装配式建筑产业链合作伙伴选择的三阶段模型及方法研究＊

■ 王文静 孙峥峥 刘春原

1.河北工业大学土木与交通学院 天津 3004012

2.山东理工大学建筑工程学院 淄博 255049

3.中国石油大学（华东）经济管理学院 青岛 266580

0 引言

随着我国建筑业的持续快速发展，城市化进度的不断加快，传统现浇建筑由于其资源消耗大、对环境的污染大、生产效率低且依赖于劳动力大规模集中作业，在劳动力短缺的现状下，已经不再适合时代的发展，我国建筑产业必将迎来产业转型。装配式建筑以可持续发展战略为指导，以其具有的绿色环保、能减少现场湿作业、解放劳动力、提高施工质量和效率、缩短工期、采用信息化管理等特点，已然成为我国建筑业转型升级的重要途径。

目前，对于装配式建筑的研究有两个层面：技术层面和管理层面。

在技术上，我国为了发展装配式建筑，近几年住建部相继出台了一系列的技术标准。到目前为止包括2017年发布的《GBT51231-2016 装配式混凝土结构建筑技术标准》、《GBT51232-2016 装配式钢结构建筑技术标准》、《GBT51233-2016 装配式木结构建筑技术标准》和《装配式建筑工程消耗量定额》（征求意见稿）等四本标准在内，我国装配式建筑国家级标准规范和图集共22本。虽然与欧美日本等发达国家相比，数量还较少，但也在逐步完善中。除此之外，各级地方政府都出台了针对本地区的装配式建筑的技术规程。有了国家政策的引导，在技术标准的基础上，各学者针对具体的装配式结构技术问题进行了研究。如王伟玲[1]对装配式建筑结构节点的连接方式进行了研究，致力于在施工过程中选择出最优的节点连接方式，提高了装配式建筑的稳定性；李争鹏[2]对装配整体式钢筋混凝土结构进行了抗震性能的研究。关于装配式结构的抗震性能，国内外学者[3-6]进行了大量的试验研究，再加上装配式结构在日本等多震国家的应用，可以验证装配式建筑抗震性能的可靠性和可操作性。

在管理层面，周晓宏[7]基于建筑信息模型（BuildingInformation Modeling,BIM）和射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术研究了装配式建筑施工过程的管理和控制；曹江红[8]等基于BIM 技术对装配式建筑的质量管理进行了研究；于淑萍[9]以BIM 为导向研究了装配式建筑的信息化管理等等。诸学者对于装配式建筑管理层面的研究主要是基于某个工程，站在某个角度展开的，侧重于微观管理，而在宏观上，对于装配式建筑产业链系统的构建和运行，则很少有学者涉足。关于装配式建筑产业链，目前国内外建筑领域的学者还没有统一定论[10]，产业链存在概念层面上模糊，未形成理论体系，缺乏足够的理论支撑，信息共享不通畅，机制不完善等诸多问题，使得产业链各链节企业无法实现协同和共赢。

国际供应链管理专家马丁·克里斯多夫曾说过：“未来的竞争不是个体或各个企业之间的竞争，而是企业所处的供应链与供应链之间的竞争。”装配式建筑要在市场竞争中占据优势，打造智慧高效的产业链是关键，而产业链的稳定又依赖于企业间的合作，两者相辅相成。在当今速度竞争的时代，市场环境瞬息万变，越来越多的企业意识到要在竞争中脱颖而出，不能仅依靠自身的资源和能力，而是要与拥有不同资源和互补核心能力的企业合作，组成稳定的产业链。

