基于KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)的施工物料管控平臺(tái)研究

公婷婷 蘇振民

摘? 要： 針對(duì)我國施工物料管理存在物料需求計(jì)劃不精確，項(xiàng)目部與供應(yīng)商之間沒有統(tǒng)一有效的信息共享平臺(tái)，物料不能高效配合施工等問題，提出運(yùn)用KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建精益物料管控平臺(tái)。利用KanBIM內(nèi)置的最后計(jì)劃者體系（LPS）制定拉式、精確的物料需求計(jì)劃。同時(shí)，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)物料進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤管理，結(jié)合KanBIM對(duì)施工過程的可視化功能，安排即將進(jìn)場的物料直接運(yùn)送到相應(yīng)的工作面，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)、拉式、協(xié)同的施工過程精益物料管控。為進(jìn)一步提升建筑施工效率、實(shí)現(xiàn)精益建造提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 施工物料管控; KanBIM; 物聯(lián)網(wǎng); 物料管控平臺(tái); 需求計(jì)劃;實(shí)時(shí)追蹤管理

中圖分類號(hào)： TN911?34; TU71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0016?04

Abstract： Since the construction material control in China has some problems that construction material demand planning is inaccurate， there is no unified and effective information sharing platform between the project departments and suppliers， and the material flow can not cooperate with the construction efficiently， the establishment of lean material management and control platform using KanBIM and Internet of Things （IoT） technology is proposed in this paper. The last planner system （LPS） built in KanBIM is used to make a pulling mode and accurate material demand plan. In this plan， the IoT technology is introduced to track and manage the material flow in real time， and the visualization function of KanBIM in construction process is combined to arrange the upcoming materials to be transported directly to the working spot of the corresponding construction process for realization of punctual， pulling and synergistic lean material control in the process of construction. It provides a basis for improving the efficiency of construction and realizing the lean construction.

Keywords： construction material control; KanBIM; IoT; material control platform; demand planning; real?time tracking management

0? 引? 言

建筑施工物料的種類繁多、需求量大、使用時(shí)間不明確、物料不能精準(zhǔn)供應(yīng)是建筑行業(yè)的效率明顯低于制造業(yè)的主要原因之一，提高物料管控水平是提升建筑效率的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)施工物料管理方面存在的問題有：物料需求信息不夠細(xì)化、做不到拉式;物料信息和現(xiàn)場施工信息往往存在于不同的系統(tǒng)，供應(yīng)商無法及時(shí)獲得精準(zhǔn)的物料需求信息[1];物料信息沒有及時(shí)獲取和處理[2]，無法與項(xiàng)目信息及時(shí)對(duì)接，物料不能準(zhǔn)確送達(dá)相應(yīng)工作面。

為提高物料管理效率，許多學(xué)者把焦點(diǎn)集中在信息協(xié)同上來構(gòu)建管控平臺(tái)，如文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于BIM的建筑供應(yīng)鏈的信息流模型基本架構(gòu)，試圖把BIM應(yīng)用于建筑供應(yīng)鏈信息流管理。而文獻(xiàn)[4]認(rèn)為BIM中只包含與項(xiàng)目本身有關(guān)的信息，沒有涉及與施工現(xiàn)場工作及工作流相關(guān)的信息，因此，依然不能做到物料需求計(jì)劃的拉式。由此，文獻(xiàn)[5]引入國外KanBIM技術(shù)，構(gòu)建基于KanBIM的項(xiàng)目信息協(xié)同模型來提高信息的傳遞效率，促進(jìn)施工方和供應(yīng)方的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更有效的管控。KanBIM內(nèi)置的最后計(jì)算者體系（Last Planner System，LPS）是目前制定拉式物料需求計(jì)劃的先進(jìn)計(jì)劃體系，文獻(xiàn)[6]在分析支持該體系的技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，認(rèn)為利用KanBIM可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理過程的可視化，這為施工過程的管控提供了基礎(chǔ)。

針對(duì)施工物料流信息的獲取問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以妥善解決。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別與信息實(shí)時(shí)共享，對(duì)于物料的全過程跟蹤監(jiān)控及供應(yīng)鏈的可視化具有重要意義[7]。作為國家大力推動(dòng)的新興技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)在建筑行業(yè)已經(jīng)有了實(shí)踐應(yīng)用，主要體現(xiàn)在：對(duì)供應(yīng)鏈和庫存的協(xié)同管理、對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)控、對(duì)施工的安全管控、建筑能耗的監(jiān)測和智能建筑等方面。

