基于文献研究的精益建造与数字技术集成综述

刘 刚， 马智亮， 李松阳

（1.清华大学 土木水利学院， 北京 100084；2.广联达科技股份有限公司， 北京 100193）

建筑业的业务特点是围绕工程项目开展生产和经营活动，但建筑工程项目具有建设周期长、资金投入大以及地点分散、多专业、多关系方、流动性强等特点，导致建筑业工业化与数字化水平明显落后于其他产业。据文献分析，在过去的20年里，全球建筑业的年生产增长率仅有1%，全球建筑工程项目平均超进度近20%，超投资80%，平均浪费达44%，工程质量问题及施工安全事故频发［1-4］。在数字化变革新时代，应用数字技术促进建筑业转型升级迫在眉睫。

精益建造（LC）是将制造业成功经验之一——丰田生产体系/精益生产的概念和原则改造并应用于建造领域的产物。精益建造可以从管理上助力建筑工程项目持续地减少和消除浪费，最大限度地满足顾客的需求。本质上，精益建造是以客户为中心，以精益求精思想为内核，综合生产管理理论、建筑管理理论以及建筑生产的特殊性，面向建筑产品的全生命周期，运用专业的技术和方法，进行精细化管理，从而实现价值最大化和浪费最小化。根据清华大学的研究［5］，超过70%的建筑从业者认为，精益建造可以节约成本，减少浪费。研究表明，不论规模大小，采用精益建造可以节省约20%～30%的时间，并在相同数量级上提高生产效率［6］。

传统的精益建造管理，虽然能够增加价值、减少浪费，但是精益建造管理本身的复杂性意味着更高的管理成本［7］。在第四次工业革命背景下，各种数字技术正在被建筑业广泛和深度地研究和应用，将数字技术深度集成于精益建造，有望提高精益管理的效率，降低精益管理的成本。对标制造业工业4.0（Industry 4.0）的概念，在欧美发达国家被提出并得到广泛认可的建造4.0（Construction 4.0）［8］已经阐述了这样的深度集成。

精益建造已被提出近30年，其理论、方法及工具在实践的基础上不断发展，数字技术在精益建造中的应用也同步发展。在我国致力于尽早实现“双碳”的大背景下，关注并发展精益建造具有重要的理论和实践意义。迄今为止，尚无学者对精益建造及其与数字技术的融合进行系统总结。鉴于此，对在国内外学术期刊上发表的精益建造及其与数字技术集成有关的研究性论文进行系统分析和归纳，有助于行业和学界的相关人员关注并认识精益建造。

1 研究方法与技术路线

为总结精益建造及其与数字技术集成研究所取得的成果，采取文献搜索、文献筛选和文献分析三步骤的研究方法和技术路线。进行数据库选择和主题确定，然后按照标题、所在领域初步选定相关文献；对文献进行快速筛选；对所筛选的文献进行文献计量学分析，讨论当前研究的不足及未来的发展趋势。研究方法和技术路线如图1所示。

图1 研究方法与技术路线Fig.1 Research method and technical route

1.1 文献搜索

1.1.1 数据库选择

进行了数据库检索和文献分析，所检索的数据库包括Scopus 数据库（下文简称Scopus）和IGLC（International Group for Lean Construction）会议论文集（下文简称IGLC）。与Web of Science、PubMed和Google Scholar等其他搜索引擎相比，Scopus数据库具有更广泛的覆盖范围并更容易建立统一的索引数据［9］。IGLC 会议是自1992 年以来唯一专门针对精益建造领域的会议，引领了精益建造技术在建筑业的应用［10］。由于该会议早期的论文并未收录在Scopus等主流数据库中，因此将其作为补充数据库。对于中文文献检索，选择中国知网平台下的中国学术期刊网络出版总库作为数据源，该库是目前世界上最大的连续动态更新的中国学术期刊全文数据库［11］。

1.1.2 检索式确定

对于英文文献检索，在数据库Scopus和IGLC中，采用“article title/abstract/keyword=lean construction”的检索式。对于中文文献，采用“主题=精益建造”的检索式。

1.2 文献筛选

1.2.1 论文初步选定

对文献进行全面扫描，初步判断论文标题，去掉明显不相关的论文，对剩余论文的摘要，如有必要对全文进行快速阅读，最终筛选出中国学术期刊全文数据库中文文献482 篇，Scopus 和IGLC 数据库英文文献3 139篇。