关于合作伙伴选择的研究，诸多学者在多个领域都有涉及。如许亮[11]利用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）研究了市场竞争环境下企业药品研发、生产、售卖供应链的合作伙伴选择；李梦尧[12]基于突变级数理论构建了政府和社会资本合作（Public-Private Partnership, PPP）模式下合作伙伴选择评价体系；袁华[13]基于合作网络对虚拟企业的合作伙伴选择进行了研究。研究供应链、虚拟企业等方面的学者也提出了多种合作伙伴选择的方法。但在建筑领域，关于合作伙伴选择的研究相对较少。毛友全[14]在他的工程项目伙伴关系管理模式的研究中提出了建筑伙伴选择的三阶段模型，对主要业务项目参与方设计单位、承包商和供应商进行选择。然而出于对成本收益比和质量安全等问题的考虑，装配式生产模式还没有得到普通民众的普遍认可，也没有大范围的推广，在我国发展较为缓慢，同时学者对于装配式建筑的研究也主要集中在结构受力和施工技术研究等方面，对于装配式建筑产业链及产业链合作伙伴选择等内容的研究相对较少。为了推动装配式建筑的全面健康发展，保证产业链的稳健运行，在合理构建装配式建筑产业链的基础上，探讨产业链合作伙伴选择方案至关重要。

1 装配式建筑产业链

装配式建筑产业链概念的提出是基于装配式建筑及产业链理论的。产业链的思想最早可追溯到亚当·斯密的《国富论》中有关分工的论断，指出“工业生产是一系列基于分工的迂回生产的链条”，这是对产业链的最初表述[15]。尽管产业链的思想起源于西方，并且有些西方经济学家对产业链也进行了一定的分析和解释，但是，直到改革开放后的90年代的中国，产业链才真正引起人们的关注，并在此基础上得到了进一步的分析和研究。鉴于此，从某种角度来说，产业链是具有中国特色的经济学概念，是中国化的名词概念，在国外，更多的学者使用的是供应链一词。

供应链基于“横向一体化”思想，是一条贯穿供应商、制造商、分销商等所有企业的“链”。由于相邻节点上的企业之间显示出供需关系，因此当所有企业依次连接时，便形成了“供应链”[16]。供应链理论在很多行业和产业中都得到了具体应用，特别是在制造业中的成功应用，使得很多专家学者将供应链理论借鉴应用到建筑行业。张涛，贺昌政[17]将建筑业产业链上分为上、中、下游三个环节。上游是指规划、勘察设计、投融资等前期环节，中游主要指建造施工环节，下游是指项目销售、运营维护等环节。张静，于茜薇[18]等以建筑业信息化产业链为研究对象，对开发商、施工单位、建筑产品等对象的搜索排序问题进行了深入研究。北新集团建材股份有限公司总经理王兵[19]强调建筑行业的产业链合作比任何其他行业都更加迫切和重要，尤其是建筑设计和建筑材料业，如果能与建设项目后期的施工、销售、运维、建筑垃圾回收等环节衔接好，将能发挥产业链的协同效应，降低建设项目整个生命周期的成本，实现产业链节点企业的共赢。装配式建筑作为建筑行业的未来建筑形式既包含有制造业的特点也包含有建筑业的特点，产业链理论适合于它。

随着我国政府大力推广发展装配式建筑，一些学者对装配式建筑产业链进行了初步的研究。袁梦琪和张露云[20]认为装配式建筑产业链是以装配式建筑生产和用户需求为基础，由不同业务领域的企业组成的，包含房产开发企业、设计机构、部品部件生产厂商、物流运输企业等不同主体的所有活动的链式集合。段瑞佳[21]等认为装配式建筑产业链是一条以各利益相关单位为载体，以装配式建筑为服务对象的动态增值链条。齐宝库[22]等认为装配式建筑产业链是以装配式建筑为服务对象的动态增值链，在该链条上，各利益相关企业风险共担，利润共享，相互依存，相互影响。严景宁[23]从可持续发展角度认为装配式建筑产业链是以装配式建筑为最终产品，以实现利益最大化为目标，以装配式建筑研发、设计、部品部件生产、运输、施工、建筑废弃物再利用企业为基础，应用可持续设计、施工、材料和拆除等可持续建设理论，确保装配式建筑全寿命周期各环节的运转，并通过技术、产品、资金、政策等与装配式建筑产业相关企业或部门联系，形成具有供应链、技术链和政策链属性的动态增值产业组织。

结合以上学者对装配式建筑产业链的研究，本文将装配式建筑产业链界定为：以装配式建筑为对象，以风险共担利润共享为导向，将研发、设计、生产、施工、运营及维护等来自于不同链节企业的优势力量和优势资源集中起来，通过经济关系、供应关系或技术关系链接起来形成相互依存、相互影响、共同发展的动态增值链。根据利益主体不同将装配式建筑产业链简化为“五大链节”，其结构如图1所示，而产业链合作伙伴的选择也是基于此“五大链节”结构的。

