徐夢(mèng)妮, 黃中華, 鄒貽權(quán), 肖本林, 鄭建如
(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430068; 2. 橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430050; 3. 中鐵大橋局集團(tuán)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(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、施工環(huán)境易受外部影響及建造工藝復(fù)雜等特點(diǎn),故在鐵路橋梁建設(shè)過程中,易出現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)管理混亂、存儲(chǔ)不規(guī)范、材料浪費(fèi)及進(jìn)度延誤等情況。因此,大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)地、科學(xué)調(diào)度物資、提取空間信息、加強(qiáng)溝通效率、減少施工過程中的資源浪費(fèi)、保障鐵路橋梁的施工質(zhì)量夯實(shí)基礎(chǔ)。 但現(xiàn)階段仍存在以下問題,現(xiàn)場(chǎng)不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的使用時(shí)間及使用數(shù)量,常采購(gòu)超量的材料存儲(chǔ)于倉(cāng)庫(kù),一旦發(fā)生變更,則會(huì)導(dǎo)致大量材料浪費(fèi)或增加其他費(fèi)用支出;材料存儲(chǔ)過程中不合理的堆放,易造成施工過程中的二次搬運(yùn)[9,10]。隨著現(xiàn)場(chǎng)物料管理要求日益增高,需建立精益化管理機(jī)制,使信息高效傳遞,為項(xiàng)目提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),滿足現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn),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(qiáng)虛擬模型與物理場(chǎng)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(chǎng)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(dǎo)入仿真軟件,模擬橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的材料運(yùn)輸、堆放及使用環(huán)節(jié)及流程,為管理者提供輔助決策。
信息是物料系統(tǒng)的高級(jí)表現(xiàn)形式。外部信息通過收集、傳遞、處理、儲(chǔ)存、分析及優(yōu)化等過程,形成鐵路橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)物料流通的內(nèi)在機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)與外部環(huán)境的聯(lián)通。當(dāng)信息產(chǎn)生變化時(shí),鐵路橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)能隨之進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。而信息越充分完善,不確定性因素則會(huì)越少,所提出的決策則會(huì)越合理。
物料信息的傳遞路徑為收集和利用項(xiàng)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(cè)施工任務(wù)完成度和設(shè)計(jì)變更等情況,從而加強(qiáng)項(xiàng)目對(duì)施工過程的控制。在前人研究的基礎(chǔ)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(chǎng)物料信息傳遞方式
在鐵路橋梁工程物料管理過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)物料信息延時(shí)的現(xiàn)象。面對(duì)海量圖紙,頻繁的數(shù)據(jù)迭代,實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)變更,一旦出現(xiàn)各層級(jí)間協(xié)作不暢,則會(huì)使信息在各部門傳遞中延遲、丟失或錯(cuò)誤。因此,施工現(xiàn)場(chǎng)保存物料數(shù)據(jù)信息的安全性、可靠性及實(shí)時(shí)性顯得尤為困難。
目前,大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者將施工現(xiàn)場(chǎng)物料管理問題看成現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃問題的一部分,研究方法可總結(jié)為數(shù)學(xué)規(guī)劃法、啟發(fā)式算法、評(píng)價(jià)類方法、信息化技術(shù)、系統(tǒng)平臺(tái)等。各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍如表2所示。針對(duì)鐵路橋梁工程環(huán)境復(fù)雜、工期緊及場(chǎng)地狹小的特點(diǎn),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(qiáng)、算法表達(dá)能力強(qiáng)的仿真模擬技術(shù)研究施工現(xiàn)場(chǎng)的物料管理問題。
表2 施工現(xiàn)場(chǎng)物料規(guī)劃方法對(duì)比
