基于BIM與群智能算法的施工組織管理優(yōu)化探析

【摘要】文章旨在探討建筑施工組織管理中的優(yōu)化策略，特別是針對信息不對稱與協(xié)作不緊密的問題提出了一種創(chuàng)新的解決方案，融合了BIM（建筑信息模型）技術(shù)與群智能算法，通過BIM構(gòu)建詳盡的數(shù)字建筑模型，為優(yōu)化過程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。利用群智能算法對施工過程進(jìn)行深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對施工時間、成本及質(zhì)量的全面管理。該方法顯著提高了施工效率與工程質(zhì)量，為建筑行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型注入了新的活力，展現(xiàn)了在提升行業(yè)競爭力與可持續(xù)發(fā)展方面的巨大潛力。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；群智能算法；建筑施工組織管理；優(yōu)化策略

【中圖分類號】TU855 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）02-0022-03

0 引言

傳統(tǒng)的基于紙質(zhì)文檔和經(jīng)驗(yàn)判斷的施工管理方式，難以滿足現(xiàn)代項(xiàng)目對高效、精準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展的需求，導(dǎo)致信息孤島、決策滯后及資源浪費(fèi)。BIM技術(shù)作為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的關(guān)鍵手段，不僅提供了三維可視化的模型，更構(gòu)建了一個集成全生命周期信息的協(xié)同平臺，實(shí)現(xiàn)了信息可視化、參數(shù)化與實(shí)時共享，提升了傳遞效率與準(zhǔn)確性[1]。然而，BIM的優(yōu)化仍依賴人工經(jīng)驗(yàn)，未能充分發(fā)揮數(shù)據(jù)優(yōu)勢。群智能算法憑借其自組織、自適應(yīng)特性，在解決復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題上展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。通過深度分析BIM數(shù)據(jù)，群智能算法能夠快速識別最優(yōu)資源配置與進(jìn)度安排[2]。將BIM與群智能算法結(jié)合是建筑施工管理創(chuàng)新的重要方向，能實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化與智能控制，確保決策的科學(xué)性與時效性[3]。

1 BIM技術(shù)與群智能算法概述

1.1 BIM技術(shù)在建筑施工組織管理中的應(yīng)用

BIM技術(shù)憑借其強(qiáng)大的信息集成與可視化能力，在建筑設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維等全生命周期中發(fā)揮著日益重要的作用。尤其在建筑施工組織管理領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用極大地提升了項(xiàng)目管理的效率與精度。BIM技術(shù)通過構(gòu)建三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了建筑信息的全面集成與共享。這一特性使項(xiàng)目參與方能夠在同一平臺協(xié)同工作，有效避免了信息孤島現(xiàn)象，提高了溝通效率。除了幾何尺寸、材質(zhì)屬性等基本數(shù)據(jù)，BIM還涵蓋了施工進(jìn)度、成本預(yù)算、質(zhì)量控制等關(guān)鍵信息，為施工組織管理提供了全方位的數(shù)據(jù)支持。

BIM技術(shù)在施工模擬與沖突檢測方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。BIM可以模擬施工過程中的各個環(huán)節(jié)，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的施工沖突，減少現(xiàn)場變更與返工，從而有效控制施工成本與時間。此外，BIM技術(shù)還能輔助施工進(jìn)度管理，通過實(shí)時更新模型信息，動態(tài)反映施工進(jìn)展，為管理者提供決策依據(jù)。然而，盡管BIM技術(shù)在建筑施工組織管理中的應(yīng)用已取得顯著成效，其優(yōu)化調(diào)整過程仍主要依賴人工判斷與經(jīng)驗(yàn)決策，難以充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)勢。因此，探索BIM技術(shù)與先進(jìn)優(yōu)化算法的融合，成為進(jìn)一步提升建筑施工組織管理水平的重要方向。

1.2 群智能算法原理優(yōu)化

群智能算法是一類模擬自然界中群體智能行為的優(yōu)化算法，其基本原理是通過群體中個體之間的簡單交互與協(xié)作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的求解與優(yōu)化。這類算法具有自組織、自適應(yīng)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于處理高維、非線性、多模態(tài)等復(fù)雜優(yōu)化問題。在建筑施工組織管理領(lǐng)域，群智能算法的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）施工調(diào)度優(yōu)化。通過群智能算法對施工人員、機(jī)械設(shè)備、材料等資源進(jìn)行合理調(diào)度，以最小化施工成本和縮短施工周期為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)施工資源的優(yōu)化配置。