图1 装配式建筑产业链整合图

2 装配式建筑产业链合作伙伴选择三阶段模型

产业链是由上下游各链节企业构成的，各链节都有自己相对独立的业务，而每一链节或业务中又存在多家分散独立的企业，假设业务过程为设计、生产、施工等，设3 个业务过程各有x，y，z 个候选企业，则产业链就有x×y×z 个合作伙伴的候选方案，而产业链往往不止3 个业务活动，链节多，候选企业的数量也多，而且每个业务过程又可细分为更多的子过程，这样，合作伙伴的候选方案就会成级数倍增长，逐个对企业进行评价效率会很低，并且在实际操作中也缺乏可行性。那么探讨更高效合理的产业链合作伙伴选择方案就显得十分必要。

要构建优质的产业链，实现降低成本，提高利润，实现“1+1＞2”的目标，必须将每个链节或业务中具有核心竞争力且文化彼此交融的企业联合在一起。装配式建筑产业链涉及研发、设计、生产、施工以及运营和维护5个阶段，5个阶段的业务相对独立，有的企业可能涉及一个业务，也可能涉及多个业务，对于涉及几个业务的企业，假定在每一链节中该企业都以独立的身份进入。为了选择具有核心竞争力的企业进入产业链，形成强大的产业联盟，本文提出装配式建筑产业链合作伙伴选择三阶段模型[24]，即初选-精选-优化组合三阶段模型，具体流程如图2所示。首先对准备组入装配式建筑产业链的各候选企业进行初选，该阶段仅进行定性分析，根据企业核心竞争力指标将不合格的企业剔除；然后根据各链节特有的评价指标，用AHP法（层次分析法）对初选企业进行排序，精选出各链节排名靠前的企业进入下一阶段的选择；最后建立基于工期（T）、质量（Q）、成本（C）、文化交融性（H）的多目标优化模型，采用蚁群算法实现装配式建筑产业链合作伙伴选择的优化组合。

图2 产业链合作伙伴选择三阶段模型

3 第一阶段——初选指标的确定

装配式建筑产业链各链节企业业务范围不同，特性不同，但是都可以通过企业内在和外在的实力来反映其核心竞争力，进而为潜在合作伙伴的选择提供依据。为此，在进行潜在合作伙伴初选时，从企业内在和外在两方面入手，通过对不同领域合作伙伴选择的文献研究，并结合装配式建筑产业链各企业的业务特点，遵循科学、系统、全面的原则构建初选指标评价体系。

表1 合作伙伴初选指标

3.1 企业内在评价指标

3.1.1 人才培养机制

人才培养机制在装配式建筑的发展过程中尤为重要，目前装配式建筑的发展面临巨大的人才缺口，在产业链的五个链节中，每个环节都需要不同层次的人才，研发、设计和施工等阶段需要专业技术人员，生产和运营维护阶段需要专业的工人队伍。对于人才培养机制的评价采用建筑领域专家评分方法。

3.1.2 产品或服务的质量

对于不同链节的企业来说他们提供的产品或服务的质量至关重要。进入建筑市场的企业向消费者提供有形的产品或无形的服务，在装配式建筑市场中，研发、设计提供相关智力服务；运营与维护企业提供相关管理服务；生产、施工企业提供相关的建筑产品。对于企业提供的产品或服务的质量从两个方面进行综合评价，一方面：企业提供产品或服务的等级；另一方面：已完成项目的客户满意度情况。

3.1.3 管理运营能力

资源配置和业务管理贯穿于产业链的全寿命周期，关系到项目全过程的运行效率，企业的管理模式和管理水平体现出企业未来的发展空间。对于各个链节的企业的管理运营能力从组织结构的管理能力及水平进行综合评价。

3.1.4 财务状况

良好的财务状况是企业继续发展和运行的保障。对于企业的财务状况从资金实力、融资能力、资金周转能力等方面进行综合评价，主要通过企业提交的财务状况表，判断企业是否有承担某项工程项目的经济实力，对企业的财务状况进行综合打分。

