Supply chain management plays a fundamental role in running a successful construction project to ensure cost-efficient, accurate, and on-time material delivery to construction sites. Supply chain management has been favored by researchers and construction practitioners over traditional material management practices that focus on a single logistic perspective. It can be used to manage interdependent project phases and improve stakeholder relationships. Although supply chain management helps stakeholders complete construction projects, the problems associated with material flow processes, such as material delays, rework, and incorrect deliveries remain frequent due to a lack of efficient supply chain integration and coordination. As a result, projects often face schedule delays and cost overruns. To keep construction projects on time and on budget, novel methodologies are needed for the management of material flow processes.
Good management of material flow processes requires efficient coordination of material and associated information flows, which leads to reduced misalignment in deliveries. Responses to this need often focus on the use of advanced management principles, technologies, and intelligent algorithms to manage the supply chains. Lean management principles and Industry 4.0 technologies combined with various optimization algorithms have dominated manufacturing supply chains in the past decade and have the potential to enhance stakeholder collaboration and workflow efficiency. The supply chain processes in construction projects are normally dynamic in nature and are subjected to open-air environmental conditions. This adds considerable uncertainties to the management of material flows from the planning phase to the installation phase, in contrast to the manufacturing processes that happen in a closed and consistent work environment. Data silos further limit the capabilities of construction stakeholders to collaborate and inhibit the reliability of their decisions on material supplies and demands. To overcome the challenges and limitations, prevailing principles and methods in manufacturing industry are required to address the needs of construction supply chains. In pursuit of this, the dissertation aims to develop a systematic approach and the corresponding techniques to improve the coordination of material and information flows in construction projects, considering the integration of lean workflows, digital technologies, and optimization algorithms, with a special focus on stakeholders’ collaborative decision-making processes.
The first part of the dissertation focuses on the comprehensive review of contemporary supply chain management in construction projects. Various methods that facilitate construction supply chain coordination are identified through different review processes. One review is conducted to develop an objective and data-driven assessment of the use of automation and digital technologies to provide a better understanding of their potential benefits and limitations. The other review summarizes useful enablers to facilitate the coordination activities and to link different construction supply chain stages (i.e., design-to-production, production-to-logistics, and production-to-site-assembly). Results from both reviews suggest that a holistic integration of the supply chains and stakeholders’ collaborative decision making through digitalization (e.g., integrated BIM-IoT technologies) together with and lean workflows are essential to improve supply chain coordination but are missing from current practices. This part lays the knowledge foundation for the second and third parts of the dissertation.
The second part of the dissertation explores the combination of lean principles and digital technologies; namely, lean workflows with integrated management systems. The lean workflow is designed to link digital information on material demands with look-ahead plans. This is illustrated in the material flow processes for the erection of an office building with prefabricated columns. The performance of the lean workflow is compared with that of a traditional workflow using discrete-event simulations. The lean workflow advances the traditional workflow as it allows project participants to combine detailed look-ahead plans with BIM and RFID technologies to better manage material flow processes. It is particularly useful for the management of engineer-to-order components considering dynamic site progress. To embed the lean workflow in a digital platform, an integrated management system is developed that focuses on the communication of design-change and schedule-change information. The system includes designchange, schedule-change, production, and transport functional modules. Project stakeholders can prevent material flows from the negative impact of late change using the system to digitally support the lean workflow. The system uses a clientserver architecture, though it can be easily reconfigured to a cloud-based system architecture. The capability of the system to improve the coordination of changes over an engineer-to-order material flow process simulation of the office building project is demonstrated to be superior than that of the traditional management framework. This work represents the first instance where detailed look-ahead plans, BIM, RFID, and a common data environment are integrated in supply chain collaboration to replace otherwise ad-hoc procedures.
