BIM 4D與遺傳算法在進(jìn)度管理中的集成框架研究

張靈祉

摘要：隨著現(xiàn)代工程建設(shè)高速發(fā)展，項目復(fù)雜度不斷提升，進(jìn)度-成本優(yōu)化已經(jīng)成為項目進(jìn)度管理中不可忽視的一個挑戰(zhàn)。BIM 4D技術(shù)對項目進(jìn)度管理涉及的進(jìn)度計劃、成本、資源等信息可以高度集成，但缺少理論體系支持。傳統(tǒng)研究中的遺傳算法優(yōu)化精細(xì)度高，但缺少與實踐的結(jié)合。因此，為了應(yīng)對這種實踐需求與理論應(yīng)用上的缺陷，提出了BIM 4D與算法的參數(shù)交互標(biāo)準(zhǔn)與集成框架，應(yīng)用于進(jìn)度優(yōu)化與動態(tài)控制。

Abstract： With the rapid development of modern engineering and the constant increase of project complexity， time-cost tradeoff optimization has been a considerable challenge in project schedule management. BIM （Building Information Modeling） 4D can highly integrate information like schedule， cost and resources， but it lacks theoretical support. The traditional GA （Genetic Algorithm） is good at optimizing schedule accurately， but it is kind of far from practical projects. Hence， to solve the imperfection in practical requirement and theoretical application， this paper proposes a parameter interaction standard and integration framework between BIM 4D and GA. This method can be applied in schedule optimization and dynamic control.

關(guān)鍵詞：進(jìn)度管理;BIM 4D技術(shù);遺傳算法

Key words： schedule management;BIM 4D;Genetic Algorithm

中圖分類號：TU722 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0020-03

0 ?引言

統(tǒng)計研究表明，目前全球30%的經(jīng)濟活動與項目管理有關(guān)。隨著市場競爭日益激烈，現(xiàn)代項目要求準(zhǔn)時完工率更高、成本更低、現(xiàn)場管理水平更高，對項目管理尤其是進(jìn)度管理的水平提出了更高的要求。合理有效的進(jìn)度計劃對于提高企業(yè)競爭力具有促進(jìn)作用和相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實意義。BIM技術(shù)作為一種新興的項目管理理念和技術(shù)，一定程度上與“中國制造2025”的行動綱領(lǐng)一致，并能促進(jìn)建筑業(yè)提質(zhì)增效，加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，因此也得到了國家的高度重視和企業(yè)的大力推廣。BIM是一個以工程項目設(shè)計、施工和運維全生命周期內(nèi)各種信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的高度集成的建筑工程項目信息化模型。研究人員通常使用Navisworks軟件或企業(yè)自主開發(fā)的BIM 4D平臺（包括魯班、廣聯(lián)達(dá)等），與進(jìn)度計劃文件如Project、Primavera等進(jìn)行鏈接，從而實現(xiàn)施工過程的可視化模擬，分析進(jìn)度計劃安排、資源分配、現(xiàn)場布置方案等是否合理，并對不合理之處進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[1]。BIM 4D通過信息高度集成和管理多方協(xié)調(diào)的方式，能有效提升項目進(jìn)度管理水平。然而，雖然BIM技術(shù)可以初步模擬工程進(jìn)度計劃的可行性和合理性，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，但核心主要是通過實現(xiàn)動態(tài)可視化來進(jìn)行進(jìn)度計劃調(diào)整，缺乏定量優(yōu)化的依據(jù)和系統(tǒng)的理論體系，與定量模型結(jié)合能深入加強BIM技術(shù)的使用效果。

1 ?BIM 4D技術(shù)研究現(xiàn)狀與意義

1.1 基于BIM 4D的進(jìn)度管理

美國斯坦福大學(xué)的集成設(shè)備工程中心CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）于1998年提出了將建筑模型與進(jìn)度計劃信息結(jié)合的4D概念，并通過在三維模型中插入進(jìn)度計劃，成功演示了用計算機軟件模擬項目施工，實現(xiàn)可視化的全過程。研究人員通常使用Navisworks軟件或企業(yè)自主開發(fā)的BIM 4D平臺（包括魯班、廣聯(lián)達(dá)等），與進(jìn)度計劃軟件如Project、Primavera等進(jìn)行鏈接，從而實現(xiàn)施工過程的可視化模擬，分析進(jìn)度計劃安排、資源分配、現(xiàn)場布置方案等是否合理，并對不合理之處進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[1]。國內(nèi)外諸多學(xué)者在BIM技術(shù)與4D概念的基礎(chǔ)上，針對BIM 4D的模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)度相關(guān)優(yōu)化問題等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。