3.1.5 专利技术和创新能力

企业的创新竞争力尤其是产品或服务的创新力是企业发展活力和企业竞争力的核心。评定企业的创新能力从专利技术持有量和质量等方面进行评价。

3.2 企业外在评价指标

3.2.1 企业的信誉和声誉

企业的信誉和声誉是企业在生产经营过程中积累的社会认可度，即业界的口碑。组入产业链的各企业的社会信誉和声誉是产业链稳健运行的关键。对于企业的信誉和声誉可以从企业资质等级、项目履约率、历史项目荣誉等方面进行综合评价。

3.2.2 企业文化

企业的文化建设有助于增强企业内部凝聚力，营造和谐的企业氛围，激发员工积极性和创造性。对于企业文化的评价主要从企业经营理念、企业核心价值观以及企业形象等方面入手进行综合评价。

3.2.3 企业环境

企业环境[25]影响企业管理决策和生产经营活动，此处包括地理环境、经济环境、科学技术环境等，因为企业环境是一个相互依存、相互制约并且不断变化的各项环境指标有机结合的系统，企业环境的综合评价采用有关专家综合打分的方法确定。

综上，合作伙伴初选指标如表1所示。

除上述指标外，在选择企业时，还考虑企业的经验业绩以及是否有组入产业链的合作意愿。

初选阶段，在对企业的各项指标进行定性分析的基础上，采用专家综合打分法和线性权重法[26]相结合的方法对各项指标进行定量评价。选择综合评分前50%的企业进入第二阶段的精选。

4 第二阶段——基于AHP的精选

初选后，假设各链节选出进入下一阶段精选的企业分别有9家、7家、8家、9家和6家。虽然企业数目有所减少，但是通过直接组合优选出最优产业链仍存在一定的困难，因此，本阶段根据装配式建筑产业链各链节企业的不同特点，构建针对不同业务过程的评价指标，并基于AHP进行分析，选取每个业务过程的优类企业群。

4.1 装配式建筑产业链5大链节的评价指标

根据装配式建筑产业链各链节企业的特点和所承担的角色选择各链节特有的指标作为精选阶段的评价指标，如表2所示。

表2 各链节评价指标及解释

4.2 基于AHP的精选

AHP 方法是一种基于定性和定量分析的多准则决策方法。其基本原理是基于目标层、准则层、方案层的递阶结构，利用Saaty 推荐的数字1～9 及其倒数作为标度[27]，对每个企业评价指标和评价指标下的相对优劣进行排序，并依次构造判断矩阵，以判断矩阵中最大特征根对应的特征向量为相应的系数，计算出各指标的权重，从而确定优先级[28]。

对于构建的判断矩阵，应进行一致性检验，即满足CR ＜0.10，确定判断矩阵是否可行。其中，为判断矩阵的最大特征值，n为评价指标的数量，平均随机一致性指标RI的取值，如表3所示：

表3 RI的取值

（1）构建企业评价指标的判断矩阵，确定链节中各评价指标的权重。

评价指标的判断矩阵R1如表4所示：

表4 研发企业评价指标的判断矩阵

表5 9家研发企业在B2指标下的判断矩阵

①借助MATLAB 求出判断矩阵R1的最大特征根：λmax=5.2849，与其相应的特征向量VR={αi|i ∈[1,5]}=(0.0693,0.8874,0.3905,0.1966,0.1288)。

②计算一致性比例:

已知n = 5，查表4得RI=1.12，故

由此认为判断矩阵的一致性可以接受。

③确定每个评价指标的权重，将特征向量归一化，

得到研发链节中各指标的权重依次为ωB1= 0.0414，ωB2= 0.5306，ωB3= 0.2335，ωB4= 0.1175，ωB5= 0.0770。

老人是在午后跟呼伦说这番话的，她站在门口，背一个很小的粗布包，就像刚刚辞职的老保姆。云梦上班去了，她对母亲突然要离开一无所知。面对可怜兮兮的老人，呼伦突感自责和不安。