The third part of the dissertation moves the focus to the management of bulk commodity. This part explores the combination of lean principles, digital technologies, and optimization algorithms to improve stakeholders’ decision-making processes in the coordination of material flows. This part selects ready-mix concrete as a representative type of bulk commodity to study this dynamic. Given the fluctuating demand for concrete, an approach that uses digitized information within a short-term planning window is presented to improve the ordering of concrete by minimizing waste and cost. The approach consists of two main steps that contractors should take: 1) monitoring the dynamic demand fluctuations using a 4D model that captures the as-built site progress and updated look-ahead schedules, 2) modifying original orders to accommodate the demand fluctuations where quantities of additional orders and outsourced orders are determined by a heuristic evolutionary algorithm. The proposed approach is demonstrated to be useful to provide optimal order quantities of concrete with minimal costs within a five-day planning window. The scope of implementing the approach is expanded from a single project to a group of projects in a contractor’s or owner’s broader portfolio. To optimize the allocation of materials among multiple projects, a transshipment method is developed to enable the lateral sharing of materials in a supply chain network using the same two-step approach; a streamlined coordination process comprising the extraction of digital information and the decisionmaking on material allocation. To accommodate the expansion of the approach to varied material demands among projects, a network model is required to simulate the material and information flows from one project to another. Either within or among projects, the implementation of the two-step approach in both cases proves the benefits of balancing the daily material supply and demand according to a continuously updated schedule. As a result, the materials can be managed with minimal waste and costs.
This dissertation contributes to the field of construction management of material flow processes by providing a systematic approach and corresponding techniques to address the challenges in construction supply chain processes. More precisely, it provides a novel method for integrating lean principles, digital technologies, and optimization algorithms for construction supply chain practices. The proposed approach improves supply chain efficiency, transparency, agility, sustainability, and accuracy, paving the way for a better future of construction projects
Das Supply Chain Management spielt eine grundlegende Rolle bei der Durchführung eines erfolgreichen Bauprojekts, um eine kosteneffiziente, genaue und pünktliche Materiallieferung an die Baustellen zu gewährleisten. Supply Chain Management wird von Forschern und Baupraktikern gegenüber traditionellen Materialmanagementpraktiken bevorzugt. Es kann verwendet werden, um voneinander abhängige Projektphasen zu verwalten und die Beziehungen zu den Interessengruppen zu verbessern. Obwohl das Supply Chain Management den Beteiligten bei der Fertigstellung von Bauprojekten hilft, sind die mit Materialfluss verbundenen Probleme wie Materialverzögerungen, Nacharbeiten und Fehllieferungen, aufgrund mangelnder effizienter Integration und Koordination der Lieferkette, nach wie vor häufig. Infolgedessen kommt es bei Projekten regelmässig zu Terminverzögerungen und Kostenüberschreitungen. Um Bauprojekte im Zeit- und Budgetrahmen zu halten sind neue Methoden für das Management von Materialflussprozessen erforderlich.
Ein gutes Management von Materialflussprozessen erfordert eine effiziente Koordination von Materialfluss- und damit verbundenen Informationsflüssen, was zu einer Verringerung von Fehlerquote bei Lieferungen führt. Antworten auf dieses Bedürfnis konzentrieren sich oft auf den Einsatz fortschrittlicher Managementprinzipien, Technologien und intelligenter Algorithmen zur Verwaltung der Supply Chains. Lean Management Prinzipien und Industrie 4.0-Technologien in Verbindung mit verschiedenen Optimierungsalgorithmen haben in den letzten Jahrzehnt die Supply Chains in der Produktionsindustrie dominiert und haben das Potenzial, die Zusammenarbeit der Beteiligten und die Effizienz der Arbeitsabläufe zu verbessern. Die Supply Chain Prozesse bei Bauprojekten sind in der Regel dynamischer Natur und sind unter freiem Himmel Umweltbedingungen ausgesetzt. Dies führt zu erheblichen Unsicherheiten beim Management der Materialflüsse von der Planungsphase bis zur Installationsphase, was sich gegenüber den Produktionsprozessen unterscheidet, die in einer geschlossenen und konsistenten Arbeitsumgebung ablaufen. Datensilos schränken die Möglichkeiten der am Bau Beteiligten weiter ein, Unsicherheiten zu minimieren und zuverlässige Entscheidungen über Materialangebot und -nachfrage zu treffen. Um die Herausforderungen und Einschränkungen zu überwinden, könnten die in der Produktionsindustrie vorherrschenden Prinzipien und Methoden auf die Bedürfnisse der Supply Chains im Baugewerbe angewandt werden. In diesem Sinne zielt die Dissertation darauf ab, einen systematischen Ansatz und die entsprechenden Techniken zu entwickeln, um die Koordination von Material- und Informationsflüssen in Bauprojekten zu verbessern, wobei die Integration von Lean-Workflows, digitalen Technologien und Optimierungsalgorithmen unter besonderer Berücksichtigung der kollaborativen Entscheidungsprozesse der Beteiligten berücksichtigt wird.
