摘要:進(jìn)度計(jì)劃是施工管理、施工過程模擬的重要依據(jù),自動(dòng)生成進(jìn)度計(jì)劃能夠提高編制準(zhǔn)確性和效率.但是,現(xiàn)有相關(guān)研究大多采用基于案例或模板的方式,無(wú)法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的精確匹配,且僅考慮了空間上的約束關(guān)系,未梳理詳細(xì)的知識(shí)規(guī)則.該研究面向建筑工程中常見的裝配整體式項(xiàng)目,分解適用于進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成的施工基本活動(dòng),建立編碼體系,分析各類構(gòu)件或施工活動(dòng)之間的約束規(guī)則,推理各施工活動(dòng)間的邏輯順序,并基于工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)格式的建筑信息模型(BIM)提取工程量來(lái)計(jì)算施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)構(gòu)件級(jí)進(jìn)度計(jì)劃的自動(dòng)生成.該研究結(jié)果可為施工過程模擬及施工自動(dòng)化提供施工進(jìn)度,支持智能施工機(jī)械的有效運(yùn)行.

　　關(guān)鍵詞:施工進(jìn)度計(jì)劃;自動(dòng)生成;建筑信息模型(BIM);規(guī)則推理;約束關(guān)系

　　施工進(jìn)度是項(xiàng)目管理的三大目標(biāo)之一,進(jìn)度計(jì)劃的合理編制是工程項(xiàng)目成本和質(zhì)量目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)[1].工程項(xiàng)目施工進(jìn)度計(jì)劃編制不合理,會(huì)使其對(duì)工程指導(dǎo)作用降低,導(dǎo)致工期延誤、施工成本增高,影響項(xiàng)目質(zhì)量[23],而詳細(xì)合理的施工計(jì)劃對(duì)于工程的執(zhí)行、追蹤以及階段報(bào)告都具有重要意義[4].同時(shí),施工進(jìn)度計(jì)劃是施工過程模擬的基礎(chǔ)[5],施工人員依據(jù)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行施工過程模擬的展示和推進(jìn),從而有效發(fā)現(xiàn)并解決問題.近年來(lái),在施工管理相關(guān)研究中,進(jìn)度計(jì)劃是出現(xiàn)頻率最高的詞匯[6].

　　建筑施工論文范例： BIM自動(dòng)全站儀在建筑工程施工中的應(yīng)用

　　傳統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃主要通過人工計(jì)算和編排,工作量較大,且過于依賴施工技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),準(zhǔn)確性不高、效率較低[7].針對(duì)這些問題,許多學(xué)者借助計(jì)算機(jī)等輔助工具,利用智能化的方式自動(dòng)生成施工進(jìn)度計(jì)劃[8].任桂娜[1]提出基于建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)的進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成模型的構(gòu)建思路,并對(duì)功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì),但沒有對(duì)推理規(guī)則進(jìn)行深入分析.胡文發(fā)等[3]通過建筑計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computerGaideddesign,CAD)系統(tǒng)接口獲取建筑項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù),分析施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間及邏輯關(guān)系,提出了一種基于知識(shí)系統(tǒng)的施工進(jìn)度編排方法,但僅考慮了類與類之間的邏輯關(guān)系.謝琳琳等[2]通過構(gòu)建專家知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)規(guī)則,建立了進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)編排模型,但只從概念上分析了工序邏輯,沒有梳理出規(guī)則.

　　Tauscher等[9]基于各施工活動(dòng)先決條件建立進(jìn)度計(jì)劃生成軟件框架,但對(duì)于建筑元素分類不夠細(xì)致,且對(duì)規(guī)則描述不夠詳細(xì).Weldu等[10]對(duì)BIM模型中的建筑元素之間的空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行空間推理來(lái)生成施工次序,但僅考慮了空間關(guān)系,對(duì)于構(gòu)件的工藝和組織關(guān)系考慮較少.Yue等[11]針對(duì)預(yù)制建筑吊裝過程,以施工消耗時(shí)間和勞動(dòng)力成本作為約束條件,采用遺傳算法從所有滿足初始約束的施工順序中找出最優(yōu)的約束,但該研究?jī)H針對(duì)構(gòu)件吊裝過程且初始約束較為簡(jiǎn)單.