（2）构建评价指标下该链节企业的判断矩阵，确定企业在指标下的优先级。

该过程需要在研发链节的五个评价指标基础上依次对进入该阶段的9 个企业进行比较，得出各评价指标下企业的相对优势。以研发技术力量指标B2为例进行说明。

按照（1）中的步骤求出9 家企业在指标B2下的相对优势依次为0.0424、0.0814、0.1856、0.0161、0.0222、0.2223、0.0732、0.3193、0.0375，对其进行处理，将B2指标下占相对优势最大的企业的值为1.000，得各企业的相对优势ω2j(j= 1,2…9) 依次为0.1328、0.2549、0.5813、0.0504、0.0695、0.0698、0.2293、1.0000、0.1174。

同理可得，在其他指标B1、B3、B4、B5下各研发企业的相对优势，如表6所示。

表6 评价指标下各研发企业的相对优势

（3）计算企业综合评价分数。

以A1企业为例，其综合评分

同理可得其他企业综合评分，具体分值见表7。

表7 各研发企业在评价指标下的综合评分

根据综合评分对企业进行优先排序，依次为：A8、A3、A2、A4、A7、A6、A1、A9、A5。

同理可得，设计、生产、施工、运营和维护4个链节中各个企业的综合评分，从而确定各链节企业的优先排序。

基于装配式建筑在中国兴起的时间较短，从事装配式建筑业务的企业还不多，择优确定每一链节综合评分排名前5的企业进入第三阶段的优化组合。进而最终确定组入产业链的企业名单。

5 第三阶段——基于蚁群算法的优化组合

经过初选和基于AHP法的精选，得到企业的综合排序。考虑到企业间的优势互补，将综合指标评价最高的企业直接组入产业链，得到的产业链不一定是最优的，为了实现产业链整体最优，对第二阶段精选过程选择出的排名前5 位的企业（用Eij表示第i 链节排名第j 位的企业），进行第三阶段基于蚁群算法的优化组合。

5.1 产业链合作伙伴优化组合问题描述

组建装配式建筑产业链的目的是为了实现产业链整理利益的最大化，实现各企业共赢。因此从整体来看，产业链希望以最短的工期（T）、最低的成本（C）、最高的质量（Q）来完成建设项目，同时要求产业链上下游企业具有较强的文化交融性（H），拥有相同的核心价值体系，能够相互信任形成一定的默契度。

设Y ={yi|i ∈[1,5]}，表示装配式建筑产业链五个链节的集合，Bi={bij|j ∈[1,mi]},i = 1,2,…,n,表示链节yi中的候选企业的集合，mi为完成链节yi的候选企业集合的个数。Pij={tij,qij,cij,hij…},表示企业bij完成业务yi的指标参数的集合，其中tij表示时间，qij表示质量，cij表示成本，hij表示文化交融性，对于定性指标采用专家评分办法进行取值处理。T 为完成整个产业链的总工期、Q 为总质量、C 为总成本、H 为企业文化交融性。这一阶段的任务就是选择产业链使F =f1,f2,…,fn且F ∩Bi={fi}i = 1,2,…,5，使得minT; maxQ; minC; maxH。将这个问题转化成多目标优化问题，优化的目标函数如下：

根据不同工程对于时间、质量、成本、企业文化的不同要求确定Wk的值，要求满足在本文中W1= 0.2,W2= 0.4,W3= 0.3,W4= 0.1。

多目标优化问题的约束条件为：

tmax,q'max,cmax,h'max表示所有候选企业完成各链节活动的各项指标的最大值。

根据以上描述，解决装配式建筑产业链合作伙伴选择的多目标优化问题的目的是选择合作伙伴的最优组合，从而发挥上下游企业相互协作的优势，以实现整体利益的最大化。蚁群算法（ACO）是基于蚂蚁在食物搜索过程中行为的一种概率计算方法。利用该方法可以处理许多优化问题，其中最典型的是旅行商问题，也称为TSP 问题，在这类问题中，已知N 个城市和它们相互之间的距离，旅行商从某城市出发遍历N 个城市后再回到始发城市，在每个城市都只访问一次的前提下确定一条最短路径[29]。其原理是，当蚂蚁觅食的时候，它们会随机选择一条路径行走，并且在行走的过程中会产生一种叫信息素的物质，留在所走的路径上，随着迭代次数的增加，某一条路径的信息素浓度增加，成为信息素密集型路线，最后大部分蚂蚁会选择这条信息素密集型路线行走，这样便找到了一条最短也就是最优的路径[30]。因此，本文采用蚁群算法来解决装配式建筑产业链的多目标优化问题。