綜上可見，KanBIM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場工作狀態(tài)和工作流的可視化，結(jié)合工作狀態(tài)和BIM模型真正實(shí)現(xiàn)LPS拉動(dòng)物料需求計(jì)劃，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)物料進(jìn)行跟蹤可視化管理，因此，本文將KanBIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，獲取和傳遞物料需求信息和物料信息，構(gòu)建準(zhǔn)時(shí)、拉式的施工過程物料管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物料的精益化管控。

1? KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵

1.1? KanBIM系統(tǒng)

KanBIM是由Rafael Sacks團(tuán)隊(duì)開發(fā)的包括程序、軟件和硬件的管理信息系統(tǒng)，它包括內(nèi)部系統(tǒng)（BIM數(shù)據(jù)庫包括生產(chǎn)模型、過程模型和狀態(tài)模型）和外部系統(tǒng)（用戶界面）兩部分，并內(nèi)置LPS體系。該系統(tǒng)引用了精益建設(shè)原則、建設(shè)信息技術(shù)（BIM）和看板，是信息技術(shù)與管理方法的融合。它可以提供一個(gè)詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃和控制工作流程，可以處理施工管理中的變更和“流”方面的問題，用來支持在建筑工地的精益工作流程控制，有助于短期的工作規(guī)劃和監(jiān)測，提供清晰成熟的計(jì)劃任務(wù)和正在進(jìn)行的工作狀態(tài)的可視化。

KanBIM系統(tǒng)開發(fā)的功能需求劃分為7個(gè)主要方面：過程可視化，產(chǎn)品和方法可視化，工作包或任務(wù)期限的計(jì)算和顯示，支持計(jì)劃、談判、承諾和狀態(tài)反饋，實(shí)施拉式流控制，維護(hù)工作流和計(jì)劃的穩(wěn)定性，形成持續(xù)改進(jìn)的不斷實(shí)驗(yàn)。

1.2? 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指在信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)和傳感技術(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議進(jìn)行物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]。文獻(xiàn)[9]把物聯(lián)網(wǎng)分成四層：感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層。無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，RFID也是目前應(yīng)用研究最為廣泛的技術(shù)。

1.2.1? RFID技術(shù)

典型的RFID技術(shù)包含標(biāo)簽、閱讀器和天線3個(gè)組成部分，其工作原理是把無線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁場，把數(shù)據(jù)從鑲嵌在物品表面或物品內(nèi)部上的標(biāo)簽傳送出去。閱讀器可以接收、識(shí)別其信息并追蹤該物品，而包含了電子存儲(chǔ)信息的標(biāo)簽，可根據(jù)工作頻率在不同范圍內(nèi)進(jìn)行識(shí)別。目前，RFID技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)普及，并在生活中常見的管理、防偽、追蹤、識(shí)別等方面廣為使用[10]。

1.2.2? WSN技術(shù)

WSN是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活、設(shè)備隨時(shí)調(diào)換。WSN所具有的傳感器類型眾多、功能強(qiáng)大、使用范圍廣，可有效探測包括電磁、地震、壓力、噪聲、溫度、濕度、土壤成分、光強(qiáng)度以及移動(dòng)物體的大小、速度和方向等各種物理現(xiàn)象，還可在智能交通、軍事領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用[11]。WSN的特點(diǎn)包括：大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性、以數(shù)據(jù)為中心、集成化、具有密集的節(jié)點(diǎn)布置、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)。

1.2.3? 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中相關(guān)數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)紛繁復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的HTML式的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大瓶頸。數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和各個(gè)應(yīng)用端能否交互起到?jīng)Q定性作用，是物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用的關(guān)鍵所在[12]。數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層和感知層，配合傳輸層通道。

2? 基于KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工過程物料管控平臺(tái)

2.1? KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的必要性分析

縱然KanBIM系統(tǒng)在施工管理方面有著強(qiáng)大的功能，但針對(duì)物料的管理功能還有待完善，需要借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)如下：

