共享工地仓储空间信息下的建筑供应链协同研究

郑海莎

（西南交通大学，四川　成都　610031）



共享工地仓储空间信息下的建筑供应链协同研究

郑海莎

（西南交通大学，四川成都610031）

为了分析工地仓储空间容量不确定信息对建筑材料配送决策和总承包商仓储决策的影响，在总承包商传统材料接收政策和总承包商成本最优材料接收政策两种情形下，分别建立了传统材料供应模式和总承包商主导供应商无合作模式的供应链决策模型。通过Monte Carlo方法模拟材料供应的整个过程，对比不同模式下供应链上各成员的最优决策和收益，发现相对于传统材料供应链，总承包商主导供应商无合作供应链更有利于实现供应链协同，特别是材料货源充足时，材料供应商之间不需要合作就可实现建筑供应链的帕累托最优；当材料货源不充足时，需要通过材料供应商间的合作，实现建筑供应链的帕累托最优。

工地仓储空间；信息共享；建筑供应链；协同；空间约束；多供应商

1　引言

自从制造业供应链思想应用到建筑业中，提出建筑供应链概念后，建筑供应链逐渐成为一种新兴的并具有发展潜力和应用前景的建筑材料供应协同方式［1］，特别是大数据时代下，BIM（Building Information Modeling）定制化建造的发展对建筑供应链协同管理水平提出了更高的要求［2］。由于建筑材料或部件（后统称：建材）配送决策和工地仓储决策与工地仓储空间容量信息紧密相关，考虑到建筑工地受到工程地理位置的影响，以及上一工序物料消耗速度的影响，同时建材具有价格低、体积大、需要较大场地存储等特点［3］，导致工地存放建材空间有限且不确定。总承包商工地处于建筑供应链下游，下游信息的共享且有效利用是实现建筑供应链有效运行的条件［4］，同时建筑材料的采购与配送会对建筑工程项目的成本控制和工期进度产生重要影响［5］，迫切需要相关理论来研究总承包商工地仓储空间容量不确定信息共享下对建材配送决策和总承包商仓储决策的影响，即待解决的问题是，总承包商工地仓储空间容量不确定信息共享下，总承包商与多个材料供应商如何建立协作关系，协调配送和仓储建筑材料，以合适的时间、合适的数量、合理的成本，从多个供应商运到施工工地。

目前，国内外学者对于建筑供应链上企业合作的建立［6-11］、建筑供应链信息化［12-13］等方面进行了卓有成效的研究。Lamming（1993）提出了与传统竞争采购相对立的合作采购概念［8］，在Hamaza等（1999）对建筑供应链的研究中显示，合作伙伴关系能够让供应链上全部参与者受益［9］。许婷（2009）用演化博弈论方法研究了业主与承包商之间的竞合关系［7］。Bankvall等（2010）的研究显示，建筑供应链中的连续供应链与汇集供应链增加了建筑供应链协同的难度［10］。苏菊宁等（2010）研究了由业主和建筑商组成的两级建筑供应链，实现了项目工期控制目标协调优化和供应链的帕累托改善［11］。研究显示供应商与总承包商的合作有利于实现供应链的帕累托改善，为实现合作，ERP系统的引入是建筑供应链信息共享研究的主要方向。Rouhani（2014）研究了建筑业选择ERP系统的原则［13］，Ozorhon和Cinar（2015）识别了建筑业成功实施ERP信息系统的关键要素［12］。

现有的建筑供应链协同研究大多面向建筑供应链构建可行性和建筑信息系统选择，针对关键共享信息的应用，尚未形成实质性的研究成果。然而，供应链合作关系确定并共享信息后，要实现供应链有效运作还有赖于共享信息的分析［4］。针对该问题，本文在考虑帮助总承包商精细化管理建材配送的基础上，基于工地仓储空间容量不确定信息共享，提出了总承包商工地仓储决策和材料供应商配送决策模型和方法，以便总承包商制定合适的仓储策略和材料供应商制定合适的配送策略，从而促进供应链集成的有效实现，以及充分发挥供应链的优势。本文是李毅鹏和马士华（2013）［12］研究的扩展，从供应链角度研究了总承包商和材料供应商的协同，同时明确了供应商之间合作的条件。

2　符号描述与模型假设

在供应同时使用材料的供应商与总承包商形成的多供应商单一需求方的两阶段供应链中，研究假设工程建筑需要同时使用两种材料进行施工，不失一般性，两种材料均为库存材料，特点为单价不高、仓储保存条件相对比较简单，需求量较大，建材供应商通常保有一定量的库存，接到采购订单后，在短时间内，按订单需求进行配送［15］。为简化模型，供应商处的材料存储成本属于沉没成本，供应商的提前期和材料使用时间均不考虑。由于建筑工程材料供应与制造业不同，一般不需要连续配送，由施工工地场地限制造成的二次送货，只需再一次供货即可满足工程需求，为了保证不会因为材料缺货而导致工程停工，总承包商要求第一次材料送货量要尽量利用施工工地仓储空间，否则对材料供应商进行惩罚。相关符号描述如下：

