基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

杜存坡+陳貞柒+劉申

摘要：在我國建筑領(lǐng)域推行協(xié)同建造是一種必然趨勢，本文依據(jù)BIM的可視化和信息共享等特點(diǎn)，構(gòu)建了基于BIM的“管理方—設(shè)計(jì)方—生產(chǎn)方—施工安裝方”的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析各子系統(tǒng)內(nèi)部以及各子系統(tǒng)之間的影響機(jī)理，尋找系統(tǒng)內(nèi)的重要因素作為變量，構(gòu)建基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)的因果反饋圖，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的因果反饋機(jī)制研究問題，建立模型研究系統(tǒng)內(nèi)變量的原因樹，為設(shè)計(jì)并優(yōu)化基于BIM的工業(yè)化建造流程系統(tǒng)提供依據(jù)，也對推進(jìn)我國建筑工業(yè)化4.0起到一定的參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： In this paper， based on the characteristics of BIM's visualization and information sharing， this paper constructs the "management side—the design side— the production side—the construction installation side" based on BIM. The paper analyzes the influence mechanism of the subsystems and the subsystems by using the system dynamics， and finds out the important factors in the system as variables to construct the causal feedback diagram of the BIM-based industrial collaborative construction process system. Based on the causal feedback mechanism of system dynamics， this paper establishes the reason tree of the model research system， provides the basis for designing and optimizing the industrial construction process system based on BIM， and also plays a certain reference value to promote the construction industry of China 4.0 Practical application value.

關(guān)鍵詞：建筑工業(yè)化；BIM；協(xié)同建造流程；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

Key words： building industrialization；BIM；collaborative construction process；system dynamics

中圖分類號：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0105-04

0 引言

隨著建筑業(yè)信息化程度不斷提高、工業(yè)化建造模式的不斷發(fā)展，低碳、節(jié)能、高效、智慧的建造模式已經(jīng)成為建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，而將BIM與建筑項(xiàng)目結(jié)合的協(xié)同建造流程將會(huì)促進(jìn)我國建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。在建筑工業(yè)化中，設(shè)計(jì)方、構(gòu)配件生產(chǎn)方、施工安裝方與管理方四者的協(xié)同顯得尤其重要。目前國內(nèi)外學(xué)者對建筑工業(yè)化的協(xié)同設(shè)計(jì)主要局限于設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)施工階段，缺乏對建筑工業(yè)化背景下運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、構(gòu)部件生產(chǎn)、施工裝配、管理四者的協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)的研究[1]。而我們通過大量文獻(xiàn)閱讀，發(fā)現(xiàn)通過設(shè)計(jì)方，構(gòu)配件生產(chǎn)方，施工安裝方、項(xiàng)目管理方四方的協(xié)同協(xié)作關(guān)系，能提高建設(shè)項(xiàng)目的的質(zhì)量以及效率，同時(shí)能夠達(dá)到環(huán)保，節(jié)約成本等要求[2]。通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理分析基于BIM的協(xié)同建造模型，整體地考慮系統(tǒng)，進(jìn)而了解基于BIM的協(xié)同建造流程系統(tǒng)的組成及四個(gè)子系統(tǒng)之間的交互作用與關(guān)鍵影響因素，為基于BIM的協(xié)同建造流程系統(tǒng)的運(yùn)行提供依據(jù)與保障。

1 協(xié)同建造流程架構(gòu)

BIM允許建設(shè)不同參方以及擁有不同專業(yè)背景的項(xiàng)目各利益相關(guān)者在獲得相應(yīng)權(quán)限的基礎(chǔ)上，獲得關(guān)于項(xiàng)目最新、最精確的信息，從而協(xié)調(diào)項(xiàng)目運(yùn)行過程中的各項(xiàng)工作[3]。管理方、設(shè)計(jì)方、構(gòu)配件生產(chǎn)方、裝配施工方可以利用BIM技術(shù)可視化的功能對項(xiàng)目全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)控和優(yōu)化。圖1說明了基于BIM技術(shù)的信息化協(xié)同建造整體系統(tǒng)框架。整個(gè)系統(tǒng)由BIM的3D模型和“管理—設(shè)計(jì)—制造—施工”兩大系統(tǒng)，5大部分組成，利用應(yīng)用程序接口（API）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與3D模型的無縫集成。構(gòu)建基于BIM技術(shù)的“管理—設(shè)計(jì)—制造—施工”協(xié)同建造模型，最終獲得由管理信息模型、建筑工程信息模型、制造模型和施工裝配模型四者整合在一起的協(xié)同建造系統(tǒng)模型。通過建立清晰的工作分解結(jié)構(gòu)和明確的資源配置關(guān)系，將項(xiàng)目各方工作流程化、系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理的協(xié)同效應(yīng)、決策支持和實(shí)時(shí)控制，從而為項(xiàng)目管理方、設(shè)計(jì)方、生產(chǎn)制造方、施工方之間的協(xié)同管理和決策制定提供分析依據(jù)[4]。