1） KanBIM技術(shù)尚未克服建筑供應(yīng)鏈中復(fù)雜的、分布式的信息系統(tǒng)問題，對(duì)于企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間的信息系統(tǒng)來說，具備高抽象層次的信息接口至關(guān)重要。而通過統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以為任何類型的系統(tǒng)或智能產(chǎn)品間任何信息類型的交換提供充分的通用接口[1]。

2） KanBIM系統(tǒng)中內(nèi)置LPS計(jì)劃體系和BIM模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品模型和實(shí)際工作流的可視化，也能根據(jù)現(xiàn)場可觸控大屏幕上的反饋信息及時(shí)調(diào)整改進(jìn)計(jì)劃，但欠缺對(duì)物料的可視化功能。通過整合物聯(lián)網(wǎng)獲取的物料信息可以彌補(bǔ)這一欠缺，向建筑供應(yīng)鏈的全面管理更進(jìn)一步，提高施工效率。

3） 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸趨于成熟，其對(duì)物流信息的獲取和傳輸功能較其他技術(shù)有顯著優(yōu)勢，但想在建筑領(lǐng)域發(fā)揮效用，還需在應(yīng)用層面與合適的系統(tǒng)進(jìn)行集成，以便于信息的全面集成、處理和應(yīng)用。

因此，本文借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)彌補(bǔ)KanBIM對(duì)物料可視化的欠缺。

2.2? 基于KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物料管控平臺(tái)構(gòu)建

本文擬構(gòu)建的物料管控平臺(tái)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，擬構(gòu)建的物料管控平臺(tái)框架見圖1。

利用物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物料的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理;利用網(wǎng)絡(luò)層向下與感知層結(jié)合，向上與應(yīng)用層鏈接，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目部和供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)融合;利用應(yīng)用層中央處理器與KanBIM系統(tǒng)結(jié)合，將KanBIM的內(nèi)部系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層融合，實(shí)現(xiàn)信息的集成、處理和分析，提供物料在施工過程中的可視化管控。KanBIM的外部系統(tǒng)（現(xiàn)場可觸控顯示屏和用戶界面）可以通過內(nèi)部系統(tǒng)獲取由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層獲取的物料信息;供應(yīng)商通過用戶界面獲取到實(shí)時(shí)的工作流信息和精準(zhǔn)的物料需求計(jì)劃。

3? 基于物料管控平臺(tái)的運(yùn)行

3.1? 基于物料管控平臺(tái)的運(yùn)行過程

基于物料管控平臺(tái)的施工物料管控過程如圖2所示。在整個(gè)施工過程中所有物料開始流動(dòng)之前，項(xiàng)目相關(guān)信息集成到KanBIM系統(tǒng)中，由LPS編制施工計(jì)劃。一方面，由此導(dǎo)出物料需求計(jì)劃，供應(yīng)商信息系統(tǒng)接收該計(jì)劃，開始制定生產(chǎn)計(jì)劃和供應(yīng)計(jì)劃，安排發(fā)貨和運(yùn)輸，并由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將物料運(yùn)輸信息傳至KanBIM系統(tǒng);另一方面，KanBIM系統(tǒng)將施工計(jì)劃和施工物料信息展示給現(xiàn)場施工工人指導(dǎo)施工，現(xiàn)場工人和機(jī)械進(jìn)行施工準(zhǔn)備，當(dāng)物料到達(dá)現(xiàn)場并且準(zhǔn)備工作完成時(shí)，工序開始。在工序結(jié)束后反饋工序狀態(tài)到KanBIM系統(tǒng)中，更新施工進(jìn)度并允許開始下一工序。

3.2? 物料管控平臺(tái)的功能

3.2.1? 信息集成

本文將KanBIM的內(nèi)部系統(tǒng)作為物料管控平臺(tái)的核心，獲取由業(yè)主、供應(yīng)商、設(shè)計(jì)方、施工方提供的建筑模型信息，該部分信息在施工前就已經(jīng)導(dǎo)入系統(tǒng)，并在施工過程中可以調(diào)整更新。工作流信息和工作狀態(tài)信息等施工相關(guān)信息在施工過程中實(shí)時(shí)收集，由現(xiàn)場人員在一項(xiàng)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過現(xiàn)場大屏幕的觸控功能對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行更改。

