基于BIM與仿真技術(shù)的鐵路橋梁物料管理方法

徐夢妮， 黃中華， 鄒貽權(quán)， 肖本林， 鄭建如

(1. 湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068； 2. 橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室， 湖北 武漢 430050； 3. 中鐵大橋局集團第二工程有限公司， 江蘇 南京 210015)

鐵路橋梁工程相比其他工程，具有建設規(guī)模大、建設周期長、施工環(huán)境易受外部影響及建造工藝復雜等特點，故在鐵路橋梁建設過程中，易出現(xiàn)施工現(xiàn)場管理混亂、存儲不規(guī)范、材料浪費及進度延誤等情況。因此，大量國內(nèi)外學者對現(xiàn)場物料管理展開研究， 提出精益化[1]、信息化[2,5]、 可視化[6]、系統(tǒng)化[7]、算法化[8]等物料管理方法，為合理規(guī)劃場地、科學調(diào)度物資、提取空間信息、加強溝通效率、減少施工過程中的資源浪費、保障鐵路橋梁的施工質(zhì)量夯實基礎。 但現(xiàn)階段仍存在以下問題，現(xiàn)場不能準確預測材料的使用時間及使用數(shù)量，常采購超量的材料存儲于倉庫，一旦發(fā)生變更，則會導致大量材料浪費或增加其他費用支出；材料存儲過程中不合理的堆放，易造成施工過程中的二次搬運[9,10]。隨著現(xiàn)場物料管理要求日益增高，需建立精益化管理機制，使信息高效傳遞，為項目提供實時數(shù)據(jù)，滿足現(xiàn)場變更和生產(chǎn)期限的要求。

鑒于此，本文通過研究分析物料管理信息在鐵路橋梁中的傳遞特點，采用BIM(Building Information Modeling)技術(shù)與仿真模擬技術(shù)相融合的方法，加強虛擬模型與物理場所之間的聯(lián)系，從而提煉一種精益化思想來優(yōu)化鐵路橋梁現(xiàn)場物料管理流程。首先利用BIM技術(shù)創(chuàng)建包含完整鐵路橋梁工程信息的三維數(shù)字模型；然后將三維數(shù)字模型導入仿真軟件，模擬橋梁施工現(xiàn)場的材料運輸、堆放及使用環(huán)節(jié)及流程，為管理者提供輔助決策。

1 鐵路橋梁施工現(xiàn)場物料信息傳遞特點

信息是物料系統(tǒng)的高級表現(xiàn)形式。外部信息通過收集、傳遞、處理、儲存、分析及優(yōu)化等過程，形成鐵路橋梁施工現(xiàn)場物料流通的內(nèi)在機制，從而實現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)與外部環(huán)境的聯(lián)通。當信息產(chǎn)生變化時，鐵路橋梁施工現(xiàn)場能隨之進行動態(tài)調(diào)整。而信息越充分完善，不確定性因素則會越少，所提出的決策則會越合理。

1.1 信息傳遞模式

物料信息的傳遞路徑為收集和利用項目數(shù)據(jù)提供了渠道，而采用合適的信息傳遞方式可更好地監(jiān)測施工任務完成度和設計變更等情況，從而加強項目對施工過程的控制。在前人研究的基礎上，本文總結(jié)了現(xiàn)有鐵路橋梁工程物料信息傳遞方式，如表1所示。

表1 施工現(xiàn)場物料信息傳遞方式

1.2 物料信息延時的原因

在鐵路橋梁工程物料管理過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)物料信息延時的現(xiàn)象。面對海量圖紙，頻繁的數(shù)據(jù)迭代，實時的設計變更，一旦出現(xiàn)各層級間協(xié)作不暢，則會使信息在各部門傳遞中延遲、丟失或錯誤。因此，施工現(xiàn)場保存物料數(shù)據(jù)信息的安全性、可靠性及實時性顯得尤為困難。

2 精益化物料管理方法

2.1 物料管理方法

目前，大量國內(nèi)外學者將施工現(xiàn)場物料管理問題看成現(xiàn)場規(guī)劃問題的一部分，研究方法可總結(jié)為數(shù)學規(guī)劃法、啟發(fā)式算法、評價類方法、信息化技術(shù)、系統(tǒng)平臺等。各方法的優(yōu)缺點及適用范圍如表2所示。針對鐵路橋梁工程環(huán)境復雜、工期緊及場地狹小的特點，本文采用可視化、信息化程度高的BIM技術(shù)結(jié)合邏輯性強、算法表達能力強的仿真模擬技術(shù)研究施工現(xiàn)場的物料管理問題。

