王森浩，樂 云，方 建

（同濟大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200092）

一、引 言

上海世博會已在2010年10月31日落下帷幕，由上百個各國場館所共同組成的大型群體項目在短時間內(nèi)共同快速推進給世人留下了深刻印象。在世博園區(qū)內(nèi)，其中經(jīng)上海市發(fā)改委立項的園區(qū)工程建設(shè)項目就多達110項，規(guī)劃總建筑面積約200多萬平方米，為了確保工程建設(shè)在2010年5月1日順利開園，工程總量大且進度目標(biāo)嚴肅。在參與建設(shè)的各方通力配合下，最終共同完成了這一目標(biāo)，造就了“上海速度”，其工程管理的寶貴經(jīng)驗值得發(fā)掘與借鑒。

在世博會場館建設(shè)過程中，各場館排列緊湊，間距較小，施工現(xiàn)場可供存放建筑材料的庫存面積小。這就對施工現(xiàn)場庫存管理提出了很高的要求，既要求不能一次訂購超出現(xiàn)場庫存能力的數(shù)量，又要求建材供應(yīng)不能出現(xiàn)間歇，即庫存為零的狀況。要滿足這兩個條件，就需要提供精確的訂貨數(shù)量與供貨時間，還要對出現(xiàn)的各種原因引起“斷供”情況提供相應(yīng)的應(yīng)急方案。此外，雖在開工前可以確定大部分物料需求的品質(zhì)、數(shù)量、價格等關(guān)鍵信息，但由于在限定的工期內(nèi)物料供應(yīng)需求量大，且品種繁多，對供應(yīng)時間上又有著嚴格的要求，往往與最終實施結(jié)果與計劃相差甚遠。會出現(xiàn)工程費用超支、工期延誤等不利結(jié)果，如何在施工過程中根據(jù)實際變化情況，實施動態(tài)管理也成為管理者需要考慮的一大難題。

二、施工現(xiàn)場庫存管理

（一）施工現(xiàn)場與一般制造業(yè)庫存管理的區(qū)別

施工現(xiàn)場庫存管理是建設(shè)工程項目管理體系中的一項重要工作，涉及到現(xiàn)場布置規(guī)劃［1］和庫存管理兩個方面，貫穿于項目建設(shè)的全過程。其起源于制造業(yè)庫存管理方法與理念，如經(jīng)濟生產(chǎn)批量、物料需求計劃（MRP）和準時生產(chǎn)制［2］（JIT）及精細生產(chǎn)等新的生產(chǎn)方式，但又與一般制造業(yè)庫存管理有著很大不同之處，參照文獻［3-4］歸納二者區(qū)別后詳見表1。因此，從一般制造業(yè)學(xué)習(xí)的理念與方法是無法全盤直接復(fù)制到建筑業(yè)的，針對施工現(xiàn)場庫存應(yīng)加以區(qū)別研究。

表1 一般制造業(yè)與施工現(xiàn)場庫存管理區(qū)別

（二）運籌學(xué)中的庫存管理問題

在現(xiàn)有的庫存管理相關(guān)研究方法中，運籌學(xué)方法較為成熟，李忠富等采用了動態(tài)規(guī)劃構(gòu)建了建筑企業(yè)庫存動態(tài)存儲模型，從企業(yè)的視角對多項目庫存進行規(guī)劃［3］。Michael J.Horman等通過對物料庫存系統(tǒng)調(diào)節(jié)來緩沖建設(shè)過程中出現(xiàn)的不確定性帶來的風(fēng)險，并與勞動力進行協(xié)調(diào)分析，提升了整體建設(shè)效率［4］。

基于運籌學(xué)的方法一般都需要較強的假設(shè)條件與數(shù)學(xué)抽象，如統(tǒng)計模型中有關(guān)概率分布的假設(shè)，而實際的施工現(xiàn)場庫存管理則包含了很多復(fù)雜的、不確定的因素（例如，組織、個人等等），同時庫存協(xié)調(diào)是一種“牽一發(fā)動全身”的系統(tǒng)反饋問題，導(dǎo)致了模型的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這使得運籌學(xué)的方法不能很好地解決這一類問題。