庫存信息由KanBIM系統(tǒng)對(duì)接供應(yīng)商信息系統(tǒng)獲取。在途物料信息由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供，在物聯(lián)網(wǎng)感知層的各個(gè)運(yùn)輸車輛、現(xiàn)場臨時(shí)存放點(diǎn)、工作面上都裝有RFID閱讀器，可以精準(zhǔn)獲取帶有RFID標(biāo)簽的物料信息（包括物料的種類、型號(hào)、數(shù)量、供應(yīng)時(shí)間和供應(yīng)位置，特殊物料還包括溫度、濕度等信息），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由網(wǎng)絡(luò)層傳送至應(yīng)用層，通過物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)接口與KanBIM系統(tǒng)融合，將此信息集成和處理，實(shí)現(xiàn)物料可視化。

3.2.2? 制定計(jì)劃

在全面收集項(xiàng)目有關(guān)信息的基礎(chǔ)上，運(yùn)用LPS計(jì)劃控制體系制定詳細(xì)的物料需求計(jì)劃，結(jié)合現(xiàn)場施工位置信息，將物料需求時(shí)間和相應(yīng)工作面的位置信息附在物料需求清單的后面（即改進(jìn)的物料需求清單包括物料種類、型號(hào)參數(shù)、數(shù)量、送達(dá)時(shí)間、送達(dá)位置、質(zhì)量參數(shù)等信息）。在KanBIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，物料需求的拉式計(jì)劃可以將計(jì)劃精確到小時(shí)。

3.2.3? 信息協(xié)同

項(xiàng)目各參與方通過KanBIM系統(tǒng)分設(shè)的獨(dú)立端口實(shí)時(shí)獲取項(xiàng)目有關(guān)信息，各項(xiàng)目參與方不僅可以及時(shí)了解到所需信息，還可以在權(quán)限內(nèi)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行變更，各項(xiàng)目方能夠通過KanBIM系統(tǒng)對(duì)變更進(jìn)行協(xié)商和建議。KanBIM系統(tǒng)集成處理所獲取信息并將最新信息推送給需要的人員（如項(xiàng)目經(jīng)理、施工班組長、材料管理人員等）?，F(xiàn)場大屏幕作為外部系統(tǒng)，向施工現(xiàn)場工人展示施工計(jì)劃信息、模型信息以及物料供應(yīng)信息，同時(shí)，及時(shí)獲取現(xiàn)場工作狀態(tài)信息，并傳送到內(nèi)部系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與非現(xiàn)場的信息全面協(xié)同。

3.2.4? 變更處理

當(dāng)一項(xiàng)變更發(fā)生前，KanBIM系統(tǒng)可以提供一個(gè)多方參與的變更協(xié)商平臺(tái)，借助平臺(tái)中的模型，各參與方可以清晰了解到變更的內(nèi)容，也可以提出相關(guān)意見。變更發(fā)生后，業(yè)主、設(shè)計(jì)方和施工方都可以根據(jù)實(shí)際資源約束和變更后的需求對(duì)物料需求計(jì)劃做出調(diào)整，KanBIM系統(tǒng)中的物料需求計(jì)劃也會(huì)相應(yīng)改變，保證了供應(yīng)商和物料管理相關(guān)人員掌握最新、最準(zhǔn)確的信息[9]。

3.2.5? 效果分析和問題糾偏

每一項(xiàng)任務(wù)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析計(jì)劃完成百分比（Percent Plan Complete，PPC），這可以反映出計(jì)劃的有效程度和可信程度。在此基礎(chǔ)上，LPS根據(jù)計(jì)劃的執(zhí)行效果不斷調(diào)整計(jì)劃，這是一個(gè)對(duì)計(jì)劃不斷優(yōu)化的過程。

4? 結(jié)? 語

信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)管理方法的有效實(shí)施創(chuàng)造了無限可能，在精益建造理念下，將KanBIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在施工管理中，可以實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同、拉式計(jì)劃和可視化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精益建造。本文僅針對(duì)施工物料的管控進(jìn)行了探討，初步實(shí)現(xiàn)了物料的精益化，對(duì)精益物料的深入研究和實(shí)現(xiàn)提供了支持。有關(guān)資金流的融入以及該平臺(tái)對(duì)施工的全面管控將在后續(xù)研究中繼續(xù)討論。

注：本文通訊作者為蘇振民。

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