件，如果发生事故导致构配件运输损坏，可以使用仓库中的构配件进行替换。利用空间对冲策略，可以保证装配现场的预制构配件供应充足，保证了铁路工程项目的进度。

装配施工过程中通常采用时间对冲和空间对冲相结合的方式处理装配施工的不确定性。川藏铁路的装配需要使用专门的塔吊等机械设备，为了降低这些设备故障带来的不确定性，可以采用提前装配施工等时间对冲方式，控制装配施工进度。一旦出现设备故障等不确定性时，有一定的缓冲时间解决不确定性，保证施工进度。由于装配施工现场空间狭窄，无法将所有的构配件全部放置在施工现场，采用空间对冲的方式设置施工现场临时仓库，避免装配施工中因预制构配件运输损坏等不确定性造成的工期延误。

4 结语

川藏铁路建设预制化生产物流涉及多个参与主体，由于铁路工程预制构配件运输时间刚性衔接和构配件体积大、质量重，川藏铁路建设运输道路路况差，施工现场空间狭窄等特征，预制化生产物流运作管理存在挑战。本文分析了川藏铁路建设预制化生产物流的运作流程和管理要素，提出了BIM信息平台在预制化生产物流一体化运作管理中信息共享机制，对川藏铁路预制化生产物流运作中的不确定性因素产生根源进行了探讨，针对预制化生产、运输和装配施工过程中不确定性因素，提出了时间对冲、空间对冲和时间对冲与空间对冲相结合的应对策略。