1.2.2 基本情况统计分析

从中文论文发表情况来看，2005年至今，总共有482 篇相关论文发表，2015 年之前论文数量相对较少，近5年论文数量有一定程度的增长，如图2所示。在精益建造领域，国外研究起步较早，因此选取1996年至今发表的英文论文，共3 139 篇；2016 年前，以IGLC 的论文为主，但近年来被Scopus 收录的论文数量明显增加，已经超过IGLC。总体来看，2 个数据库的英文论文近年来年发表数量基本稳定在200篇以上，如图3所示。由统计数据可见，精益建造正在全球范围内受到重视，但是在国内的论文数量仍然与国外存在一定差距。

图2 按发表年份的论文数量统计（国内）Fig.2 Statistics of article number by year (domestic)

图3 按发表年份的论文数量统计（国外）Fig.3 Statistics of article number by year (abroad)

1.3 文献分析

1.3.1 文献计量学分析

文献计量学分析方法是通过对大规模文献数据的处理，快速识别和建立文献之间的联系，将科学领域的知识结构可视化［12］。文献计量学分析方法可以更加客观地评价学科发展现状，更加准确地发现学科发展趋势［13］。

1.3.2 文献内容分析

将所选文献按照精益建造与数字技术集成系统性综述对相关领域的研究现状及特点进行解析，并总结当前理论研究的不足，为下一步研究方向的确定奠定基础。

2 精益建造及其与数字化应用文献计量学分析

选用VOSviewer作为文献分析工具，该软件具有呈现能力强、分析样本数据容量大、能对知识单元进行聚类、易于操作等特点［14］。

2.1 中文文献关键词分析

将482 篇中文论文的文献著录数据导入VOSviewer中，生成关键词聚类网络图。其中，节点表示论文中包含的主要关键词，节点半径表示关键词出现的相对频度，圆点之间的距离表示关键词之间关联性强弱。关键词的阈值为在论文中至少出现4 次，共筛选出43 个关键词，如图4 所示。图4 中，EPC表示工程总承包，5S表示工地现场的5大标准，ANP 表示网络层次分析法，SPA 表示集对分析法，IPD 表示集成项目交付，TFV 表示精益建造的生产理论，PPC表示进度计划完成百分比。

图4 中文文献关键词关联图Fig.4 Keywords association graph of Chinese literatures

由于论文数量较少，关键词呈散点状分布，关联度较低，尚未形成体系。总体来看，建筑信息模型（BIM）技术、成本管控、流程管理、末位计划系统和物联网等关键词涌现，说明精益建造向数字化发展的趋势。

2.2 英文文献关键词分析

将3 139 篇英文文献著录数据导入VOSviewer中，关键词的阈值为在论文中至少出现23 次，共筛选出50个关键词，5个聚类。根据文献计量学理论，按照不同聚类包含的关键词，将每一个聚类代表的研究方向进行归纳，如图5所示。

图5 英文文献关键词关联图Fig.5 Keywords association graph of English literatures

进一步对不同聚类的研究方向进行分析。可以发现，对于聚类A“精益建造目标/效果”（关键词出现499 次，占比21.70%），浪费（Waste）与可持续性（Sustainability）是精益建造关注的重点；对于聚类B“以进度计划为核心的施工过程管控”（关键词出现792 次，占比34.43%），末位计划法（LPS）是出现频次最多的关键词，说明进度计划是过程管控的重点；对于聚类C“以增加价值为核心的协同设计”（关键词出现528 次，占比22.96%），协同（Collaboration）与设计（Design）是出现次数最多的关键词，表明设计阶段的协同是当前精益建造的关键；对于聚类D“精益建造实施和评估”（关键词出现250 次，占比10.87%），标准化（Standardization）是目前的热点之一；对于聚类E“信息化支撑”（关键词出现231次，占比10.04%），BIM 技术成为精益建造与数字技术融合的最重要的关键要素，可视化管理（Visual management）也是当前精益建造信息化的一个重要方向。