　　Kim等[12]提出了進(jìn)度計(jì)劃的生成框架,但是側(cè)重于數(shù)據(jù)的提取和施工活動(dòng)的轉(zhuǎn)化,對(duì)于施工活動(dòng)的順序生成只考慮了物理層面的約束.張?zhí)扃鱗13]研究了裝配式建筑的進(jìn)度計(jì)劃編制,利用遺傳算法生成預(yù)制構(gòu)件安裝序列,形成施工進(jìn)度計(jì)劃,但僅考慮了層間預(yù)制和現(xiàn)澆部分的關(guān)系,并沒有考慮層內(nèi)的預(yù)制和現(xiàn)澆構(gòu)件同時(shí)出現(xiàn)該如何處理.Faghihi等[14]從BIM模型中提取信息,基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)部分的施工順序生成與優(yōu)化,但僅考慮了構(gòu)件之間的物理約束,需要搜尋很多無(wú)用的可能性,消耗大量的計(jì)算時(shí)間,而最終產(chǎn)生的施工順序并不能夠貼合施工實(shí)際.郭奕婷[15]結(jié)合人工智能思想提出了進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)編排的思路流程和應(yīng)用假設(shè),并建立進(jìn)度計(jì)劃框架,但該研究主要基于案例和模板,然后對(duì)生成的計(jì)劃進(jìn)行修正,無(wú)法解決工程項(xiàng)目唯一性的問題.

　　此外,4DBIM技術(shù)通過給BIM模型元素賦予時(shí)間序列屬性進(jìn)行可視化模擬,在施工進(jìn)度管理中得到了較多應(yīng)用,但模型中的時(shí)間屬性通常基于關(guān)鍵路徑法等進(jìn)行確定,且需要人工輸入施工活動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)間[16].Park等[17]建立了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的框架,從施工日程報(bào)告中自動(dòng)獲取信息,更新4DBIM模型并進(jìn)行進(jìn)度可視化,但仍需從傳統(tǒng)施工進(jìn)度計(jì)劃及工程日志中提取信息.GarcíadeSoto等[18]通過從BIM模型中提取信息,利用禁忌搜索算法改善了4D模擬中的施工進(jìn)度自動(dòng)生成問題,但僅提取了模型的空間約束信息,且沒有對(duì)構(gòu)件元素進(jìn)行分類.

　　綜上,現(xiàn)有的進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成方法可分為以下幾類:基于案例推理、基于知識(shí)的方法、基于模板的方法、遺傳算法、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[19].其中:基于案例或模板推理的方式較為常見,通常利用遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,但此類方法不能實(shí)現(xiàn)案例的精確匹配,且無(wú)法較好地解決工程項(xiàng)目唯一性的問題;而基于知識(shí)或規(guī)則推理的研究相對(duì)較少,且缺少相關(guān)模型或系統(tǒng)的具體應(yīng)用方法以及施工活動(dòng)之間邏輯關(guān)系的詳細(xì)推理規(guī)則,難以用于實(shí)踐.此外,現(xiàn)有進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)編排和4DBIM施工時(shí)間序列生成的研究主要從三維模型中提取信息,僅考慮了結(jié)構(gòu)和空間上的關(guān)系,對(duì)于組織和工藝等約束關(guān)系考慮較少,且對(duì)于施工活動(dòng)之間的邏輯約束關(guān)系,沒有進(jìn)一步細(xì)化形成系統(tǒng)的規(guī)則[20].

　　因此,進(jìn)度計(jì)劃的生成結(jié)果不夠精細(xì),通常只是較大尺度下的進(jìn)度計(jì)劃,不足以支撐施工過程模擬以及未來(lái)施工自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn).針對(duì)現(xiàn)有進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成研究與實(shí)踐中的問題,本文將面向常見的預(yù)制與現(xiàn)澆并存的建筑工程項(xiàng)目,結(jié)合BIM和規(guī)則推理構(gòu)建施工進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成方法.一方面,分解適用于進(jìn)度計(jì)劃生成的施工基本活動(dòng),建立屬性編碼體系,分析各類構(gòu)件或施工活動(dòng)之間的約束規(guī)則,從而推理各施工活動(dòng)間的邏輯順序;另一方面,基于工業(yè)基礎(chǔ)類(industryfoundationclasses,IFC)格式的BIM模型提取工程量來(lái)計(jì)算施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的自動(dòng)編排.

