基于SD模型的装配式建筑供应链脆弱性研究.pdf

第2 3卷 第1 5期2 0 2 3年 8月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 5A u g.,2 0 2 3基于S D模型的装配式建筑供应链脆弱性研究蒋 勇,魏 蓉(华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0)摘要:装配式建筑供应链的运作存在很多不确定性。为提高供应链管理效率,促进建筑业的发展,运用供应链运作参考(S C O R)模型对装配式建筑供应链脆弱因子进行识别,将装配式供应链系统划分为6个子系统;通过系统动力学(S D)模型对供应链脆弱性进行仿真。结果表明,装配制造流程是脆弱性最大的子系统,整个供应链的脆弱性随着建筑项目的推进而增大。关键词:装配式建筑;脆弱性;供应链;系统动力学中图分类号:TU-9 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 5-0 0 8 6-0 6收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 5作者简介:蒋勇(1 9 9 7),男,江苏盐城人,华北理工大学建筑工程学院,硕士研究生,研究方向为土木工程管理;魏蓉(1 9 7 9),女,河北唐山人,华北理工大学建筑工程学院,副教授,硕士,研究方向为工程项目管理、城市综合防灾减灾。传统建筑业是劳动密集型、粗放型的建造模式,存在效率低、污染环境、质量难以保证等问题,而装配式建筑有着绿色低碳、效率高、质量可靠等优点,在国家提出“双碳”目标后,推行装配式建造模式更加符合国家新发展理念。目前装配式建筑正向制造业模式靠近,其构件设计、生产、运输、安装等环节由开发商、设计单位、构件预制企业、施工企业等配合完成,共同构成了装配式建筑供应链。在装配式建筑供应链内部中有着复杂的资金流、物质流、技术流、信息流等交换,这使得供应链存在复杂性、牛鞭效应、风险、成本、库存等问题。当下参加装配式建筑建设的节点企业越来越多,企业间的利益冲突、信息交流不畅和不透明,加之外部环境的变化等不确定因素,给整个装配式建筑供应链管理带来了风险和挑战。脆弱性是衡量风险的重要指标,所以对装配式建筑供应链脆弱性研究,对于保证供应链稳定运行有重要意义。目前,国内外研究主要围绕装配式建筑供应链的风险管理、韧性评价和绩效评价等展开。A k i n t o-l a等1对英国建筑业供应链的合作与管理发展状况进行调查,指出建筑业采用供应链管理的理念不强,建筑供应链管理效率较低,在供应链中承包商更多面向客户而不是供应商。K i m等2建立了一种基于时间驱动的活动成本核算装配式建筑供应链成本模型,在此基础上对建筑供应链敏感性分析并识别关键活动。翟富强等3从运输协同、库存管理协同、信息共享协调等方面,建立了装配式建筑企业供应链协同绩效评价指标体系,然后用网络层次分析法和模糊综合评价法构建装配式建筑供应链协同绩效评价模型。刘喆和白洁4针对装配式建筑供应链中信息所有者不明、透明度低、监管难等问题,借助区块链技术构建了装配式建筑供应链的信息交流模型。刘佳和史丽伟5利用贝叶斯网络计算在物流、资金流和信息流影响下的供应链脆弱性,构建了定量分析模型,对供应链短期脆弱性和长期脆弱性进行网络参数计算,并分析了供应链上游、中游、下游3个环节的脆弱性。张欣等6将建筑供应链物流风险作为研究对象,运用系统动力学对工程进度、成本和质量3个子系统进行仿真。供应链脆弱性研究目前在各个领域都有开展。马小雅和陈秋艳7分析了农产品供应链脆弱性的形成机理。张云涛等8以暴露性、敏感性、恢复性作为集成电路供应链脆弱性的3个主要测度,建立指标评价体系。王海燕等9构建基于系统动力学的汽车制造供应链脆弱性关键因子辨识模型。综上,供应链脆弱性在装配式建筑上的研究较少,国内外对装配式建筑供应链稳定性和安全性的研究主要从供应链风险的角度进行,而非从如何提高供应链本质安全方面加以考虑。现有研究缺少对其驱动因素分析,因此,从脆弱性的角度研究装配式建筑供应链。根据装配式建筑供应链的特点,结合供应链运作参考(s u p p l yc h a i no p e r a t i o nr e f e r-68e n c e,S C O R)模型识别供应链的脆弱因子,建立了供应链脆弱性指标,利用系统动力学模型进行仿真和分析。1 装配式建筑供应链脆弱性分析1.1 供应链脆弱性概念界定脆弱性是系统内部存在的固有属性,最初被应用在灾害管理、气候变化和生态领域的研究,后被逐渐引用到管理科学研究中。S v e n s s o n1 0将脆弱性定义为因扰动的负面结果的出现而影响公司实现目标的一种情形。杜志平等1 1认为供应链脆弱性的增强来源供应链集成的复杂性、环境和运作的复杂性。因此,脆弱性可以理解为系统内部存在的弱点、漏洞和薄弱环节等,一旦受到内部或者外部不利因素的影响,就可能使系统发生风险事故,系统内的事物对内外部环境的变化产生的不适应性;反之,如果事物表现较好的适应性,则表明事物应对环境变化具有反脆弱性。装配式建筑供应链是由业主、建筑总承包商、设计单位、构件预制厂和分包商等多个节点企业组成的复杂网络结构。其供应链具有节点企业多、企业间信息传递频繁等特点,故不仅面临着来自设计单位、建筑总承包商、构件预制厂等企业内部环境影响,同时还面临来自政策、市场、经济、自然灾害、国际环境等外部环境的影响。目前,学术界对装配式建筑供应链脆弱性没有明确的定义。基于对装配式建筑供应链、脆弱性等定义理解,本文将装配式建筑供应链脆弱性定义为:由于装配式建筑供应链运行受内部不稳定性和外界环境扰动的双重影响,当供应链风险缓解因素小于风险驱动因素的作用时,导致供应链的运作产生振荡或中断等负面结果,供应链系统对其自身内部或者外部脆弱因子变动而产生的不适应性。1.2 装配式建筑供应链脆弱性影响因素分析从整个供应链运作系统的视角来划分装配式建筑供应链脆弱性的影响因素,主要分为系统内生因素和外生因素。内生因素是指装配式建筑供应链系统运作流程内部存在的要素,通过改变要素的变化量可以观察供应链呈现波动状态,对供应链运作系统内部的影响因素进行系统性分析,主要包括计划流程子系统、设计流程子系统和制造装配流程子系统等;外生因素是指供应链系统的外部环境和节点企业的合作因素,环境因素主要有市场经济环境、政策环境等影响因素,合作因素主要包括信息共享与沟通、企业自身经营状况等。2 装配式建筑供应链脆弱性评价指标体系的构建2.1 脆弱性评价指标体系选取原则1)全面性原则。装配式建筑供应链的参与主体多,脆弱性影响因子众多。因此,在识别脆弱因素中应满足全面性原则,既要考虑供应链内在的脆弱因素,又要考虑供应链脆弱性的外在因素,避免遗漏重要的评价指标。2)科学性原则。在选择脆弱因素时要符合实际,能够真实客观地反映供应链的运行情况,各指标间要避免交叉重叠,对指标要有清晰的理解。要从多角度识别供应链脆弱性因素,确定的脆弱因素要具有代表性。3)动态性原则。在供应链运作过程中,供应链处在不同时期,其脆弱因素可能发生变化,在识别供应链脆弱性因素时既要体现当前供应链的脆弱性,也要能够反映未来动态变化趋势的指标。4)定性与定量相结合原则。脆弱性指标的分析要采取定性与定量相结合的方法,要对每一个脆弱性指标进行量化赋值,选取的脆弱性指标都应该能够进行量化取值。2.2 构建指标体系S C O R模型是一个基于流程管理的工具,将流程元素、评价指标和运作供应链的方法特征整合到一个统一的框架中1 2。装配式建筑供应链中涉及的参与方较多,脆弱因素较多且复杂,因此,通过S C O R模型对供应链的计划流程、设计流程、采购流程、制造装配流程、退货流程以及外部环境6个流程的分析,构建了6个一级指标和2 4个二级指标的装配式建筑供应链脆弱性评价指标体系,具体见表1。3 建立系统动力学评估模型系统动力学是一门发现系统问题和解决系统问题交叉的综合性新学科,它基于因素建立系统的结构模型,利用因果关系图和流量存量图描述系统内各因素间的逻辑关系,用方程来定量分析系统各因素间的数量关系1 3。装配式建筑供应链是一个复杂的系统,供应链上的节点企业众多,装配式建筑项目跨度时间长,其供应链中的设计、采购、制造装配等环节并非单独存在,而是相互影响的,彼此之间存在关联性。在装配式建筑供应链脆弱性的研究过程中,应将其视为一个整体进行综合性研究,而不是分开单独研究。系统动力学注重系统的完整性,不同的子系统的变量间存在一定联系1 4。所以系统动力学可以有效运用于装配式建筑供应链脆弱性的研究中。78 蒋 勇等:基于S D模型的装配式建筑供应链脆弱性研究 3.1 构 建 装 配 式 建 筑 供 应 链 系 统 脆 弱 性 因 果关系图通过对供应链脆弱因子的因果关系分析,结合系统动力学的反馈原理构建正负反馈回路,分析装配式建筑供应链脆弱性的内在反馈机制,装配式建筑供应链系统脆弱性因果关系如图1所示。