基于KanBIM和物聯網的施工物料管控平臺研究

公婷婷 蘇振民

摘? 要： 針對我國施工物料管理存在物料需求計劃不精確，項目部與供應商之間沒有統一有效的信息共享平臺，物料不能高效配合施工等問題，提出運用KanBIM和物聯網技術構建精益物料管控平臺。利用KanBIM內置的最后計劃者體系（LPS）制定拉式、精確的物料需求計劃。同時，引入物聯網技術對物料進行實時追蹤管理，結合KanBIM對施工過程的可視化功能，安排即將進場的物料直接運送到相應的工作面，實現準時、拉式、協同的施工過程精益物料管控。為進一步提升建筑施工效率、實現精益建造提供基礎。

關鍵詞： 施工物料管控; KanBIM; 物聯網; 物料管控平臺; 需求計劃;實時追蹤管理

中圖分類號： TN911?34; TU71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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、使用時間不明確、物料不能精準供應是建筑行業的效率明顯低于制造業的主要原因之一，提高物料管控水平是提升建筑效率的關鍵。目前，國內施工物料管理方面存在的問題有：物料需求信息不夠細化、做不到拉式;物料信息和現場施工信息往往存在于不同的系統，供應商無法及時獲得精準的物料需求信息[1];物料信息沒有及時獲取和處理[2]，無法與項目信息及時對接，物料不能準確送達相應工作面。

為提高物料管理效率，許多學者把焦點集中在信息協同上來構建管控平臺，如文獻[3]設計了基于BIM的建筑供應鏈的信息流模型基本架構，試圖把BIM應用于建筑供應鏈信息流管理。而文獻[4]認為BIM中只包含與項目本身有關的信息，沒有涉及與施工現場工作及工作流相關的信息，因此，依然不能做到物料需求計劃的拉式。由此，文獻[5]引入國外KanBIM技術，構建基于KanBIM的項目信息協同模型來提高信息的傳遞效率，促進施工方和供應方的協作，實現更有效的管控。KanBIM內置的最后計算者體系（Last Planner System，LPS）是目前制定拉式物料需求計劃的先進計劃體系，文獻[6]在分析支持該體系的技術和方法的基礎上，認為利用KanBIM可以實現項目管理過程的可視化，這為施工過程的管控提供了基礎。

針對施工物料流信息的獲取問題，物聯網技術的應用可以妥善解決。物聯網能夠實現物品的自動識別與信息實時共享，對于物料的全過程跟蹤監控及供應鏈的可視化具有重要意義[7]。作為國家大力推動的新興技術，物聯網在建筑行業已經有了實踐應用，主要體現在：對供應鏈和庫存的協同管理、對工程質量的監控、對施工的安全管控、建筑能耗的監測和智能建筑等方面。

綜上可見，KanBIM技術能實現對施工現場工作狀態和工作流的可視化，結合工作狀態和BIM模型真正實現LPS拉動物料需求計劃，物聯網技術可以對物料進行跟蹤可視化管理，因此，本文將KanBIM技術與物聯網技術結合，獲取和傳遞物料需求信息和物料信息，構建準時、拉式的施工過程物料管控平臺，實現物料的精益化管控。

1? KanBIM和物聯網技術的內涵

1.1? KanBIM系統

KanBIM是由Rafael Sacks團隊開發的包括程序、軟件和硬件的管理信息系統，它包括內部系統（BIM數據庫包括生產模型、過程模型和狀態模型）和外部系統（用戶界面）兩部分，并內置LPS體系。該系統引用了精益建設原則、建設信息技術（BIM）和看板，是信息技術與管理方法的融合。它可以提供一個詳細的生產計劃和控制工作流程，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劃和監測，提供清晰成熟的計劃任務和正在進行的工作狀態的可視化。

KanBIM系統開發的功能需求劃分為7個主要方面：過程可視化，產品和方法可視化，工作包或任務期限的計算和顯示，支持計劃、談判、承諾和狀態反饋，實施拉式流控制，維護工作流和計劃的穩定性，形成持續改進的不斷實驗。