3 精益建造与数字技术集成重点文献分析

经历20余年的发展，精益建造已拓展了包括学术研究和工程实践等领域的应用。为了便于读者对本文献综述结果的理解，在文献调研的基础上构建了精益建造体系，如图6所示。英文文献主要有5个聚类结果，其中聚类A主要涉及精益建造思想、精益建造理论和精益建造原则等“上层建筑”，聚类B 和聚类C注重精益设计阶段和施工阶段的精益建造方法、工具等“中层支柱”，聚类D主要注重精益评估等“下层基础”，聚类E 体现了精益建造与数字技术的集成，即数字技术为精益建造提供“数字底座”。受篇幅所限，而且精益建造已有很好的研究基础，本节重点分析精益建造与数字技术集成，如图6所示，针对聚类E部分（信息化支撑）按照相关度和代表性选取重点文献并进行系统分析。

图6 精益建造体系Fig.6 Lean construction system

数字技术与精益建造集成研究可分为交互关系、集成框架、系统研发和评估评价4个环节。将数字技术集成于传统的精益建造中，即利用数字化工具实施精益建造的方法。根据波士顿咨询公司的研究［15］，以项目进度计划和控制为例，加入精益建造和数字化工具之后，对项目进度完成能起到20%～22%的提升，效果显著。

作为信息化水平比较低的建筑业，近年来随着建造4.0 概念［16］的提出，期待通过数字化来加快行业转型。由图7 可知，BIM 技术和基于云的统一数据环境（云平台）是数字化的核心，也是其他技术集成应用的基础。

图7 建造4.0体系框架［16］Fig.7 Construction 4.0 architecture framework[16]

3.1 BIM技术与精益建造的交互关系及集成框架

通过文献计量学分析和文献阅读可以发现，BIM技术是相关研究中最主要的数字技术，因此将BIM技术单独抽离出来进行详细分析。

3.1.1 BIM技术与精益建造的交互关系

BIM 技术与精益建造深度融合，存在错综复杂的交互关系。Sacks 等［17］最早提出了基于精益建造原则和BIM功能的交互矩阵分析工具，研究了24项精益建造原则+18 项BIM 功能。通过文献中的研究内容和工程案例，找到56 项交互关系，如表1 所示。由表1可知，在精益建造原则中“降低产品不确定性”和“缩短生产周期”所占百分比最大，所以在工程各阶段，特别是施工阶段，要提前筹划，防止由返工造成的工期延迟。此外，工程项目全生命周期管理中BIM 技术在项目进度和质量管理的可视化、精细化、精准化方面有着广泛交互和深度融合。通过BIM 技术与精益建造的深入交互，使得项目方案优化、进度动态调整、费用及时支付、质量缺陷减少、安全事故率降低。由此可见，BIM 技术与精益建造的深入交互有助于精益建造原则的实现。

表1 精益建造原则和BIM功能的交互矩阵［17］Tab.1 Interaction matrix between lean construction principles and BIM functions[17]

针对BIM 技术与精益建造的交互关系，多位研究者从不同维度进行深入研究，取得了相应成果［18-24］，如表2所示。由表2可知：BIM技术用于精益建造生产计划和控制的研究是最多的；在研究方向广泛度方面，从建筑全生命周期设计和施工阶段拓展到了用时最长、成本投入最高的运维阶段；虚拟设计与施工（VDC）和精益建造存在正向交互点，说明方案模拟、碰撞检查、精细项目管理等技术在精益建造中逐步发挥积极作用；“BIM技术-精益建造-绿色可持续性”三元交互关系初步形成，说明BIM 技术和精益建造是实现建筑业低碳化和可持续发展的有效支撑。

表2 BIM技术与精益建造的交互关系［18-24］Tab.2 Interaction between BIM technology and lean construction[18-24]

3.1.2 BIM技术与精益建造的集成框架

2020年，Mellado等［25］提出了BIM技术、精益建造和可持续性集成框架，系统分析了BIM技术、精益建造、可持续性集成的动因、优势、阻碍和挑战以及三者集成对项目关键绩效指标（KPI）的影响，如图8所示。

图8 BIM、精益建造和可持续性原则的集成理论框架及组成［25］Fig.8 Integrated theoretical framework and composition of BIM technology, lean construction and sustainability principles[25]

Sbiti等［26］提出了BIM和LPS的集成框架，该框架增加的内容主要有：基于BIM 数据和工作分解结构（WBS）数据自动生成阶段计划；利用企业资源计划（ERP）、文件管理系统、BIM交换数据的移动端APP辅助前瞻计划编制和周工作计划执行。Chuquín等［27］提出了设计阶段精益和BIM集成框架，基于高层住宅案例分析了BIM的三维可视化功能、并行设计功能和精益可持续性建筑设计（SBD）、价值流映射（VSM）集成优势和对施工阶段的影响。