表2 施工現(xiàn)場物料規(guī)劃方法對比

2.2 精益化物料管理方法選擇

BIM技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合，可根據(jù)可視化三維構(gòu)建模型及場地模型模擬施工環(huán)境、構(gòu)件運輸順序、運輸車次及路徑、堆場空間規(guī)劃等。施工現(xiàn)場的人材機信息、進度情況均可在仿真系統(tǒng)中表示，對于現(xiàn)場發(fā)生的變更情況，及時反饋到BIM模型及仿真系統(tǒng)，實時調(diào)整物料計劃，再將調(diào)整計劃實時反饋給施工現(xiàn)場，實現(xiàn)信息共享。

仿真工具的使用是實現(xiàn)施工現(xiàn)場信息化管理的重要手段，它可以將2D設計圖及布置圖轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)模型，甚至可以模擬整個材料運輸、堆放、使用過程。通過模擬一系列過程，以預測施工過程中的變更及參數(shù)的變化對物料及施工現(xiàn)場空間利用的影響，從而為管理者的決策提供支撐。仿真模擬流程如圖1所示。

圖1 仿真模擬流程

3 施工現(xiàn)場物料精益化管理思路

3.1 確定仿真目標及調(diào)研分析

物料管理在復雜的鐵路橋梁中十分困難，考慮的約束條件太多，優(yōu)化的方案組也趨近無窮，現(xiàn)階段仍以手工計劃為主，集成度不高，計劃調(diào)整等問題頻繁出現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場施工動態(tài)，使各個工作流動起來，讓施工需求帶動物料生產(chǎn)，減少用于儲存的價值流失已成為鐵路橋梁精益化管理的難點及熱點。需考慮因素眾多，包括：(1)現(xiàn)場需求及外部環(huán)境易變；(2)多目標的沖突(生產(chǎn)計劃、物料計劃、運輸計劃、場地空間、施工計劃)；(3)供應、運輸、施工的隨機性和不可靠性；(4)物理空間干涉和通道的約束。

針對施工現(xiàn)場空間關(guān)系復雜，可將現(xiàn)場情況進行抽象、假設，形成一個仿真系統(tǒng)，對現(xiàn)實場景進行映射，建立實景模型，通過某一邏輯目標的抽象假設，更方便人們研究，發(fā)現(xiàn)本質(zhì)規(guī)律。但對于施工現(xiàn)場物料關(guān)系的復雜程度，往往屬于離散型系統(tǒng)。對于復雜的離散系統(tǒng)，無法得到相關(guān)的計算公式，但能得出符合邏輯和對應的數(shù)字關(guān)系，此時就需要仿真以得到一個準確的數(shù)字參考。

3.2 模型的建立及簡化

在鐵路橋梁工程中，BIM技術(shù)將結(jié)構(gòu)信息和實時變更數(shù)據(jù)引入三維的結(jié)構(gòu)模型，創(chuàng)建包含完整鐵路橋梁工程信息及場地信息的三維數(shù)字模型，實現(xiàn)對橋梁幾何、結(jié)構(gòu)參數(shù)、構(gòu)建信息的可視化高效管理。通過BIM 技術(shù)的應用，將橋梁設計、施工和管理工作予以協(xié)調(diào)和整合，工程技術(shù)人員可對大橋的各種信息作出正確理解和高效應對，使得各部門高效協(xié)同工作。仿真與BIM技術(shù)應用于施工階段，模擬物料堆放、運輸、使用過程，可將問題提前暴露；施工模擬可視化，提前解決施工問題。

通過采用Revit，Dynamo等軟件進行建模，使施工現(xiàn)場實現(xiàn)可視化，真實呈現(xiàn)橋梁工程實際施工狀態(tài)，模擬不同設計方案，進行方案比選。通過模型及時發(fā)現(xiàn)圖紙問題并及時更改，可極大提高圖紙質(zhì)量，從而減少設計差錯漏項及物料的浪費。利用Navisworks軟件對模型進行碰撞檢查，對沖突點進行優(yōu)化及修改，可大幅度減少材料尺寸錯誤等問題，從而能加快施工進度。以某鐵路橋梁工程為例，將施工現(xiàn)場平面布置圖轉(zhuǎn)化為實景模型，如圖2所示。并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對大臨設施位置進行方案比選，最終優(yōu)化場地布置，如圖3所示。

圖2 施工現(xiàn)場平面布置

3.3 確定信息約束條件

基于鐵路橋梁工程空間有限的特點，材料、機械設備與施工過程存在聯(lián)動關(guān)系，而信息的延后、資源的浪費、進度的落后均體現(xiàn)了各環(huán)節(jié)精益化程度不高。機械配置、材料配置及作業(yè)節(jié)拍三個部分則成為資源利用率、現(xiàn)場管理的約束條件，如圖4所示。

