装配式建筑是场外建造技术的应用之一,主要通过预制构件的场外工厂生产、大型机械运输和现场装配完成,与传统现浇建造技术相比具有明显的效率、质量、安全、节能减排等优势,受到国内外政府的大力推广。截止2018年底,我国装配式建筑新建建筑面积达到约1.9亿平方米,具有巨大的预制构件需求市场。据相关研究,尽管我国预制构件厂的理论产能能够匹配现在的市场需求量,但由于预制工厂存在生产工艺技术缺乏、组织管理落后、专业人员素质不高等突出问题,致使实际预制构件生产效率降低、成本增加,影响了预制构件的市场供给。另外,预制构件生产是装配式建筑产业链的关键环节,其生产效率和产品质量将直接影响后续构件运输、现场吊装以及交付运维的工期和成本要求。因此,急需对影响预制构件生产的风险因素进行系统分析,开展风险管控,以实现预制构件生产效率的提升和整个建筑产业链的平稳运行。

国内外相关学者对预制构件的生产效率优化已展开了一定的研究。但其研究大多为基于精益思想或应用BIM技术从构件生产流程、生产线以及模具设计等方面对其生产效率进行优化研究,如Haitao、Mana等运用价值流图(VSM)识别并分析了构件生产流程中存在的问题,并提出了改进和优化策略;Khalili等开发了混合整数线性规划模型优化复杂模具的设计以及生产计划;曹新颖等采用BIM技术对预制构件生产线进行了优化,实现了构件生产的数据信息化管理。综上,目前还没有系统归纳和分析影响预制构件生产效率的风险因素的相关研究,对影响预制构件生产效率的根本原因的挖掘还不充分,相关风险管控措施难以达到预期的效果。

鉴于此,本文在现有文献研究的基础上,通过实地调研访谈并应用扎根理论,对预制构件生产阶段存在的风险因素进行识别和归纳,并引入解释结构模型(ISM)方法,构建风险因素的解释结构模型,深入分析其风险产生的机理,提出风险控制策略,为有效提高预制工厂生产效率提供理论依据。

扎根理论是一种从下往上建立实质理论的方法,其主要宗旨是在经验资料的基础上建立理论。其应用主要分三步:开放式编码、主轴编码和选择性编码,编码完成后进行理论饱和度验证。具体流程如图1所示。

本文采用扎根理论对装配式建筑预制构件生产阶段风险因素进行识别,运用文本分析和实地调研访谈的数据搜集方法,主要从相关学者的文献研究、对预制工厂相关从业人员进行访谈两种方式获取扎根理论主要的原始数据。文献资料以数据库CNKI为主,通过输入“预制构件生产”、“预制工厂生产效率”等关键词搜索,仔细提炼文献中对影响预制构件生产效率的风险因素的描述。通过对预制构件厂相关从业人员进行深度访谈,收集访谈数据,形成访谈的书面资料,与文本分析形成的资料一起组成基础数据,进行编码工作。

开放性编码指将原始数据资料逐步进行概念化和范畴化,根据一定原则将大量的资料记录加以逐级缩编,用概念和范畴反映资料内容,并把抽象出来的概念彻底打碎。在概念化阶段,本文从原始数据中筛选出与预制构件生产阶段风险因素有关的语句信息,对其进行开放性编码,选择频次在3次以上的初始概念,共得到14个初始概念,并在此基础上进行范畴划分。

本文在开放性编码的基础上进行主轴编码,将开放式编码中被分割的资料,通过聚类分析,在不同范畴间建立联系,形成更概括性的范畴。针对开放式编码得出的14个初始概念,通过内在关联分析将其分为4个范畴,即技术风险因素、组织管理风险因素、经济风险因素和人员风险因素,如表1所示。

选择性编码是在已完成的开放性编码和主轴编码的基础上进一步识别核心范畴,并分析主范畴和核心范畴之间的内在联系和逻辑关系,并以核心范畴为主,构建核心范畴、主范畴以及副范畴之间的“故事线”,即预制构件生产的风险影响因素主要来自于技术、组织管理、经济和人员四个方面。