2）施工方案優(yōu)化。針對特定施工任務(wù)，利用群智能算法生成多種施工方案，并通過比較評估選擇最優(yōu)方案，從而提高施工效率與質(zhì)量。

3）風(fēng)險管理與控制。通過群智能算法對施工過程中的潛在風(fēng)險進(jìn)行識別、評估與預(yù)測，制定相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施，降低施工風(fēng)險對項(xiàng)目的影響。

4）多目標(biāo)優(yōu)化。在建筑施工組織管理中，通常需要同時考慮多個優(yōu)化目標(biāo)，如施工時間、成本、質(zhì)量、安全等。群智能算法能夠處理這類多目標(biāo)優(yōu)化問題，通過權(quán)衡各目標(biāo)之間的沖突與協(xié)調(diào)，找到滿足所有目標(biāo)要求的綜合最優(yōu)解。

群智能算法以其獨(dú)特的優(yōu)勢在建筑施工組織管理優(yōu)化中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。將BIM技術(shù)與群智能算法相結(jié)合，不僅能夠充分發(fā)揮BIM技術(shù)的信息集成與可視化優(yōu)勢，還能借助群智能算法的強(qiáng)大優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)建筑施工組織管理的智能化與精細(xì)化。

2 施工組織管理優(yōu)化流程

在建筑施工組織管理領(lǐng)域，引入BIM技術(shù)與群智能算法相結(jié)合的方法，旨在通過數(shù)據(jù)的集成、分析與優(yōu)化，提升施工過程的透明度、協(xié)調(diào)性和效率。以下將詳細(xì)闡述基于BIM與群智能算法的施工組織管理優(yōu)化流程，該流程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型構(gòu)建、優(yōu)化策略設(shè)計(jì)、算法實(shí)施、結(jié)果評估與反饋調(diào)整等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是優(yōu)化流程的第一步，也是最為基礎(chǔ)且關(guān)鍵的一環(huán)。在建筑施工項(xiàng)目中，需要收集并整理大量的數(shù)據(jù)信息，包括但不限于建筑設(shè)計(jì)圖紙、施工圖紙、施工進(jìn)度計(jì)劃、成本預(yù)算、材料清單、人員配置、機(jī)械設(shè)備安排等。這些數(shù)據(jù)將為后續(xù)的BIM構(gòu)建和群智能算法優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段包括以下工作。

1）數(shù)據(jù)收集。通過查閱文檔、訪談項(xiàng)目參與方、現(xiàn)場勘查等方式，全面收集與項(xiàng)目相關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息。

2）數(shù)據(jù)清洗。對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除重復(fù)、錯誤或無效的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

3）數(shù)據(jù)整合。將清洗后的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，形成可用于BIM建模和算法優(yōu)化的數(shù)據(jù)集。

2.2 BIM構(gòu)建

在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，進(jìn)入BIM構(gòu)建階段。BIM是建筑施工組織管理的核心載體，通過構(gòu)建精細(xì)化的三維數(shù)字模型，可以直觀地展示建筑的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、材料、設(shè)備等信息，并為后續(xù)的優(yōu)化分析提供基礎(chǔ)。BIM構(gòu)建的具體步驟包括以下3點(diǎn)。

1）模型創(chuàng)建。依據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙和施工圖紙，在BIM軟件中進(jìn)行三維建模，包括建筑主體結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)、裝修裝飾等部分的建模。

2）信息集成。將收集的施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量等信息集成到BIM中，形成包含多維度信息的綜合模型。

3）模型驗(yàn)證。對構(gòu)建的BIM進(jìn)行驗(yàn)證，確保模型的準(zhǔn)確性和一致性，為后續(xù)的優(yōu)化分析提供可靠依據(jù)。

