基于BIM的施工組織輔助決策系統的研發(fā)及應用

劉飛虎1 廖 勇1 趙 宇1 辜 斌1 習蘭云2 陳 強

(1.成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司,成都 610000; 2. 三峽高科信息技術有限責任公司, 北京 100033;3.中鐵二局集團有限公司城通分公司，成都 610000)

1 引言

現代大型建設項目一般具有投資規(guī)模大、參與建造的單位多、項目目標要求高以及全生命周期信息量大等特點，且現代建設項目的設計以及工程管理工作極具復雜性，傳統的信息溝通和管理方式已遠遠不能滿足工程施工管理要求[1]。實踐證明，信息錯誤傳達或不完備是造成眾多索賠與爭議事件的根本原因。所以科學地進行工程施工組織，全面地對施工組織方案進行分析決策才能保障工程的安全、質量和進度[2]。近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)[3-4]作為建筑業(yè)變革的信息技術，已為整個行業(yè)帶來全新的啟示，它以形象的三維立體模型為信息載體，方便了建設項目各實施階段的溝通和交流，從而提高了整個建筑業(yè)的工作效率[5]。

隨著BIM技術的發(fā)展，它不僅僅只是簡單地將數字信息進行集成，它還是一種數字信息的應用，可以用于工程設計、施工、運維的管理中，特別是在工程施工階段，可以使工程在整個進程中顯著提高效率、大量減少風險[6-7]。因此利用BIM及其相關技術進行施工組織管理的研究引領了BIM技術發(fā)展革新的新方向，文獻[8]采用了基于BIM的4D虛擬建造技術的進度管理方法，在此基礎上，論證了采用基于BIM的4D虛擬建造技術進行進度管理的優(yōu)越性及可行性。文獻[9]引入“三維+時間”的4D管理理念介紹了核電施工進度計劃，研究出施工進度計劃與三維立體模型進行聯動的方法和途徑，雖然該方案能夠模擬方案施工組織的實際場景，但在投入實際項目使用時缺乏對現場施工反饋情況的實際指導，依然不能很好地保障項目工程的安全性及可實時管理性。

綜上所述，現有的施工組織管理系統主要存在缺乏對施工方案的動態(tài)優(yōu)化、無法同時解決大型施工現場的突發(fā)情況等缺點，而目前國內市面上并沒有一款相對成熟、高效、普及的工程施工組織輔助決策系統來完成施工建筑在全生命周期中的管控，實現信息為建筑計劃、設計、施工、運維等階段提供可靠依據，并支持數據跨專業(yè)共享、達到協同設計。因此本文針對BIM技術輔助施工組織管理進行了深入研究，創(chuàng)新研發(fā)了一套基于BIM的施工組織輔助決策系統，著力為大型建設項目的施工組織輔助決策設計提供一個科學、高效、實用的優(yōu)化設計工具。

2 施工組織系統框架

針對大型施工中的組織管理難點，本文將BIM技術、智能運籌算法與工程實際實施相結合來實現對施工組織管理的控制與優(yōu)化，形成了基于BIM的施工組織輔助決策系統，該系統主要由施組計劃模塊、施組方案模塊、施組驗證分析模塊、施組執(zhí)行模塊四個基本功能模塊組成，具體的系統設計框架如圖1所示。

圖1 系統設計框架

2.1 施組計劃模塊

當前的工程建設存在施工組織的計劃編制過程復雜、難度高、耗時長、施工組織計劃不能動態(tài)滿足實際工程施工變化的要求等諸多問題，因而施組計劃模塊讓管理執(zhí)行者根據項目工程綜合考慮施工人員、施工材料、施工機具、施工工藝、施工環(huán)境等因素對工程施工的影響，其中施工工藝是實施工程建設的具體規(guī)范，其作用就是使各個不同系統之間能夠協調和減小相互之間功能的影響，所以在工程建設中需要重點考慮施工工藝帶來的影響[10-11]。如圖2，針對大型項目工程，本系統結合BIM技術搭建了虛擬平臺對其進行施工工藝模擬測試，在保證施工工藝的條件下，施工管理者即可對施工作業(yè)的耗時情況進行科學評估，及對工程的后續(xù)施工進行科學、合理地安排。

圖2 工程項目的施工工藝測試

2.2 施組方案模塊

施組方案模塊按照工程項目合同規(guī)定的施工進度目標為優(yōu)化目標，結合現有施組計劃模塊進行進度計劃的細化論證。通過設置建筑物的開工起始時間及工程的施工期限，可以得到多個施組方案的總體設計思路，并用進度表的方式展示各個施組規(guī)劃方案，并按照已核準的工程進度計劃，采用智能運籌優(yōu)化方法定期追蹤和檢驗項目的實際進度情況，則可以計算出具體的施工方案，如圖3所示。

圖3 施組方案模塊

從圖3中可以看出智能算法結合了施工計劃編制的進度管控方法、施工計劃編制的工期壓縮方法、施工計劃編制的資源平衡方法、多項目多任務管理中的資源平衡自適應調度方法，對偏差的各種因素及影響工期的程度進行分析、評估和智能優(yōu)化，使施工管理者可以識別施工資源需求，采取有效措施調整項目進度。