表1 脆弱性评价指标一级指标二级指标指标说明计划流程脆弱性企业战略目标不一致企业之间的利益存在冲突需求波动市场环境影响造成的需求波动供应链应急机制迟缓供应链处理突发问题迟缓,应急机制不全信息传递失真,易形成牛鞭效应企业间缺乏有效的信息沟通渠道设计流程脆弱性构件设计能力不足缺乏专业设计团队,设计水平不高设计发案可行性差设计发案不满足要求、符合规范设计变更业主需求进行图纸变更设计采购流程脆弱性采购价格波动原材料、机械设备等价格的上涨材料质量差不符标准材料质量不达要求延迟交货不能按合同要求交货材料、设备和构件运输成本高距离远导致物流成本高供货合同纠纷合同一方毁约制造装配流程脆弱性构件标准化生产能力低缺少专业人才和设备构件质量不合格构件尺寸、强度达不到要求库存积压生产制造计划不合理导致库存积压施工技术方案不合理错误的施工流程工期延误各种原因导致的工期延误装配技术水平低作业人员理论和技术水平不达标施工安全事故发生施工人员伤亡事故退货流程脆弱性构件尺寸偏差预制厂商提供的构件存在过多的质量缺陷资金回收能力差产品退回后不能及时收回退款外部环境脆弱性自然灾害等不可抗力因素地震、洪水、高温等自然灾害会造成工期延误,进而使供应链运营不畅国家政策、建筑法规变动房地产开发投资过程中,国家对房地产的政策是变动,建筑法规修改市场环境变化房地产行情下滑影响投资者信心图1 装配式建筑供应链系统脆弱性因果关系图88 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 3.2 构建装配式建筑供应链脆弱性流量存量图在因果关系图的基础上建立供应链脆弱性流量存量图,软件仿真前对每个变量进行类型处理,以便能够定量反映系统内的状态变量随各要素变化而变化。本文设定计划流程脆弱性、设计流程脆弱性、采购流程脆弱性、装配制造流程脆弱性、退化流程脆弱性和外部环境脆弱性为状态变量。速率变量包括计划流程脆弱性变化量、设计流程脆弱性变化量等,剩下的为辅助变量和常量。根据仿真的反馈关系,绘制装配式建筑供应链脆弱性流量存量图,如图2所示。图2 装配式建筑供应链脆弱性常量流量图3.3 熵值法指标权重计算熵值法是通过指标的离散程度来确定权重,可以排除主观因素对结果的影响,用熵值法对供应链上各脆弱因子进行权重计算,使结果更加客观真实。1)原始矩阵A的建立。A=(ri j)mn,i=1,2,m;j=1,2,n(1)式中:m为样本数;n为指标数;ri j为第i个样本的第j项指标值。2)指标无量纲化处理。X i j=ri j-m i nri j,rm jm a xri j,rm j-m i n(rjri j,rm j)(2)3)计算第j项指标中的第i个样本的比重Yi j。Yi j=X i jmi=1X i j,0Yi j1(3)4)计算第j项指标的熵值。ej=-1l nmmi=1Yi jl nYi j(4)5)计算各指标权重Wj。Wj=djnj=1dj(5)式中:dj=1-ej为第j项指标的差异性系数。3.4 构建系统动力学方程在系统动力学模型仿真前,需要确定各变量的方程,并对模型中的常量及状态变量的初始值进行赋值,模型中主要系统动力学方程见表2。4 案例分析4.1 工程概况选取某市装配式建筑住宅小区,该项目总建筑面积为7 17 8 2m2,单体建筑预制率在4 0%以上,结构形式为装配整体式剪力墙结构,预制构件类型有预制外墙板、内墙板、楼梯、叠合板等,整个项目从决策立项到交付使用共历时2年。4.2 模拟仿真结果分析将该项目的相关数据代入模型,在设置初始参数和变量赋予方程后,对模型进行有效性检查后进行仿真。将模型仿真时间设置为2 4个月,步长为2个月,对变量单位采取无量纲的形式。仿真结果如图3和图4所示。98 蒋 勇等:基于S D模型的装配式建筑供应链脆弱性研究 表2 系统动力学方程变量名称类型系统动力学方程计划流程脆弱性变化量速率企业战略目标不一致+需求波动+供应链应急机制迟缓+信息传递失真,易形成牛鞭效应计划流程脆弱性状态计划流程脆弱性变化量0.3 5设计流程脆弱性变化量速率构件设计能力不足+设计变更+设计方案可行性差设计流程脆弱性状态计划流程脆弱性0.1 3+设计流程脆弱性变化量0.2 4采购流程脆弱性变化量速率供货合同纠纷+材料质量差不符标准+采购价格波动+材料、设备和构件运输成本高+延迟交货采购流程脆弱性状态采购流程脆弱性变化量0.2 9装配 制 造 流 程 脆 弱 性 变化量速率库存积压+工期延误+构件标准化生产能力低+构件质量不合格+施工技术方案不合理+施工安全施工+装配技术水平低装配制造流程脆弱性状态采购流程脆弱性0.2 4+装配制造流程脆弱性变化量0.3 2退货流程脆弱性变化量速率资金回收能力差+构件尺寸偏差退货流程脆弱性状态退化流程脆弱性变化量0.3 8外部环境脆弱性变化量速率市场环境变化+国家政策、建筑法规变动+自然灾害等不可抗力因素外部环境脆弱性状态外部环境脆弱性变化量0.2 6装配式建筑供应链脆弱性状态计划流程脆弱性0.1 2+设计流程脆弱性0.1 8+采购流程脆弱性0.2 1+装配制造流程脆弱性0.3 2+退货流程脆弱性0.1 3+外部环境脆弱性0.0 4图3 装配式供应链系统脆弱性趋势图4 各流程脆弱性对比 由图3可知,通过仿真模拟可以看出,随着时间的推移,该项目装配式建筑供应链的脆弱性的趋势曲线在不断增长。