DA，DB：材料A和材料B的需求量

SA，SB：材料供应商决定的第一次送货量，SA≤DA，SB≤DB；

V：施工工地存放空间，具有不确定性，概率密度函数为v（x）（v（x）＞0），概率分布为V（x），为非减函数，且V（0）=0；

vA，vB：材料A和材料B单位所占空间；

rA，rB：施工工地的第一次配送材料可接收量；

RA，RB：施工工地的第一次配送材料实际接收量；

pA，pB：材料A和材料B的单位价格；

hA，hB：材料A和材料B在施工工地单位存储费用；

tA，tB：材料A和材料B的单位配送成本；

m：材料A和材料B第一次配送未达到总承包商要求量的单位惩罚成本。

3　供应链协同分析

材料A和材料B根据工程建筑需要配合使用，总承包商在确定材料供应商后，将工程项目所需材料A和材料B用料计划下达给相应供应商。总承包商之后根据工地仓储空间和接收策略接收送达材料并存放。供应商会根据接到的通知安排材料配送，材料配送到达工地后如无空间存储，供应商安排退货和二次送货。

供应商成本包括送货成本、退货成本、二次送货成本和送货量小于总承包商可接收量的惩罚成本，材料供应商成本表示为：

3.1传统材料供应链模型

传统材料供应模型下，总承包商根据工地存放空间（V）和配送量决定材料接收量，接收材料政策为：（1）先到材料，材料A先到其中同理可得材料B的接收量；（2）后到材料，根据工地剩余存放空间决定材料接收量，材料A后到其中同理可得材料B的接收量。

材料供应商在接到总承包商材料需求信息后，为避免退货或二次送货成本，按收到的总承包商材料需求量和现有库存量抢先送货，即SA≤DA和SB≤DB，占用工地仓储空间，先到者如工地存储空间足够则全部接收，如未能达到订购量，产生惩罚成本；否则退回无法存储部分，产生退货和二次配送费用，材料供应商无惩罚成本，同理可确定后到材料供应商成本，材料供应商之间存在竞争关系。根据式（2），不同情况下材料供应商A成本见表1。

推论1：传统材料供应链模型下，当材料供应商配送量满足一定条件时，材料供应商的期望成本最小；材料供应商最优成本与供应链最优成本不一致。

由于公式计算和推导十分复杂冗长，本文第4部分将通过Monte Carlo模拟仿真方法来验证该推论。

表1　传统材料供应链下供应商A成本

3.2总承包商主导供应商无合作供应链模型

由此可见，当前供应链下仓储空间的随机性对总承包商最低成本无影响。此时，总承包商材料接收政策为：根据工地存放空间（V）分配各材料仓储空间，即其 中同 理 ，其中

供应商做配送决策时，考虑以下信息：工程项目材料用料需求、工地接收材料政策和工地仓储空间信息。由于供应商之间无信息沟通，供应商分别做出配送决策，根据式（2），材料供应商A在不同情况下的成本见表2。

表2　总承包商主导供应商无合作供应链下材料供应商A成本

推论2：在总承包商主导供应商无合作供应链下，总承包商期望成本最低，不受仓储空间不确定性的影响且为常数；当材料供应商配送量满足一定条件时，材料供应商存在最优配送量使得材料供应商期望成本最低，并且整个供应链期望成本达到最低。

4　算例仿真与敏感性分析

4.1算例说明

沿用李毅鹏和马士华（2013）［12］中的算例，将停工成本改为惩罚成本，原因是库存材料通常不会造成缺货停工，同时假设工地存储空间满足正态分布，V～Ν（μ,δ2），m=3 751，δ=375.1。利用Monte Carlo模拟材料供应链的整个过程，对工地仓储空间产生100 000个随机变量。材料供应商送达材料的时间在总承包商规定的配送时间窗内呈均匀分布，供应商配送决策在［0,DA］或［0,DB］均匀分布。

表3　算例参数值

4.2计算结果

计算结果如图1所示，由图1可知两种供应链下均存在最优配送量使得供应商期望成本最低；在最优配送量下，比较两种不同供应链的材料供应商期望成本、总承包商期望成本和供应链期望成本，可看出总承包商主导下的供应链各项成本均低于传统供应链下的期望成本，特别值得注意的是，在传统供应链下材料供应商最优配送决策未能导致最优供应链期望成本，而总承包商主导下材料供应商最优配送决策与最优供应链期望成本一致。可见，总承包商主导供应商无合作供应链优于传统供应链。