2.3 施組驗證分析模塊

借助于BIM技術可以動態(tài)跟蹤可視化施工組織設計(5D虛擬建造)的實施情況，能提高模型的準確性和減少建模工作量，避免了返工和施工錯誤的產生。本文所研究的基于BIM的施工組織輔助決策系統根據施組方案模塊的智能運籌優(yōu)化方法可以得到3個施工方案，但它們并不是最優(yōu)的實施方案，還需考慮設備、材料的到貨情況，及時把控進度管理，因此該系統采用施組仿真模塊去驗證施組模塊得到的施工方案，并對不同方案與計劃的可實施性進行比較分析及糾正系統無法處理的人為操作，為最終優(yōu)選的決策方案提供支持，從而實現對工程項目的施工組織進行全面系統驗證，如圖4。

圖4 施組驗證分析過程

2.4 施組執(zhí)行模塊

工程管理者根據最優(yōu)方案進行施工實際指導，由于施工現場狀態(tài)多變、不可控因素較大，最優(yōu)方案并不能一成不變地指導真正的施工環(huán)節(jié)。因此，該階段需要對設備、材料等情況進行預警，同時通過進度管理，將施工現場的實況及時反饋到施組方案模塊，讓系統實施動態(tài)的施工進度管理，重新調整施工組織方案，并制定最優(yōu)方案進行驗證分析后用于指導工程施工，這樣保證了施工組織的可行性、合理性，同時也能讓施工輔助系統為工程施工管理者提供一種可視化的決策手段。

3 工程應用

該系統已在中鐵二局、水電七局、中國鐵建等大型工程建設企業(yè)的相關項目應用實施。在工程施工前、施工中，施工企業(yè)借由該系統能夠全面考慮施工影響因素進行施工組織方案設計、施工進度計算和施工資源平衡，并能對施工組織設計的可行性與科學性進行驗證。下面以本系統在廣州地鐵11號線的彩虹橋的應用為例，介紹具體的施工組織的設計流程以及本文所設計的輔助決策系統在其中的應用。

彩虹橋站是該條地鐵全線的重要施工站點，施工環(huán)境高度敏感，建設中主要涉及復雜的主供水管管線改遷，并且施工管道具有管徑大、埋深高，施工區(qū)域時間有限的特點。 基于BIM的施工組織輔助決策系統首先錄入了工程施工設備、現有的施工班組、工程材料、工人工班等信息便于后續(xù)的施組計劃分析。針對彩虹橋地鐵站的施組計劃模塊，如圖5所示，主要涉及了地鐵的圍護結構、基坑開挖支護、車站主體三個施工工藝環(huán)節(jié)，每一級施工工藝環(huán)節(jié)下屬的多個施工工藝以二維平面圖的形式展示了具體實施過程，并分配了具體的工程材料、設備及其施工班組。為了保證工藝的合理性，系統還設置了工藝測試環(huán)節(jié)，可以對每個過程進行詳細測試分析，為后續(xù)制定施工方案做強有力的支撐。在確立好施工工藝后，管理人員需要根據彩虹橋地鐵站的施工特點和具體情況合理地確定1-3個施工工序流程，如圖6所示。

如第2節(jié)的系統框架所述，施組方案模塊通過選擇施工方案，設置計算方式、項目的開工起始時間及結束時間，計算出3個優(yōu)選的施工方案，并用任務列表的方式清晰地展示了具體的施組方案，如圖7所示，便于工程管理者選擇出科學的施工規(guī)劃方案。

圖5 彩虹橋地鐵站施工工藝

圖6 彩虹橋地鐵站施工工序流程繪制界面

圖7 計算施工方案

為了進一步達到上述3個仿真驗證施組方案的可行性，彩虹橋項目還仿真模擬了5D虛擬建造的實施情況，從圖8可以清晰看出，方案1和方案2在具體環(huán)節(jié)上的施工進度存在差異，及下方設備、材料、班組隨時間的變化，因此通過不同方案的對比，可以選擇出最終的優(yōu)選方案，進行施組資源分析，從而為實際施工提供合理指導。

圖8 施工方案對比分析

因而基于BIM的輔助決策系統可以根據工程項目管理看板，如圖9所示，彩虹橋地鐵站的施工管理人員能夠更加直觀準確地看到當前工程項目施工狀況和施工組織執(zhí)行情況等，從而提高了企業(yè)對工程項目的施工組織協調，降低了工程項目的施工管理風險[12]。

圖9 彩虹橋車站工程項目管理看板

4 結論

通過對基于BIM的施工組織輔助決策系統的研發(fā)，我們提出了全面系統驗證施工組織方案的新方法，形成了工程BIM模型應用施工方案設計的新手段，拓展了工程施工BIM技術的應用范圍；通過基于BIM的施工組織輔助決策系統的應用，施工組織實現了對項目施工的有效控制，降低了施工管控風險，提升了施工企業(yè)對于工程施工的綜合實力和競爭能力，更為施工企業(yè)在大型工程施工過程中應用BIM技術提供了寶貴的經驗。