（三）系統(tǒng)動力學(xué)在庫存管理上的應(yīng)用

系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics）由美國麻省理工學(xué)院的福瑞斯特教授于［5］1956年創(chuàng)立，在20世紀50年代末成為一門獨立完整的學(xué)科，是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科；是一門交叉、綜合性的探索如何認識和解決社會、經(jīng)濟、生態(tài)和生物等一類復(fù)雜大系統(tǒng)問題的學(xué)科；是一門擅長于解決多重反饋、非線性、高階、時變的復(fù)雜問題的學(xué)科。國內(nèi)已有不少學(xué)者將系統(tǒng)動力學(xué)引入到建設(shè)項目管理領(lǐng)域。天津大學(xué)雷榮軍、畢星指出“系統(tǒng)動力學(xué)方法與傳統(tǒng)項目管理方法是相輔相成的關(guān)系，傳統(tǒng)項目管理方法在項目計劃等方面有著不可替代的作用，而系統(tǒng)動力學(xué)方法更側(cè)重于項目的宏觀管理，側(cè)重于對難于準確量化的復(fù)雜因素的分析”［6］。哈爾濱工程大學(xué)趙金樓、齊英同樣采用了系統(tǒng)動力學(xué)研究了建設(shè)項目的人力與物質(zhì)之間的資源平衡問題［7］；同濟大學(xué)王宇靜、李永奎針對大型復(fù)雜建設(shè)項目管理中的計劃問題進行了系統(tǒng)動力學(xué)建模研究［8］。在這些研究之中，較少有直接針對建設(shè)項目現(xiàn)場庫存管理問題。

而系統(tǒng)動力學(xué)在誕生之初就被應(yīng)用在制造業(yè)庫存管理上，其較好地仿真了經(jīng)歷了復(fù)雜銷售和采購動態(tài)調(diào)整之后所引起的庫存變化，得出了一系列研究成果。但在建筑業(yè)，項目在開始之初，就已經(jīng)確定了建筑物的各項特征，不存在銷售的預(yù)測失準問題。正是不同于制造業(yè)這一特點，決定了依照制造業(yè)建立的系統(tǒng)動力學(xué)庫存管理模型都不適用于施工現(xiàn)場的庫存進行仿真，需要建立具有針對建筑業(yè)的現(xiàn)場庫存管理模型。

另一方面，由于建設(shè)速率的非線性，工程受供貨、資金多方面影響。建設(shè)工程項目在實際運行過程中還會出現(xiàn)各種突發(fā)情況，為及時調(diào)整，采用系統(tǒng)動力學(xué)建模的方式較為方便，只需調(diào)整相關(guān)參數(shù)或變量即可立即獲得新結(jié)果，可以快速為制定決策提供新的依據(jù)。

三、施工現(xiàn)場庫存管理因果關(guān)系分析

因果關(guān)系圖是系統(tǒng)動力學(xué)描述系統(tǒng)常用的一種方法，不同于一般的有向圖，它具有很強的實際意義。施工現(xiàn)場庫存管理的因果關(guān)系如圖1所示。由于場地庫存上限的限制，建材庫存的單次訂購量被限制，配合建筑物施工進度，往往需要多次訂購，當(dāng)建筑物施工結(jié)束時，訂購?fù)Ｖ埂１疚挠ㄟ^對比建材庫存與場地庫存上限的差距量，來判斷是否需要啟動訂購流程。當(dāng)差距量達到訂購要求時，激發(fā)訂購流程，并根據(jù)訂購量來確定資金需要量。啟動支付資金后，建材庫存獲得補充，開始施工，如此形成一個負反饋回路。建筑物一般需要建設(shè)完成后才能交付業(yè)主，并非現(xiàn)貨交易，大多數(shù)工程是根據(jù)工程完成進度階段性支付。且承包商是從業(yè)主方獲得支付后再支付給建材供應(yīng)商，這一過程中必定會出現(xiàn)延遲，模型中也加以考慮。在圖中兩處延遲標(biāo)記分別代表資金支付延遲和庫存調(diào)節(jié)延遲。

