施工庫存管理體系研究

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一、引言

上海世博會(huì)已在2010年10月31日落下帷幕，由上百個(gè)各國場館所共同組成的大型群體項(xiàng)目在短時(shí)間內(nèi)共同快速推進(jìn)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(xiàng)的園區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目就多達(dá)110項(xiàng)，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(jìn)度目標(biāo)嚴(yán)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(yàn)值得發(fā)掘與借鑒。在世博會(huì)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(gè)條件，就需要提供精確的訂貨數(shù)量與供貨時(shí)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(jià)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(shí)間上又有著嚴(yán)格的要求，往往與最終實(shí)施結(jié)果與計(jì)劃相差甚遠(yuǎn)。會(huì)出現(xiàn)工程費(fèi)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(shí)際變化情況，實(shí)施動(dòng)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(xiàng)目管理體系中的一項(xiàng)重要工作，涉及到現(xiàn)場布置規(guī)劃［1］和庫存管理兩個(gè)方面，貫穿于項(xiàng)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(jì)生產(chǎn)批量、物料需求計(jì)劃（MRP）和準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)制［2］（JIT）及精細(xì)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(xiàn)［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。

（二）運(yùn)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(yùn)籌學(xué)方法較為成熟，李忠富等采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃構(gòu)建了建筑企業(yè)庫存動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)模型，從企業(yè)的視角對多項(xiàng)目庫存進(jìn)行規(guī)劃［3］。MichaelJ.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(xiǎn)，并與勞動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)分析，提升了整體建設(shè)效率［4］?；谶\(yùn)籌學(xué)的方法一般都需要較強(qiáng)的假設(shè)條件與數(shù)學(xué)抽象，如統(tǒng)計(jì)模型中有關(guān)概率分布的假設(shè)，而實(shí)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(gè)人等等），同時(shí)庫存協(xié)調(diào)是一種“牽一發(fā)動(dòng)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(yùn)籌學(xué)的方法不能很好地解決這一類問題。

（三）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在庫存管理上的應(yīng)用

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SystemDynamics）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(jì)50年代末成為一門獨(dú)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(rèn)識(shí)和解決社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、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(shí)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(dòng)力學(xué)引入到建設(shè)項(xiàng)目管理領(lǐng)域。天津大學(xué)雷榮軍、畢星指出“系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法與傳統(tǒng)項(xiàng)目管理方法是相輔相成的關(guān)系，傳統(tǒng)項(xiàng)目管理方法在項(xiàng)目計(jì)劃等方面有著不可替代的作用，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法更側(cè)重于項(xiàng)目的宏觀管理，側(cè)重于對難于準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)研究了建設(shè)項(xiàng)目的人力與物質(zhì)之間的資源平衡問題［7］；同濟(jì)大學(xué)王宇靜、李永奎針對大型復(fù)雜建設(shè)項(xiàng)目管理中的計(jì)劃問題進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)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(xiàng)目現(xiàn)場庫存管理問題。而系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(xiàng)目在開始之初，就已經(jīng)確定了建筑物的各項(xiàng)特征，不存在銷售的預(yù)測失準(zhǔn)問題。正是不同于制造業(yè)這一特點(diǎn)，決定了依照制造業(yè)建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)庫存管理模型都不適用于施工現(xiàn)場的庫存進(jìn)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(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行過程中還會(huì)出現(xiàn)各種突發(fā)情況，為及時(shí)調(diào)整，采用系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(qiáng)的實(shí)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(jìn)度，往往需要多次訂購，當(dāng)建筑物施工結(jié)束時(shí)，訂購?fù)Ｖ?。本文欲通過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(dòng)訂購流程。當(dāng)差距量達(dá)到訂購要求時(shí)，激發(fā)訂購流程，并根據(jù)訂購量來確定資金需要量。啟動(dòng)支付資金后，建材庫存獲得補(bǔ)充，開始施工，如此形成一個(gè)負(fù)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(jìn)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(huì)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。

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(xì)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(dòng)力學(xué)流圖。

（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(jì)量單位。建設(shè)工程前期多為施工準(zhǔn)備及較難施工的基礎(chǔ)工程階段，此時(shí)建設(shè)速率較為平緩，當(dāng)基礎(chǔ)工程完成后，進(jìn)入主體工程階段時(shí)，建設(shè)速率則會(huì)大為提升，對物料的需求和消耗也進(jìn)入高峰階段。后期進(jìn)入裝修裝飾階段時(shí)，主體工程已經(jīng)完工，建設(shè)速率又進(jìn)入一個(gè)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(jì)劃建造量所設(shè)定的初始值，而計(jì)劃建造量曲線的尾部則歸零。