2 協(xié)同建造流程分析

2.1 BIM與工業(yè)化建造模塊

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型的簡稱，其以工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的BIM數(shù)字化模型。BIM數(shù)字化模型及相應(yīng)數(shù)據(jù)中心能為建設(shè)各方提供完整的、與實(shí)際情況一致的工程項(xiàng)目信息，其對工程項(xiàng)目物理特性和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，在工業(yè)化建造模式下可以為建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、構(gòu)件生產(chǎn)方和施工裝配方建立起溝通的橋梁，并提供處理工程項(xiàng)目問題所需要的即時(shí)信息[5]。以BIM為核心的信息化技術(shù)能使通過現(xiàn)代化制造、運(yùn)輸、安裝和科學(xué)管理的工業(yè)化協(xié)同建造過程得到充分的實(shí)現(xiàn)，建設(shè)參與各方以BIM協(xié)同平臺(tái)為溝通橋梁，解決建設(shè)各階段信息斷層問題，便于各方協(xié)同建造，消除信息傳遞孤島，加強(qiáng)協(xié)同、提高效率、降低成本，在建造各階段形成集成生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的目標(biāo)[6]。

2.2 流程要素分析

相互聯(lián)系且相互影響的元素構(gòu)成各類系統(tǒng)。從初步研究來看，影響協(xié)同建造流程系統(tǒng)的因素多種多樣。綜合以往有關(guān)影響建筑工業(yè)化發(fā)展的研究和論述，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中的反饋機(jī)制，本文進(jìn)行了簡單的定性分析。選取關(guān)鍵要素，形成反饋回路模型。后經(jīng)研究篩選最終確定了工程進(jìn)度、工程成本、BIM協(xié)同中心支持、綜合管理水平、勞動(dòng)力需求等26個(gè)影響協(xié)同建造的關(guān)鍵要素，這些要素主要涵蓋在管理子系統(tǒng)、設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、生產(chǎn)子系統(tǒng)、施工安裝子系統(tǒng)以及BIM的3D模型五個(gè)方面，這五個(gè)方面的各要素相互影響、相互作用，共同構(gòu)成基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。

2.3 協(xié)同建造流程因果回路圖的建立

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)將因果關(guān)系定義為元素之間的聯(lián)系，正是這種聯(lián)系所構(gòu)成的因果關(guān)系構(gòu)成了系統(tǒng)的功能和行為。因果反饋圖反映變量之間的因果關(guān)系，因果關(guān)系圖通過反饋回路說明系統(tǒng)內(nèi)各變量的因果關(guān)系及其變化，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)即是透過系統(tǒng)中各反饋回路的動(dòng)態(tài)因果關(guān)系來反映實(shí)際問題。因此，因果關(guān)系的分析是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立的基礎(chǔ)，它可以清楚地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行及邏輯關(guān)系。本文研究的基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)各子系統(tǒng)因果關(guān)系圖如圖2-5所示。

3 協(xié)同建造動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)造

3.1 建模的目的、邊界和假設(shè)

3.1.1 建模的目的

協(xié)同建造系統(tǒng)是多因素的、非線性的、復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，從初步研究來看，影響協(xié)同建造流程系統(tǒng)的因素多種多樣，而我們需要有針對性地進(jìn)行研究，只有明確研究目標(biāo)，才能根據(jù)研究目標(biāo)確定系統(tǒng)的邊界，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型[7]。本研究的目的是找出影響協(xié)同建造流程系統(tǒng)的主要因素，發(fā)現(xiàn)基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程的運(yùn)行機(jī)制。以期發(fā)現(xiàn)流程設(shè)計(jì)的缺陷和優(yōu)勢，為基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造的推廣和實(shí)現(xiàn)提供有價(jià)值的可行性建議。