圖1 施工現(xiàn)場鋼材庫存變動因果關(guān)系圖

四、施工現(xiàn)場鋼材庫存模型

因果關(guān)系圖只能描述反饋結(jié)構(gòu)的基本方面，無法區(qū)別表示狀態(tài)變量、輔助變量等概念。若要更詳細地描述系統(tǒng)的特性，還需要借助流圖來表示，圖2即為施工現(xiàn)場鋼材庫存系統(tǒng)動力學(xué)流圖。

圖2 施工現(xiàn)場鋼材庫存系統(tǒng)動力學(xué)流圖

對流圖中的各種變量賦值、建立方程后，即可實施系統(tǒng)仿真分析。本章節(jié)將對各變量的賦值及方程進行具體說明。

（一）建設(shè)速率

為衡量建筑物的建設(shè)速率，模型采用了平方米/天作為計量單位。建設(shè)工程前期多為施工準備及較難施工的基礎(chǔ)工程階段，此時建設(shè)速率較為平緩，當(dāng)基礎(chǔ)工程完成后，進入主體工程階段時，建設(shè)速率則會大為提升，對物料的需求和消耗也進入高峰階段。后期進入裝修裝飾階段時，主體工程已經(jīng)完工，建設(shè)速率又進入一個較為緩和的階段。因此，遵循建設(shè)工程的基本客觀規(guī)律，建設(shè)速率是一條非線性曲線（如圖3所示），借助于Vensim仿真軟件中的表函數(shù)功能，可以描述這一過程。而建筑物的建成量則呈現(xiàn)“S”型增長，建設(shè)完成后，曲線尾部恒定在計劃建造量所設(shè)定的初始值，而計劃建造量曲線的尾部則歸零。

圖3 建設(shè)速率、建成量隨時間變化曲線圖

（二）鋼材庫存

建設(shè)工程量確定后，根據(jù)相關(guān)研究及實踐經(jīng)驗對建設(shè)速率進行估算，建設(shè)速率的增減與工程對物料需求的增減呈現(xiàn)正比。從建設(shè)工程造價的角度分析，物料消耗占整個建設(shè)工程的70%，其中鋼材和混凝土又占據(jù)物料消耗的40%左右，混凝土商品化后，不存在施工現(xiàn)場的庫存問題。因此，模型選擇了建設(shè)工程中最常使用的鋼材為主要研究對象，鋼材庫存是整個模型中的核心，其變化水平，決定了整個系統(tǒng)的運作效率。其表達式為：

鋼材庫存=INTEG（采購率-日消耗率，30） （1）

（三）調(diào)節(jié)量與訂購量

建設(shè)工程施工進度受多方因素影響，包括天氣、人工等，因此，對第二天的庫存預(yù)估較為精確，可以通過精確核對來判斷是否啟動采購流程，但在日消耗量較大的情況下，庫存調(diào)節(jié)有可能會出現(xiàn)滯后情況。調(diào)節(jié)量是由日消耗率和鋼材庫存共同決定的，如（2）式所示。

訂購量主要由場地庫存上限決定，由于施工需要，鋼材必須堆放在施工現(xiàn)場，但大部分施工現(xiàn)場通過規(guī)劃紅線被嚴格限定，除去建筑物自身占地面積、塔吊、道路、辦公場所后，留給場地庫存面積并不是很多。并且，相關(guān)法律規(guī)范規(guī)定，建材不得存放在已完成工程內(nèi)部。所以，從施工開始到施工結(jié)束，場地庫存的上限基本是一個恒定的數(shù)值，而單次訂購量要小于或等于該場地的庫存上限。因此，整個工程所需全部鋼材需多次采購?fù)瓿?，并且每次啟動采購流程通過訂購量的函數(shù)來判斷。調(diào)解量與采購量的函數(shù)表達式分別如下：

調(diào)節(jié)量=日消耗率－鋼材庫存 （2）

訂購量=IF THEN ELSEI{調(diào)節(jié)量≥場地庫存上限×預(yù)警比例：AND：建成量≤［計劃建造面積初始值-（場地庫存上限/預(yù)警比例）］，場地庫存上限，0} （3）