其他学者［28-30］也提出了相应的BIM技术与精益建造的集成框架。研究表明，BIM技术和精益建造集成框架正在构建，如在末位计划系统流程中融合BIM技术以及三维可视化、四维仿真、碰撞检查等功能，有助于提升项目计划按时完成率。

3.2 其他数字技术与精益建造的交互关系及集成框架

3.2.1 其他数字技术与精益建造的交互关系

Brissi 等［31］系统地梳理了35 篇装配式建造中数字技术和精益建造交互的文献，以及9 篇机器人系统和精益建造的交互矩阵。研究表明，精益建造与新一代设备和技术的融合，将更有助于装配式建造项目精益效能的发挥。装配式建造中数字技术和精益建造的交互研究如表3所示。

表3 装配式建造中数字技术和精益建造交互研究［31］Tab.3 Research on the interaction between digital technology and lean construction in assembly construction[31]

3.2.2 其他数字技术与精益建造的集成框架

数字技术的迅速发展对精益建造产生着深刻影响。文献调研表明，近年来在数字技术与精益建造的集成研究方面文献数量有所增加，主要分为3 个研究方向：①精益建造施工，基于超宽带（UWB）和机器视觉实时定位施工现场人、机、材［32］，数字看板系统用于土方施工的资源调度［33］，基于物联网的精益建造管理［34］，基于价值流映射的3D打印精益建造分析［35］；②精益建造教育培训，如射频识别（RFID）技术［36］、仿真游戏技术、VR［37］等方式；③精益建造管理。通用数据环境（CDE）支持数字化精益建造管理［38］。

Dave等［39］提出了建筑全生命周期的物联网典型框架，该框架基于物联网开放式消息接口标准，采用VisiLean精益施工管理软件，涵盖建筑设计、生产、建造、使用、运维及拆除各阶段，对建筑全生命周期进行精益化管理。

3.3 精益建造软件研发

在建设全过程各阶段构建相应的精益建造软件和管理平台系统，对精益建造项目的推进至关重要。根据项目集成应用开发了不同的软件，如表4所示。由表4 可知，精益建造软件的应用主要集中在设计阶段，施工阶段较少。在设计阶段，利用BIM技术可视化的优势，在三维空间维度进行多个设计方案比选，加入时间维度后，能够进行过去、现在和未来工作任务状态的可视化展示与模拟推演；通过基于BIM 工作流的信息系统支持，可以制定精益建造计划进度排程。在施工阶段，基于BIM自动化算量、四维进度模拟以及计划执行结果的分析，能有效实现项目精细化管理。

表4 精益建造软件系统研发情况［40-48］Tab.4 Research and development of lean construction software system[40-48]

3.4 数字技术和精益建造集成评估

数字技术和精益建造集成研究中起到反馈闭环作用的评估是提高精益建造效果的重要环节。由表5 可知，数字技术和精益建造的集成是必要的。然而，在集成运用过程中，对应用水平和成熟度的定性分析较多，而对集成数字技术后的应用水平在企业级和项目级的定量评估手段较少，因此建立数字技术与精益建造集成评估体系非常必要。数字技术与精益建造集成评估主要分为两大类，即基于工程项目数据评估和基于专家经验（问卷）评估。前者主要基于项目数据的理论分析和变量分析，对项目进度和成本影响进行评估；后者主要通过问卷或专家经验，找出项目浪费来源，分析显著程度和关联路径，从而找到消除浪费的途径。

表5 精益建造与数字技术集成评估研究情况［49-54］Tab.5 Research on evaluation of lean construction and digital technology integration[49-54]

4 结语

数字技术与精益建造的深入交互有助于精益建造原则的实现。现有研究大多涉及BIM技术和LPS的集成，以及对BIM 技术对精益建造的影响评估。通过文献调研，从发展趋势来看，数字技术正成为推动建筑业转型的核心驱动力。然而，已有研究成果和工程实践缺乏精益建造与数字技术集成的系统性研究，未来还可从以下三方面进一步加强：基于数字化的精益建造及其管理模型、基于数字化的精益建造管理平台、基于数字化的精益建造成熟度评估模型和方法。

作者贡献声明：

刘 刚：研究方法与技术路线制定，精益建造与数字技术集成重点文献分析，论文撰写。

马智亮：研究方法与技术路线指导，论文审核。

李松阳：参考文献收集，文献计量学分析。