　　1施工基本活動(dòng)分解

　　建設(shè)工程項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的編制本質(zhì)上是對(duì)項(xiàng)目施工活動(dòng)的分解與組織.因此,施工活動(dòng)的分解是編制施工進(jìn)度計(jì)劃的前提和基礎(chǔ),而施工活動(dòng)的分解需要依據(jù)一定的建設(shè)項(xiàng)目信息分類標(biāo)準(zhǔn).目前,國(guó)外建設(shè)項(xiàng)目信息分類體系主要有UniformatII、MasterFormatTM、OmniClass等,國(guó)內(nèi)建筑項(xiàng)目信息分類主要包含在工程量清單、工程定額中[21].但現(xiàn)有的分類體系均是為不同的應(yīng)用目的而建立的,且分類劃分不夠細(xì)致,不足以支持詳細(xì)進(jìn)度計(jì)劃生成.為此,本文根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃編排的實(shí)際需求,參考現(xiàn)有信息分類體系,提出了適用于施工進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成的分解規(guī)則.具體如下:

　　1)按工程施工所需專業(yè)分類.專業(yè)分類內(nèi)容包括:地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、建筑安裝工程、裝飾裝修工程、室外工程等.由于不同專業(yè)的施工進(jìn)度計(jì)劃所需資源以及進(jìn)度計(jì)劃的細(xì)致程度不同,因此項(xiàng)目分解需按專業(yè)進(jìn)行.2)按施工層、施工段分類.在實(shí)際工程中,為提高施工效率和質(zhì)量,或由于施工資源受限,通常需要安排分層分段流水施工.3)按施工方法分類.由于不同的施工方案采用的施工工藝、方法不同,因此需按施工方法進(jìn)行分類.本文主要針對(duì)裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu),需考慮建設(shè)項(xiàng)目中的預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分的施工工藝不同.

　　4)主體結(jié)構(gòu)分解精度至構(gòu)件級(jí)別,便于施工進(jìn)度的細(xì)化和進(jìn)度計(jì)劃精度的調(diào)整.例如,通過對(duì)同類構(gòu)件的整合,可以在滿足關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制要求下,簡(jiǎn)化進(jìn)度計(jì)劃、便于施工管理;與之相對(duì)應(yīng),將施工活動(dòng)分解至更高精度,有利于分析不同構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系,以便于精益施工.對(duì)于建筑安裝工程和裝飾裝修工程,由于占用工期以及資源比例都較小,可以按照房間為單元進(jìn)行分類,以避免進(jìn)度計(jì)劃冗雜而降低效率.

　　在項(xiàng)目分解之后,可以根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃本身的精度需求和施工方面的共性,對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整合.例如,同一施工層(段)、同一尺寸進(jìn)行歸類;相同施工層(段)中,同類但不同位置的構(gòu)件進(jìn)行整合歸類,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃精細(xì)程度的調(diào)整,以便于施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制和施工過程管理.

　　2施工基本活動(dòng)邏輯關(guān)系確定

　　主體結(jié)構(gòu)施工是整個(gè)施工過程的關(guān)鍵,在整個(gè)施工周期中占用工期和資源比例最大,通常也是其他專業(yè)施工的前提和基礎(chǔ);與之相比,建筑設(shè)備安裝及裝修裝飾工程,具有樓層間獨(dú)立性,可以在主體結(jié)構(gòu)完工后依據(jù)流水逐層逐間施工,邏輯較為清晰簡(jiǎn)潔.因此,本文選取主體結(jié)構(gòu)部分作為研究對(duì)象,描述施工基本活動(dòng)間的邏輯約束關(guān)系,以及施工進(jìn)度計(jì)劃的自動(dòng)生成方法.

　　2.1編碼體系建立

　　在施工活動(dòng)分解后,需要將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的語(yǔ)言,從而建立施工基本活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系.本文采用屬性編碼方式,基于BIM模型本身提供的信息,將其進(jìn)一步完善,并使其滿足本文進(jìn)度計(jì)劃編制的需求.例如,施工段流水、預(yù)制和現(xiàn)澆類型、構(gòu)件類別、同類構(gòu)件所在位置等,均是進(jìn)度計(jì)劃編制所需考慮的信息.傳統(tǒng)的進(jìn)度計(jì)劃編制方案需要專業(yè)的進(jìn)度計(jì)劃管理人員編制和解讀,且不能夠建立構(gòu)件或施工活動(dòng)與時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)于某一確定構(gòu)件,無(wú)法從施工進(jìn)度計(jì)劃中直接獲取其施工開始及持續(xù)時(shí)間.