Der erste Teil der Dissertation konzentriert sich auf eine umfassende Übersicht des heutigen Supply Chain Managements bei Bauprojekten. Es werden verschiedene Methoden identifiziert, welche die Koordination der Supply Chains im Bauwesen erleichtern. Zum einen wird eine objektive und datengestützte Bewertung des Einsatzes von Automatisierung und digitalen Technologien entwickelt, um ein besseres Verständnis ihrer potenziellen Vorteile und Anwendungsgrenzen zu erhalten. Zum anderen werden nützliche Hilfsmittel zusammengefasst, die die Koordinationstätigkeiten erleichtern und die verschiedenen Stufen der Supply Chains im Bauwesen (d.h. vom Entwurf bis zur Produktion, von der Produktion bis zur Logistik und von der Produktion bis zur Montage vor Ort) miteinander verbinden. Die Ergebnisse beider Übersichtsarbeiten deuten darauf hin, dass eine ganzheitliche Integration der Supply Chains und der kollaborativen Entscheidungsfindung der Beteiligten durch Digitalisierung (z.B. integrierte BIMIoT-Technologien) zusammen mit schlanken Arbeitsabläufen für die Verbesserung der Supply Chain Koordination unerlässlich sind, aber in der derzeitigen Praxis fehlen. Dieser Teil legt die Wissensgrundlage für den zweiten und dritten Teil der Dissertation.
Der zweite Teil der Dissertation untersucht die Kombination von Lean-Prinzipien und digitalen Technologien, nämlich Lean-Workflows mit integrierten Managementsystemen. Der Lean-Workflow soll digitale Informationen über den Materialbedarf mit den Look-Ahead-Plänen verknüpfen. Veranschaulicht wird dies an den Materialflussprozessen für die Errichtung eines Bürogebäudes mit vorgefertigten Säulen. Die Performance des Lean-Workflows wird mit der eines traditionellen Arbeitsablaufs unter Verwendung ereignisdiskreter Simulationen verglichen. Der Lean-Workflow stellt eine Weiterentwicklung des traditionellen Arbeitsablaufs dar, da er es den Projektteilnehmern ermöglicht detaillierte LookAhead-Pläne mit BIM- und RFID-Technologien zu kombinieren, um Materialflussprozesse besser zu steuern. Er ist besonders nützlich für die Verwaltung von engineer-to-order Komponenten unter Berücksichtigung des dynamischen Standortfortschritts. Zur Einbettung der Lean-Workflows in eine digitale Plattform wird ein integriertes Managementsystem entwickelt, das sich auf die Kommunikation von Design- und Terminänderungsinformationen konzentriert. Das System umfasst funktionale Module für Designänderungen, Terminplanänderungen, Produktion und Transporte. Projektbeteiligte können mit dem System zur digitalen Unterstützung von Lean-Workflows die Materialflüsse vor den negativen Auswirkungen späterer Änderungen schützen. In dieser Studie verwendet das System eine Client-Server-Architektur, welches leicht zu einer Cloud-basierten Systemarchitektur umkonfiguriert werden kann. Die Fähigkeit des Systems die Koordination von Änderungen über einen engineer-to-order Materialflussprozess zu verbessern, wird mittels Simulation der Konstruktion desselben Bürogebäudeviii projekts demonstriert. Diese Arbeit stellt die erste Instanz dar, in der detaillierte Look-Ahead-Pläne, BIM, RFID und eine gemeinsame Datenumgebung in die Supply Chain Koordination integriert werden, um die sonst üblichen Ad-hocVerfahren zu ersetzen. Dies geschieht unter Verwendung des Lean-Workflows und des integrierten Managementsystems.