1.2? 物聯網技術

物聯網（Internet of Things，IoT）是指在信息網絡的基礎上，利用數據采集技術和傳感技術，按照標準化的協議進行物品與網絡的連接，以實現對物品的識別、定位、跟蹤、監控和管理的智能化網絡系統[8]。文獻[9]把物聯網分成四層：感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術和無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）技術是物聯網的核心技術，RFID也是目前應用研究最為廣泛的技術。

1.2.1? RFID技術

典型的RFID技術包含標簽、閱讀器和天線3個組成部分，其工作原理是把無線電信號轉換成電磁場，把數據從鑲嵌在物品表面或物品內部上的標簽傳送出去。閱讀器可以接收、識別其信息并追蹤該物品，而包含了電子存儲信息的標簽，可根據工作頻率在不同范圍內進行識別。目前，RFID技術應用已經普及，并在生活中常見的管理、防偽、追蹤、識別等方面廣為使用[10]。

1.2.2? WSN技術

WSN是一種分布式傳感網絡，其網絡設置靈活、設備隨時調換。WSN所具有的傳感器類型眾多、功能強大、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、光強度以及移動物體的大小、速度和方向等各種物理現象，還可在智能交通、軍事領域、環境監控、醫療衛生等多個領域發揮巨大作用[11]。WSN的特點包括：大規模、自組織、動態性、可靠性、以數據為中心、集成化、具有密集的節點布置、協作方式執行任務。

1.2.3? 物聯網數據交換標準

物聯網應用層中相關數據的交換標準紛繁復雜，沒有統一的HTML式的數據交換標準是物聯網發展的一大瓶頸。數據交換標準對物聯網數據和各個應用端能否交互起到決定性作用，是物聯網集成應用的關鍵所在[12]。數據交換標準主要應用在物聯網的應用層和感知層，配合傳輸層通道。

2? 基于KanBIM和物聯網技術的施工過程物料管控平臺

2.1? KanBIM和物聯網技術結合的必要性分析

縱然KanBIM系統在施工管理方面有著強大的功能，但針對物料的管理功能還有待完善，需要借助物聯網技術來實現，主要體現如下：

1） KanBIM技術尚未克服建筑供應鏈中復雜的、分布式的信息系統問題，對于企業內部和企業之間的信息系統來說，具備高抽象層次的信息接口至關重要。而通過統一物聯網標準，可以為任何類型的系統或智能產品間任何信息類型的交換提供充分的通用接口[1]。

2） KanBIM系統中內置LPS計劃體系和BIM模型，實現了對產品模型和實際工作流的可視化，也能根據現場可觸控大屏幕上的反饋信息及時調整改進計劃，但欠缺對物料的可視化功能。通過整合物聯網獲取的物料信息可以彌補這一欠缺，向建筑供應鏈的全面管理更進一步，提高施工效率。

3） 物聯網技術在物流領域的應用逐漸趨于成熟，其對物流信息的獲取和傳輸功能較其他技術有顯著優勢，但想在建筑領域發揮效用，還需在應用層面與合適的系統進行集成，以便于信息的全面集成、處理和應用。

因此，本文借助物聯網技術彌補KanBIM對物料可視化的欠缺。

2.2? 基于KanBIM和物聯網技術的物料管控平臺構建

本文擬構建的物料管控平臺通過物聯網技術建立統一的數據交換接口，擬構建的物料管控平臺框架見圖1。

利用物聯網結構中的感知層實現對建筑物料的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理;利用網絡層向下與感知層結合，向上與應用層鏈接，實現項目部和供應商的網絡融合;利用應用層中央處理器與KanBIM系統結合，將KanBIM的內部系統與物聯網應用層融合，實現信息的集成、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（現場可觸控顯示屏和用戶界面）可以通過內部系統獲取由物聯網技術感知層獲取的物料信息;供應商通過用戶界面獲取到實時的工作流信息和精準的物料需求計劃。

