陶鵬鵬 陶建強(qiáng)

(1.博樂(lè)賽里木建筑安裝工程有限責(zé)任公司工程部，新疆 博樂(lè) 833418； 2.天津理工大學(xué)管理學(xué)院，天津 300384)

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BIM和GIS集成提高建筑供應(yīng)鏈管理

陶鵬鵬1陶建強(qiáng)2

(1.博樂(lè)賽里木建筑安裝工程有限責(zé)任公司工程部，新疆 博樂(lè) 833418； 2.天津理工大學(xué)管理學(xué)院，天津 300384)

介紹了GIS與BIM的特征，基于Anylogic軟件平臺(tái)，構(gòu)建了Agent供應(yīng)鏈仿真模型，實(shí)現(xiàn)GIS-BIM仿真模型材料的流動(dòng)，并通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的適用性，為同類問(wèn)題的研究提供了依據(jù)。

施工供應(yīng)鏈，GIS-BIM，Anylogic，CSCM

0 引言

在過(guò)去的十年中，特別是在最近幾年，許多研究人員強(qiáng)調(diào)供應(yīng)鏈管理理念的利益為提高建筑業(yè)的績(jī)效減少低效材料管理造成的巨大浪費(fèi)與控制。雖然各種以前的研究已經(jīng)闡明了理解供應(yīng)鏈的整個(gè)范圍重要性，但它往往是通過(guò)承包商的供應(yīng)鏈流程的產(chǎn)品從原材料的地理分布的管理，到最終產(chǎn)品的管理。這種看法與傳統(tǒng)合同法相關(guān)，并將根據(jù)項(xiàng)目參與各方之間的協(xié)作程度各不相同，如綜合項(xiàng)目交付合同。從傳統(tǒng)的單級(jí)采購(gòu)的供應(yīng)鏈管理在建設(shè)中的主要合作變化的評(píng)估揭示了進(jìn)一步的潛力，更大的合作和整合。然而，有限的模型，處理建筑供應(yīng)鏈管理的全過(guò)程(CSCM)，從前期設(shè)計(jì)決定和它們的成本以及時(shí)間，結(jié)束與監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)檢查目的的影響。Cheng, Yang[1]開(kāi)發(fā)的地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的成本估計(jì)，以確定問(wèn)題的選擇和解決方案的問(wèn)題，當(dāng)?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)布局?jǐn)?shù)據(jù)與3D模型結(jié)合，整個(gè)材料的流通路徑可以動(dòng)態(tài)地模擬。在施工中使用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以消除勞動(dòng)密集數(shù)據(jù)采集視線距離的限制，主要目的是提高效率，減少由人轉(zhuǎn)錄引起的數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，降低勞動(dòng)成本[2]。

建筑信息模型(BIM)，是一種三維(3D)的面向?qū)ο竽Ｐ团c嵌入式信息，提供高效的施工工程，達(dá)到管理、共享與協(xié)作，使建筑產(chǎn)生更少的浪費(fèi),更便宜,也更容易操作[3]。采用BIM和GIS跟蹤供應(yīng)鏈的現(xiàn)狀并提供預(yù)警信號(hào)以確保物料的輸送，BIM系統(tǒng)集中了詳細(xì)的集合最高水平、創(chuàng)建實(shí)體或者對(duì)象。BIM是結(jié)合設(shè)計(jì)、可視化能力具有豐富的參數(shù)化對(duì)象與屬性，開(kāi)發(fā)一個(gè)BIM-GIS系統(tǒng)可以極大的提高管理的效率?，F(xiàn)在許多研究解決GIS在BIM環(huán)境中的應(yīng)用地理空間域的信息模型。因此，BIM-GIS可視化集成模型供應(yīng)鏈流程和監(jiān)控物料的流動(dòng)，這項(xiàng)研究的主要焦點(diǎn)是在采購(gòu)階段與供應(yīng)所在地有關(guān)信息的項(xiàng)目資產(chǎn)鏈的視覺(jué)監(jiān)控。由于采用CSCM的數(shù)據(jù)可以從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，模型開(kāi)始通過(guò)提供一個(gè)平臺(tái)來(lái)組織數(shù)據(jù)輸入的跟蹤過(guò)程，盡管研究主要集中于物料的流動(dòng)到施工現(xiàn)場(chǎng)(即最終用戶)，這樣的努力會(huì)解決精益建設(shè)中的一些方面的高效利用資源與供應(yīng)鏈管理，先行規(guī)劃。湯圣君，朱慶等[4]基于IFC與CityGML數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)GIS與BIM幾何與語(yǔ)義共享為兩者的集成與實(shí)現(xiàn)成為可能。Javier Irizarry,Ebrahim P.Karan等[5]通過(guò)分析CSCM供應(yīng)鏈與 BIM和GIS的獨(dú)自特點(diǎn)，提出GIS-BIM模型融合提高建筑供應(yīng)鏈管理的可視化監(jiān)控，并用實(shí)例驗(yàn)證其可靠性。

