VMI模式下裝配式建筑供應鏈的庫存成本研究

王淑嬙，阮雨柯

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

近年來，為解決傳統現澆生產方式帶來的高消耗、高投入、質量問題較多、勞動生產率低下等問題，國家大力發展裝配式建筑[1]。裝配式建筑的供應鏈以裝配式建筑為對象,以各利益相關企業為載體,以風險共擔、利潤共享為導向的上中下游企業相互影響相互依存的動態增值鏈[2]。當前由于供應鏈的協同優勢并未完全體現出來，導致實際項目整體成本較高，進而阻礙裝配式建筑的推進。預制混凝土(Precast Concrete，PC)構件作為裝配式建筑構件的主要類型，從材料供應、工廠生產到施工吊裝涉及不同參與方，庫存不足或堆積過量都會影響項目進度并使整體庫存成本增加。由于庫存成本占項目總成本比重較大，因此對裝配式建筑供應鏈庫存成本的研究十分必要。

供應商管理庫存(Vendor Managed Inventory, VMI)是供應鏈環境下的一種新的庫存管理方式，它可以在改善整個供應鏈的庫存狀況和降低系統庫存的總成本方面發揮積極作用[3]。VMI模式的應用打破了原材料供應商，PC構件廠，建筑施工企業三方各自為政的庫存管理模式，在該模式下要求上游供應商了解下游企業的需求情況，同時對下游企業的庫存進行管理，形成了上下游企業的信息集成。

VMI模式的有效實施需要與BIM技術深度融合，BIM信息化的特點可以幫助需求方提供準確的物料清單(Bill of Materials，BOM)[4]，從而有助于制定更加準確的需求計劃。供應方與需求方雙方對此共同簽訂協議，由供應方負責庫存的管理，并不斷監督協議，反饋信息和修訂協議內容，使庫存管理能夠持續改進，從而使雙方獲得最低的成本[5]。

在已有文獻中，于霞[6]將VMI模式與傳統庫存方法相比，發現其合作性、互利性、互動性、協議性等特點，說明了VMI模式有利于實現供應鏈上下游企業的雙贏；寧敏[7]針對A類產品庫存成本浪費的問題，采用VMI模式進行實施，驗證表明降低了物流成本，提高了成品利潤；劉佳佳[8]以計劃期總成本最小為目標，建立基于VMI模式的庫存——路徑優化模型，以零售商庫存能力、車載容量限制等為約束條件，構建需求隨機的多個周期內以計劃期總成本最小為目標的混合整數規劃模型；Hossain[9]在交貨期不確定性條件下，對一個供應商、一個需求方帶懲罰性成本的集成庫存系統進行優化，通過優化，確保了集成的供應商與需求方合作系統的總成本最小通過樣本分析，驗證了模型的有效性;Sung Chul Kim[10]提出了在VMI和JIT條件下，提出EPQ(經濟生產數量)/EOQ(經濟訂單數量)的數學決策問題，得出供應商在VMI和JIT下的最優訂單數量,通過算例說明了該方法預期不良率的影響，并進行了靈敏度分析。上述文獻中，VMI模式主要應用于零售業和制造業，建筑領域中的研究較少。

在分析裝配式建筑供應鏈特點的基礎上，以VMI理論為指導，以BIM應用作為技術支持，建立三層VMI模型，并通過實證驗證模型的有效性。本文的研究思路如圖1所示。

圖 1 庫存成本研究思路圖

1 整個供應鏈庫存管理存在的問題

1)庫存壓力大。為了保證項目施工的有序進行，PC構件廠、施工企業通常需要大批量訂購產品，易造成倉庫積壓一定數量的產品，進而造成大量的產品損耗，同時產生資源的浪費，企業的流動資金也會增加，導致庫存成本增高。

2)庫存管理人員工作效率低。現場的工作人員沒有一套完整的工作體系，使得員工只完成自己相應的本職工作，并未做出有效的信息傳遞，進而導致庫存管理問題的產生[11]。

3)支撐技術應用不足。盡管建設有信息平臺，但利用率不高，未對建筑供應鏈的狀態進行可視化和監控，因此整條供應鏈并未實現真正意義上的信息交換。

2 基于BIM技術的VMI模式實現方法

2.1 VMI

使用VMI模式，解放了裝配式建筑供應鏈上需求方頻繁訂貨和補貨的庫存管理工作，大幅降低庫存積壓風險[12]，由于VMI模式的引入，保證了構件廠和施工方可快速獲取所需相關原材料和PC構件，在供應速度大幅提升的同時，也打破了各參與方之間的信任壁壘。在該模式下，上游供應商可以直接了解到需求方材料的消耗情況，由此可以更好的安排原材料、PC構件的采購與生產計劃。因此，對于供應鏈上各企業而言，VMI是一種雙贏的管理模式。

2.2 基于BIM技術的供應商管理庫存實現方法

建筑施工企業通過BIM模型生成具有工序信息、工藝計劃的計劃物料清單(Planning Bill of Materials，PBOM),在確定存貨水平的基礎上，根據計劃部門和物資采購部門，對訂單進行需求預測，制定PC構件廠的物資采購計劃，PC構件廠對此進行制造生產，根據補貨計劃對建筑施工企業進行補貨；PC構件廠同樣在確定庫存水平以及結合工藝流程和生產線生成制造物料清單(Manufacturing Bill of Materials, MBOM)的基礎上對訂單進行需求預測，原材料供應商受到訂單反饋對其進行原材料的補貨。操作流程如圖2所示。

圖 2 BIM與VMI結合的操作流程

VMI模式的提出，解決了下游方庫存壓力大的問題，改變了傳統供應鏈間的庫存管理方式，而BIM技術的引入可以有效解決供應鏈間信息傳遞的問題。VMI模式雙方在遵循目標一致性與互惠性的原則下，建立戰略合作關系，從而優化供應鏈庫存的管理。

基于VMI的管理模式和BIM技術支持，本文提出VMI 集成下三層供應鏈的一種庫存管理策略，相鄰的上下游成員進行VMI合作，以降低供應鏈庫存成本為目標，建立庫存成本模型。

3 模型建立

3.1 模型設定

本文是以S-F-R型三層供應鏈為研究對象[13]，包括供應商、PC構件廠、建筑施工企業，結構如圖3所示。

圖 3 三級供應鏈的VMI集成

其三者關系如下：

供應商負責向PC構件廠提供生產PC構件的原材料，供應商為了滿足PC構件廠的訂單需求需要保持一定的原材料庫存。且PC構件廠向供應商所購買的原材料不能立即投入生產，因此原材料也會在PC構件廠產生庫存。

施工企業會購買PC構件廠生產出的PC構件，PC構件廠為了滿足施工企業的訂單需求，也需維持一定的庫存。同時PC構件到貨至裝配完成需要時間，因此建筑施工企業也需要產生庫存。

供應商和建筑施工企業沒有直接關系。

為完成模型的設定，本文做如下假設(參數設定如表1所示)：

表1 參數設置

1)以確定需求率、提前期且不允許缺貨的經濟訂貨量策略為基礎，確定下游方的補貨策略；

2)供應鏈三方需求信息共享，且下游方對上游方的需求是穩定的，連續的；

3)需求方出現需求時，供貨商需立即做出反應；

4)每次訂貨量是恒定不變的，且資金充足；

5)庫存單位儲存費用不變；

6)VMI的合作只能在相鄰的上下游間進行；

7)PC構件廠生產力強，不允許缺貨。

3.2 VMI實施之前供應鏈庫存成本

在VMI實施以前，原材料供應商、PC構件廠、建筑施工企業庫存管理，建筑施工企業庫存管理往往從自身利益最大化出發，來確定最優訂貨批量。供應商的庫存成本TCs是原材料庫存和需訂購原材料的費用之和；PC構件廠的庫存成本分為兩部分：一部分庫存成本TCpc1為向供應商訂購生產構件的原材料費用，一部分庫存成本TCpc2為PC構件廠生產出的PC構件的庫存費用和組織生產的費用；建筑施工企業的庫存成本TCc為向PC構件廠訂購PC構件的費用和其持有的庫存費用之和，在實施VMI以前，供應商和PC構件廠的庫存總成本為TC2，PC構件廠和施工方的庫存總成本為TC1，其公式如表2所示。

表2 實施VMI前的庫存成本

整個供應鏈的庫存總成本為：

(1)