（3）式表示當(dāng)調(diào)節(jié)量≥場地庫存上限與預(yù)警比例之積時，并且同時滿足（此處“：AND：”的含義為同時滿足其前后兩者的條件）建成量≤計劃建造面積初始值-（場地庫存上限/預(yù)警比例）時，單次訂購量=場地庫存上限，否則為0。此處并行限定“建成量≤計劃建造面積初始值-（場地庫存上限/預(yù)警比例）”，作用是最后一次貨物進場之后終止采購。

（四）資金與資金調(diào)節(jié)時間

資金是項目實施的前提保障，項目資金有兩個視角，從業(yè)主方來看，資金為支出，從承包商角度來看，資金為收入。模型中的資金為承包商視角，由其支付給鋼材供應(yīng)商。

從工程經(jīng)濟的角度來看，資金具有時間價值，因此，資金有兩大屬性值得關(guān)注：資金量的大小與資金的支付時間。資金量與每次建材的訂購量息息相關(guān)，在模型中由于單次訂購量不能超出場地庫存上限，業(yè)主方一般采用按完成工程量按月?lián)嵵Ц?，減少對已方資金占用。另外，工程開工前支付給承包商材料預(yù)付款供承包商資金周轉(zhuǎn)。承包商使用這筆資金采購建材，業(yè)主在工程結(jié)束前支付給承包商的工程款中按比例扣回。

業(yè)主方資金的支付受各種因素影響，有時并不能按約定時限支付，是造成工程停工的一個重要原因。在模型中所設(shè)置的資金調(diào)節(jié)時間即為此考慮，當(dāng)資金支付遇到延遲時，可以將其與正常約定支付情況做對比分析，為承包商制定鋼材采購決策提供依據(jù)。

五、模型仿真與分析

根據(jù)上述設(shè)置，本節(jié)以2010年上海世博會園區(qū)某展覽館為例進行仿真驗證，本場館計劃建造面積為5000m2，工期為100天，仿真步長設(shè)置為1天。建設(shè)速率如圖3所示，峰值為200m2/天。根據(jù)參考文獻［9］和工程實際情況取值分析，確定本模型中建筑物含鋼量為0.05t/m2。為了批量采購獲取總價和運費優(yōu)惠，每次采購量固定為與場地庫存上限為同一值，即30t。一般在工程開始施工前，業(yè)主都會支付工程材料預(yù)付款，因此，場地初始庫存值為30t。

（一）庫存不足預(yù)警

鋼材庫存的控制目標(biāo)是既不超出場地存放上限，也不至于無料可用。當(dāng)鋼材庫存不足時，需要補充庫存，由于補充庫存有一定的延遲，如果待到鋼材全部用完再下訂單，則會出現(xiàn)施工停滯待料狀態(tài)，輕則會造成施工人員窩工、機械閑置、工期延誤等損失，重則造成施工單位的違約賠付。為避免此種狀況的出現(xiàn)，模型中設(shè)置了預(yù)警比例這一常量。

當(dāng)施工現(xiàn)場鋼材庫存量降至某一水平線，即設(shè)定預(yù)警比例與場地庫存上限值的乘積之下時，啟動采購流程，補足差額。預(yù)警比例的取值范圍為0至100%，0代表不預(yù)警，庫存直至用完后啟動采購；100%代表與場地庫存上限值相等，庫存滿倉時，依然啟動采購。預(yù)警比例的取值應(yīng)將鋼材庫存波動控制在合理范圍之內(nèi)，如圖4中鋼材庫存所示，波谷代表了觸碰到了預(yù)警值，啟動采購，波峰代表庫存經(jīng)歷采購后庫存得到了補充。鋼材庫存變動控制在0至30之間，即達到了控制的預(yù)期目標(biāo)。

而引起庫存增減的兩大因素分別為消耗和采購，二者的變動與庫存變化息息相關(guān)。圖4中日消耗率與施工進度正相關(guān)，鋼材庫存在日消耗率達到峰值的前后時間段內(nèi)波動劇烈，代表了采購頻繁。圖4采購率的每次波峰代表一次采購值，隨之，帶來鋼材庫存出現(xiàn)一個新的波峰。最后一次采購率波峰低于之前，是由于剩余工程量所需鋼材低于場地庫存上限值，而不需要采購滿倉。