5.2 基于蚁群算法的优化组合

将组入产业链的每个链节的候选企业看作蚂蚁爬过的路径，优化组合即寻找蚂蚁爬过的路程最短的那条路径，也就是在各个企业中顺序选择一条产业链，使其达到多目标优化的目标函数。

记：m为蚂蚁的数量；τij,pq(t),i,p= 1,2,…,n，且|i -p|= 1,j= 1,2,…,mi,q = 1,2,…,mp，表示企业eij和epq连线上t 的信息素的轨迹强度，是蚂蚁从企业eij向epq移动的动力，在初始时刻，各条边上的信息素轨迹强度相等，设τij,pq(0)=C（常数）。

蚁群算法的数学模型：（1）转移概率公式：

其中，ηij,pq是蚂蚁由企业eij向企业epq移动的启发函数，α表示信息素轨迹强度，β表示启发函数的重要性。

（2）信息素更新公式：

其中，信息挥发率为(1- ρ),0 ≤ρ ≤1,Δτij,pqk为本次循环路径(eij,epq)上的信息素的增量，Lk为蚂蚁k 在本次循环中的目标函数值。

利用MATLAB 编程实现产业链合作伙伴最优化步骤如下：

①参数初始化，给α、β、ρ、m、n、τij,pq(0)、Δτij,pq 、NC、Q等参数赋值。杨锐锐[31]通过实验确定得出优化求解性能较好的参数值为α = 1,β =[3,5],ρ = 0.1，在此基础上进行最优化处理；

②将m只蚂蚁随机地分配到组入产业链的个企业上；

③蚂蚁在运动过程中，根据路径中信息素的浓度确定转移方向，公式（6）即为蚂蚁k向下一链节企业epq转移的概率，每只蚂蚁均按照转移概率选择下一个业务过程的企业，直到所有蚂蚁均完成五个链接企业的选择，完整的产业链条形成；

④当m只蚂蚁均完成上述循环过程，计算每只蚂蚁所对应的目标函数值minZ，如果计算的目标函数值高于最小目标函数值，则继续计算，否则用其替换当前的最小目标函数值，并保留该路径为最优路径，即最优产业链；

⑤在蚂蚁完成一个周期的循环后，对每条路径上的信息素浓度进行更新。信息素更新有两种方式，局部更新和全局更新，考虑到全局更新对每一次循环中最优的蚂蚁使用，因此此处按照公式（7）对信息素进行更新；

⑥如果未到设置的搜索次数或者所有的蚂蚁走的不是同一条路径，令Δτij,pq= 0，转到步骤2）进入下一次循环，否则输出为最优路径，即产业链合作伙伴最优组合。

运用MATLAB软件编程，设置蚁群算法的最大迭代次数NC=200，Q=100，其迭代次数与目标函数值的对应关系如表8所示，经过多次迭代，适应度进化曲线在第7代趋于稳定，得到的目标函数值为是0.5575。

表8 适应度进化曲线中迭代次数与目标函数值的对应关系

每个链节选择综合排序前五名的候选企业进入第三阶段，对进入优化组合阶段的25 家企业进行排列组合，有55=3125 种选择方案。本文建立了基于工期（T）、质量（Q）、成本（C）、文化交融性（H）的多目标优化函数，借助于MATLAB 软件，采用蚁群算法求解，在求解的过程中记录每次迭代的最优路线，最终得到产业链合作伙伴选择的最佳组合：E12，E23，E32，E41，E51。（图3）

图3 最优合作伙伴组合

6 结语

根据装配式建筑的特点，本研究建立了装配式建筑产业链合作伙伴选择的评价指标体系，并提出合作伙伴选择的三阶段模型，即初选-精选-优化组合三阶段模型。首先根据企业共性的评价指标进行初选，筛选掉不合格的企业；再根据装配式建筑产业链各链节特有的评价指标进行精选，使候选企业的数量大幅度减少；最后基于蚁群算法优选出工期最短、成本最低，质量优良和文化交融性最强的产业链合作企业组合。