预制构件是装配式建筑产业链上的关键一环。预制构件通常在工厂预先生产完成, 再运输至现场进行装配, 同现浇的生产方式相比, 具有生产效率高、产品质量好、施工速度快等特点, 也是近年来国家大力倡导的生产方式。为解决我国资源、环境和可持续发展所面临的问题, 政府先后出台了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》 (国办发[2016]71号) 、《装配式建筑评价标准》 (GB/T51129-2017) 等文件、标准, 使得我国装配式建筑得以快速发展。在不到几年的时间里, 以京津冀、长三角、珠三角为代表的预制构件厂数量就高达1000多家。然而, 预制构件厂在快速增长的同时, 也出现了不少问题, 比如过量生产、大量库存、质量缺陷、额外返工等。

VSM作为一种沟通和管理改善工具, 能够显著消除整个生产流程中的非增值活动来实现价值最大化。目前, 已被广泛应用于建筑施工、卫生保健、产品开发、创新管理等部门, 并成为企业开展精益之旅的首选工具。为消除生产流程中存在的问题, 不少学者尝试着将VSM应用到预制构件的生产过程中。例如, Haitao Yu等 (2013) 将VSM用于美国的Kullman Building Corporate (KBC) 模块化建筑制造商的生产线中, 经过六个月的VSM精益实践, KBC公司的生产力、产量和劳动力成本均得到了明显的改善;Mana Moghadam (2013) 将VSM用于加拿大艾伯塔省埃德蒙顿的模块化制造公司 (Igloo Prebuilt Homes) 生产线的改进, 最终实现了交付周期的缩短和资源浪费的消除;Carlos Antonio等 (2014) 将VSM应用于巴西圣保罗的一家预制混凝土构件厂的批量流动预制混凝土构件的生产线中, 使得生产力提高了24%。基于此, 为了提高生产效率, 消除预制构件生产流程中存在的浪费, 本文提出将VSM应用在装配式预制构件的生产过程中, 以精益生产方式为基础, 构建流程优化的一般框架, 并对生产流程进行优化。

精益生产是一个以流程为中心的绩效改进概念, 重点在于持续改进和提升客户价值。一般而言, 价值是由客户所赋予, 可分为增值活动和非增值活动两大类型。其中增值活动是指将原材料和信息转化为客户所需要的产品或服务, 而非增值活动又称为浪费。精益生产就是要不断地消除浪费, 凡是流程中存在的浪费, 均是要被“精益”的对象。精益生产最经典的是七大浪费, 即过量生产、等待、运输、额外加工、库存、移动以及缺陷的浪费。当然也有学者进行了补充, 譬如人员和资源未得到充分利用的浪费、不符合客户需求产出的浪费、替代以及不必要的资本投入的浪费、沟通不当的浪费、操作不当的浪费等。

价值流图技术 (Value Stream Mapping, VSM) 是精益生产中的一个重要工具, 也称物料与信息流图, 它描述了从原材料到满足客户需求产品的全部活动, 重点在于突出生产流程中存在的浪费。目前, 主要有两种类型的VSM应用较为广泛:传统VSM和动态VSM。传统的VSM通常用于分析生产中的信息流和物料流的当前状态, 识别流程中存在的浪费, 使现场状况可视化, 通过对VSM现状图进行优化和改善以达到未来状态。但也有学者指出传统VSM存在的局限, 比如VSM无法捕捉到变化的影响以及价值流中的动态交互。动态VSM也称实时VSM, 例如无线射频识别技术 (RFID) 和基于仿真的VSM, 被认为能够克服传统VSM的局限。由于RFID的技术成本, 标签可靠性以及某些形式的产品 (如金属和流体) 应用受到一定的限制, 因此基于仿真的VSM, 如离散事件仿真 (DES) 被认为是一种合适的选择。然而, 基于仿真的VSM不仅需要投入大量的成本、收集大量的数据, 还需要掌握计算机编程和仿真方面的知识。此外, 仿真往往是一个长时间的迭代过程, 即使收敛, 也不一定保证取得最优解。

传统VSM和动态VSM各有其优势和不足, 在进行方法选择时, 考虑到本文研究的目的在于突出预制构件生产流程中存在的浪费, 让构件厂意识到VSM在流程优化和改善中的作用, 以减少过多的成本投入, 并能在短期内开展流程优化, 故本文选用易于操作的传统VSM。传统VSM的一般流程描述了从原材料、加工生产直到产品交付的全过程。

为了提高预制构件生产的效率, 减少和消除生产流程中的浪费, 解决“推动式”生产所面临的局限, 本文以问题为导向, 从价值流图技术的视角, 提出“拉动式”生产控制方法, 并按照识别问题、分析问题和解决问题的一般思路, 构建了预制构件生产流程优化的一般框架, 见图1。

