基于供应链脆弱性视角的装配式建筑返工行为研究

赵青悦，笪可宁，洪竞科

（1.沈阳建筑大学 管理学院，辽宁 沈阳 110168，E-mail：zqy2401@163.com；2.沈阳化工大学 人文与社会科学学院，辽宁 沈阳 110142；3.重庆大学 管理科学与房地产学院，重庆 400044）

装配式建筑与可持续发展的紧密联系引起了社会的广泛关注，代表了建筑行业应对严重环境污染和社会资源短缺的新方向和新途径[1]。装配式建筑介于制造业与传统建筑业之间，相较于传统的现场浇筑混凝土建筑，装配式建筑预制构件采用工厂化的制造方式，其更加重视供应链的作用，建筑企业之间的竞争也逐渐转变为供应链与供应链之间的竞争。装配式建筑供应链是装配式建筑订购、生产、运输、装配的全过程，对于提高生产效率和竞争力、实现成本和进度控制具有重要作用[2]。但目前，装配式建筑仍没有统一的设计、运输及吊装等节点标准和规范，且供应链上设计、生产、运输及装配等节点环环相扣，供应链上信息传递使得每个环节产生的误差堆积，不确定性因素相较于传统建筑更为显著，导致供应链上节点角色所造成的返工问题层出不穷[3]。而脆弱性作为影响供应链系统的重要内在驱动因素，其对装配式建筑项目整体的影响是一个系统的、动态的过程。

国内外学者们对于传统建筑业的返工行为研究较为全面，如Peter等[4]分析了返工因果关系的特征并通过制定可行策略来减少甚至遏制返工行为。Bon-Gang等[5]首次尝试使用实际项目数据来衡量实施BIM对于建筑项目返工的影响，发现实施BIM对减少设计错误和供应商遗漏引起的返工有重大影响。随着装配式建筑越来越普及，装配式建筑返工方面的研究也在逐渐增多且深入，其研究内容集中于返工与安全[6]、返工与成本[7]、返工与施工进度[8]之间的关系，研究方法主要是人工神经网络[9]、蒙特·卡罗方法[10]等。但是研究视角多从供应链上单个节点出发，相较于项目全生命周期来说过于片段化，孤立地研究某一个节点难以有效解决实际建设过程中的问题。脆弱性理论起源于对自然灾害的研究，覆盖建筑工程、经济学、公共健康等领域[11]。在此基础上，SvenssonG[12]首次提出了供应链脆弱性，认为供应链外部环境动态性及内部复杂性极易引发供应链脆弱性，随后中国研究者们开启了对国内供应链脆弱性的研究，从供应链脆弱性研究方法来看，当前学者们已分别采用贝叶斯网络[13]、模糊层次分析法[14]、结构方程模型[15]方法探索并识别分析影响供应链脆弱性的脆弱因子；从供应链脆弱性应对措施来看，学者们提出了降低供应链脆弱性的概念模型，并利用相应的样本对供应链模型进行实证检验[16]。综上，研究装配式建筑返工行为和预制构件供应链的脆弱性的相关问题也是必不可少的。追溯相关文献发现，罗聪等[17]在对建筑施工安全系统脆弱性仿真分析中用的系统动力学为本文提供了新的研究思路。系统动力学是从系统的视角解决问题，并增加对复杂性和动态的理解，现已在多个领域得到了广泛应用与深入研究，产生了一系列具有重要理论价值和应用前景的研究成果。因此，本文从供应链脆弱性视角出发，基于系统动力学方法进行返工行为影响因素仿真分析，从理论上探析影响装配式建筑返工行为为政府部门制定相关政策和企业的战略决策提供理论依据。

1 供应链脆弱性视角下返工行为特征要素分析

20世纪末以后关于脆弱性的研究越来越多，国内外的学者们也主要从暴露度、敏感度和适应度 3个方面对系统的脆弱性进行总结，具体如表1所示。

表1 脆弱性研究维度文献分析表

基于脆弱性研究维度文献分析表，综合对装配式建筑返工行为和供应链脆弱性的研究成果，以对返工行为产生实际影响为识别原则，将具有相同涵义的影响因素进行整合，最终识别出供应链脆弱性的特征要素包括暴露度、敏感度和适应度及装配式建筑返工行为，如表2所示。

表2 供应链脆弱性视角下返工行为特征要素分析

2 供应链脆弱性视角下装配式建筑返工行为的系统动力学模型

系统动力学（SystemDynamics，SD）与基于大量历史数据的决策理论相比，有仅基于系统结构就能预测趋势的优势[23]，其所包含的因果关系、系统反馈等特征适用于分析本文所研究的装配式建筑供应链脆弱性与返工行为的关系。

