黃建文,毛宇辰,王 東,祝建軍,周宜紅

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué)水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實驗室,湖北 宜昌 443002; 3.三峽新能源鹽城大豐有限公司,江蘇 鹽城 224100)

碾壓混凝土壩工程具有建設(shè)工程量大、工期要求緊、施工強(qiáng)度高等特點(diǎn),已在我國水利水電工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。進(jìn)度和成本目標(biāo)在施工過程中密切相關(guān)、相互影響[2]。碾壓混凝土壩施工受施工條件復(fù)雜、設(shè)計變更頻繁、施工信息共享程度低等因素帶來的進(jìn)度-成本失控問題,成為困擾水電承包商項目管理成敗的難題[3]。如何合理控制施工成本同時保障施工進(jìn)度,實現(xiàn)二者的動態(tài)聯(lián)合管控,綜合達(dá)成項目施工管理的目標(biāo)將是重中之重。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)能有效地集成項目全生命周期中建筑物幾何信息、進(jìn)度信息、成本信息、資源及施工強(qiáng)度等屬性信息,實現(xiàn)工程各參建方、部門之間信息傳遞共享,能夠避免由于信息共享度低、共享慢而導(dǎo)致的進(jìn)度延誤及成本超支,已在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[4]。美國斯坦福大學(xué)工程中心最早提出4D理論,隨著BIM技術(shù)發(fā)展,逐漸形成以三維模型為基礎(chǔ),不斷添加各類別信息的nD模型。王婷等[5-7]將3D BIM模型與進(jìn)度計劃文件關(guān)聯(lián),實現(xiàn)了4D進(jìn)度可視化模擬、現(xiàn)場布置演示和三維技術(shù)交底,并運(yùn)用到房建、基坑及橋梁施工領(lǐng)域;張連營等[8-10]將進(jìn)度、成本共同集成構(gòu)建了5D信息平臺,實現(xiàn)了可視化模擬及多維度信息查詢;Davies等[11-12]建立云BIM模型,實現(xiàn)BIM信息實時共享。上述學(xué)者將多類別工程信息與3D BIM模型關(guān)聯(lián),提升了工程信息的集成度和管理效率,實現(xiàn)了可視化施工模擬、工程信息查詢共享,但在進(jìn)度和成本目標(biāo)聯(lián)合控制優(yōu)化方面的研究較少。隨著水利水電工程信息化概念的提出,領(lǐng)域內(nèi)專家和學(xué)者也將BIM理念應(yīng)用到水利水電工程設(shè)計、施工與管理中。肖彬等[13]運(yùn)用Bentley旗下軟件進(jìn)行水電站廠房內(nèi)部各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計和碰撞檢查,彌補(bǔ)了二維設(shè)計的不足,優(yōu)化了設(shè)計方案。苗倩[14]通過Navisworks軟件中的TimeLiner模塊進(jìn)行施工三維動態(tài)演示,實現(xiàn)了大壩施工過程的可視化展示。王仁超等[15-16]通過引入工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation classes,IFC)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了基于BIM的混凝土澆筑施工信息模型,提升了建模效率和自動化程度。Smith[17]提出了造價信息數(shù)據(jù)處理的5D模型,提高了成本管理的效率。邱世超等[18]引入5D技術(shù)和IFC標(biāo)準(zhǔn),建立了多維度信息模型,并開發(fā)了模型動態(tài)可視化管理系統(tǒng)。綜上所述,廣大學(xué)者在水利水電設(shè)計、施工過程三維可視化、多維信息關(guān)聯(lián)集成以及IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)方面做出了大量研究,使多維BIM模型的構(gòu)建效率提升,信息集成和協(xié)同共享度更高。但是進(jìn)度-成本信息的聯(lián)動性仍然不強(qiáng),施工過程中進(jìn)度-成本信息缺乏有效的監(jiān)控及預(yù)警,進(jìn)度、成本計劃調(diào)整滯后且難以同時兼顧,進(jìn)度-成本聯(lián)合管控難度大。

為了解決以上問題,本文結(jié)合BIM技術(shù)和改進(jìn)掙值法,將壩體三維模型與進(jìn)度信息和成本信息進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián),構(gòu)建碾壓混凝土壩IFC信息模型和5D進(jìn)度-成本聯(lián)合管控信息平臺,通過平臺API接口和C#.NET語言開發(fā)的插件實現(xiàn)碾壓混凝土壩施工全過程信息查詢、進(jìn)度-成本可視化仿真模擬及監(jiān)測預(yù)警,以期為碾壓混凝土壩施工進(jìn)度-成本聯(lián)合管控提供思路。