模型構(gòu)建方面，Eastman等人分析了創(chuàng)建BIM 4D模型的方法途徑，并進(jìn)而提出了應(yīng)用BIM 4D進(jìn)行進(jìn)度計劃生成與進(jìn)度控制中應(yīng)該注意的問題。Duffey等人首先對BIM 4D的應(yīng)用效益進(jìn)行了研究，包括由于低效時間表和進(jìn)度計劃更新不及時引起的直接成本或間接成本。趙彬等人[2]對BIM 4D技術(shù)引入前后在工程項目進(jìn)度管理方面的表現(xiàn)進(jìn)行了比較分析，論證了該技術(shù)在項目進(jìn)度管理方面的可行性和優(yōu)越性。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，Golparvar-Fard等人提出了一種基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM 4D進(jìn)度計劃自動監(jiān)測的方法，該方法基于IFC格式標(biāo)準(zhǔn)，通過點云模型生成進(jìn)度計劃，并進(jìn)而利用BIM模型實現(xiàn)進(jìn)度計劃的可視化。隨后，Hamledari等人[3]提出了一個基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM 4D進(jìn)度自動更新的模型，針對施工現(xiàn)場進(jìn)度數(shù)據(jù)采集，將非IFC格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為IFC格式的數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)一管理和利用。

1.2 BIM 4D的研究意義

進(jìn)度相關(guān)優(yōu)化問題方面，如圖1所示，根據(jù)Rabia等人對BIM從業(yè)人員的調(diào)研，使用BIM 4D的人員中，86%研究的是3D+進(jìn)度問題，其次重視的是預(yù)測方面的問題，包括成本和進(jìn)度，可見實際工程中進(jìn)度計劃是利用BIM技術(shù)進(jìn)行項目管理的關(guān)鍵領(lǐng)域，也是公司真正想要使用的領(lǐng)域。

2 ?BIM 4D技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)思路

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛也逐步成熟，而BIM 4D技術(shù)是在BIM 3D搭建的建筑三維模型的基礎(chǔ)上，通過鏈接進(jìn)度計劃附加項目進(jìn)度、資源、成本等信息，形成4D模型的信息化技術(shù)[4]。利用BIM 4D可以實現(xiàn)可視化，通過施工過程動態(tài)模擬分析進(jìn)度計劃安排、資源配置和現(xiàn)場布局等是否合理，并根據(jù)判斷對初始進(jìn)度計劃進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，尤其是針對復(fù)雜工序調(diào)整進(jìn)度計劃與資源安排。同時，BIM技術(shù)最終可輸出優(yōu)化方案的模擬視頻來知道現(xiàn)場作業(yè)。

BIM 4D技術(shù)雖然能通過軟件實現(xiàn)可視化，但軟件應(yīng)用層面的操作基本都基于項目管理人員的觀察和經(jīng)驗判斷，缺乏定量優(yōu)化的理論依據(jù)，尚未引入可實現(xiàn)量化的數(shù)學(xué)算法，也不存在BIM模型信息與進(jìn)度優(yōu)化理論中各屬性的關(guān)聯(lián)操作，因此缺乏系統(tǒng)化的理論支撐。如果將遺傳算法與BIM 4D方法有效結(jié)合，驗證理論研究的可行性和動態(tài)可持續(xù)性，可以加強BIM 4D的應(yīng)用效果。

2.2 改進(jìn)思路

由于遺傳算法和BIM 4D技術(shù)在進(jìn)度優(yōu)化問題上各自具有獨特的優(yōu)勢，單一進(jìn)行應(yīng)用時又分別存在相應(yīng)的不足，因此，本文提出在BIM 4D平臺實現(xiàn)可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳算法共同進(jìn)行工程項目進(jìn)度優(yōu)化，有效發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢，真正實現(xiàn)進(jìn)度的二次優(yōu)化與深度優(yōu)化，達(dá)到理論性與實踐性結(jié)合、定量分析與定性分析結(jié)合的目的，增強研究方法的科學(xué)性與可行性。在輸入項目相關(guān)參數(shù)后利用綜合了多種進(jìn)度壓縮方法的改進(jìn)后遺傳算法進(jìn)行進(jìn)度計劃的一次優(yōu)化，然后運用BIM 4D技術(shù)，在可視化的基礎(chǔ)上對一次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)進(jìn)度計劃的二次優(yōu)化，最終得到符合項目需求的最優(yōu)進(jìn)度計劃，同時保證算法一次優(yōu)化結(jié)果在實際項目中的安全性、合理性和可行性。

3 ?遺傳算法與BIM 4D集成機制設(shè)計

3.1 參數(shù)交互研究

由于遺傳算法輸入、輸出參數(shù)為數(shù)學(xué)模型的參數(shù)表達(dá)，包含目標(biāo)函數(shù)和約束條件中的變量，而BIM 4D模型主要由工程構(gòu)件組成，需要建立遺傳算法數(shù)學(xué)模型與基于BIM的建筑模型之間的信息表達(dá)、參數(shù)設(shè)定等交互關(guān)系，實現(xiàn)進(jìn)度計劃二次優(yōu)化，達(dá)到理論與實踐結(jié)合的效果。

遺傳算法優(yōu)化模型與BIM 4D模型之間的參數(shù)交互關(guān)系如圖2所示，其中數(shù)學(xué)模型中輸出都是基于活動級的各項參數(shù)，依托于進(jìn)度計劃中制定的各個活動，而BIM 4D模型中需要輸入的參數(shù)為構(gòu)件級，各項參數(shù)均基于模型構(gòu)建時的組成構(gòu)件，通過圖中箭頭表示的直接或間接對應(yīng)關(guān)系，可以使算法中的參數(shù)與BIM模型中參數(shù)有效對應(yīng)，便于下一步深入優(yōu)化進(jìn)度計劃。