以上的研究主要側(cè)重GIS與BIM的各自獨(dú)特特征與各自的語(yǔ)義共同點(diǎn)實(shí)現(xiàn)GIS-BIM的融合，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與操作、數(shù)據(jù)處理要求較高，本文基于Anylogic平臺(tái)中Agent建模實(shí)現(xiàn)GIS-BIM模型的供應(yīng)鏈材料的流動(dòng)，并展現(xiàn)一個(gè)真實(shí)案例模型演示開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的適用性。

1 理論基礎(chǔ)

為了使資源流動(dòng)狀態(tài)完全可視化，基于IT技術(shù)以支持決策CSCM過(guò)程，BIM、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的可視化和準(zhǔn)確的在不同階段材料需求狀況，通過(guò)BIM工具可以導(dǎo)出電子表格或外部數(shù)據(jù)庫(kù)，包括必須采購(gòu)、臨時(shí)采購(gòu)、永久采購(gòu)的詳細(xì)物料清單。同時(shí)充分利用BIM可視化能力生成報(bào)告或者報(bào)警圖形，3D可視化的材料狀態(tài)顯示在任何制定的時(shí)間，通過(guò)比較，顯示材料狀態(tài)數(shù)量和計(jì)劃數(shù)量?，F(xiàn)在的軟件工具主要依靠條形圖和直方圖表示數(shù)量，物理的施工現(xiàn)場(chǎng)，不容易看到狀態(tài)障礙，計(jì)算機(jī)輔助可視化，方便報(bào)告過(guò)程狀態(tài)，通過(guò)BIM可視化報(bào)告可以清楚地演示材料的可用性及其最終位置，這最終有利于監(jiān)控和正確的提供過(guò)程透明度。

利用GIS 技術(shù)管理整個(gè)供應(yīng)鏈過(guò)程，提供了一個(gè)理想的解決方案來(lái)管理運(yùn)輸成本，利用價(jià)值流圖描述了地理信息系統(tǒng)圖，以識(shí)別位置供應(yīng)商、運(yùn)輸、增值和非價(jià)值增值活動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以集成供應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸鏈系統(tǒng)，并降低整體成本和交貨時(shí)間延長(zhǎng)期的問(wèn)題。構(gòu)建供應(yīng)鏈框架如圖1所示。

工作流程描述為：

1)使用不同類型的元素(如墻、柱、門(mén)等)材料的可行性進(jìn)行評(píng)估；

2)采購(gòu)是指分析給定的成本和時(shí)間表的影響建設(shè)項(xiàng)目中尋找貨物的供應(yīng)商的過(guò)程和供應(yīng)商的位置；

3)物流是管理層管理材料供應(yīng)商到施工現(xiàn)場(chǎng)，以滿足給定項(xiàng)目的要求。物流涉及一體化信息，運(yùn)輸，庫(kù)存，倉(cāng)儲(chǔ)和材料處理；

4)績(jī)效管理為供應(yīng)鏈關(guān)鍵績(jī)效提供可視性指標(biāo)(KPI)；

5)監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)處理，可提供準(zhǔn)確的信息材料在施工期內(nèi)不同階段的狀態(tài)。對(duì)這些信息技術(shù)進(jìn)行整合的研究，實(shí)現(xiàn)GIS與BIM之間的互操作性。模型層包括地理標(biāo)記語(yǔ)言、城市標(biāo)記語(yǔ)言和建筑工程信息模型；應(yīng)用層以CAD/GIS/BIM在線集成客戶端為基礎(chǔ)提供服務(wù)，三維地理環(huán)境查詢、分析等功能[6]。

Anylogic是一款仿真模型，它能準(zhǔn)確的反映真實(shí)生活中復(fù)雜系統(tǒng)[7]，且“面板”具有GIS地圖與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的管理、查詢，每一個(gè)建筑的類型元素是根據(jù)所使用的材料來(lái)確定建筑信息，通過(guò)分配建筑信息元數(shù)據(jù)建立信息數(shù)據(jù)模型，所有的數(shù)據(jù)輸入和操作通過(guò)BIM軟件開(kāi)發(fā)和接口方式，對(duì)比所需信息對(duì)應(yīng)的供應(yīng)鏈，檢驗(yàn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性、一致性。反映施工現(xiàn)場(chǎng)的地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物料的可視化跟蹤、物料運(yùn)輸時(shí)間、成本、庫(kù)存等信息，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的完美結(jié)合。如圖2所示為基于 BIM-GIS技術(shù)的建筑供應(yīng)鏈可視化模型。