首先, 收集预制构件生产各个阶段的相关数据;其次, 按照所收集的数据, 绘制当前状态下的VSM现状图, 通过对现状图分析, 确认生产流程中存在的问题, 并提出改善方案, 根据改善方案绘制理想状态下的未来图;最后, 对所绘制的VSM未来图进行检验, 判断所构建的未来图是否适宜, 如果适宜, 则确定关键评价指标, 对改善前后的直接效益和间接效益进行分析;否则, 需要再次收集数据, 重复上述流程, 直到达到预期目标。下面将按照所构建的框架图对预制构件生产流程进行优化和改善。

预制构件L厂位于南京市浦口的江北新区, 占地120余亩, 其设计的房屋建筑预制部品构件可装配的年产量为200万平方米, 一期投资约3.6亿元人民币。目前, L厂共有4条自动化生产线, 分别是叠合板生产线、钢筋成型生产线、墙板生产线和异型构件生产线。生产的构件种类主要有:叠合板、内墙、外墙、外挂墙窗和楼梯等。

为了获得预制构件生产各个阶段的数据, 本文在对现场生产数据进行测量和记录的同时, 还对生产部门的负责人员, 包括技术人员和一线工人, 以及技术部、采购部和财务部的管理人员进行了问卷调查, 此外, 还借助了L厂电脑PC生产监控管理终端系统, 通过导航菜单中的生产管理菜单对流转、划线、布料、振动、预养护、堆垛、搅拌站、养护以及配方的数据进行实时监控。

绘制价值流图的前提和基础是要确定产品族, 产品族是指经过相似的加工工序和共同设备的一组产品序列。产品族的选择应当满足产量大、客户需求稳定等特点, 同时为了减少工作量, 本文选择自动化程度高、生产流程相对简单、客户需求量大的预制叠合板, 并将其作为产品族研究的对象。

预制叠合板的生产流程大致如下:模台清扫;模台划线;涂刷脱模剂;钢筋加工;边模支护;钢筋笼安放;预埋件埋设;浇筑前检查;布料斗送料;混凝土一次浇筑;振动台振捣;混凝土二次浇筑;振动台振捣;抹面与拉毛;混凝土养护;脱模;起吊运出;进入构件成品库;发货等阶段。

根据预制叠合板的生产流程及数据, 预制构件L厂生产预制叠合板的价值流现状图VSM绘制如图2。其中CT表示周期时间, CO表示换模时间, VAT表示增值时间, UT表示非增值时间。

如图2所示, 预制构件L厂预制叠合板的生产效率并不是很高。具体表现在:

精益生产理论认为库存是万恶之源, 库存产生的根源在于过量生产, 由于预制构件L厂采用的是推动式的大批量流水化生产模式, 产成品库存堆积非常明显。首先, 库存过多会占用工厂的资金, 减少了工厂可能在其它行业投资而盈利的机会成本;其次, 库存过多会占用工厂的储存空间, 消耗一定的管理成本;最后, 库存的大量堆积容易掩盖生流程中可能存在的种种问题, 给工厂带来不必要的损失。由于库存是七大浪费之一, 因此, 除了必要的库存外, 多余的库存都应被消除。

从精益建造的角度而言, 预制构件生产量要以客户的订单需求为导向, 生产节拍要根据订单需求和每天可用的净工作时间来确定。虽然预制构件厂是按照订单进行生产, 但由于生产工站、生产工序、作业人员等分配不合理, 各个工站的生产节拍有快有慢, 生产不均衡, 无法实现精益建造上所谓的连续流。

通过调研该预制构件车间发现:一方面, 钢筋加工处于边模支护和钢筋绑扎对面, 增加了移动和搬运的等待时间;另一方面, 原材料加工到预埋件安装在一个车间, 混凝土浇筑到最后的脱模运出在一个车间, 两个车间分离, 增加了摆渡车运输的距离。因此, 应对生产设施布局进行优化。

过长的交付周期以及生产流程中的浪费, 根本原因在于工厂在生产过程中缺乏拉动式的生产控制体系。因此, 要实现VSM未来状态, 在开始实施时, 重点应当放在短期内无需大量投资就能够启动的改善项目。最终的目标是根据生产节拍建立一条连续的生产流, 让每一道工序都连续, 通过拉动式生产控制, 如看板管理、超市拉动系统, 最后计划者系统, 由后一道工序拉动前一道工序来进行生产, 在客户需要的时候, 能够及时生产相应的产品。因此, 对VSM现状图进行优化和实现VSM未来状态, 需要明确以下几个问题。

从精益建造的角度而言, 预制构件生产的多少, 要以客户的订单需求为导向。L厂每天正常工作时间为8小时, 扣除例会及非生产所用时间, 实际净工作时间为7.5小时。虽然预制构件厂是按照订单进行生产, 但由于各个工站的生产节拍有快有慢, 无法实现均衡生产。生产节拍应等于客户的需求除以每天的净工作时间, 即:生产节拍要根据订单需求和每天可用的净工作时间来确定。