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(chǎng)地模型模擬施工環(huán)境、構(gòu)件運(yùn)輸順序、運(yùn)輸車次及路徑、堆場(chǎng)空間規(guī)劃等。施工現(xiàn)場(chǎng)的人材機(jī)信息、進(jìn)度情況均可在仿真系統(tǒng)中表示,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的變更情況,及時(shí)反饋到BIM模型及仿真系統(tǒng),實(shí)時(shí)調(diào)整物料計(jì)劃,再將調(diào)整計(jì)劃實(shí)時(shí)反饋給施工現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)信息共享。
仿真工具的使用是實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)信息化管理的重要手段,它可以將2D設(shè)計(jì)圖及布置圖轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)模型,甚至可以模擬整個(gè)材料運(yùn)輸、堆放、使用過程。通過模擬一系列過程,以預(yù)測(cè)施工過程中的變更及參數(shù)的變化對(duì)物料及施工現(xiàn)場(chǎng)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
物料管理在復(fù)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(jì)劃為主,集成度不高,計(jì)劃調(diào)整等問題頻繁出現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài),使各個(gè)工作流動(dòng)起來,讓施工需求帶動(dòng)物料生產(chǎn),減少用于儲(chǔ)存的價(jià)值流失已成為鐵路橋梁精益化管理的難點(diǎn)及熱點(diǎn)。需考慮因素眾多,包括:(1)現(xiàn)場(chǎng)需求及外部環(huán)境易變;(2)多目標(biāo)的沖突(生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、運(yùn)輸計(jì)劃、場(chǎng)地空間、施工計(jì)劃);(3)供應(yīng)、運(yùn)輸、施工的隨機(jī)性和不可靠性;(4)物理空間干涉和通道的約束。
針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)空間關(guān)系復(fù)雜,可將現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行抽象、假設(shè),形成一個(gè)仿真系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行映射,建立實(shí)景模型,通過某一邏輯目標(biāo)的抽象假設(shè),更方便人們研究,發(fā)現(xiàn)本質(zhì)規(guī)律。但對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)物料關(guān)系的復(fù)雜程度,往往屬于離散型系統(tǒng)。對(duì)于復(fù)雜的離散系統(tǒng),無法得到相關(guān)的計(jì)算公式,但能得出符合邏輯和對(duì)應(yīng)的數(shù)字關(guān)系,此時(shí)就需要仿真以得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)字參考。
在鐵路橋梁工程中,BIM技術(shù)將結(jié)構(gòu)信息和實(shí)時(shí)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(chǎng)地信息的三維數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用,將橋梁設(shè)計(jì)、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(duì)大橋的各種信息作出正確理解和高效應(yīng)對(duì),使得各部門高效協(xié)同工作。仿真與BIM技術(shù)應(yīng)用于施工階段,模擬物料堆放、運(yùn)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(jìn)行建模,使施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可視化,真實(shí)呈現(xiàn)橋梁工程實(shí)際施工狀態(tài),模擬不同設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行方案比選。通過模型及時(shí)發(fā)現(xiàn)圖紙問題并及時(shí)更改,可極大提高圖紙質(zhì)量,從而減少設(shè)計(jì)差錯(cuò)漏項(xiàng)及物料的浪費(fèi)。利用Navisworks軟件對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查,對(duì)沖突點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化及修改,可大幅度減少材料尺寸錯(cuò)誤等問題,從而能加快施工進(jìn)度。以某鐵路橋梁工程為例,將施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置圖轉(zhuǎn)化為實(shí)景模型,如圖2所示。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)大臨設(shè)施位置進(jìn)行方案比選,最終優(yōu)化場(chǎng)地布置,如圖3所示。
圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置
基于鐵路橋梁工程空間有限的特點(diǎn),材料、機(jī)械設(shè)備與施工過程存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系,而信息的延后、資源的浪費(fèi)、進(jìn)度的落后均體現(xiàn)了各環(huán)節(jié)精益化程度不高。機(jī)械配置、材料配置及作業(yè)節(jié)拍三個(gè)部分則成為資源利用率、現(xiàn)場(chǎng)管理的約束條件,如圖4所示。
圖4 信息約束條件
3.4.1 機(jī)械配置
(1)運(yùn)輸過程