2 基于Anylogic建模

2.1 背景與基本假設(shè)

博樂(lè)賽里木建筑安裝工程有限責(zé)任公司承接某小區(qū)項(xiàng)目，根據(jù)BIM材料清單與施工需求，選取5種需求量在20 t～50 t，需求周期在2 d～3 d，作為主要研究對(duì)象。運(yùn)輸費(fèi)用=噸次費(fèi)(元/t)×計(jì)費(fèi)重量(t)+貨物運(yùn)價(jià)(元/(t·km))×計(jì)費(fèi)重量(t)×計(jì)費(fèi)里程(km)；假設(shè)車的速度為70 km/h。供應(yīng)商的車輛安排1輛車輛配貨。由于高原凍土的原因施工無(wú)法進(jìn)行，仿真時(shí)間范圍為2016/4/1～2016/11/12。

2.2 模型建模分析

借助Anylogic 7.1.2 Professional版本，構(gòu)建 Agent建模與仿真，施工供應(yīng)鏈概念模型如圖3所示。本文模型主要由四類智能體組成即：Supplier，Customer，Truck，Order。

1)Truck分析。

卡車主要有五個(gè)不同的狀態(tài)：在供應(yīng)商處、裝貨、移動(dòng)至客戶、卸貨、返回。圖4為基于卡車Agent的狀態(tài)圖的邏輯仿真模型。 假設(shè)裝車與卸車服從均勻分布調(diào)用函數(shù)uniform(0.5，2)h。

卡車在供應(yīng)商的終端，當(dāng)接收到Order信息時(shí)候，卡車Agent安排裝貨，通過(guò)GIS最短路徑移動(dòng)到Customer，到卡車到達(dá)位置，進(jìn)行卸貨，并分給模擬時(shí)間，最終返回到供應(yīng)商所在的位置狀態(tài)。

2)Supplier。

主要是供應(yīng)商找車的過(guò)程與運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用問(wèn)題。如圖5所示為供應(yīng)商安排車量的行動(dòng)圖。費(fèi)用主要通過(guò)變量體現(xiàn)出來(lái)。

3)Customer分析。

屬性屬于“Supplier”，主要是連接兩個(gè)之間的屬性。

主要客戶發(fā)出訂單的產(chǎn)生，“函數(shù)體”編程即：

Order order = new Order( this, uniform(20,50));

order.customer=this;

Supplier d=main.supplier.random();

send( order, d );

主要是指需求產(chǎn)生的時(shí)間，同時(shí)“行動(dòng)”編程generateorder();表示時(shí)間的發(fā)生。

4)Order分析。主要包括以下變量：

a.Order是由“Customer”發(fā)出訂單；

b.amount與訂單的數(shù)量；兩個(gè)參數(shù)變量。綜上所述，Customer產(chǎn)生訂單，Supplier接受訂單，此階段是信息流。供應(yīng)商安排車輛、發(fā)貨數(shù)量，車輛是信息流與物質(zhì)流相互結(jié)合。在“main”中初始化函數(shù)中編程如下：

for(int i=0;i

{Customer r=add_customer();

{ r.setLocation(collectioncustomer.get(i));

r.center = r.getNearestAgentByRoute(supplier);

}

}

for(int i=0;i

Supplier d=add_supplier();

d.setLocation(collectionSupplier.get(i));

d.main.numberoftruck=1;

for(int j=0;j

{Truck t=add_truck();

t.center=d;

d.truckfleet.add(t);

t.setLocation(collectionSupplier.get(i));

}

}

distanceToKuiTun=gisRoute5.length()/1000;

distanceToHaiZhen=gisRoute3.length()/1000;

distanceToJingHeXian=gisRoute4.length()/1000;

distanceToBoLe=gisRoute2.length()/1000;

distanceToShuiDingZhen=gisRoute.length()/1000;

timeToKuiTun=(distanceToKuiTun/70+uniform(0.5, 2))*2;

timeToBoLe=(distanceToBoLe/70+uniform(0.5, 2))*2;

timeToHaiZhen=(distanceToHaiZhen/70+uniform(0.5, 2))*2;

timeToJingHeXian=(distanceToJingHeXian/70+uniform(0.5, 2))*2;

timeToShuiDingZhen=(distanceToShuiDingZhen/70+uniform(0.5, 2))*2;