圖4 信息約束條件

3.4 精益化管理對象的選取及改進思路

3.4.1 機械配置

(1)運輸過程

將物料入庫或從庫中送至目的地，都需通過運輸來完成。物料運輸需有合理的調(diào)度計劃、路徑安排及場地規(guī)劃等信息的協(xié)調(diào)，而在實際運輸過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于信息流通不充分導致設備窩工、迂回等現(xiàn)象。通過獲取物料流向信息、優(yōu)化運輸路線及縮短運輸距離，可實現(xiàn)物料的合理調(diào)度。

(2)裝卸過程

裝卸是物料運輸?shù)纳舷露私涌?，根?jù)物料庫存需求信息(需求品種、數(shù)量及使用時間)將物料裝車運輸為上端接口，根據(jù)物料信息(物料品種、數(shù)量、到達時間)將運輸進場的物料卸至庫中為下端接口。通過對物料裝卸信息的調(diào)度，可優(yōu)化物料對接時間、降低裝載搬運作業(yè)量。

(3)運轉(zhuǎn)節(jié)拍

機械設備的選擇和供應是確保該工程施工進度和施工質(zhì)量的重要前提之一。鐵路橋梁工程中主要用于物料調(diào)運的設備為履帶吊、龍門吊、塔吊、天泵及混凝土罐車等。由于容納機械設備的活動空間有限，需根據(jù)工程特點、施工部署及進度計劃，對機械設備的出入場時間做出計劃，同時按照安全規(guī)范、物料計劃、施工步驟建立調(diào)度流程，從而提升空間利用率，使鐵路橋梁的施工進程更加穩(wěn)定、高效、安全。模擬施工現(xiàn)場吊車轉(zhuǎn)運鋼筋過程，如圖5所示，通過對運輸機械的選擇與具體路徑規(guī)劃、設計，使物料計劃與運輸系統(tǒng)按施工要求得到合理配置，提高整體運輸、裝卸、運轉(zhuǎn)效率，圖6所示為吊車運轉(zhuǎn)參數(shù)。

圖5 鋼筋吊裝模擬

圖6 吊車運轉(zhuǎn)參數(shù)

3.4.2 材料配置

(1)需求計劃

利用信息化技術(shù)對鐵路橋梁工程場景進行建模。首先，通過模型數(shù)據(jù)采集及工程量計算，導出材料明細表，再根據(jù)施工步驟提取材料清單。然后，根據(jù)模型及內(nèi)部信息進行碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)問題后及時反饋至設計院，提出變更意見，同時按照變更情況，及時調(diào)整材料清單。最后，將施工進度做相對應的調(diào)整，按需進行材料規(guī)劃。信息隨時更新，隨時反饋，從而降低材料浪費的可能性。并可將相關(guān)信息生成二維碼，方便現(xiàn)場人員隨時通過移動端設備接收讀取相關(guān)內(nèi)容。

在BIM模型中可視化展示施工現(xiàn)場的實時狀態(tài)，用顏色區(qū)分構(gòu)建狀態(tài)，分別為：材料已加工、材料已進場、材料變更、未開工、已完工等，如圖7所示。通過施工實際進度反應物料消耗狀況，并與計劃進度進行比較，對產(chǎn)生的偏差進行分析，并提出相應的解決措施。

圖7 施工現(xiàn)場實時狀態(tài)

(2)存儲方式

信息的本質(zhì)特點是流程化，使事物變得有序。真實完整且及時有效的物料信息對庫存管理尤為重要。鐵路橋梁工程物料庫存的信息傳遞路徑如圖8所示。

圖8 庫存信息傳遞路徑

對于物料而言，若鐵路橋梁工程的材料需求完全確定、各個供應環(huán)節(jié)能無縫連接，理論上可實現(xiàn)“零庫存”目標。將材料、機械、施工作業(yè)節(jié)點進行關(guān)聯(lián)后，對材料進場節(jié)點、機械設備運轉(zhuǎn)節(jié)點及施工作業(yè)節(jié)點進行分析，以施工節(jié)段為單位做出相應物料管理計劃。根據(jù)物料管理計劃調(diào)度原材料、半成品和成品等進場。將施工節(jié)段所需物料按照施工步驟及種類數(shù)量進行堆放，施工現(xiàn)場材料堆放方式如表3所示。

表3 施工現(xiàn)場材料堆放方式對比

通過比對分析，選取按施工步驟堆放，通過線上可視化管理，降低現(xiàn)場人員管理工作量，并加快使用效率。以塔柱施工為例，模擬其鋼筋堆放過程，如圖9所示。并將材料名稱、材料數(shù)量、材料規(guī)格、施工作業(yè)節(jié)點、轉(zhuǎn)運機械等對應材料、模型信息存儲于二維碼中，通過掃描二維碼，可快速準確獲取構(gòu)件安裝、變更信息，并可實時進入后臺對信息進行更新修改?，F(xiàn)場操作簡便，管理層數(shù)據(jù)無延時，可快速高效地進行構(gòu)件查找、定位，如圖10所示。