2.3 優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)，結(jié)合項(xiàng)目的具體目標(biāo)和約束條件，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的優(yōu)化策略是優(yōu)化流程中的核心環(huán)節(jié)。優(yōu)化策略應(yīng)清晰界定優(yōu)化的目標(biāo)（如追求施工時間的最短化、成本的最小化以及質(zhì)量的最優(yōu)化等）、明確的優(yōu)化變量（涵蓋施工順序、資源配置、施工方法等多個方面）以及嚴(yán)格的約束條件（包括施工規(guī)范、安全標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境保護(hù)要求等）[4]。通過綜合考量這些信息，構(gòu)建一個涵蓋全部項(xiàng)目信息的最優(yōu)化權(quán)衡目標(biāo)函數(shù)[5]。在該目標(biāo)函數(shù)中，分別采取以下策略來實(shí)現(xiàn)施工時間、施工成本、施工質(zhì)量、CO2排放量以及施工風(fēng)險的最優(yōu)化。

1）施工時間優(yōu)化。對于項(xiàng)目中的每個活動，全面估算其直接成本（包括人工、材料、設(shè)備等費(fèi)用）和間接成本（如管理費(fèi)用、辦公費(fèi)用、保險費(fèi)用等）。在確定了活動的先后順序和依賴關(guān)系后，合理分配資源，以最小化總成本。同時，應(yīng)考慮不同執(zhí)行模式（如施工方法、工藝、設(shè)備選擇等）對成本的影響，選擇成本效益最高的執(zhí)行模式。此外，制定合理的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃也是至關(guān)重要的，以確保項(xiàng)目能夠按時完成，從而避免產(chǎn)生額外的延誤成本。

2）施工成本優(yōu)化。通過歷史數(shù)據(jù)或試驗(yàn)方法來評估活動持續(xù)時間對施工質(zhì)量的影響。具體而言，明確施工質(zhì)量績效指標(biāo)與最佳持續(xù)時間之間的二次函數(shù)關(guān)系，并通過調(diào)整每個活動的持續(xù)時間來優(yōu)化施工質(zhì)量。在追求施工效率的同時，確保施工質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

3）施工質(zhì)量優(yōu)化。通過歷史數(shù)據(jù)或試驗(yàn)方法評估活動持續(xù)時間對施工質(zhì)量的影響，即明確施工質(zhì)量績效指標(biāo)關(guān)于最佳持續(xù)時間的二次函數(shù)的決定系數(shù)，然后調(diào)整每個活動的持續(xù)時間優(yōu)化施工質(zhì)量。

4）CO2排放量優(yōu)化。首先，盡量減少每個活動中電力和柴油的消耗量。其次，關(guān)注材料和其運(yùn)輸過程中的電力和柴油消耗量，選擇碳排放因子較低的材料和能源。在綜合考慮所有活動的CO2排放量后，采用全局優(yōu)化方法找到使整個項(xiàng)目CO2排放量最小的活動組合和資源配置方案。通過這些措施，可以有效降低項(xiàng)目的環(huán)境負(fù)擔(dān)。

5）施工風(fēng)險優(yōu)化。定期對項(xiàng)目風(fēng)險進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整不同風(fēng)險因素的權(quán)重系數(shù)。通過合理的進(jìn)度安排和嚴(yán)格的計(jì)劃執(zhí)行，減少當(dāng)前總時差，使項(xiàng)目盡量按計(jì)劃進(jìn)行，從而避免進(jìn)度延誤帶來的風(fēng)險。在保證質(zhì)量的前提下，適當(dāng)加快施工進(jìn)度可以提高項(xiàng)目的靈活調(diào)度能力。同時，準(zhǔn)確預(yù)測和規(guī)劃各時期所需求的資源量，確保資源供應(yīng)與需求相匹配，以減少資源閑置或短缺帶來的風(fēng)險。通過優(yōu)化資源配置和提高資源利用效率，進(jìn)一步降低統(tǒng)一資源水平與實(shí)際資源需求之間的偏差。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化策略時，應(yīng)充分考慮BIM中的信息集成特性，通過BIM提供的多維度、多層次的數(shù)據(jù)支持，調(diào)整最優(yōu)化權(quán)衡目標(biāo)函數(shù)，制定具有針對性的優(yōu)化方案。同時，還應(yīng)考慮群智能算法的特點(diǎn)和適用范圍，選擇合適的算法模型和優(yōu)化參數(shù)，為后續(xù)的算法實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

2.4 群智能算法實(shí)施

群智能算法的實(shí)施是將優(yōu)化策略轉(zhuǎn)化為具體優(yōu)化結(jié)果的關(guān)鍵步驟。在建筑施工組織管理領(lǐng)域，群智能算法主要用于解決施工調(diào)度、資源配置、施工方案優(yōu)化等復(fù)雜問題。群智能算法實(shí)施的具體過程如下。