由于预制构件尚处于起步阶段, 客户的需求订单存在一定波动, 导致L厂无法准确确定所需要生产的预制叠合板数量, 因此, 开始时可以选择一周的成品库存。之后, 随着精益理念的不断推进, 可逐渐过渡到直接运输的方式。

从预制叠合板的VSM现状图来看, 生产工序之间的周期时间都相差不多, 因此均可引入连续流, 以极大减少前置时间的浪费。

一般而言, 需求稳定和数量较大的产品需设立超市拉动系统, 而对于需求数量较小且波动较大的产品, 最佳的选择是按照订单模式进行生产。根据这两点策略, 本文选择在钢筋加工和边模支护, 布料斗送料和混凝土浇筑, 起吊运出和发货三个阶段设立成品超市。选择依据是在钢筋加工和边模支护阶段设立超市有利于避免过多的钢筋加工, 即减少中间制品库存;在布料斗送料和混凝土浇筑之间设立超市拉动系统有利于确定所需混凝土布料的多少, 减少二次浇筑甚至三次浇筑所造成的时间浪费;在起吊运出和发货之间设立超市可以起到缓冲作用, 避免因客户需求订单突然增加, 工厂无法赶工完成生产的情形。通过上述改进, 大量库存以及等待时间的浪费被基本消除。然而, 由于超市在某种意义上也是一种库存, 因此, 未来要实现准时化生产, 仍需进行改进。

在推动式生产的传统管理模式中, 生产计划部门通过MRP系统控制生产的各个环节, 即从原材料、生产过程一直到产品发货。在精益生产模式下, 首先确定节拍工序, 并且只在节拍工序下达生产计划, 然后通过流动或拉动的生产方式由客户, 也可以是下一道工序, 来通过看板触发物料流和生产需求, 而不依赖于生产控制的MRP系统。

根据以上分析, 预制叠合板未来VSM理想状态如图3所示。

由图3可知, 从改善效果来看, 预制叠合板的交付周期得到有效缩短, 增值比也得到了提高。具体额如下:

为了比较VSM优化前后的效果, 本文从直接效益和间接效益两个维度进行分析。直接效益是指能够通过数据直接量化、比较明显的效益;而间接效益更多的体现为潜在效益, 不能够简单用数据进行量化。具体分析如下。

通过将L厂预制叠合板生产流程VSM现状图和VSM未来图进行对比, 可以看出, 改进后的效果非常明显 (表1) 。不仅增值比得到了改善, 交付周期、生产线平衡率、库存时间以及人员数量都得到了不同程度的改善。

由此可见, 价值流图技术在预制构件生产流程优化中的作用比较显著。非增值时间由原来的895.5分钟缩短为384.5分钟, 增值时间由原来的540.9分钟缩短为500.1分钟, 生产线平衡率由原来的50.08%提高到74.08%, 库存时间由原来的780分钟缩短为370分钟, 人员数量也由原来的25人减为19人, 实现了预制叠合板生产流程的优化。

间接效益的影响可能并不像直接效益那样直观, 但优化后的间接效益所带来的影响却是深远的。首先, 本文在预制构件生产流程中引入了精益生产的理念和方法, 使管理层和工人们对精益的理念有了深刻和清晰的认识。这为他们在工作中发现问题和解决问题提供了一个崭新的视角, 有利于预制构件生产向精益化方向发展;其次, 通过客户需求来制定生产计划, 确认生产节拍以及拉动式生产控制系统的引入, 改变了以往工厂推动式生产计划控制的传统观念, 利于消除各生产环节中的浪费, 促进工厂生产精益化;最后, 本文通过将价值流图技术等精益方法和工业工程相关优化方法的结合和引入, 使管理层和基层生产一线的员工认识到了他们在生产过程中存在效率低下的问题, 以及生产流程中的种种浪费, 有利于提高他们对这些问题的重视, 为下一步推行精益生产和持续改进奠定基础。

为了尽可能地消除装配式预制构件生产流程中存在的浪费, 并实现流程优化。首先, 本文详细地介绍了预制构件产生的时代背景, 分析了预制构件存在的优势和所面临的问题;其次, 指出推动式生产方式的不足, 分析拉动式生产方式的优势, 并提出了VSM在流程优化中的步骤;最后, 本文结合预制构件厂的生产现状, 采用VSM方法对预制构件生产流程中存在的问题进行分析, 并提出流程改进和优化策略, 并通过案例的形式验证了VSM在改善问题和实现流程优化的有效性。最后需要说明的是:虽然VSM有诸多好处, 然而迄今为止, 鲜有预制构件厂成功应用VSM并保持持续改进。由于VSM是一个追求完美、精益求精、不断改进的过程, 画出VSM理想状态图并不意味着已经达到精益, 因此为实现未来理想状态, 仍需要将VSM未来理想图作为日后改进的现状图, 并进行持续改进。