　　為此,本文基于構(gòu)件屬性建立編碼體系,即每一項(xiàng)編碼均代表構(gòu)件的某一類屬性,構(gòu)件的所有屬性編碼共同組成構(gòu)件的編碼組合名稱,熟悉此編碼的施工人員可以通過解讀編碼直接獲取構(gòu)件的全部信息.通過從建設(shè)項(xiàng)目IFC文件中提取屬性信息,可以將構(gòu)件全局ID與構(gòu)件編碼組合名稱一一對(duì)應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件屬性的完善和對(duì)應(yīng).

　　2.2基于邏輯約束關(guān)系的推理規(guī)則構(gòu)建

　　施工進(jìn)度計(jì)劃的編制需要考慮施工活動(dòng)或者構(gòu)件之間的邏輯約束關(guān)系.本文構(gòu)建邏輯約束關(guān)系,包括物理約束關(guān)系、工藝約束關(guān)系和組織約束關(guān)系.3種邏輯約束關(guān)系之間存在互相參照關(guān)系,即物理約束關(guān)系是工序和組織約束關(guān)系的前提與基礎(chǔ),組織約束關(guān)系需在同時(shí)滿足物理和工藝約束關(guān)系的前提下實(shí)現(xiàn).例如,梁的施工需在與其搭接的柱完工后進(jìn)行,組織約束關(guān)系中流水施工的前提是先保證物理和工藝約束關(guān)系得到滿足[22].

　　2.2.1工藝約束關(guān)系

　　工藝約束關(guān)系主要是指根據(jù)工程施工技術(shù)、施工方法和施工規(guī)范要求,為完成某一施工活動(dòng)具體所需的工藝流程及其順序關(guān)系.例如,鋼筋混凝土墻體的施工工藝順序一般為:綁扎鋼筋—支設(shè)模板—澆筑混凝土—養(yǎng)護(hù)拆模等.基于工藝約束關(guān)系,可以產(chǎn)生如下施工規(guī)則:

　　1)對(duì)于相同施工層、施工段和類型構(gòu)件,先施工預(yù)制構(gòu)件,后施工現(xiàn)澆構(gòu)件.部分現(xiàn)澆構(gòu)件需要預(yù)制構(gòu)件和模板共同組成封閉的空間以用于混凝土澆筑.例如,同層同施工段中編號(hào)為JGG03GIIG1GwallGwq003的預(yù)制外墻,施工順序要高于編號(hào)為JGG03GIIG0GwallGwq003的現(xiàn)澆外墻.2)現(xiàn)澆構(gòu)件施工需考慮模板搭設(shè)、鋼筋綁扎、混凝土澆筑的工藝流程.對(duì)于豎向構(gòu)件,先綁扎鋼筋,再支模,再澆筑混凝土,最后拆模;對(duì)于水平構(gòu)件,先支模,再綁扎鋼筋,再澆筑混凝土,最后拆模.例如,對(duì)于現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu),可采用的施工順序?yàn)?測(cè)量放線—柱綁扎鋼筋—柱支模—柱澆筑混凝土—梁板支模—梁板綁扎鋼筋—澆筑混凝土—養(yǎng)護(hù)拆模.3)預(yù)制構(gòu)件的施工順序需考慮吊裝、安裝等工藝過程.以預(yù)制墻體為例,常見的施工流程為:測(cè)量放線—吊裝—安裝—灌漿.

　　2.2.2組織約束關(guān)系

　　組織約束關(guān)系主要是指在滿足物理約束和工藝約束關(guān)系下,為了提高施工活動(dòng)組織效率、施工質(zhì)量,或在項(xiàng)目資源(如勞動(dòng)力、施工機(jī)械等)受限條件下,對(duì)施工活動(dòng)順序的合理調(diào)整與安排.例如,流水施工中施工層段之間的順序安排,多個(gè)柱同時(shí)澆筑或一塊板分流水段澆筑等.