其目的主要包括以下三個(gè)方面：1)增加施工現(xiàn)場(chǎng)的GIS point的點(diǎn)在模型中；2)增加供應(yīng)商的GIS point點(diǎn)，同時(shí)把車輛安排在供應(yīng)商的GIS point位置；3)記錄供應(yīng)商到客戶的循環(huán)周期時(shí)間與距離。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)Anylogic仿真分析結(jié)果(見(jiàn)表1)，可視化路徑與運(yùn)輸費(fèi)用，發(fā)貨次數(shù)見(jiàn)圖6。

表1 供應(yīng)商發(fā)貨次數(shù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)Anylogic 仿真記錄供應(yīng)商到施工現(xiàn)場(chǎng)距離與時(shí)間，見(jiàn)圖7，圖8。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)分析GIS與BIM的各自特征，分析項(xiàng)目施工過(guò)程中的供應(yīng)商與施工方，所處位置不同，構(gòu)建兩者之間相關(guān)概念模型，選取具有特征的建筑材料與基于一定條件的假設(shè)前提條件下，通過(guò)Anylogic平臺(tái)實(shí)現(xiàn)BIM-GIS的模型，通過(guò)構(gòu)建四類Agent模型模擬施工供應(yīng)鏈管理，以支持決策CSCM過(guò)程，對(duì)于基于BIM的新環(huán)境條件下管理CSCM過(guò)程是一個(gè)非常有用的工具與方法。從而由施工浪費(fèi)、材料資金占用等不良現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變成為精益施工成為可能。

集成的BIM-GIS系統(tǒng)的可視化供應(yīng)鏈流程和材料通過(guò)供應(yīng)鏈，首先要求：建筑的元素將支撐BIM流程或者Database，并根據(jù)供應(yīng)鏈的類型制定特定的仿真模型。GIS的優(yōu)點(diǎn)映射整個(gè)供應(yīng)鏈流程，并提供最佳的運(yùn)輸路徑與管理供應(yīng)鏈的成本，且每個(gè)供應(yīng)商都有自己的參數(shù)，仿真需求與實(shí)際需求的對(duì)比，為管理者提供不同的預(yù)警信號(hào)與方案，通過(guò)案例研究證明上述在Anylogic平臺(tái)仿真是具有可行性。此外，可以檢查BIM集成模擬框架來(lái)預(yù)測(cè)施工的動(dòng)態(tài)與進(jìn)度，施工管理人員可以減少工作負(fù)荷，可視化管理更加直觀化。案例研究是為了說(shuō)明如何呈現(xiàn)CSCM過(guò)程，其目的是提高施工人員的意識(shí)。

在不久的將來(lái)設(shè)計(jì)將提供BIM模型與規(guī)范元數(shù)據(jù)，而元數(shù)據(jù)觀測(cè)誤差可能產(chǎn)生。由于這些原因，因此，我們正在研究因素和模擬步驟，或關(guān)系之間的連接在模擬不同的因素之間，以增加模擬結(jié)果的可靠性。在將來(lái)，項(xiàng)目計(jì)劃以支持施工管理人員的決策制定，進(jìn)一步研究這個(gè)框架。為了支持決策的施工管理人員，我們需要提出更直觀結(jié)果。

[1] MY Cheng, SC Yang.GIS-Based Cost Estimates Integrating with Material Layout Planning[J].Journal of Construction Engineering & Management,2014,127(127):291-299.

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[4] 湯圣君，朱 慶，趙君嶠.BIM與GIS數(shù)據(jù)集成:IFC與CityGML建筑幾何語(yǔ)義信息互操作技術(shù)[J].土木建筑工程技術(shù)，2014,6(4)：11-17.

[5] J Irizarry，EP Karan，F(xiàn) Jalaei.Integrating BIM and GIS to improve the visual monitoring of construction supply chain management[J]. Automation in Construction,2013,31(5):241-254.

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[7] 薛 梅，李 鋒.面向建設(shè)工程全生命周期應(yīng)用的CAD/GIS/BIM在線集成框架[J].地理與地理信息科學(xué),2015,31(6):30-35.

Integrating BIM and GIS to improve of construction supply chain management

Tao Pengpeng1Tao Jianqiang2

(1.BoleSailimuConstructionandAssemblyEngineeringCo.,Ltd,Bole833418,China;2.SchoolofManagement,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

The paper introduces the features of GIS and BIM, establishes the simulation model for the Agent supply chain based on Anylogic software platform, realizes the flow of the GIS-BIM simulation model materials, and proves the system’s adoptability, so as to provide some reference for similar problems.

construction supply chain, GIS-BIM, Anylogic, CSCM

1009-6825(2016)20-0254-04

2016-05-03

陶鵬鵬(1986- )，男，助理工程師； 陶建強(qiáng)(1989- )，男，在讀碩士

TU712

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