Der dritte Teil dieser Dissertation verlagert den Schwerpunkt auf das Management von Schüttgütern. In diesem Teil wird die Kombination von LeanPrinzipien, digitalen Technologien und Optimierungsalgorithmen zur Verbesserung der Entscheidungsprozesse der Beteiligten bei der Koordination von Materialflüssen untersucht. Fertigbeton ist ein repräsentativer Typ von Schüttgütern, der zur Untersuchung dieser Dynamik ausgewählt wurde. Angesichts der schwankenden Nachfrage nach Beton wird ein Ansatz zum Verbessern der Betonbestellung vorgestellt, der die Kosten und den produzierten Abfall minimiert und digitalisierte Informationen innerhalb eines kurzfristigen Planungsfensters verwendet. Der Ansatz besteht aus zwei Schritten, die von den Auftragnehmern durchgeführt werden sollten: 1) Überwachung der dynamischen Nachfrageschwankungen mit Hilfe eines 4D-Modells, das den Fortschritt der Baustelle im Ist-Zustand erfasst und aktualisierte Look-Ahead-Pläne berücksichtigt, 2) Modifizierung der ursprünglichen Bestellungen, um die Nachfrageschwankungen auszugleichen, wobei die zusätzliche Bestellungen und der ausgelagerten Bestellungen durch einen heuristischen Evolutionsalgorithmus bestimmt werden. Der vorgeschlagene Ansatz erweist sich als nützlich, um innerhalb eines Planungsfensters von fünf Tagen optimale Bestellmengen von Beton mit minimalen Kosten zu liefern. Der Anwendungsbereich des Ansatzes wird von einem einzelnen Projekt auf eine Gruppe von Projekten aus dem Portfolio des Auftragnehmers oder Eigentümers erweitert. Um die Zuteilung von Materialien auf mehrere Projekte zu optimieren, wird eine Umschlagmethode entwickelt, die das Lateral-Sharing von Materialien in einem Supply Chain Netzwerk unter Verwendung desselben zweistufigen Ansatzes ermöglicht; ein rationalisierter Koordinationsprozess, der die Extraktion digitaler Informationen und die Entscheidungsfindung über die Materialzuteilung umfasst. Um unterschiedlichen Materialnachfragen zwischen den Projekten Rechnung zu tragen, ist ein Netzwerkmodell erforderlich, das die Material- und Informationsflüsse von einem Projekt zum anderen simuliert. Die Anwendung des zweistufigen Ansatzes zeigte den Vorteil eines Ausgleichs zwischen dem täglichen Materialangebot und der Nachfrage basierend auf einem ständig aktualisierten Zeitplan für Materialflüsse innerhalb eines Projekts sowie zwischen Projekten auf. Als Ergebnis können die Materialien mit minimalem Abfall und minimalen Kosten verwaltet werden.
Diese Dissertation leistet einen Beitrag auf dem Gebiet des Baumanagements von Materialflussprozessen, indem sie einen systematischen Ansatz und entsprechende Techniken zur Bewältigung der Herausforderungen in Supply Chain Prozessen im Bauwesen bereitstellt. Präzisiert bietet sie eine neue Methode zur Integration von Lean-Prinzipien, digitalen Technologien und fortschrittlichen Algorithmen in das Supply Chain Management im Bauwesen. Der vorgeschlagene Ansatz verbessert die Effizienz, Transparenz, Anpassungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Genauigkeit der Supply Chains und ebnet damit den Weg für eine bessere Zukunft von Bauprojekten.