理论饱和度检验是检验编码的信度与效度的主要手段。通过采用编码比较的方式,由多人对同一份资料进行编码,比较编码的一致性。本文分别对技术风险因素、组织管理风险因素、经济风险因素和人员风险因素的原始资料进行了编码理论饱和度检验,其kappa系数均大于0.7,资料编码的一致程度可接受。

通过上述扎根理论法的应用,最终识别出装配式建筑预制构件生产阶段影响其生产效率的风险因素,如表1所示。

解释结构模型(Interpretative Structural Modeling Method,ISM)方法于1973年由美国系统工程理论学家华菲儿教授首次提出,其优点在于它能够将系统要素之间已知的凌乱关系转化为直观的有结构层次的模型,从而准确辨识问题的关键因素。与其他方法相比,ISM方法能更清晰地描述因素间的结构关系,保证模型的严谨性,增强分析结果的可靠性。本文将预制构件生产过程视为一个系统,其各方面风险因素视为子系统,子系统之间存在相互影响、相互作用的关系,利用ISM方法能够有效描述因素间的关系,为风险管控提供基础。

将图纸深化设计技术成熟度、模具设计合理性等14个风险因素分别编号为S₁,S₂,…,S₁₄,并确定每两个因素之间的直接影响关系,将所生成的邻接矩阵A中元素a_ij定义如下:

为确定每个因素的得分,根据上述识别出的14个风险因素制作调查问卷,通过微信、邮件等多种渠道向业界专家发放问卷,识别各因素间的直接关系,并通过统计汇总各位专家的意见,确定因素间关联关系,从而建立邻接矩阵A。

可达矩阵代表系统各因素间经过一定的路径可到达的程度,通过生成的可达矩阵可以清晰地判断因素间的直接与间接关系。所生成的可达矩阵M中,关于m_ij的定义如下:

通过邻接矩阵A,利用MATLAB软件计算出可达矩阵M。其中,对角线的元素由邻接矩阵中的0变为1。在邻接矩阵中为1的元素,在可达矩阵中仍为1。若其他元素从0变为1,表明两个因素之间没有直接关系,但是存在间接关系,即通过其他因素传递的关系。本文采用MATLAB程序求解得到的可达矩阵M,如下所示:

对可达矩阵M进行结构性分析,分别求出每个因素的可达集合R(S_i)、先行集合Q(S_i)以及可达集合与先行集合的交集R(S_i)∩Q(S_i)。按照R(S_i)∩Q(S_i)=R(S_i)的条件进行层级的逐层抽取,删除已确定层级的因素在可达矩阵M中所在的行和列,更新可达矩阵M,进行下一层级的抽取。依此类推,直到所有因素都被抽取完,最终确定层级,完成层细化处理。本文预制构件生产风险因素间的相互关系见表2。

按照R(S_i)∩Q(S_i)=R(S_i)的关系确定具体层级,得到如下5层层级:

第一层级:S₉,S₁₀,S₁₂;

第二层级:S₂,S₆;

第三层级:S₁,S₁₁;

第四层级:S₃,S₄,S₁₄;

第五层级:S₅,S₇,S₈,S₁₃;

根据所划分的具体层次关系,绘制预制构件生产风险因素的ISM模型,详见图2。

根据建立的预制构件生产风险因素ISM模型可以看出,原有的14个风险因素被划分成了5个层级,且经济风险因素基本在上层,技术风险因素在中层,人员风险因素和组织管理风险因素在底层。

由图2可知,影响预制构件生产效率最直接的风险因素是第一层级(上层)的因素,即管理信息化程度S₉、模具生产费用的增加S₁₀、构件二次生产加工费用S₁₀。预制构件生产过程具有工序复杂、过程信息多、工作人员协同要求高的特征,决定了构件在生产过程中需要数据信息系统支撑,且数据库的信息应随着生产工序的进行及时更新。因此,预制工厂能否实现构件信息化管理将直接影响其生产效率;构件种类繁多,将增加模具设计的难度,且会影响模具标准化程度从而减少其周转次数,导致模具生产成本的增加;并且因构件质量缺陷或设计变更导致的二次生产也会增加预制构件生产的经济风险。上述问题都会直接影响预制构件的生产效率。

