基于文獻研究的精益建造與數字技術集成綜述

劉 剛， 馬智亮， 李松陽

（1.清華大學 土木水利學院， 北京 100084；2.廣聯達科技股份有限公司， 北京 100193）

建筑業的業務特點是圍繞工程項目開展生產和經營活動，但建筑工程項目具有建設周期長、資金投入大以及地點分散、多專業、多關系方、流動性強等特點，導致建筑業工業化與數字化水平明顯落后于其他產業。據文獻分析，在過去的20年里，全球建筑業的年生產增長率僅有1%，全球建筑工程項目平均超進度近20%，超投資80%，平均浪費達44%，工程質量問題及施工安全事故頻發［1-4］。在數字化變革新時代，應用數字技術促進建筑業轉型升級迫在眉睫。

精益建造（LC）是將制造業成功經驗之一——豐田生產體系/精益生產的概念和原則改造并應用于建造領域的產物。精益建造可以從管理上助力建筑工程項目持續地減少和消除浪費，最大限度地滿足顧客的需求。本質上，精益建造是以客戶為中心，以精益求精思想為內核，綜合生產管理理論、建筑管理理論以及建筑生產的特殊性，面向建筑產品的全生命周期，運用專業的技術和方法，進行精細化管理，從而實現價值最大化和浪費最小化。根據清華大學的研究［5］，超過70%的建筑從業者認為，精益建造可以節約成本，減少浪費。研究表明，不論規模大小，采用精益建造可以節省約20%～30%的時間，并在相同數量級上提高生產效率［6］。

傳統的精益建造管理，雖然能夠增加價值、減少浪費，但是精益建造管理本身的復雜性意味著更高的管理成本［7］。在第四次工業革命背景下，各種數字技術正在被建筑業廣泛和深度地研究和應用，將數字技術深度集成于精益建造，有望提高精益管理的效率，降低精益管理的成本。對標制造業工業4.0（Industry 4.0）的概念，在歐美發達國家被提出并得到廣泛認可的建造4.0（Construction 4.0）［8］已經闡述了這樣的深度集成。

精益建造已被提出近30年，其理論、方法及工具在實踐的基礎上不斷發展，數字技術在精益建造中的應用也同步發展。在我國致力于盡早實現“雙碳”的大背景下，關注并發展精益建造具有重要的理論和實踐意義。迄今為止，尚無學者對精益建造及其與數字技術的融合進行系統總結。鑒于此，對在國內外學術期刊上發表的精益建造及其與數字技術集成有關的研究性論文進行系統分析和歸納，有助于行業和學界的相關人員關注并認識精益建造。

1 研究方法與技術路線

為總結精益建造及其與數字技術集成研究所取得的成果，采取文獻搜索、文獻篩選和文獻分析三步驟的研究方法和技術路線。進行數據庫選擇和主題確定，然后按照標題、所在領域初步選定相關文獻；對文獻進行快速篩選；對所篩選的文獻進行文獻計量學分析，討論當前研究的不足及未來的發展趨勢。研究方法和技術路線如圖1所示。

圖1 研究方法與技術路線Fig.1 Research method and technical route

1.1 文獻搜索

1.1.1 數據庫選擇

進行了數據庫檢索和文獻分析，所檢索的數據庫包括Scopus 數據庫（下文簡稱Scopus）和IGLC（International Group for Lean Construction）會議論文集（下文簡稱IGLC）。與Web of Science、PubMed和Google Scholar等其他搜索引擎相比，Scopus數據庫具有更廣泛的覆蓋范圍并更容易建立統一的索引數據［9］。IGLC 會議是自1992 年以來唯一專門針對精益建造領域的會議，引領了精益建造技術在建筑業的應用［10］。由于該會議早期的論文并未收錄在Scopus等主流數據庫中，因此將其作為補充數據庫。對于中文文獻檢索，選擇中國知網平臺下的中國學術期刊網絡出版總庫作為數據源，該庫是目前世界上最大的連續動態更新的中國學術期刊全文數據庫［11］。

1.1.2 檢索式確定

對于英文文獻檢索，在數據庫Scopus和IGLC中，采用“article title/abstract/keyword=lean construction”的檢索式。對于中文文獻，采用“主題=精益建造”的檢索式。

1.2 文獻篩選

1.2.1 論文初步選定

對文獻進行全面掃描，初步判斷論文標題，去掉明顯不相關的論文，對剩余論文的摘要，如有必要對全文進行快速閱讀，最終篩選出中國學術期刊全文數據庫中文文獻482 篇，Scopus 和IGLC 數據庫英文文獻3 139篇。