4.3敏感性分析

采用敏感性分析了在供应商主导供应链模型下的几种情况：（1）材料供应商不按最优配送量决策对另一材料供应商配送决策的影响；（2）单位惩罚成本与运输成本比率变化；（3）仓储空间μ变化；（4）仓储空间δ变化对总承包商主导供应链的影响，计算结果如图2至图5所示。

图2显示总承包商主导供应商无合作供应链下，存在最优配送量使得材料供应商的期望成本最低；当另一材料配送量时，材料供应商A的配送决策不变，期望成本不变，且为最低。当时，材料供应商 A送决策为期望成本最低，但大于由配送量决定的期望成本，这是由期望未满仓惩罚成本导致的。同理可得材料B的最优配送量。因此，得到管理启示如下：在总承包商主导供应链模式下，材料供应商按配送材料，供应商成本达到最低，总承包商成本为常数，则整个供应链成本达到最低；当存在未满仓惩罚成本时，材料A和B货源充足，材料供应商会自觉考虑总承包商材料接收政策，为保持成本最小，按比例配送，供应商之间不需要合作，整个供应链成本达到最低；当材料A和B货源不充足时，材料供应商会受自身供应能力约束，配送决策影响另一供应商成本，材料供应商为获得最小期望成本，供应商之间需要相互合作，按SA/SB=a比例配送材料，从而使整个供应链成本达到最低。

图3-图5所示为参数变化对期望成本的影响。在供应商期望成本中虚线表示不同参数影响下最优配送决策连线，在供应链期望成本中虚线表示最优期望成本连线。由图3可知，m tA比率越小，惩罚成本越小，材料最优配送量不断减少，供应链期望成本降低，说明材料供应商更趋向于利用第二次补货政策进行配送，这与总承包商工程利益不一致，所以需要设定一定的惩罚成本保证工程顺利进行。

图1　两种供应链下各期望成本比较

图2　总承包商主导供应链下材料供应商A期望成本

由图4可知 μ变大，说明仓储空间均值变大，随之材料最优配送量增加，但材料供应商期望成本和供应链期望成本在一定范围内保持不变，直到仓储空间增加到足够大时，材料供应商期望成本和供应链期望成本迅速下降。当δ不变，μ变大，仓储空间的不确定减少，减少了材料供应商因仓储空间不确定性导致的成本，图5进一步显示δ变化对材料供应商和供应链期望成本的显著影响，说明对δ的估计越准确，成本降低越显著。

5　结论与展望

工地仓储空间容量与建筑材料配送决策和工地仓储决策紧密相关，在工地建筑材料存放空间信息不确定下，通过信息共享，提出了实现供应链帕累托最优的接收政策和配送决策的模型，研究发现相对于传统的供应链，总承包商主导供应商无合作供应链能有效地达到供应链最低期望成本；特别是当材料货源充足时，材料供应商之间不需要合作，整个供应链期望成本和供应链上企业期望成本达到最优；当材料货源不充足时，通过材料供应商之间的合作，整个供应链期望成本和供应链上企业期望成本达到最优。通过敏感性分析得出，惩罚成本虽是工程顺利开展的保证，但需要合理设置，否则会导致供应链期望成本迅速增加；同时工地建筑材料存放空间信息越准确，越有利于降低供应链期望成本。

本文不仅局限于建筑供应链，可扩展到其它考虑存储空间限制的供应链配送与仓储决策，但仍存在进一步研究的空间，如考虑非库存材料的供应不确定性、供应提前期以及批量运送等影响、多周期建筑材料供应链协同研究等，使得供应链达到最佳协同。

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Study on Construction Supply Chain Collaboration with Shared Construction Site Storage Space Information

Zheng Haisha
（Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

In this paper， in order to research the influence of the uncertainty of the construction site storage space information on theconstruction material distribution decision- making process and the head contractor storage decision- making process， we established thesupply chain decision-making model for the traditional material supply mode and the head contractor dominated mode with no cooperationamong the suppliers for the two scenarios where the head contractor practiced the traditional material acceptance policy and the costoptimizedmaterial acceptance policy， simulated the whole operational process of the supply chain using the Monte Carlo method， comparedthe optimal decisions and benefits of the supply chain members under different modes， and at the end， elaborated on the findings reached.

construction site storage space；information sharing；construction supply chain；collaboration；space constraint；multiple supplier

图3　单位惩罚成本与运输成本比率变化对总承包商主导供应链的影响

图4　仓储空间μ变化对总承包商主导供应链的影响

图5　仓储空间δ变化对总承包商主导供应链的影响

F426.91；F274

A

1005-152X（2016）01-0131-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.01.034

2015-12-14

国家留学基金管理委员会访问学者项目（201507005035）；四川省科技厅软科学项目（2014ZR0170）；成都市科技项目（2015-RK00-00003-ZF）

郑海莎（1977-），女，四川乐山人，西南交通大学交通运输与物流学院讲师，博士，研究方向：物流与供应链管理、风险管理、创新管理等。