特别是在第6个月后整个供应链的脆弱性程度在不断扩大,这是由于在供应链运营后期因为项目施工中的风险、材料退回等众多不确定因素导致供应链的脆弱性激增。在图4中通过各子系统之间的比较,可以发现6个子系统均与装配式建筑供应链脆弱性成正相关;其中,装配制造流程脆弱性是这6个子系统中最大的,预制构件体积大、运输难、施工风险高,在装配式建筑的后期,随着进入现场施工作业,整个供应链脆弱性的趋势在逐渐扩大。经综合分析,随着装配式建筑项目的预制构件制作后运至现场装配施工,供应链的脆弱性在变大,此时极易造成供应链波动和中断的风险。因此,各企业要加强信息交流,彼此间要形成利益共享、风险共担的合作伙伴关系。构件生产厂商要做好库存管理工作,准确根据市场需求合理安排生产,要避免资源的浪费和闲置。总承包商要提高技术人员的专业水平,提高工作效率,同时要保证产品质量。供应链上的各企业要实时把握市场走向,建立应急处理机制应对突发状况。5 结论用S C O R模型将装配式建筑供应链系统分为6个子系统,分别对子系统中的脆弱因子进行识别。借助系统动力学的方法对供应链中6个子系统的脆弱性进行分析,构建脆弱性因果关系图和存量流量图。通过因果关系图可以直观地看出各脆弱因子间的联系,计划流程直接影响设计流程,采购流程也影响着制作装配流程;用实例验证该模型的可行性,经过模型仿真得出该装配式建筑项目供应链初始阶段,其供应链的脆弱性较小;随着后续制作装配阶段开展后供应链的脆弱性逐渐增大,在6个子系统中制作装配流程子系统对整个供应链的脆弱性影响最大。参考文献1 AK I N T O L A A,G E O R G E M,E AMON F.As u r v e yo f09 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 s u p p l yc h a i nc o l l a b o r a t i o na n d m a n a g e m e n ti nt h e UKc o n s t r u c t i o n i n d u s t r yJ.E u r o p e a nJ o u r n a l o fP u r c h a s i n g&a m p;S u p p l yM a n a g e m e n t,2 0 0 0,6(3-4):1 5 9-1 6 8.2 K I M Y W,HAN S H,Y IJS,e ta l.S u p p l yc h a i nc o s tm o d e l f o rp r e f a b r i c a t e db u i l d i n gm a t e r i a lb a s e do nt i m e-d r i v e na c t i v i t y-b a s e dc o s t i n gJ.C a n a d i a nJ o u r n a l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,2 0 1 6,2 0(2):1 0-1 7.3 瞿富强,颜伟,陈初一.装配式建筑供应链协同绩效评价指标体系的构建研究J.建筑经济,2 0 1 9,4 0(1 0):9 7-1 0 2.4 刘喆,白洁.区块链在装配式建筑供应链信息流中的应用研究J.安徽建筑,2 0 2 0,2 7(1 0):1 2 4-1 2 6.5 刘佳,史丽伟.基于贝叶斯网络的港口煤炭供应链脆弱性研究J.技术经济与管理研究,2 0 1 6(1 0):7-1 5.6 张欣,张友志,尚磊.基于系统动力学的建筑供应链物流风险预警研究J.物流工程与管理,2 0 2 3,4 5(1):4 2-4 7.7 马小雅,陈秋燕.乡村振兴背景下农产品供应链脆弱性形成机理与缓释路径研究J.北方园艺,2 0 2 2(2 3):1 4 6-1 5 2.8 张云涛,陈家宽,温浩宇.中国集成电路制造供应链脆弱性研究J.世界科技研究与发展,2 0 2 1,4 3(3):3 5 6-3 6 6.9 王海燕,李纳,孙涛.汽车制造供应链脆弱性因子辨识研究J.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2 0 2 0,4 4(2):2 3 8-2 4 3.1 0 S V E N S S ONG.Ac o n c e p t u a l f r a m e w o r ko fv u l n e r a b i l i t yi nf i r m si n b o u n da n do u t b o u n dl o g i s t i c sf l o w sJ.J o u r-n a l o fB u s i n e s s&I n d u s t r i a lM a r k e t i n g,2 0 0 4,1 9(7):4 6 9-4 8 3.1 1 杜志平,胡贵彦,刘永胜.