3.3 VMI實施之后供應鏈庫存成本

Q=kq,(k∈Z+)

(2)

則上游方的平均庫存水平為：

(3)

表3 實施VMI后的庫存成本

施工方和PC構件廠的VMI庫存分析：通過表格上的公式，求得VMI實施后的PC構件廠的最優訂貨量：

則

(4)

PC構件廠的訂貨量在實施VMI前后并無變化，但由于PC構件廠的還需要管理施工方的庫存成本，因此PC構件廠的庫存成本明顯增加。施工方和PC構件廠實施VMI前后的庫存變化情況為：

(5)

當V>1時，表示施工方和PC構件廠建立VMI集成后降低了相關庫存總成本；當V=1時，表示VMI的集成對供應鏈的相關庫存總成本無影響；V<1時，表示施工方和PC構件廠建立VMI集成后相關庫存總成本增加。當V>1時，求解得

(6)

當滿足上述公式時，即VMI實施后，施工方的訂貨費用影響該相關庫存總成本。

PC構件廠和供應商的VMI分析：通過表格上的公式，求得VMI實施后的供應商的最優訂貨量為:

則

(7)

供應商的訂貨量在實施VMI前后并無變化，且供應商在實施VMI模式后，其庫存成本顯著增加。供應商和PC構件廠實施VMI前后的庫存變化情況為：

(8)

當V>1時，表示供應商和PC構件廠建立VMI集成后降低了相關庫存總成本；當V=1時，表示VMI的集成對供應鏈的相關庫存總成本無影響；當V<1時，表示供應商和PC構件廠建立VMI集成后相關庫存總成本增加。當V>1時，求解得：

(9)

相同地，當滿足上述公式時，即VMI實施后，PC構件廠的訂貨費用影響該相關庫存總成本。

基于上述分析，VMI系統由上游供應商和下游需求方構成，上游供應商制定地訂貨費用會影響上下游的總庫存成本，隨著訂貨費用的增高，總的庫存成本也會升高，因此合理地訂貨費用可保證供應鏈上雙方都可獲利。

4 實例

在進行VMI集成之前，二級供應鏈的庫存成本分別為(結果保留兩位小數)

整個供應鏈庫存的總庫存成本為：

TC=TC1+TC2=592484.76 元

VMI模式實施以后，二級供應鏈的庫存成本分別為：

整個三級供應鏈的總庫存成本為：

VMI實施前后供應商-PC構件廠庫存成本，PC構件廠-建筑施工企業庫存成本以及供應鏈的總成本的對比如表4所示。

表4 VMI前后庫存成本對比

1)項目采用VMI集成后，供應鏈總庫存成本節約43 302.19元，降幅7.31%。其中，供應商與PC構件采用VMI模式后，庫存節約了11 337.58元，PC構件廠與施工企業采用VMI模式后，庫存成本降低了31 964.58元。通過對供應鏈在VMI集成前后的庫存成本進行對比分析，說明在供應鏈環境下，供應商管理庫存模式有助于降低供應鏈成本，提高公司效益。

2)BIM技術的應用加快了訂單信息確認的速度，通過采用VMI模式簽訂協議，在協議的制約下進行信息共享，BIM技術和VMI模式的結合能促進供應鏈間上下游的協同，有效地降低了庫存壓力。

5 結論

在經濟訂貨批量的基礎上，應用BIM技術進行信息的輸出，建立了三級供應鏈的庫存管理模型。通過對VMI集成前后的庫存成本進行分析得出：利用VMI模式對供應鏈上各參與方的庫存進行集成管理，可使PC構件廠和建筑施工企業訂貨成本大幅度下降，即使上游供應商需要管理下游需求方的庫存而增加自身的庫存成本，但通過對該模型的驗證得出該三級供應鏈的庫存總成本是下降的，能提高整個供應鏈的利潤。

庫存成本是影響VMI集成其中的一項重要因素，整個VMI的集成與許多因素有關。本文僅從庫存成本的角度討論了 VMI 模式引入前后對整個供應鏈的影響，因此部分假設條件較為苛刻，在未來的研究中，將進一步細化模型中復雜約束條件，以使模型能更加準確地反映實際狀況，進一步提高該方法的應用價值。