（二）鋼材庫存

建設(shè)工程量確定后，根據(jù)相關(guān)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對建設(shè)速率進(jìn)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(jià)的角度分析，物料消耗占整個(gè)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(gè)模型中的核心，其變化水平，決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作效率。其表達(dá)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(jìn)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(dòng)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(huì)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(yán)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(gè)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(gè)工程所需全部鋼材需多次采購?fù)瓿?，并且每次啟?dòng)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(dá)式分別如下：調(diào)節(jié)量=日消耗率－鋼材庫存（2）訂購量=IFTHENELSEI{調(diào)節(jié)量場地庫存上限×預(yù)警比例：AND：建成量［計(jì)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(shí)，并且同時(shí)滿足（此處“：AND：”的含義為同時(shí)滿足其前后兩者的條件）建成量計(jì)劃建造面積初始值-（場地庫存上限/預(yù)警比例）時(shí)，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(jì)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(jìn)場之后終止采購。

（四）資金與資金調(diào)節(jié)時(shí)間

資金是項(xiàng)目實(shí)施的前提保障，項(xiàng)目資金有兩個(gè)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(jì)的角度來看，資金具有時(shí)間價(jià)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(shí)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)?shí)支付，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(shí)并不能按約定時(shí)限支付，是造成工程停工的一個(gè)重要原因。在模型中所設(shè)置的資金調(diào)節(jié)時(shí)間即為此考慮，當(dāng)資金支付遇到延遲時(shí)，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(huì)園區(qū)某展覽館為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，本場館計(jì)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(xiàn)［9］和工程實(shí)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(jià)和運(yùn)費(fèi)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(huì)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(shí)，需要補(bǔ)充庫存，由于補(bǔ)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(huì)出現(xiàn)施工停滯待料狀態(tài)，輕則會(huì)造成施工人員窩工、機(jī)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(shí)，啟動(dòng)采購流程，補(bǔ)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(dòng)采購；100%代表與場地庫存上限值相等，庫存滿倉時(shí)，依然啟動(dòng)采購。預(yù)警比例的取值應(yīng)將鋼材庫存波動(dòng)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(dòng)采購，波峰代表庫存經(jīng)歷采購后庫存得到了補(bǔ)充。鋼材庫存變動(dòng)控制在0至30之間，即達(dá)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(dòng)與庫存變化息息相關(guān)。圖4中日消耗率與施工進(jìn)度正相關(guān)，鋼材庫存在日消耗率達(dá)到峰值的前后時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)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(gè)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。當(dāng)預(yù)警比例取不同的值時(shí)，仿真結(jié)果如圖5所顯示，當(dāng)預(yù)警比例取高值時(shí)，在庫存還有較多剩余的狀態(tài)下就啟動(dòng)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(shí)，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(huì)出現(xiàn)無料可用，預(yù)警比例過高則會(huì)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(gè)施工過程順利進(jìn)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(shí)可以將庫存嚴(yán)格限制在0~30t之間，達(dá)到管控目標(biāo)。

（二）支付延遲影響

在工程啟動(dòng)后，因各種原因會(huì)出現(xiàn)支付延遲，支付的延遲對初始計(jì)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(jìn)行比較分析。正常支付情況下的函數(shù)表達(dá)式如（4）式所示，延遲支付情況下的函數(shù)表達(dá)式如（5）式所示。資金=訂購量×鋼材單價(jià)（4）資金=訂購量×鋼材單價(jià)-10×PULSE（40，10）×鋼材單價(jià)（5）（5）式所仿真的情況是：在工程進(jìn)展到第40天時(shí)，業(yè)主方延遲支付了10t鋼筋價(jià)款，共持續(xù)了10天。圖6中細(xì)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(dòng)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(jià)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(shí)時(shí)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。

六、結(jié)論

本文采用系統(tǒng)動(dòng)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(huì)園區(qū)某展覽館為例，對這一模型進(jìn)行模擬仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果制定施工材料采購計(jì)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(jìn)行提供了保障，并通過最大限度的批量采購獲得了經(jīng)濟(jì)效益。最后，根據(jù)模型仿真結(jié)果，提出通過主動(dòng)修改施工材料采購計(jì)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(xiǎn)。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(jìn)程的加快，可以預(yù)見未來在建筑密度較高的城市進(jìn)行施工時(shí)，施工場地多會(huì)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(gè)項(xiàng)目，而施工企業(yè)往往是多項(xiàng)目并行，多項(xiàng)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。