1 進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控信息平臺架構(gòu)

項目進(jìn)度和成本控制是隨著項目的進(jìn)展而持續(xù)進(jìn)行的,是一個動態(tài)調(diào)整過程,項目在執(zhí)行過程中,會遇到各種干擾因素使實際進(jìn)度和成本偏離原目標(biāo)[19]。采用掙值法對項目執(zhí)行過程中的進(jìn)度和成本偏差進(jìn)行分析是一種常見的項目管理辦法[20]。本文結(jié)合BIM技術(shù)構(gòu)建碾壓混凝土壩5D進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控信息平臺,其架構(gòu)如圖1所示。

該平臺采用Autodesk Navisworks作為聯(lián)合管控信息平臺的中樞,基于AutoCAD建立碾壓混凝土壩三維模型,使用Primavera 6.0編制及修改進(jìn)度、成本計劃,施工過程的各類屬性信息整合存儲在Access數(shù)據(jù)庫中,便于二次開發(fā)插件的調(diào)用。將三維模型與進(jìn)度、成本及資源等屬性信息導(dǎo)入Navisworks并按照一定規(guī)則集成,實現(xiàn)大壩三維模型、進(jìn)度信息模型、成本信息模型及資源等屬性信息模型的關(guān)聯(lián),形成BIM-5D信息模型。在此基礎(chǔ)上對施工進(jìn)度-成本進(jìn)行可視化模擬,當(dāng)模擬結(jié)果不符合施工需要,可以返回Primavera 6.0 軟件對進(jìn)度、成本計劃進(jìn)行調(diào)整,并再次關(guān)聯(lián)BIM-5D信息模型。通過Navisworks二次開發(fā)的插件實現(xiàn)進(jìn)度-成本信息的可視化和施工資源信息查詢,結(jié)合改進(jìn)掙值法開發(fā)插件對進(jìn)度、成本偏差進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警,將信息反饋給項目參與方,找出偏差原因,及時調(diào)整實施計劃,實現(xiàn)進(jìn)度、成本的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整和聯(lián)合管控。

圖1 碾壓混凝土壩進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控信息平臺架構(gòu)

圖2 IFC標(biāo)準(zhǔn)下的碾壓混凝土壩施工信息集成模型

IFC標(biāo)準(zhǔn)是由國際協(xié)同工作聯(lián)盟 (International Alliance for Interoperability,IAI)應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)所建立的信息標(biāo)準(zhǔn),可作為BIM技術(shù)的主流信息交換標(biāo)準(zhǔn)[21],已廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。為適應(yīng)AEC(Architecture,Engineering and Construction)領(lǐng)域的復(fù)雜性,IFC提供了擴(kuò)展方法,可實現(xiàn)對水利水電工程領(lǐng)域的IFC結(jié)構(gòu)擴(kuò)展[22]。根據(jù)碾壓混凝土壩施工信息模型的特點(diǎn)和進(jìn)度-成本聯(lián)合管控信息平臺架構(gòu),將大壩實體信息、工程量信息、進(jìn)度信息、成本信息以及資源信息之間建立聯(lián)系,用EXPRESS-G視圖描述IFC標(biāo)準(zhǔn)下的碾壓混凝土壩5D施工信息模型如圖2所示。該信息模型可用于碾壓混凝土壩施工信息集成管理,并易于與其他IFC標(biāo)準(zhǔn)化的管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控信息平臺構(gòu)建

2.1 大壩混凝土澆筑三維模型構(gòu)建

進(jìn)行大壩施工過程可視化仿真模擬前,需要劃分大壩三維實體模型。通常以大壩工作分解結(jié)構(gòu)(work breakdown structure, WBS)和實際澆筑施工分層為依據(jù),在高程上對各水平壩段進(jìn)行劃分,如圖3所示。由于水工構(gòu)筑物施工時不同約束區(qū)的應(yīng)力控制要求不同,因此基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)(澆筑塊高程為0～0.2L,其中L為澆筑塊邊長),基礎(chǔ)弱約束區(qū)及非約束區(qū)(澆筑塊高程大于0.2L)的澆筑層厚度Δh和澆筑間歇期Δt取值不同,澆筑塊的高程和澆筑日期分別為