圖9 材料堆放模擬

圖10 材料標識二維碼

3.4.3 作業(yè)節(jié)拍

(1)固定節(jié)拍

鐵路橋梁工程的主要施工順序為：施工準備(征地拆遷)→橋梁下部施工→橋梁塔柱及邊跨施工→主跨鋼箱梁施工→斜拉索施工→橋面附屬施工→全橋索力調(diào)整。其中，每個施工過程都存有相對應的工程進度計劃表及具體施工方案。每個施工步驟均存在時間目標，需在規(guī)定的時間內(nèi)完成固有的生產(chǎn)計劃，根據(jù)三維模型模擬施工進度，制定高效合理的施工計劃及相應人材機進場計劃。

(2)可變節(jié)拍

施工過程中極易發(fā)生信息變更等情況，而信息變更后易打破原有施工、材料及機械進場計劃，若項目管理層間信息不流通，更會加劇信息缺失或延時現(xiàn)象的產(chǎn)生，故信息的時效性在鐵路橋梁工程中顯得格外重要?？蓪⑿畔⒃诳梢暬Ｐ椭屑皶r反饋，生成相關(guān)報表等變更信息，并及時反饋給技術(shù)人員，對模型進行修改，將變更用顏色區(qū)分開來，并及時修訂作業(yè)計劃。圖11，12所示為塔柱施工過程進度計劃，可將虛擬仿真動畫關(guān)聯(lián)進度計劃，實時調(diào)整施工進度，并調(diào)整仿真過程，將變更構(gòu)建用顏色顯隱動畫表示，呈現(xiàn)實時動態(tài)管理。

圖11 塔柱施工進度計劃

圖12 動畫仿真模擬

3.5 優(yōu)化管理流程

物料管理過程，實則也是PDCA循環(huán)(計劃(Plan)-實施(Do)-檢查(Check)-處理(Action))的過程，環(huán)環(huán)銜接，步步緊扣。減少錯誤率、降低庫存、優(yōu)化加工程序、“零”轉(zhuǎn)運、提高工作效率，是精益思想在鐵路橋梁物料管理中需優(yōu)化的痛點。

首先需設定管理目標，確定庫存天數(shù)、存儲物資、評估物料交付能力及相應數(shù)量，從而確定庫存周轉(zhuǎn)率及準時交貨率。分析其中可優(yōu)化步驟，并實施于仿真技術(shù)中，根據(jù)數(shù)學邏輯及軟件自帶計算功能進行仿真分析，從而將優(yōu)化結(jié)果量化，可精準獲取其優(yōu)化程度(計劃值)。最后將施工現(xiàn)場實際情況與計劃值進行對比，定期評估，做好事前、事中、事后控制，細分工作使管理流程更加精準細致，對不足之處實時改進，實現(xiàn)信息的吸收加工、信息的反饋到信息的生成全過程。管理流程如圖13所示。

圖13 物料管理流程

4 應用成效與不足

以鐵路橋梁施工現(xiàn)場物料管理為研究點出發(fā)，對其信息傳遞方式、現(xiàn)場組織關(guān)系及現(xiàn)有管理方法進行研究分析。提出利用BIM與仿真技術(shù)融合的方法，優(yōu)化鐵路橋梁物料管理環(huán)節(jié)及流程，從而縮短運輸與存儲周期，降低庫存積壓、減少物料管理中材料的丟失及浪費；量化物料數(shù)量、機械計劃、作業(yè)節(jié)拍等，使管理流程可追溯。其重點為關(guān)注管理流程及關(guān)鍵控制點，使信息迅速流動、減少信息冗余、減少多余的作業(yè)環(huán)節(jié)、消除操作延遲等，實現(xiàn)準確的信息傳遞、準確的庫存安排、準確的需求預測、準確的施工所需物料等，從而提高管理者決策效率。其應用成效及不足之處如下：

(1)直接效益：1)實現(xiàn)構(gòu)件間幾何沖突檢查；2)對系統(tǒng)功能、施工步驟進行預判；3)通過施工空間模擬合理控制安裝空間；4)優(yōu)化場地布置方案及施工方案。

(2)間接效益：1)積累了大量族庫及仿真案例，為其他項目提供了數(shù)據(jù)支持；2)提高各層級間協(xié)同工作效率及信息流轉(zhuǎn)速度；3)通過可視化，使交底更準確，從而提高工程質(zhì)量；4)為后期運維階段提供重要數(shù)據(jù)來源。

(3)不足之處：1)此方法對軟硬件要求極高，對模型的處理、流暢度方面仍需改進；2)鐵路橋梁施工工序冗雜，對其全過程施工動態(tài)實時展示、物料管控仍存在一定難度，仍需在當前基礎上進一步深入研究優(yōu)化。