將物料入庫(kù)或從庫(kù)中送至目的地,都需通過運(yùn)輸來完成。物料運(yùn)輸需有合理的調(diào)度計(jì)劃、路徑安排及場(chǎng)地規(guī)劃等信息的協(xié)調(diào),而在實(shí)際運(yùn)輸過程中,經(jīng)常出現(xiàn)由于信息流通不充分導(dǎo)致設(shè)備窩工、迂回等現(xiàn)象。通過獲取物料流向信息、優(yōu)化運(yùn)輸路線及縮短運(yùn)輸距離,可實(shí)現(xiàn)物料的合理調(diào)度。
(2)裝卸過程
裝卸是物料運(yùn)輸?shù)纳舷露私涌?,根?jù)物料庫(kù)存需求信息(需求品種、數(shù)量及使用時(shí)間)將物料裝車運(yùn)輸為上端接口,根據(jù)物料信息(物料品種、數(shù)量、到達(dá)時(shí)間)將運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)的物料卸至庫(kù)中為下端接口。通過對(duì)物料裝卸信息的調(diào)度,可優(yōu)化物料對(duì)接時(shí)間、降低裝載搬運(yùn)作業(yè)量。
(3)運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)拍
機(jī)械設(shè)備的選擇和供應(yīng)是確保該工程施工進(jìn)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(yùn)的設(shè)備為履帶吊、龍門吊、塔吊、天泵及混凝土罐車等。由于容納機(jī)械設(shè)備的活動(dòng)空間有限,需根據(jù)工程特點(diǎn)、施工部署及進(jìn)度計(jì)劃,對(duì)機(jī)械設(shè)備的出入場(chǎng)時(shí)間做出計(jì)劃,同時(shí)按照安全規(guī)范、物料計(jì)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(jìn)程更加穩(wěn)定、高效、安全。模擬施工現(xiàn)場(chǎng)吊車轉(zhuǎn)運(yùn)鋼筋過程,如圖5所示,通過對(duì)運(yùn)輸機(jī)械的選擇與具體路徑規(guī)劃、設(shè)計(jì),使物料計(jì)劃與運(yùn)輸系統(tǒng)按施工要求得到合理配置,提高整體運(yùn)輸、裝卸、運(yùn)轉(zhuǎn)效率,圖6所示為吊車運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。
圖5 鋼筋吊裝模擬
圖6 吊車運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)
3.4.2 材料配置
(1)需求計(jì)劃
利用信息化技術(shù)對(duì)鐵路橋梁工程場(chǎng)景進(jìn)行建模。首先,通過模型數(shù)據(jù)采集及工程量計(jì)算,導(dǎo)出材料明細(xì)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(jìn)行碰撞檢查,發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)反饋至設(shè)計(jì)院,提出變更意見,同時(shí)按照變更情況,及時(shí)調(diào)整材料清單。最后,將施工進(jìn)度做相對(duì)應(yīng)的調(diào)整,按需進(jìn)行材料規(guī)劃。信息隨時(shí)更新,隨時(shí)反饋,從而降低材料浪費(fèi)的可能性。并可將相關(guān)信息生成二維碼,方便現(xiàn)場(chǎng)人員隨時(shí)通過移動(dòng)端設(shè)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(chǎng)的實(shí)時(shí)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(jìn)場(chǎng)、材料變更、未開工、已完工等,如圖7所示。通過施工實(shí)際進(jìn)度反應(yīng)物料消耗狀況,并與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行比較,對(duì)產(chǎn)生的偏差進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的解決措施。
圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)
(2)存儲(chǔ)方式
信息的本質(zhì)特點(diǎn)是流程化,使事物變得有序。真實(shí)完整且及時(shí)有效的物料信息對(duì)庫(kù)存管理尤為重要。鐵路橋梁工程物料庫(kù)存的信息傳遞路徑如圖8所示。
圖8 庫(kù)存信息傳遞路徑
對(duì)于物料而言,若鐵路橋梁工程的材料需求完全確定、各個(gè)供應(yīng)環(huán)節(jié)能無縫連接,理論上可實(shí)現(xiàn)“零庫(kù)存”目標(biāo)。將材料、機(jī)械、施工作業(yè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)后,對(duì)材料進(jìn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)及施工作業(yè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,以施工節(jié)段為單位做出相應(yīng)物料管理計(jì)劃。根據(jù)物料管理計(jì)劃調(diào)度原材料、半成品和成品等進(jìn)場(chǎng)。將施工節(jié)段所需物料按照施工步驟及種類數(shù)量進(jìn)行堆放,施工現(xiàn)場(chǎng)材料堆放方式如表3所示。
表3 施工現(xiàn)場(chǎng)材料堆放方式對(duì)比