1）算法選擇。根據(jù)優(yōu)化問題的特點(diǎn)和需求，選擇合適的群智能算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法等。

2）算法參數(shù)設(shè)置。根據(jù)項(xiàng)目的具體情況和算法要求，設(shè)置算法的初始參數(shù)，如種群大小、迭代次數(shù)、交叉概率、變異概率等。

3）算法編碼。將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為算法可識別的形式，即編碼過程。在建筑施工組織管理領(lǐng)域，通常需要將施工順序、資源配置等優(yōu)化變量進(jìn)行編碼，形成算法可以處理的輸入數(shù)據(jù)。

4）算法運(yùn)行。在選定的軟件平臺（如Matlab、Python等）上運(yùn)行算法，對編碼后的優(yōu)化問題進(jìn)行求解。算法通過迭代搜索的方式，在解空間中尋找滿足優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。

5）結(jié)果輸出。算法運(yùn)行結(jié)束后，將優(yōu)化結(jié)果以圖表、報告等形式輸出，供項(xiàng)目管理者參考和決策。

2.5 結(jié)果評估與反饋調(diào)整

優(yōu)化結(jié)果的評估與反饋調(diào)整是優(yōu)化流程的最后一步，也是持續(xù)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在評估優(yōu)化結(jié)果時，應(yīng)綜合考慮多個因素，如施工時間的縮短程度、成本的節(jié)約情況、質(zhì)量的提升效果以及風(fēng)險的控制等。

評估完成后，根據(jù)評估結(jié)果對項(xiàng)目進(jìn)行反饋調(diào)整。對于優(yōu)化效果顯著的部分，可以進(jìn)一步鞏固和推廣。對于優(yōu)化效果不明顯的部分，需要深入分析原因，調(diào)整優(yōu)化策略或算法參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。同時，還應(yīng)關(guān)注施工過程中可能出現(xiàn)的各種不確定因素，及時調(diào)整優(yōu)化方案，確保項(xiàng)目目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

3 優(yōu)化策略實(shí)施中的挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

在探索BIM與群智能算法融合的建筑施工組織管理優(yōu)化過程中，面臨一系列挑戰(zhàn)，需要采取相應(yīng)措施應(yīng)對。首先，數(shù)據(jù)整合的復(fù)雜性尤為突出。建筑施工中，各類數(shù)據(jù)源頭繁多、格式不一，數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性復(fù)雜，如何高效地整合這些數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一、完整、準(zhǔn)確的信息流，是首要待解決的難題。為此，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控與校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

技術(shù)融合壁壘也是一個重大障礙。BIM與群智能算法作為2個獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域，其融合不僅需要技術(shù)層面的對接，還需要轉(zhuǎn)變思維方式。為打破這一壁壘，應(yīng)積極推動跨領(lǐng)域的技術(shù)交流與合作，促進(jìn)技術(shù)和方法論的融合與創(chuàng)新。

最后，組織協(xié)作的順暢性直接影響優(yōu)化策略的實(shí)施效果。應(yīng)構(gòu)建開放、透明的溝通平臺，明確各參與方的職責(zé)與權(quán)限，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)間的協(xié)作與配合，形成合力，共同推動優(yōu)化策略的高效實(shí)施。通過上述措施的實(shí)施，可以有效應(yīng)對優(yōu)化策略實(shí)施中的挑戰(zhàn)，推動建筑施工組織管理的全面優(yōu)化和持續(xù)提升。

4 結(jié)語

本文探討了BIM與群智能算法在建筑施工組織管理優(yōu)化中的應(yīng)用，展示了其在提升施工效率、降低成本、優(yōu)化資源配置等方面的巨大潛力。雖然面臨技術(shù)融合、數(shù)據(jù)質(zhì)量等挑戰(zhàn)，但通過持續(xù)創(chuàng)新與優(yōu)化，BIM與群智能算法的融合應(yīng)用前景廣闊。未來，應(yīng)進(jìn)一步探索其深層次應(yīng)用，推動建筑施工組織管理向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。

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[作者簡介]鄭童宜（1993—），女，廣州人，博士，講師，研究方向：智能建造技術(shù)。