3.1.2 建模的邊界

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過系統(tǒng)內(nèi)部的信息反饋機(jī)制研究問題，需要進(jìn)行系統(tǒng)邊界的劃定。系統(tǒng)邊界的劃定就是根據(jù)研究目標(biāo)確定需要進(jìn)行研究的系統(tǒng)要素，去除不必研究的冗余要素。變量可以被分為三類，即內(nèi)生和外生以及不考慮的變量，受系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響而確定的變量是內(nèi)生變量，內(nèi)因決定了系統(tǒng)的行為。受系統(tǒng)外部環(huán)境影響而確定的變量是外生變量。而內(nèi)因往往起決定性作用。因此選擇合理的系統(tǒng)邊界是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型成功的關(guān)鍵[8]。

本文認(rèn)為，基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造由管理子系統(tǒng)、建造設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、生產(chǎn)子系統(tǒng)以及施工安裝子系統(tǒng)四個(gè)部分組成。基于此，本文參考了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)本文的研究目的，從管理要素、設(shè)計(jì)要素、生產(chǎn)要素和施工安裝四個(gè)方面出發(fā)確定了基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)的邊界，并因此將系統(tǒng)細(xì)分為四個(gè)子系統(tǒng)，分別為管理子系統(tǒng)、設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、生產(chǎn)子系統(tǒng)以及施工安裝子系統(tǒng)。BIM協(xié)同中心支持是實(shí)現(xiàn)協(xié)同建造重要因素，是從宏觀角度對協(xié)同建造流程系統(tǒng)進(jìn)行研究，它的改變將會(huì)對協(xié)同建造流程效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生重大的影響。工程成本是影響實(shí)施協(xié)同建造流程系統(tǒng)的中觀影響要素，它從勞動(dòng)力需求、工藝水平、工程質(zhì)量和綜合管理水平四個(gè)方面為基于BIM的協(xié)同建造流程提供支撐作用。

3.1.3 建模的條件假設(shè)

模型的建立需要在一定的假設(shè)情況下，在建立模型時(shí)也必須考慮一些關(guān)鍵因素來確定協(xié)同建造流程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所以建模之前需要作一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，可以避免由于對系統(tǒng)中一些復(fù)雜的、細(xì)節(jié)的描述不精確而造成系統(tǒng)模擬精確度降低的情況[9]。因此，本文通過對相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀、研究以及對實(shí)際系統(tǒng)的了解，提出了以下假設(shè)，并在此假設(shè)的基礎(chǔ)上建立協(xié)同建造流程系統(tǒng)模型。

假設(shè)1：基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)的運(yùn)行過程是一個(gè)連續(xù)平穩(wěn)的、無跳躍無間斷的過程。協(xié)同建造流程系統(tǒng)是相關(guān)要素按照一定規(guī)律組合的統(tǒng)一整體。本文研究的協(xié)同建造流程系統(tǒng)需是一個(gè)正常的系統(tǒng)，即它的發(fā)展和運(yùn)行沒有出現(xiàn)間斷性跳躍性，是一個(gè)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的整體。

假設(shè)2：在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槭芡饨缬绊憣?dǎo)致系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)行的情況。在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)橛龅街卮笞児仕猿霈F(xiàn)系統(tǒng)損壞或崩潰的情況，而本文研究的是協(xié)同建造流程系統(tǒng)在正常環(huán)境下的正常運(yùn)行，故需要作此假設(shè)。

假設(shè)3：協(xié)同建造系統(tǒng)的效應(yīng)可以用流程時(shí)間、流程成本、流程質(zhì)量以及流程協(xié)同能力等指標(biāo)來判定。

3.2 協(xié)同建造流程系統(tǒng)流圖構(gòu)建

因果關(guān)系圖只能定性地描述協(xié)同建造流程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而不能分析不同變量的性質(zhì)對該系統(tǒng)的影響。而系統(tǒng)流圖根據(jù)變量的性質(zhì)以及它們之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行可將變量分為狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量以及常量等[10]。在考慮變量的可計(jì)算性和現(xiàn)實(shí)性的基礎(chǔ)上，通過基于BIM的協(xié)同建造流程系統(tǒng)總體因果關(guān)系圖構(gòu)建了基于BIM的協(xié)同建造流程的系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析