2.1 模型构建

为了更清晰地反映各个影响因素的变化对返工行为的影响，形成基于供应链脆弱性的装配式建筑返工行为因果关系图（见图1（a））和流量存量图（见图1（b）），运用VensimPLE软件对敏感度、暴露度、适应度、设计质量、生产质量、运输状态、建造质量、政府支持力度以及返工行为9个子系统，共 37个影响因素进行整合分析，揭示供应链脆弱性与返工行为中存在的反馈作用机制。

图1 供应链脆弱性视角下装配式建筑返工行为系统动力学模型

该模型中共包含 47个变量，其中状态变量 9个，速率变量10个，辅助变量19个，常量9个，如表3所示。

2.2 模型检验

（1）运行检验。运用VensimPLE软件中的“模型检验”功能对供应链脆弱性视角下装配式建筑返工行模型进行检验，结果表明该模型合格。

（2）适用性检验。选择预制构件运输过程成品保护率这一影响因素进行调整，观察其数据变化与运输状态的关系（见图2）。预制构件运输过程中成品保护率较高时，运输状态较好；反之运输状态较差，表明预制构件运输过程中成品保护率变化趋势与运输状态变化趋势相同。由此证明构建的模型能展现装配式建筑返工行为与供应链脆弱性的关系，具有可用性。

图2 模型检验

3 仿真分析

以河南省郑州市某装配式建筑施工项目作为研究对象，项目开始于2017年，竣工于2019年，建筑面积为76440m2，具体参数如表4所示，其余变量通过问卷调查和实地调研获取，考虑到装配式建筑返工行为的数据采集条件尚未具备，故选取王国娟等[24]的方法利用 Matlab软件生成随机数进行仿真模拟，分析供应链上各节点与装配式建筑返工行为的关系及其变化趋势。

表4 仿真案例系统动力学模型参数表

3.1 单个因素仿真分析

仿真模拟分析单位设置为 1个月，共进行 10个月。通过对模型中所含的常量构配件模块化程度、信息沟通积极程度、构件出厂控制、BIM协同平台使用情况和构件运输过程成品保护情况中的一个进行调整，分别调整为较高、中等和较低3种情况，期间不对其他变量做出调整，如图3所示。

图3 单影响因素返工行为仿真分析

（1）构配件模块化程度影响分析。装配式建筑构配件的设计是基础也是核心，装配式建筑项目的设计及施工期方案变更等设计任务由设计单位负责。仿真结果如图3（a）所示，发现返工行为量随着构配件模块化程度的降低而提高，一旦构件设计与工厂生产被割裂为两个独立部分，没有统一的构件参数标准，就会导致返工行为增多。

（2）信息沟通积极程度影响分析。供应链上各个节点企业之间及建筑师和工程师之间的积极沟通意向，对于装配式建筑构配件的设计、材料的选择等及现场的装配都有着不同程度的影响，仿真结果如图3（b）所示，发现协调不足会导致后续阶段的重复和返工，总体的趋势为越缺乏信息的沟通，对于项目的返工行为影响越大。

（3）构件出厂控制影响分析。构件出厂控制是构件在工厂批量生产质量控制的最后一个环节，仿真结果如图3（c）所示，构件出厂质量验收程度较低的情况下，将导致存在质量问题的构件成为漏网之鱼进入施工现场，增加了返工风险；同时，仅仅依靠各项检测过于被动，拖的时间越久，随之而产生的返工量就会越大。

（4）BIM 协同平台使用情况。装配式建筑相对于传统建筑来说所需的工人数量有所减少，但是各参与方配合施工方进行全寿命周期的全面质量管理，做到协同管理作业仍有难度。仿真结果如图3（d）所示，当供应链上的暴露度和敏感度达到返工点时，返工行为已经必然发生。协同程度越低，信息共享程度也就越低，处理问题的效率也会随之降低，返工工程量则会随着低效率的返工而增加。

（5）运输过程成品保护情况影响分析。预制构配件在工厂质量检验合格后，将进行构件运输。在运输之前，对所选取路段的前期路况调查的全面性、车辆选择的合适度和构件堆放加固措施的完善度等都对构配件的质量有着巨大影响。仿真结果如图3（e）所示，一旦构件在运输途中出现了问题就会将构件进行返厂处理，增加项目返工量。