同理,影响预制构件生产效率的间接风险因素处于ISM的第二、三和四层级(中间层),即模具设计合理性S₂、图纸深化设计技术成熟度S₁、生产工艺通用性S₃、构件堆放不合理S₆等。由于预制构件在深化设计阶段缺乏深化设计导致构件的标准化程度较低,从而增加构件种类,提高模具设计难度,降低模具标准化程度,减少周转次数,影响预制工厂生产效率以及增加了生产成本。目前,预制构件的生产工艺主要有台座法施工、机组专业流水线施工,其中预制外墙、楼梯及阳台多采用台座法生产,标准化程度较高的部件可实现机组法作业,但整体还停留在人工操作阶段,生产线机械化程度不高。此外,因构件厂与施工单位缺乏有效沟通,生产进度与施工进度不匹配,预制厂普遍存在构件成品堆放不合理的现象,从而影响预制构件生产效率。

位于ISM第五层级(底层)的风险因素是影响预制构件生产效率的根本因素,即生产计划的制定S₅、工位布局不合理S₇、管理者经验不足S₈和缺乏专业人才S₁₃。预制构件生产计划的制定是否科学合理,是否能使各工序有效、紧密衔接,是影响其生产效率的根本因素。从原材料、预埋件、各种配件的数量、购置计划、模具的到厂计划和组装,到各种构件的生产计划、物流计划等均是生产计划的组成部分,其中任一环节发生问题,都会影响整个生产线,严重时会造成停产。同时,预制工厂工位布局不合理会造成部分工位出现待工现象,直接影响预制构件生产进度;管理人员综合素质以及专业生产线工人的操作熟练程度直接关系到构件生产质量,也是影响其生产效率的根本因素。因此,提高管理人员素质、培养专业技术工人以及科学制定生产计划和合理布局工位,可从根本上降低预制构件生产风险,提高其生产效率。

由预制构件生产风险因素的ISM模型可以看出,底层风险因素触发了中间层风险因素,中间层风险因素进而触发了直接影响因素,所以为了提高预制构件生产效率,应当对底层风险因素进行合理的风险管控,具体措施如下:

(1)科学制定生产计划。预制构件的生产计划应根据施工现场吊装计划和构件厂现有生产能力统筹安排,为了保证预制构件能满足现场施工供应,同时尽量降低构件仓储成本,应尽量以一个标准层为单位的相应数量比例进行预制构件同步生产。此外,预制构件生产应及时根据施工单位的施工进度调整构件生产计划和现场堆垛方案。

(2)合理布置工位。管理人员应精确测定每个工位完成任务所用时间,科学合理布置工位;根据每个工位生产时间,调整工位速度、数量以及员工数量,使所有工位完成的生产任务都处于一个节拍。

(3)提高现场管理人员综合素质,培养专业生产技术人员。现场管理人员可定期组织学习和培训,提升其沟通能力,并采取有效措施增强其学习能力,引导其在生产实践中不断总结分析工作中有效的沟通技巧和管理方法,提高自身素质。组织预制构件关键生产节点、关键工序、关键工位的操作培训,培养专业技术人员,并采取有效措施减少技术工人的流失。

(1)本文在相关文献研究以及实地调研访谈的基础上,结合扎根理论分析出14个影响预制构件生产效率的风险因素,并将其归纳总结为4个方面:技术风险因素、组织管理风险因素、经济风险因素和人员风险因素,是预制构件生产阶段风险分析和评估的理论基础。

(2)应用解释结构模型(ISM)理论,进行风险因素间的相互关系分析,实现了对14个风险因素的层次化划分,厘清了风险因素之间的直接关系,实现了对预制构架生产阶段风险因素的机理分析。

(3)通过对风险因素进行层级的划分,区分出了影响预制构件生产效率的直接风险因素、间接风险因素、根本风险因素,并针对根本风险因素提出了提高预制构件生产效率的具体的风险管控措施,为改善预制工厂现场管理现状提供了参考。