基于复杂性供应链脆弱性研究J.中国流通经济,2 0 1 1,2 5(6):4 9-5 4.1 2 张宇嘉,瞿富强,陈初一.基于P C S C O R-F AN P的装配式建筑供应链绩效评价研究J.建筑经济,2 0 2 1,4 2(S 1):1 7 2-1 7 6.1 3 陈畴镛,张嘉伟,武健,等.云制造下供应链协同运作系统动力学仿真分析J.科技管理研究,2 0 2 2,4 2(2 1):2 1 1-2 2 5.1 4 张欣,张友志,尚磊.基于系统动力学的建筑供应链物流风险预警研究J.物流工程与管理,2 0 2 3,4 5(1):4 2-4 7.R e s e a r c ho nV u l n e r a b i l i t yo fP r e f a b r i c a t e dB u i l d i n gS u p p l yC h a i nB a s e do nS D M o d e lJ I ANGY o n g,WE IR o n g(C o l l e g eo fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a n0 6 3 2 1 0,H e b e i,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r ea r em a n yu n c e r t a i n t i e s i nt h eo p e r a t i o no f t h es u p p l yc h a i nf o rp r e f a b r i c a t e db u i l d i n g s.I no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t a n dp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to f t h ec o n s t r u c t i o n i n d u s t r y,s u p p l yc h a i no p e r a t i o nr e f e r e n c e(S C O R)m o d e l i su s e dt oi d e n t i f yt h ev u l n e r a b i l i t y f a c t o r so f t h ep r e f a b r i c a t e db u i l d i n gs u p p l yc h a i n,a n d t h ep r e f a b r i c a t e ds u p p l yc h a i ns y s t e mi sd i v i d e d i n t os i xs u b s y s-t e m s.B ys i m u l a t i n gt h ev u l n e r a b i l i t yo f t h e s u p p l yc h a i nt h r o u g has y s t e md y n a m i c s(S D)m o d e l,i t i s c o n c l u d e d t h a t t h ea s s e m b l ym a n u f a c t u r-i n gp r o c e s s i s t h em o s tv u l n e r a b l es u b s y s t e m,a n dt h ev u l n e r a b i l i t yo f t h ee n t i r es u p p l yc h a i ni n c r e a s e sw i t ht h ea d v a n c e m e n to fc o n s t r u c t i o np r o j e c t s.K e y w o r d s:p r e f a b r i c a t e db u i l d i n g;v u l n e r a b i l i t y;s u p p l yc h a i n;s y s t e md y n a m i c s19 蒋 勇等:基于S D模型的装配式建筑供应链脆弱性研究