3.2 基于BIM 4D的二次優(yōu)化設(shè)計思路

一次優(yōu)化過程中，通過遺傳算法可以進(jìn)行計算機編程求解，得到滿足工期要求且成本最低條件下各項工序的持續(xù)時間、搭接方式、資源配置和成本金額。如圖3所示，利用BIM 4D技術(shù)，可以將一次優(yōu)化的參數(shù)數(shù)據(jù)與信息模型中工序活動對應(yīng)的構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，通過BIM平臺進(jìn)行二次優(yōu)化，使理論模型得出的優(yōu)化結(jié)果更具有實際意義。基于BIM 4D平臺的進(jìn)度二次優(yōu)化可以分為三個過程，首先將建筑、結(jié)構(gòu)、機電等三維模型與進(jìn)度、資源、成本等信息集成，實現(xiàn)可視化展示;然后將一次優(yōu)化的進(jìn)度計劃通過模型模擬演示，分析其中各工序的進(jìn)度安排是否合理，尤其是其中對于復(fù)雜工序的安排是否符合實踐操作的要求，從而根據(jù)合理性與可行性的標(biāo)準(zhǔn)對進(jìn)度計劃和資源、成本的安排進(jìn)行二次調(diào)整與優(yōu)化，保證理論模型優(yōu)化成果的實踐性;在最終優(yōu)化的進(jìn)度計劃應(yīng)用于實際項目后，可以根據(jù)實際應(yīng)用中的進(jìn)度執(zhí)行情況與需求變化情況，及時反饋到BIM 4D模型中，形成PDCA循環(huán)，對進(jìn)度計劃實現(xiàn)動態(tài)控制。

4 ?基于BIM 4D的進(jìn)度計劃動態(tài)跟蹤與調(diào)整

二次優(yōu)化后的進(jìn)度計劃應(yīng)用于實際項目中后，實際情況可能與計劃出現(xiàn)偏差，或者因項目需求不可預(yù)見的變化而需要進(jìn)行再次調(diào)整，因此有必要針對這種狀況設(shè)計實際工程中的應(yīng)對思路。

進(jìn)度與需求的實時跟蹤主要依賴于現(xiàn)場信息采集。傳統(tǒng)方式主要通過現(xiàn)場工作人員人為觀測、手工測量和Excel報表記錄，最終生成實際進(jìn)度跟蹤報告。由于傳統(tǒng)方式對于人力和時間的消耗較大，目前可以使用無人機或相關(guān)攝影裝置采集現(xiàn)場施工情況，基于BIM 4D工程管理平臺將拍攝得到的進(jìn)度數(shù)據(jù)上傳至平臺中，甚至有相關(guān)學(xué)者研究BIM平臺直接識別圖片信息的方法。通過平臺的功能將現(xiàn)場施工與模型更直接而高效的關(guān)聯(lián)，并且可以針對其中的復(fù)雜節(jié)點附上相關(guān)說明，便于后續(xù)進(jìn)行進(jìn)度分析與調(diào)整。

在實際進(jìn)度與計劃出現(xiàn)偏差時，或項目對于施工內(nèi)容、工期、成本等要求出現(xiàn)變更后，需要對項目未完成部分更新進(jìn)度計劃。

基于遺傳算法與BIM 4D對項目進(jìn)度計劃進(jìn)行優(yōu)化和動態(tài)控制的思路主要包括以下四個步驟：

①利用改進(jìn)遺傳算法和優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行進(jìn)度計劃一次優(yōu)化，并與BIM 4D集成實現(xiàn)二次優(yōu)化;

②在最優(yōu)進(jìn)度計劃實施后，實時跟蹤施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)和項目需求，分析進(jìn)度計劃是否需要調(diào)整;

③若出現(xiàn)進(jìn)度滯后、需求變更等情況導(dǎo)致未完成工程進(jìn)度計劃需要調(diào)整，通過前述方法再次優(yōu)化未完成部分的進(jìn)度計劃;

④若工程構(gòu)筑物出現(xiàn)變更，根據(jù)最新方案修改三維模型，并通過動態(tài)模擬分析進(jìn)度計劃是否存在不合理或沖突之處，生成最優(yōu)進(jìn)度計劃，實現(xiàn)PDCA動態(tài)循環(huán)控制。

5 ?結(jié)束語

進(jìn)度管理是工程項目管理的三要素之一，也一直是項目管理研究領(lǐng)域的重點和熱點之一。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展以及全球化的不斷推進(jìn)，項目往往具有嚴(yán)格的工期限制。遺傳算法與BIM 4D結(jié)合使進(jìn)度優(yōu)化兼具理論支持和實踐可行性，同時可以實現(xiàn)進(jìn)度計劃實時跟蹤和動態(tài)調(diào)整。

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