圖4 鋼材庫存原因圖

當(dāng)預(yù)警比例取不同的值時，仿真結(jié)果如圖5所顯示，當(dāng)預(yù)警比例取高值時，在庫存還有較多剩余的狀態(tài)下就啟動了采購程序，結(jié)果造成多次波峰超出場地庫存上限水平（30t）；當(dāng)預(yù)警比例取值過低時，則出現(xiàn)多次波谷低于0的狀態(tài)，即停工待料狀態(tài)。由于工程開始和結(jié)束不涉及到采購，因此，無論預(yù)警比例的高低，變化曲線在工程開始和結(jié)束是重疊在一起的。預(yù)警比例的高低直接影響著采購和施工工期，預(yù)警比例過低則會出現(xiàn)無料可用，預(yù)警比例過高則會出現(xiàn)庫存還未使用完畢，新批次無法全部入庫的窘境。過高或過低均不利于庫存管理，確定合理的預(yù)警比例，對整個施工過程順利進行起著至關(guān)重要的作用。在本模型中，當(dāng)預(yù)警比例取3%時可以將庫存嚴格限制在0～30t之間，達到管控目標(biāo)。

圖5 預(yù)警比例高低差異對比

（二）支付延遲影響

在工程啟動后，因各種原因會出現(xiàn)支付延遲，支付的延遲對初始計劃有著較大的影響。本模型分別對正常支付和延遲支付兩種情況進行比較分析。正常支付情況下的函數(shù)表達式如（4）式所示，延遲支付情況下的函數(shù)表達式如（5）式所示。

資金=訂購量×鋼材單價 （4）

資金=訂購量×鋼材單價-10×PULSE（40，10）×鋼材單價（5）

（5）式所仿真的情況是：在工程進展到第40天時，業(yè)主方延遲支付了10t鋼筋價款，共持續(xù)了10天。圖6中細線是（4）式的仿真結(jié)果，粗線是（5）式的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在第40天到50天內(nèi)，代表（5）式的粗線波動劇烈，比正常支付情況下，多出幾次波峰，但這幾次的波峰均低于正常采購量。說明了承包商采用了“少量多次”采購的策略應(yīng)對少支付的10t鋼筋價款缺口，雖有一次庫存量低于零，但通過與鋼材供應(yīng)商協(xié)調(diào)采用賒購的辦法，并實時調(diào)整了后續(xù)采購步調(diào)，基本上保證了正常施工需求，避免了停工待料的情況。

圖6 支付延遲情況下鋼材庫存示意圖

六、結(jié) 論

本文采用系統(tǒng)動力學(xué)仿真的方法，從施工承包商的視角出發(fā)，構(gòu)建了施工現(xiàn)場鋼材庫存模型，并以2010年上海世博會園區(qū)某展覽館為例，對這一模型進行模擬仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果制定施工材料采購計劃，在滿足施工現(xiàn)場存貨能力受限的條件下，保證了施工材料供應(yīng)的連續(xù)性，為施工順利進行提供了保障，并通過最大限度的批量采購獲得了經(jīng)濟效益。最后，根據(jù)模型仿真結(jié)果，提出通過主動修改施工材料采購計劃解決對于貸款延遲支付這一影響正常施工的常見問題，相比于承包商長期以來的墊資或停工的解決方法，一定程度上降低了承包商的風(fēng)險。

文中所構(gòu)建的施工現(xiàn)場鋼材庫存模型，具有一定的普適應(yīng)，隨著我國城市化進程的加快，可以預(yù)見未來在建筑密度較高的城市進行施工時，施工場地多會受到局限，施工現(xiàn)場庫存管理的好壞對施工是否能夠順利完成起著至關(guān)重要的作用。本研究的局限性在于所仿真的系統(tǒng)是單個項目，而施工企業(yè)往往是多項目并行，多項目的施工現(xiàn)場庫存管理更為復(fù)雜，是本文下一步研究的方向。

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