1.2.2 基本情況統計分析

從中文論文發表情況來看，2005年至今，總共有482 篇相關論文發表，2015 年之前論文數量相對較少，近5年論文數量有一定程度的增長，如圖2所示。在精益建造領域，國外研究起步較早，因此選取1996年至今發表的英文論文，共3 139 篇；2016 年前，以IGLC 的論文為主，但近年來被Scopus 收錄的論文數量明顯增加，已經超過IGLC。總體來看，2 個數據庫的英文論文近年來年發表數量基本穩定在200篇以上，如圖3所示。由統計數據可見，精益建造正在全球范圍內受到重視，但是在國內的論文數量仍然與國外存在一定差距。

圖2 按發表年份的論文數量統計（國內）Fig.2 Statistics of article number by year (domestic)

圖3 按發表年份的論文數量統計（國外）Fig.3 Statistics of article number by year (abroad)

1.3 文獻分析

1.3.1 文獻計量學分析

文獻計量學分析方法是通過對大規模文獻數據的處理，快速識別和建立文獻之間的聯系，將科學領域的知識結構可視化［12］。文獻計量學分析方法可以更加客觀地評價學科發展現狀，更加準確地發現學科發展趨勢［13］。

1.3.2 文獻內容分析

將所選文獻按照精益建造與數字技術集成系統性綜述對相關領域的研究現狀及特點進行解析，并總結當前理論研究的不足，為下一步研究方向的確定奠定基礎。

2 精益建造及其與數字化應用文獻計量學分析

選用VOSviewer作為文獻分析工具，該軟件具有呈現能力強、分析樣本數據容量大、能對知識單元進行聚類、易于操作等特點［14］。

2.1 中文文獻關鍵詞分析

將482 篇中文論文的文獻著錄數據導入VOSviewer中，生成關鍵詞聚類網絡圖。其中，節點表示論文中包含的主要關鍵詞，節點半徑表示關鍵詞出現的相對頻度，圓點之間的距離表示關鍵詞之間關聯性強弱。關鍵詞的閾值為在論文中至少出現4 次，共篩選出43 個關鍵詞，如圖4 所示。圖4 中，EPC表示工程總承包，5S表示工地現場的5大標準，ANP 表示網絡層次分析法，SPA 表示集對分析法，IPD 表示集成項目交付，TFV 表示精益建造的生產理論，PPC表示進度計劃完成百分比。

圖4 中文文獻關鍵詞關聯圖Fig.4 Keywords association graph of Chinese literatures

由于論文數量較少，關鍵詞呈散點狀分布，關聯度較低，尚未形成體系。總體來看，建筑信息模型（BIM）技術、成本管控、流程管理、末位計劃系統和物聯網等關鍵詞涌現，說明精益建造向數字化發展的趨勢。

2.2 英文文獻關鍵詞分析

將3 139 篇英文文獻著錄數據導入VOSviewer中，關鍵詞的閾值為在論文中至少出現23 次，共篩選出50個關鍵詞，5個聚類。根據文獻計量學理論，按照不同聚類包含的關鍵詞，將每一個聚類代表的研究方向進行歸納，如圖5所示。

圖5 英文文獻關鍵詞關聯圖Fig.5 Keywords association graph of English literatures

進一步對不同聚類的研究方向進行分析。可以發現，對于聚類A“精益建造目標/效果”（關鍵詞出現499 次，占比21.70%），浪費（Waste）與可持續性（Sustainability）是精益建造關注的重點；對于聚類B“以進度計劃為核心的施工過程管控”（關鍵詞出現792 次，占比34.43%），末位計劃法（LPS）是出現頻次最多的關鍵詞，說明進度計劃是過程管控的重點；對于聚類C“以增加價值為核心的協同設計”（關鍵詞出現528 次，占比22.96%），協同（Collaboration）與設計（Design）是出現次數最多的關鍵詞，表明設計階段的協同是當前精益建造的關鍵；對于聚類D“精益建造實施和評估”（關鍵詞出現250 次，占比10.87%），標準化（Standardization）是目前的熱點之一；對于聚類E“信息化支撐”（關鍵詞出現231次，占比10.04%），BIM 技術成為精益建造與數字技術融合的最重要的關鍵要素，可視化管理（Visual management）也是當前精益建造信息化的一個重要方向。