通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可以通過分析影響變量的原因樹提出相應(yīng)的應(yīng)對策略。在Vensim PLE軟件中，選中“管理水平”變量，然后單擊工具條上的“Causes Tree”按鈕，可以得到其原因樹，如圖7所示。其余變量同上可得。

由圖7可知，BIM協(xié)同協(xié)同中心的支持以及工程成本是管理子系統(tǒng)中影響管理水平的的主要因素，BIM協(xié)同中心依托BIM的信息化、可視化等特點(diǎn)加強(qiáng)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工安裝子系統(tǒng)的信息交換，提高管理水平；而工程的資金投入影響項(xiàng)目的技術(shù)、資源及勞動(dòng)力從而影響項(xiàng)目的管理。

BIM協(xié)同中心的支持是影響設(shè)計(jì)變更的主要因素，BIM協(xié)同中心支持通過支持BIM信息平臺(tái)的運(yùn)行減少設(shè)計(jì)變更，降低錯(cuò)漏碰缺的概率。因此，對BIM的有效應(yīng)用是運(yùn)行基于BIM的協(xié)同建造流程系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

影響工程進(jìn)度的因素是多元化的，BIM進(jìn)度跟蹤、勞動(dòng)力需求、工程復(fù)雜程度、物資需求以及生產(chǎn)效率都是決定工程進(jìn)度的直接原因，在生產(chǎn)子系統(tǒng)中，BIM協(xié)同中心通過與設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、施工安裝子系統(tǒng)的信息共享與效果反饋，提高生產(chǎn)的有效率，加快工程進(jìn)度，生產(chǎn)構(gòu)配件效率越高，協(xié)同合作越流暢，工程進(jìn)度越快。

由圖10可知，在施工安裝子系統(tǒng)中，工程的質(zhì)量由工藝水平和疲勞狀態(tài)直接決定，BIM協(xié)同中心提供技術(shù)支持提高工藝水平同時(shí)促進(jìn)工程質(zhì)量的提升，工程強(qiáng)度提高造成人員和儀器的疲勞降低工程質(zhì)量。

通過上文對管理子系統(tǒng)中的管理水平、設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變更、生產(chǎn)子系統(tǒng)的工程進(jìn)度以及施工安裝子系統(tǒng)的工程質(zhì)量的分析，繪制各變量的原因樹，研究影響流程系統(tǒng)的重要因素。得出基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程設(shè)計(jì)應(yīng)以各子系統(tǒng)內(nèi)部的變量影響為起點(diǎn)，以子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，再分析子系統(tǒng)之間的聯(lián)系與影響，建立流程，最大化發(fā)揮BIM的優(yōu)勢，并提高管理水平，減少設(shè)計(jì)變更，加快工程進(jìn)度以及提高工程質(zhì)量，保證各子系統(tǒng)運(yùn)行的流暢為前提，同時(shí)提高基于BIM的工業(yè)化協(xié)同建造流程的運(yùn)行效率。

4 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對協(xié)同建造流程系統(tǒng)建立模型，通過分析系統(tǒng)變量的邏輯關(guān)系繪制因果關(guān)系圖，依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的反饋機(jī)制研究問題，建立模型分析各子系統(tǒng)重要變量的原因樹并得出結(jié)論。通過系統(tǒng)化的流程設(shè)計(jì)，研究子系統(tǒng)變量，提高子系統(tǒng)運(yùn)行效率，再以各子系統(tǒng)的流程運(yùn)行為基礎(chǔ)，建立基于BIM的“管理—設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—施工安裝”的協(xié)同建造流程，使工程項(xiàng)目執(zhí)行過程更規(guī)范化、程序化、協(xié)同化。能夠在保證項(xiàng)目質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高工業(yè)化建造模式的效率，并大幅節(jié)約成本?；贐IM的工業(yè)化協(xié)同建造流程克服了傳統(tǒng)建造流程的缺陷，打破原有界面重新組織建造過程，應(yīng)用先進(jìn)的信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)多階段集成化協(xié)同建造，致力于實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能、高效、智慧的建造模式。

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