(1)

式中:Hi(m)為i壩段第m個澆筑塊的高程;Ti(m)為i壩段第m個澆筑塊的澆筑日期。

利用AutoCAD內(nèi)嵌的AtuoLisp語言二次開發(fā)的插件可快速對各壩段、澆筑層(塊)進(jìn)行切分和相關(guān)參數(shù)的提取[23],形成最小澆筑作業(yè)單元即澆筑塊,每個澆筑塊有唯一對應(yīng)的進(jìn)度-成本信息。

圖4 施工進(jìn)度-成本可視化模擬

2.2 施工進(jìn)度信息、成本信息與三維模型關(guān)聯(lián)

Primavera 6.0項目管理軟件由美國引進(jìn),作為P3E/C的后續(xù)版本,擁有更好的交互和強(qiáng)大的功能,已廣泛應(yīng)用于核電、水電等長周期大型建設(shè)項目施工進(jìn)度、成本管理中[24-25]。在Navisworks軟件中的TimeLiner模塊中導(dǎo)入運(yùn)用Primavera 6.0編制的大壩混凝土施工進(jìn)度計劃文件,即可實現(xiàn)進(jìn)度信息與三維模型關(guān)聯(lián)。

統(tǒng)計大壩混凝土澆筑工程量,參考定額規(guī)范,計算出對應(yīng)三維模型和進(jìn)度計劃的各澆筑塊的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、總成本等,并保存到Access數(shù)據(jù)庫。將施工成本信息導(dǎo)入Navisworks,通過映射規(guī)則將各施工作業(yè)任務(wù)的成本信息與工程構(gòu)件匹配,完成成本信息與三維模型的關(guān)聯(lián)。

2.3 施工動態(tài)模擬與可視化查詢

施工進(jìn)度、成本信息與大壩三維模型在Navisworks軟件中關(guān)聯(lián)后,形成大壩施工期5D進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控信息平臺,利用TimeLiner的模擬功能,可以模擬大壩施工過程中進(jìn)度執(zhí)行及成本使用情況,并以不同顏色區(qū)分構(gòu)件的進(jìn)度狀態(tài),如圖4所示。Navisworks軟件中提供.NET API接口,基于Microsoft Visual Studio 2013軟件平臺和C#語言編譯Navisworks窗口插件實現(xiàn)大壩澆筑施工的進(jìn)度面貌查詢、澆筑強(qiáng)度查詢。

3 基于改進(jìn)掙值法的進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控

掙值法是分析進(jìn)度與成本偏差的控制方法,傳統(tǒng)掙值法將目標(biāo)實際與計劃進(jìn)行對比分析,測量計劃工作預(yù)算成本PV、已完工作實際成本AC、已完工作預(yù)算成本EV之間的差異,計算進(jìn)度偏差SV和成本偏差CV來衡量項目的執(zhí)行情況[26]。但一個項目的成功與否與多個管理任務(wù)目標(biāo)的實現(xiàn)有關(guān),除了進(jìn)度、成本之外,質(zhì)量、安全也是不可或缺的要素,傳統(tǒng)掙值法不能反映工程質(zhì)量和安全的實際情況,也無法衡量質(zhì)量、安全整頓工作對項目進(jìn)度、成本的影響。本文對傳統(tǒng)掙值法的監(jiān)測要素進(jìn)行優(yōu)化,將質(zhì)量和安全因素納入掙值計算和分析體系,再利用Navisworks軟件API接口和C#.NET語言二次開發(fā)的掙值分析插件自動整理數(shù)據(jù)、計算掙值指標(biāo)和繪制掙值曲線,提升掙值監(jiān)測預(yù)警的工作效率。

(2)

式中:tZ、tA分別為進(jìn)行質(zhì)量修復(fù)、安全整改對項目工期的影響時間;yFu為第u項質(zhì)量問題所影響的工程延誤時間;TF為質(zhì)量問題影響下,該工程所在路徑的總時差;yAv為第v項安全問題所影響的工程延誤時間;TA為安全問題影響下,該工程所在路徑的總時差。

根據(jù)上述參數(shù)和預(yù)算單價C0可進(jìn)行如下計算:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

施工期間不斷錄入實際進(jìn)度、成本信息,并設(shè)置掙值監(jiān)測時點(diǎn)定期監(jiān)測,設(shè)置偏差預(yù)警閾值來實現(xiàn)對進(jìn)度-成本的監(jiān)測預(yù)警。設(shè)成本偏差程度指標(biāo)為α,進(jìn)度偏差程度指標(biāo)為β,則其計算公式如下:

(9)

(10)

項目管理者根據(jù)項目實際情況設(shè)置預(yù)警閾值和監(jiān)測間隔節(jié)點(diǎn)。假設(shè)偏差指標(biāo)的允許偏移范圍為±σ,偏差指標(biāo)的極限偏移邊界為±ε,當(dāng)偏差指標(biāo)的偏移范圍在±σ到±ε之間,則發(fā)出預(yù)警信號,讓管理者采取糾偏措施進(jìn)行控制;當(dāng)偏差指標(biāo)的偏移范圍在±ε之外,發(fā)出信號提醒管理者重新制定進(jìn)度-成本基準(zhǔn)計劃,以此實現(xiàn)進(jìn)度-成本動態(tài)聯(lián)合管控。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩,共由31個壩段組成,從左岸到右岸依次為:擋水壩段(1～8號)、左岸泄洪中孔壩段(9號)、溢流壩段(10～12號)、右岸泄洪中孔壩段(13號)、廠房壩段(14～18號)、沖沙底孔壩段(19號)、右岸擋水壩段(20～31號)。壩頂高程1 303 m,壩體最低高程1 184 m,最大壩高119 m。

4.2 施工進(jìn)度模擬和可視化查詢

設(shè)置施工模擬時間段、視圖等選項后,Navisworks可以直接生成施工過程中進(jìn)度、成本的模擬動畫,指定時間節(jié)點(diǎn)檢驗進(jìn)度、成本計劃實施的合理性并指導(dǎo)計劃修改。

在進(jìn)度面貌查詢插件中,可以按日期選項查詢大壩的施工面貌、進(jìn)度、成本和施工資源信息(圖5);在澆筑強(qiáng)度查詢插件中,可查詢?nèi)我鈺r間段混凝土澆筑強(qiáng)度;在成本分析插件中,主要從人工費(fèi)、材料費(fèi)、施工機(jī)械使用費(fèi)以及總成本4個方面對模擬結(jié)果進(jìn)行分析,可查看任意時間段的施工成本強(qiáng)度柱狀圖和累計曲線圖。

圖5 壩體施工面貌查詢

4.3 施工進(jìn)度-成本聯(lián)合管控

將大壩混凝土澆筑開工以來統(tǒng)計的進(jìn)度、成本計劃與實際數(shù)據(jù)導(dǎo)入掙值分析插件中,對2008年11月至2010年5月的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,產(chǎn)生的掙值分析曲線圖能夠清晰了解項目的發(fā)展趨勢。圖6、圖7分別為掙值曲線圖和偏差趨勢圖。

圖6 掙值指標(biāo)累計曲線

圖7 偏差指標(biāo)變化趨勢

5 結(jié) 語

本文結(jié)合BIM技術(shù)和改進(jìn)掙值法原理,將碾壓混凝土壩三維實體模型與施工進(jìn)度信息和成本信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的碾壓混凝土壩5D施工進(jìn)度-成本可視化模型及聯(lián)合管控信息平臺。通過5D進(jìn)度-成本信息可視化模型實現(xiàn)碾壓混凝土壩澆筑施工過程的仿真模擬,動態(tài)展示壩體澆筑施工過程中施工成本隨施工進(jìn)度的變化,開發(fā)并運(yùn)用插件將施工過程中任意時刻大壩的進(jìn)度面貌、施工成本、澆筑強(qiáng)度及設(shè)備資源信息以圖形的形式直觀的在5D信息平臺中展示,為施工組織管理提供參考。

基于改進(jìn)掙值法相關(guān)理論開發(fā)掙值分析插件,能快速統(tǒng)計5D信息平臺的掙值數(shù)據(jù)并生成掙值指標(biāo)曲線。項目管理者按實際情況設(shè)置檢查時點(diǎn)和偏差預(yù)警閾值,根據(jù)掙值插件動態(tài)監(jiān)測信息和偏差預(yù)警信息判斷項目進(jìn)度-成本的執(zhí)行情況,及時對項目進(jìn)度-成本的計劃做出優(yōu)化調(diào)整,實現(xiàn)碾壓混凝土壩施工進(jìn)度-成本的動態(tài)聯(lián)合管控,提高項目管理效率及效益。