3 精益建造與數字技術集成重點文獻分析

經歷20余年的發展，精益建造已拓展了包括學術研究和工程實踐等領域的應用。為了便于讀者對本文獻綜述結果的理解，在文獻調研的基礎上構建了精益建造體系，如圖6所示。英文文獻主要有5個聚類結果，其中聚類A主要涉及精益建造思想、精益建造理論和精益建造原則等“上層建筑”，聚類B 和聚類C注重精益設計階段和施工階段的精益建造方法、工具等“中層支柱”，聚類D主要注重精益評估等“下層基礎”，聚類E 體現了精益建造與數字技術的集成，即數字技術為精益建造提供“數字底座”。受篇幅所限，而且精益建造已有很好的研究基礎，本節重點分析精益建造與數字技術集成，如圖6所示，針對聚類E部分（信息化支撐）按照相關度和代表性選取重點文獻并進行系統分析。

圖6 精益建造體系Fig.6 Lean construction system

數字技術與精益建造集成研究可分為交互關系、集成框架、系統研發和評估評價4個環節。將數字技術集成于傳統的精益建造中，即利用數字化工具實施精益建造的方法。根據波士頓咨詢公司的研究［15］，以項目進度計劃和控制為例，加入精益建造和數字化工具之后，對項目進度完成能起到20%～22%的提升，效果顯著。

作為信息化水平比較低的建筑業，近年來隨著建造4.0 概念［16］的提出，期待通過數字化來加快行業轉型。由圖7 可知，BIM 技術和基于云的統一數據環境（云平臺）是數字化的核心，也是其他技術集成應用的基礎。

圖7 建造4.0體系框架［16］Fig.7 Construction 4.0 architecture framework[16]

3.1 BIM技術與精益建造的交互關系及集成框架

通過文獻計量學分析和文獻閱讀可以發現，BIM技術是相關研究中最主要的數字技術，因此將BIM技術單獨抽離出來進行詳細分析。

3.1.1 BIM技術與精益建造的交互關系

BIM 技術與精益建造深度融合，存在錯綜復雜的交互關系。Sacks 等［17］最早提出了基于精益建造原則和BIM功能的交互矩陣分析工具，研究了24項精益建造原則+18 項BIM 功能。通過文獻中的研究內容和工程案例，找到56 項交互關系，如表1 所示。由表1可知，在精益建造原則中“降低產品不確定性”和“縮短生產周期”所占百分比最大，所以在工程各階段，特別是施工階段，要提前籌劃，防止由返工造成的工期延遲。此外，工程項目全生命周期管理中BIM 技術在項目進度和質量管理的可視化、精細化、精準化方面有著廣泛交互和深度融合。通過BIM 技術與精益建造的深入交互，使得項目方案優化、進度動態調整、費用及時支付、質量缺陷減少、安全事故率降低。由此可見，BIM 技術與精益建造的深入交互有助于精益建造原則的實現。

表1 精益建造原則和BIM功能的交互矩陣［17］Tab.1 Interaction matrix between lean construction principles and BIM functions[17]

針對BIM 技術與精益建造的交互關系，多位研究者從不同維度進行深入研究，取得了相應成果［18-24］，如表2所示。由表2可知：BIM技術用于精益建造生產計劃和控制的研究是最多的；在研究方向廣泛度方面，從建筑全生命周期設計和施工階段拓展到了用時最長、成本投入最高的運維階段；虛擬設計與施工（VDC）和精益建造存在正向交互點，說明方案模擬、碰撞檢查、精細項目管理等技術在精益建造中逐步發揮積極作用；“BIM技術-精益建造-綠色可持續性”三元交互關系初步形成，說明BIM 技術和精益建造是實現建筑業低碳化和可持續發展的有效支撐。

表2 BIM技術與精益建造的交互關系［18-24］Tab.2 Interaction between BIM technology and lean construction[18-24]

3.1.2 BIM技術與精益建造的集成框架

2020年，Mellado等［25］提出了BIM技術、精益建造和可持續性集成框架，系統分析了BIM技術、精益建造、可持續性集成的動因、優勢、阻礙和挑戰以及三者集成對項目關鍵績效指標（KPI）的影響，如圖8所示。

圖8 BIM、精益建造和可持續性原則的集成理論框架及組成［25］Fig.8 Integrated theoretical framework and composition of BIM technology, lean construction and sustainability principles[25]

Sbiti等［26］提出了BIM和LPS的集成框架，該框架增加的內容主要有：基于BIM 數據和工作分解結構（WBS）數據自動生成階段計劃；利用企業資源計劃（ERP）、文件管理系統、BIM交換數據的移動端APP輔助前瞻計劃編制和周工作計劃執行。Chuquín等［27］提出了設計階段精益和BIM集成框架，基于高層住宅案例分析了BIM的三維可視化功能、并行設計功能和精益可持續性建筑設計（SBD）、價值流映射（VSM）集成優勢和對施工階段的影響。