通過比對(duì)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(chǎng)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(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械等對(duì)應(yīng)材料、模型信息存儲(chǔ)于二維碼中,通過掃描二維碼,可快速準(zhǔn)確獲取構(gòu)件安裝、變更信息,并可實(shí)時(shí)進(jìn)入后臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行更新修改?,F(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便,管理層數(shù)據(jù)無延時(shí),可快速高效地進(jìn)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(biāo)識(shí)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?yàn)椋菏┕?zhǔn)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(gè)施工過程都存有相對(duì)應(yīng)的工程進(jìn)度計(jì)劃表及具體施工方案。每個(gè)施工步驟均存在時(shí)間目標(biāo),需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成固有的生產(chǎn)計(jì)劃,根據(jù)三維模型模擬施工進(jìn)度,制定高效合理的施工計(jì)劃及相應(yīng)人材機(jī)進(jìn)場(chǎng)計(jì)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(jī)械進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃,若項(xiàng)目管理層間信息不流通,更會(huì)加劇信息缺失或延時(shí)現(xiàn)象的產(chǎn)生,故信息的時(shí)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(shí)反饋,生成相關(guān)報(bào)表等變更信息,并及時(shí)反饋給技術(shù)人員,對(duì)模型進(jìn)行修改,將變更用顏色區(qū)分開來,并及時(shí)修訂作業(yè)計(jì)劃。圖11,12所示為塔柱施工過程進(jìn)度計(jì)劃,可將虛擬仿真動(dòng)畫關(guān)聯(lián)進(jìn)度計(jì)劃,實(shí)時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度,并調(diào)整仿真過程,將變更構(gòu)建用顏色顯隱動(dòng)畫表示,呈現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。
圖11 塔柱施工進(jìn)度計(jì)劃
圖12 動(dòng)畫仿真模擬
物料管理過程,實(shí)則也是PDCA循環(huán)(計(jì)劃(Plan)-實(shí)施(Do)-檢查(Check)-處理(Action))的過程,環(huán)環(huán)銜接,步步緊扣。減少錯(cuò)誤率、降低庫(kù)存、優(yōu)化加工程序、“零”轉(zhuǎn)運(yùn)、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(diǎn)。
首先需設(shè)定管理目標(biāo),確定庫(kù)存天數(shù)、存儲(chǔ)物資、評(píng)估物料交付能力及相應(yīng)數(shù)量,從而確定庫(kù)存周轉(zhuǎn)率及準(zhǔn)時(shí)交貨率。分析其中可優(yōu)化步驟,并實(shí)施于仿真技術(shù)中,根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯及軟件自帶計(jì)算功能進(jìn)行仿真分析,從而將優(yōu)化結(jié)果量化,可精準(zhǔn)獲取其優(yōu)化程度(計(jì)劃值)。最后將施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與計(jì)劃值進(jìn)行對(duì)比,定期評(píng)估,做好事前、事中、事后控制,細(xì)分工作使管理流程更加精準(zhǔn)細(xì)致,對(duì)不足之處實(shí)時(shí)改進(jìn),實(shí)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
以鐵路橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)物料管理為研究點(diǎn)出發(fā),對(duì)其信息傳遞方式、現(xiàn)場(chǎng)組織關(guān)系及現(xiàn)有管理方法進(jìn)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(yùn)輸與存儲(chǔ)周期,降低庫(kù)存積壓、減少物料管理中材料的丟失及浪費(fèi);量化物料數(shù)量、機(jī)械計(jì)劃、作業(yè)節(jié)拍等,使管理流程可追溯。其重點(diǎn)為關(guān)注管理流程及關(guān)鍵控制點(diǎn),使信息迅速流動(dòng)、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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信息傳遞、準(zhǔn)確的庫(kù)存安排、準(zhǔn)確的需求預(yù)測(cè)、準(zhǔn)確的施工所需物料等,從而提高管理者決策效率。其應(yīng)用成效及不足之處如下:
(1)直接效益:1)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間幾何沖突檢查;2)對(duì)系統(tǒng)功能、施工步驟進(jìn)行預(yù)判;3)通過施工空間模擬合理控制安裝空間;4)優(yōu)化場(chǎng)地布置方案及施工方案。
(2)間接效益:1)積累了大量族庫(kù)及仿真案例,為其他項(xiàng)目提供了數(shù)據(jù)支持;2)提高各層級(jí)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(zhǔn)確,從而提高工程質(zhì)量;4)為后期運(yùn)維階段提供重要數(shù)據(jù)來源。
(3)不足之處:1)此方法對(duì)軟硬件要求極高,對(duì)模型的處理、流暢度方面仍需改進(jìn);2)鐵路橋梁施工工序冗雜,對(duì)其全過程施工動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示、物料管控仍存在一定難度,仍需在當(dāng)前基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究?jī)?yōu)化。