　　3施工基本活動(dòng)持續(xù)時(shí)間測(cè)算

　　根據(jù)施工基本活動(dòng)之間的邏輯約束關(guān)系,可以推理出各施工活動(dòng)的先后順序或搭接關(guān)系,此外還需計(jì)算每一項(xiàng)施工基本活動(dòng)所持續(xù)的時(shí)間,從而形成完整的施工進(jìn)度計(jì)劃.傳統(tǒng)的施工活動(dòng)工期,通常由人工基于定額計(jì)算或者過往工程經(jīng)驗(yàn)估算得出,而本文在傳統(tǒng)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)件自動(dòng)匹配定額等數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)計(jì)算施工活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間.構(gòu)件的工程量通過IFC解析的文件獲得,定額從定額數(shù)據(jù)庫(kù)獲得,并基于定額庫(kù)轉(zhuǎn)化為更為精確的每人每工時(shí)工作量.本文按每工日8工時(shí)進(jìn)行計(jì)算,且暫不考慮工人施工熟練程度,即工人類型均假設(shè)為普通工人.對(duì)于1位普通工人。

　　4案例分析

　　本文以某建筑工程為例分析上述施工進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)編排方法的有效性.該工程為裝配整體式框架剪力墻結(jié)構(gòu),建筑面積約1000m2,地上共3層.為了充分展示不同類型以及同類型構(gòu)件之間的施工邏輯順序,建立其BIM模型。包含預(yù)制墻、預(yù)制柱、疊合梁、疊合板等預(yù)制構(gòu)件,以及現(xiàn)澆墻體、現(xiàn)澆柱、現(xiàn)澆梁板等現(xiàn)澆構(gòu)件.基于屬性列表中得到的各個(gè)構(gòu)件的施工開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間,生成該工程主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度計(jì)劃?rùn)M道圖.

　　在選中構(gòu)件后,根據(jù)每個(gè)構(gòu)件屬性列表中的編碼組合名稱,可以解讀每個(gè)構(gòu)件的基本屬性和施工時(shí)間,便于工人施工安排,也為施工自動(dòng)化以及智能化設(shè)備應(yīng)用提供信息基礎(chǔ).任選某一構(gòu)件,其構(gòu)件編碼組合名稱為JGG03GIG0GwallGwq001GT4.95TGS20210919G02:59SGL0.23hL,表示該墻構(gòu)件為現(xiàn)澆構(gòu)件,將于2021年9月19日2:59分在第3施工層第1施工段開始施工.對(duì)于預(yù)制構(gòu)件,可將構(gòu)件組合編碼集成至構(gòu)件二維碼中或?qū)懺跇?gòu)件表面,便于工人對(duì)構(gòu)件屬性解讀;對(duì)于現(xiàn)澆構(gòu)件,可以在模型中解讀其各項(xiàng)屬性,從而安排具體施工流程.

　　5結(jié)論

　　本文提出了一個(gè)基于BIM和規(guī)則推理的施工進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)編排方法.該方法首先基于IFC格式的BIM文件實(shí)現(xiàn)施工基本活動(dòng)的分解,并提取其屬性信息、建立構(gòu)件的屬性編碼體系,然后基于屬性編碼分析構(gòu)件之間的邏輯約束關(guān)系、推理構(gòu)件施工順序規(guī)則,最后通過計(jì)算各構(gòu)件施工持續(xù)時(shí)間參數(shù),實(shí)現(xiàn)了建筑工程主體結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)生成.案例分析表明,該方法可以生成構(gòu)件級(jí)精度的施工進(jìn)度計(jì)劃,不僅能夠減少人工編制計(jì)劃的成本,也能夠?yàn)槭┕み^程模擬以及未來(lái)自動(dòng)化施工、智能施工設(shè)備應(yīng)用等提供基礎(chǔ)信息.此外,本文建立的編碼體系,可以幫助施工人員快速獲取構(gòu)件施工相關(guān)信息,保證構(gòu)件施工順序的準(zhǔn)確性.本研究仍存在一定的局限性,如暫未將主體工程之外的專業(yè)施工加進(jìn)來(lái),且施工段的劃分以人式方式為主.未來(lái)研究可以對(duì)此深入探究,并進(jìn)行更多的工程案例測(cè)試.

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　　作者：郭紅領(lǐng),葉嘯天,任琦鵬,羅柱邦