其他學者［28-30］也提出了相應的BIM技術與精益建造的集成框架。研究表明，BIM技術和精益建造集成框架正在構建，如在末位計劃系統流程中融合BIM技術以及三維可視化、四維仿真、碰撞檢查等功能，有助于提升項目計劃按時完成率。

3.2 其他數字技術與精益建造的交互關系及集成框架

3.2.1 其他數字技術與精益建造的交互關系

Brissi 等［31］系統地梳理了35 篇裝配式建造中數字技術和精益建造交互的文獻，以及9 篇機器人系統和精益建造的交互矩陣。研究表明，精益建造與新一代設備和技術的融合，將更有助于裝配式建造項目精益效能的發揮。裝配式建造中數字技術和精益建造的交互研究如表3所示。

表3 裝配式建造中數字技術和精益建造交互研究［31］Tab.3 Research on the interaction between digital technology and lean construction in assembly construction[31]

3.2.2 其他數字技術與精益建造的集成框架

數字技術的迅速發展對精益建造產生著深刻影響。文獻調研表明，近年來在數字技術與精益建造的集成研究方面文獻數量有所增加，主要分為3 個研究方向：①精益建造施工，基于超寬帶（UWB）和機器視覺實時定位施工現場人、機、材［32］，數字看板系統用于土方施工的資源調度［33］，基于物聯網的精益建造管理［34］，基于價值流映射的3D打印精益建造分析［35］；②精益建造教育培訓，如射頻識別（RFID）技術［36］、仿真游戲技術、VR［37］等方式；③精益建造管理。通用數據環境（CDE）支持數字化精益建造管理［38］。

Dave等［39］提出了建筑全生命周期的物聯網典型框架，該框架基于物聯網開放式消息接口標準，采用VisiLean精益施工管理軟件，涵蓋建筑設計、生產、建造、使用、運維及拆除各階段，對建筑全生命周期進行精益化管理。

3.3 精益建造軟件研發

在建設全過程各階段構建相應的精益建造軟件和管理平臺系統，對精益建造項目的推進至關重要。根據項目集成應用開發了不同的軟件，如表4所示。由表4 可知，精益建造軟件的應用主要集中在設計階段，施工階段較少。在設計階段，利用BIM技術可視化的優勢，在三維空間維度進行多個設計方案比選，加入時間維度后，能夠進行過去、現在和未來工作任務狀態的可視化展示與模擬推演；通過基于BIM 工作流的信息系統支持，可以制定精益建造計劃進度排程。在施工階段，基于BIM自動化算量、四維進度模擬以及計劃執行結果的分析，能有效實現項目精細化管理。

表4 精益建造軟件系統研發情況［40-48］Tab.4 Research and development of lean construction software system[40-48]

3.4 數字技術和精益建造集成評估

數字技術和精益建造集成研究中起到反饋閉環作用的評估是提高精益建造效果的重要環節。由表5 可知，數字技術和精益建造的集成是必要的。然而，在集成運用過程中，對應用水平和成熟度的定性分析較多，而對集成數字技術后的應用水平在企業級和項目級的定量評估手段較少，因此建立數字技術與精益建造集成評估體系非常必要。數字技術與精益建造集成評估主要分為兩大類，即基于工程項目數據評估和基于專家經驗（問卷）評估。前者主要基于項目數據的理論分析和變量分析，對項目進度和成本影響進行評估；后者主要通過問卷或專家經驗，找出項目浪費來源，分析顯著程度和關聯路徑，從而找到消除浪費的途徑。

表5 精益建造與數字技術集成評估研究情況［49-54］Tab.5 Research on evaluation of lean construction and digital technology integration[49-54]

4 結語

數字技術與精益建造的深入交互有助于精益建造原則的實現。現有研究大多涉及BIM技術和LPS的集成，以及對BIM 技術對精益建造的影響評估。通過文獻調研，從發展趨勢來看，數字技術正成為推動建筑業轉型的核心驅動力。然而，已有研究成果和工程實踐缺乏精益建造與數字技術集成的系統性研究，未來還可從以下三方面進一步加強：基于數字化的精益建造及其管理模型、基于數字化的精益建造管理平臺、基于數字化的精益建造成熟度評估模型和方法。

作者貢獻聲明：

劉 剛：研究方法與技術路線制定，精益建造與數字技術集成重點文獻分析，論文撰寫。

馬智亮：研究方法與技術路線指導，論文審核。

李松陽：參考文獻收集，文獻計量學分析。