3.2 综合情景仿真分析

供应链系统受到来自内外部各种干扰因素的影响，其关联性致使整个项目变得脆弱，单一因素的赋值调整研究对于整个项目来说有些片面。本文设定了3种综合情景模拟：供应链的全面信息化、工业化智能制造生产线、加强供应链上各节点角色之间的沟通交流，如图4所示。

（1）供应链的全面信息化。装配式建筑的核心是“集成”，信息化的供应链系统是“集成”的主线。因此，供应链系统的信息化使得BIM等信息化平台的应用率提高了 20%、50%、80%，仿真结果如图4（a）所示。当供应链信息化覆盖率提高之后，通过BIM技术进行参数化建模，构配件设计模块化程度和施工现场的管理有效性随之提升。随着预制构件应落实信息全面电子化，一旦出现质量问题就可以通过电子信息得到构件相应参数和厂家信息等，实现质量责任可追根溯源。

图4 综合情景返工行为仿真分析

（2）工业化智能制造生产线。分别将工业化程度提升20%、50%、80%，对这3种情景进行仿真模拟如图4（b）所示，结果表明当构配件模块化和标准化水平提高时，构件与构件之间或者构件与主体之间的连接水平随之提高，返工行为随之减少。随着劳动力成本的增加、可持续发展及环境保护要求的提高，构建设计、工厂生产、现场安装整个项目全过程管理更为可控，同时构配件质量更优，建筑质量更容易保证。

（3）供应链上各节点间沟通交流积极有效。已有研究表明部分返工行为是人为因素所导致的[25]，例如设计师与业主沟通中的错误理解，这类错误往往被视为个人绩效不佳的衡量标准。因此，本文模拟了供应链上各节点角色之间的沟通交流情况，仿真结果如图4（c）所示。信息交流与沟通贯穿于项目的整个建设过程，不仅仅是节点企业内部交流，更重要的是节点企业之间的交流和知识共享。当供应链上各节点角色之间的沟通交流积极有效，各个节点角色之间建立了可见的联系，有助于提高对关键工程工序的理解，返工行为大幅度减少。

4 预防策略

本文基于系统动力学模型，研究了装配式建筑供应链脆弱性产生机制，对于采取有效防范措施保证是施工效率、成本及质量具有重要意义。通过上述的模拟仿真分析，为了切实提升供应链协同能力，提出以下供应链脆弱性防范对策：

（1）基于单一因素仿真分析可以发现，每一种影响因素对于装配式建筑返工行为的影响程度各不相同，其中BIM协同平台使用情况中较低的使用率和较高的使用率之间变化幅度较大，因此，利用BIM云平台实现适时、全球化、数字化的管理是有效减少返工行为及返工工程量的必要对策。通过信息协同平台使得装配式建筑供应链上各参与方能够实现工作任务的模拟、关键数据的共享，并且切实提高工作的协同性，进而更好更快地完成项目目标。

（2）根据综合情景仿真分析，从供应链整体出发，结合其各个节点角色之间关联性的特征可知，工业化智能制造生产线对于返工行为有着较大幅度的影响。同时，装配式建筑的典型特征就是其采用标准化的预制构件或部品部件，可以通过形成工业化智能制造模式，全面革新装配式建筑构配件生产方式，最终达到更为精准、工业化程度更高的建筑工程。

（3）从供应链脆弱性视角下装配式建筑返工行为系统动力学模型可知，各个因素造成的影响在时间的作用下逐渐暴露。因此，在需求或设计阶段就要尽早发现并解决，降低错误整改的成本，防止产生重大后果。

5 结语

本文从装配式建筑构配件供应链的脆弱性视角出发，以脆弱性中暴露度、敏感度和适应度3个特征指标为切入点，通过建立系统动力学模型，分析供应链脆弱性与返工行为的内在联系。采用单变量控制法，调整设计质量、信息沟通积极程度、构件出厂控制、构配件运输成品保护情况及BIM协同平台使用情况单个影响因素，分析其对返工行为的影响程度；此外，通过设定综合情景进行返工行为分析，发现工业化智能制造生产线对于返工行为有着较大幅度的影响。

尽管本文实现了目标，但这项研究仍存在一些局限性，由于国内关于返工的研究非常少，系统动力学模型中所包含的影响因素可能并不详尽。因此，希望将这些数据与其他来源进行交叉验证，进行进一步的研究，以建立装配式建筑全寿命周期的返工行为系统动力学模型，检查返工来源之间的相互作用，促进建筑工业化事业的蓬勃发展。