3? 基于物料管控平臺的運行

3.1? 基于物料管控平臺的運行過程

基于物料管控平臺的施工物料管控過程如圖2所示。在整個施工過程中所有物料開始流動之前，項目相關信息集成到KanBIM系統中，由LPS編制施工計劃。一方面，由此導出物料需求計劃，供應商信息系統接收該計劃，開始制定生產計劃和供應計劃，安排發貨和運輸，并由物聯網技術將物料運輸信息傳至KanBIM系統;另一方面，KanBIM系統將施工計劃和施工物料信息展示給現場施工工人指導施工，現場工人和機械進行施工準備，當物料到達現場并且準備工作完成時，工序開始。在工序結束后反饋工序狀態到KanBIM系統中，更新施工進度并允許開始下一工序。

3.2? 物料管控平臺的功能

3.2.1? 信息集成

本文將KanBIM的內部系統作為物料管控平臺的核心，獲取由業主、供應商、設計方、施工方提供的建筑模型信息，該部分信息在施工前就已經導入系統，并在施工過程中可以調整更新。工作流信息和工作狀態信息等施工相關信息在施工過程中實時收集，由現場人員在一項工作狀態發生變化時，通過現場大屏幕的觸控功能對工作狀態進行更改。

庫存信息由KanBIM系統對接供應商信息系統獲取。在途物料信息由物聯網技術提供，在物聯網感知層的各個運輸車輛、現場臨時存放點、工作面上都裝有RFID閱讀器，可以精準獲取帶有RFID標簽的物料信息（包括物料的種類、型號、數量、供應時間和供應位置，特殊物料還包括溫度、濕度等信息），經過數據處理后由網絡層傳送至應用層，通過物聯網標準提供的數據接口與KanBIM系統融合，將此信息集成和處理，實現物料可視化。

3.2.2? 制定計劃

在全面收集項目有關信息的基礎上，運用LPS計劃控制體系制定詳細的物料需求計劃，結合現場施工位置信息，將物料需求時間和相應工作面的位置信息附在物料需求清單的后面（即改進的物料需求清單包括物料種類、型號參數、數量、送達時間、送達位置、質量參數等信息）。在KanBIM和物聯網技術的支持下，物料需求的拉式計劃可以將計劃精確到小時。

3.2.3? 信息協同

項目各參與方通過KanBIM系統分設的獨立端口實時獲取項目有關信息，各項目參與方不僅可以及時了解到所需信息，還可以在權限內對項目進行變更，各項目方能夠通過KanBIM系統對變更進行協商和建議。KanBIM系統集成處理所獲取信息并將最新信息推送給需要的人員（如項目經理、施工班組長、材料管理人員等）?，F場大屏幕作為外部系統，向施工現場工人展示施工計劃信息、模型信息以及物料供應信息，同時，及時獲取現場工作狀態信息，并傳送到內部系統，實現現場與非現場的信息全面協同。

3.2.4? 變更處理

當一項變更發生前，KanBIM系統可以提供一個多方參與的變更協商平臺，借助平臺中的模型，各參與方可以清晰了解到變更的內容，也可以提出相關意見。變更發生后，業主、設計方和施工方都可以根據實際資源約束和變更后的需求對物料需求計劃做出調整，KanBIM系統中的物料需求計劃也會相應改變，保證了供應商和物料管理相關人員掌握最新、最準確的信息[9]。

3.2.5? 效果分析和問題糾偏

每一項任務完成后，系統會自動分析計劃完成百分比（Percent Plan Complete，PPC），這可以反映出計劃的有效程度和可信程度。在此基礎上，LPS根據計劃的執行效果不斷調整計劃，這是一個對計劃不斷優化的過程。

4? 結? 語

信息技術的發展對管理方法的有效實施創造了無限可能，在精益建造理念下，將KanBIM與物聯網技術應用在施工管理中，可以實現信息協同、拉式計劃和可視化管理，進而實現精益建造。本文僅針對施工物料的管控進行了探討，初步實現了物料的精益化，對精益物料的深入研究和實現提供了支持。有關資金流的融入以及該平臺對施工的全面管控將在后續研究中繼續討論。

注：本文通訊作者為蘇振民。

參考文獻

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