劉飛虎1 廖 勇1 趙 宇1 辜 斌1 習(xí)蘭云2 陳 強(qiáng)

(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(shù)有限責(zé)任公司, 北京 100033;3.中鐵二局集團(tuán)有限公司城通分公司，成都 610000)

1 引言

現(xiàn)代大型建設(shè)項目一般具有投資規(guī)模大、參與建造的單位多、項目目標(biāo)要求高以及全生命周期信息量大等特點，且現(xiàn)代建設(shè)項目的設(shè)計以及工程管理工作極具復(fù)雜性，傳統(tǒng)的信息溝通和管理方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程施工管理要求[1]。實踐證明，信息錯誤傳達(dá)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(xué)地進(jìn)行工程施工組織，全面地對施工組織方案進(jìn)行分析決策才能保障工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)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(shù)，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(shè)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(shù)的發(fā)展，它不僅僅只是簡單地將數(shù)字信息進(jìn)行集成，它還是一種數(shù)字信息的應(yīng)用，可以用于工程設(shè)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(jìn)程中顯著提高效率、大量減少風(fēng)險[6-7]。因此利用BIM及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行施工組織管理的研究引領(lǐng)了BIM技術(shù)發(fā)展革新的新方向，文獻(xiàn)[8]采用了基于BIM的4D虛擬建造技術(shù)的進(jìn)度管理方法，在此基礎(chǔ)上，論證了采用基于BIM的4D虛擬建造技術(shù)進(jìn)行進(jìn)度管理的優(yōu)越性及可行性。文獻(xiàn)[9]引入“三維+時間”的4D管理理念介紹了核電施工進(jìn)度計劃，研究出施工進(jìn)度計劃與三維立體模型進(jìn)行聯(lián)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(xiàn)場施工反饋情況的實際指導(dǎo)，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(xiàn)有的施工組織管理系統(tǒng)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(xiàn)場的突發(fā)情況等缺點，而目前國內(nèi)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(tǒng)來完成施工建筑在全生命周期中的管控，實現(xiàn)信息為建筑計劃、設(shè)計、施工、運維等階段提供可靠依據(jù)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)跨專業(yè)共享、達(dá)到協(xié)同設(shè)計。因此本文針對BIM技術(shù)輔助施工組織管理進(jìn)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(tǒng)，著力為大型建設(shè)項目的施工組織輔助決策設(shè)計提供一個科學(xué)、高效、實用的優(yōu)化設(shè)計工具。

2 施工組織系統(tǒng)框架

針對大型施工中的組織管理難點，本文將BIM技術(shù)、智能運籌算法與工程實際實施相結(jié)合來實現(xiàn)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(tǒng)，該系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架

2.1 施組計劃模塊

當(dāng)前的工程建設(shè)存在施工組織的計劃編制過程復(fù)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(jù)項目工程綜合考慮施工人員、施工材料、施工機(jī)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(shè)的具體規(guī)范，其作用就是使各個不同系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)和減小相互之間功能的影響，所以在工程建設(shè)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(tǒng)結(jié)合BIM技術(shù)搭建了虛擬平臺對其進(jìn)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(jìn)行科學(xué)評估，及對工程的后續(xù)施工進(jìn)行科學(xué)、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(jìn)度目標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有施組計劃模塊進(jìn)行進(jìn)度計劃的細(xì)化論證。通過設(shè)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(shè)計思路，并用進(jìn)度表的方式展示各個施組規(guī)劃方案，并按照已核準(zhǔn)的工程進(jìn)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(jìn)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(jié)合了施工計劃編制的進(jìn)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(wù)管理中的資源平衡自適應(yīng)調(diào)度方法，對偏差的各種因素及影響工期的程度進(jìn)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(diào)整項目進(jìn)度。

2.3 施組驗證分析模塊

借助于BIM技術(shù)可以動態(tài)跟蹤可視化施工組織設(shè)計(5D虛擬建造)的實施情況，能提高模型的準(zhǔn)確性和減少建模工作量，避免了返工和施工錯誤的產(chǎn)生。本文所研究的基于BIM的施工組織輔助決策系統(tǒng)根據(jù)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(shè)備、材料的到貨情況，及時把控進(jìn)度管理，因此該系統(tǒng)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(jìn)行比較分析及糾正系統(tǒng)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(xiàn)對工程項目的施工組織進(jìn)行全面系統(tǒng)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(jù)最優(yōu)方案進(jìn)行施工實際指導(dǎo)，由于施工現(xiàn)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(dǎo)真正的施工環(huán)節(jié)。因此，該階段需要對設(shè)備、材料等情況進(jìn)行預(yù)警，同時通過進(jìn)度管理，將施工現(xiàn)場的實況及時反饋到施組方案模塊，讓系統(tǒng)實施動態(tài)的施工進(jìn)度管理，重新調(diào)整施工組織方案，并制定最優(yōu)方案進(jìn)行驗證分析后用于指導(dǎo)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(tǒng)為工程施工管理者提供一種可視化的決策手段。

3 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)已在中鐵二局、水電七局、中國鐵建等大型工程建設(shè)企業(yè)的相關(guān)項目應(yīng)用實施。在工程施工前、施工中，施工企業(yè)借由該系統(tǒng)能夠全面考慮施工影響因素進(jìn)行施工組織方案設(shè)計、施工進(jìn)度計算和施工資源平衡，并能對施工組織設(shè)計的可行性與科學(xué)性進(jìn)行驗證。下面以本系統(tǒng)在廣州地鐵11號線的彩虹橋的應(yīng)用為例，介紹具體的施工組織的設(shè)計流程以及本文所設(shè)計的輔助決策系統(tǒng)在其中的應(yīng)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(shè)中主要涉及復(fù)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(tǒng)首先錄入了工程施工設(shè)備、現(xiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖支護(hù)、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(shè)備及其施工班組。為了保證工藝的合理性，系統(tǒng)還設(shè)置了工藝測試環(huán)節(jié)，可以對每個過程進(jìn)行詳細(xì)測試分析，為后續(xù)制定施工方案做強(qiáng)有力的支撐。在確立好施工工藝后，管理人員需要根據(jù)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(tǒng)框架所述，施組方案模塊通過選擇施工方案，設(shè)置計算方式、項目的開工起始時間及結(jié)束時間，計算出3個優(yōu)選的施工方案，并用任務(wù)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(xué)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(jìn)一步達(dá)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(jìn)度存在差異，及下方設(shè)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(jìn)行施組資源分析，從而為實際施工提供合理指導(dǎo)。

圖8 施工方案對比分析

因而基于BIM的輔助決策系統(tǒng)可以根據(jù)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(zhǔn)確地看到當(dāng)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(xié)調(diào)，降低了工程項目的施工管理風(fēng)險[12]。

圖9 彩虹橋車站工程項目管理看板

4 結(jié)論

通過對基于BIM的施工組織輔助決策系統(tǒng)的研發(fā)，我們提出了全面系統(tǒng)驗證施工組織方案的新方法，形成了工程BIM模型應(yīng)用施工方案設(shè)計的新手段，拓展了工程施工BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍；通過基于BIM的施工組織輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用，施工組織實現(xiàn)了對項目施工的有效控制，降低了施工管控風(fēng)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(yīng)用BIM技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗。