原 媛，謝開云，吳雙飛

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

建筑業(yè)經(jīng)歷了信息化階段，正處于數(shù)字化階段并向著智能化方向發(fā)展[1]。在這樣的大背景下，提高水工建筑領(lǐng)域的建設(shè)信息化、數(shù)字化、智能化的需求更為迫切[2-3]。高樁碼頭作為一種重要的水工建筑形式，其規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件雜且多[4]，對(duì)其進(jìn)行施工優(yōu)化研究具有較高的專業(yè)性，而且優(yōu)化施工進(jìn)度的同時(shí)還要考慮施工費(fèi)用的制約，尋求工期和成本均衡的優(yōu)化方法，獲得施工進(jìn)度的最優(yōu)安排，提高碼頭的建設(shè)水平。此外，高樁碼頭施工通常具有工程量大、工期長(zhǎng)、施工工藝復(fù)雜、水上作業(yè)多、參與單位多、受風(fēng)浪因素影響較大的特點(diǎn)[5]。這些都給高樁碼頭的施工管理帶來(lái)困難，各單位間工程信息容易缺乏協(xié)調(diào)、流通效率低、對(duì)最新動(dòng)態(tài)把握不及時(shí)、信息的時(shí)效性差，從而影響工程進(jìn)度，造成資源閑置和浪費(fèi)。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)作為最前沿的理念常被用于施工進(jìn)度優(yōu)化中，如張建平等[6]開發(fā)基于BIM的高速公路4D建設(shè)動(dòng)態(tài)可視化管理系統(tǒng)，對(duì)整體路線的宏觀管理、工程標(biāo)段中觀管理、隧道或路橋的精細(xì)管理都實(shí)現(xiàn)了施工模擬、進(jìn)度管理、資源管理、實(shí)時(shí)查詢、歷史查詢等功能；林佳瑞等[7]建立施工資源配置自動(dòng)仿真模型與模擬退火算法相結(jié)合，并以鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程為例，驗(yàn)證該方法在資源-進(jìn)度優(yōu)化的可行性；王永泉等[8]基于BIM技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃法、遺傳算法建立鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程的施工進(jìn)度-費(fèi)用優(yōu)化體系，得到最佳進(jìn)度安排計(jì)劃；畢磊等[9]建立高樁碼頭5D-BIM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速工程量測(cè)算和實(shí)時(shí)進(jìn)度四維動(dòng)態(tài)顯示；吳尊奇等[10]通過(guò)可視化的施工模擬直觀展示設(shè)計(jì)模型和施工安排，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員在移動(dòng)端填報(bào)實(shí)際開始與結(jié)束時(shí)間實(shí)現(xiàn)施工動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制；王帥等[11]研究BIM技術(shù)在碼頭工程設(shè)計(jì)施工一體化中的應(yīng)用，通過(guò)BIM模型實(shí)現(xiàn)高效溝通，利用BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行施工虛擬建造。

目前，盡管BIM技術(shù)在我國(guó)施工進(jìn)度優(yōu)化管理領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定成果，但研究與應(yīng)用多集中在建筑業(yè)領(lǐng)域，在水工建筑領(lǐng)域的應(yīng)用較少。而且大部分水工建筑領(lǐng)域的進(jìn)度優(yōu)化多為可視化模擬，如碰撞檢查、虛擬建造，既缺乏優(yōu)化理論支持，也難以定量分析優(yōu)化結(jié)果。因此有必要針對(duì)高樁碼頭的施工特點(diǎn)及信息化施工管理需求，尋求信息化管理技術(shù)和工程項(xiàng)目?jī)?yōu)化理論相結(jié)合的方法，開展高樁碼頭施工進(jìn)度優(yōu)化的信息化研究，對(duì)BIM技術(shù)在水工建筑領(lǐng)域智能化施工綜合管理的應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 創(chuàng)建高樁碼頭BIM模型

通過(guò)建立高樁碼頭的構(gòu)件族庫(kù)，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行碼頭主體、附屬設(shè)施和周邊場(chǎng)景的三維建模，不僅能夠直觀展現(xiàn)碼頭樣貌，有助于理解設(shè)計(jì)意圖，而且模型中還包含構(gòu)件幾何尺寸，后續(xù)還可賦予材料、成本、施工工期等工程信息，為施工進(jìn)度優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

高樁碼頭構(gòu)件的特殊性和復(fù)雜性要求設(shè)計(jì)人員自行構(gòu)建碼頭主體構(gòu)件和附屬設(shè)施構(gòu)件的對(duì)應(yīng)族庫(kù)，如圖1所示。

圖1 高樁碼頭主體和附屬設(shè)施族庫(kù)

布置好軸網(wǎng)和高程后，調(diào)用已建立的構(gòu)件族插入到對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)碼頭整體的快速精準(zhǔn)布置，最終的三維效果如圖2所示。

圖2 碼頭三維建模最終效果

2 施工進(jìn)度優(yōu)化目標(biāo)模型的建立

2.1 施工進(jìn)度優(yōu)化函數(shù)

工程項(xiàng)目的施工總成本包括直接成本CD和間接成本CI，與工期的關(guān)系如圖3所示，其中P點(diǎn)代表施工總成本的最低點(diǎn)，也就是項(xiàng)目施工進(jìn)度優(yōu)化所要尋找的最優(yōu)方案對(duì)應(yīng)的函數(shù)最優(yōu)點(diǎn)。

圖3 成本-工期關(guān)系曲線

施工的直接成本一般取決于人力、物力資源的提供量。如果要求縮短施工工期，則需要投入更多的人力、物力，直接成本CD隨之增加，但由于人力和物力資源的總量一定，當(dāng)總工期縮短到一個(gè)極限值Tlimit，將不再能夠通過(guò)增加成本的方式繼續(xù)縮短，此時(shí)對(duì)應(yīng)于施工正常成本Cnormal；反之，若要求降低直接成本，則工期將延長(zhǎng)，但當(dāng)成本降低到極限Climit時(shí)將無(wú)法降低，此時(shí)對(duì)應(yīng)正常工期Tnormal。假設(shè)每個(gè)工序的直接成本與其工期呈二次函數(shù)關(guān)系，如圖4所示，該二次函數(shù)曲線最低點(diǎn)坐標(biāo)為(Tnormal，Cnormal)，同時(shí)經(jīng)過(guò)點(diǎn)(Tlimit，Climit)。

圖4 直接成本-工期關(guān)系曲線

(1)

由圖4可得ai、bi、ci的表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

施工的間接成本主要包括項(xiàng)目管理費(fèi)、雇員薪資等固定費(fèi)用，假設(shè)為每日固定。所以間接成本CI為：

CI=cIT

(5)

式中：T為總工期；cI為每日的間接費(fèi)用。

根據(jù)以上假設(shè)，建立工期-成本優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以目標(biāo)函數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)：

(6)

式中：N為項(xiàng)目的總工序數(shù)目。

2.2 施工進(jìn)度優(yōu)化約束條件

1)假設(shè)工程施工的各個(gè)關(guān)鍵施工步驟不間斷進(jìn)行，且承包方投入的資金、人力足夠支持進(jìn)行合理范圍內(nèi)的施工優(yōu)化。

3 施工進(jìn)度優(yōu)化算法

3.1 QPSO算法流程

采用量子粒子群優(yōu)化(quantum particle swarm optimization，QPSO)算法對(duì)該高樁碼頭主體施工進(jìn)度進(jìn)行優(yōu)化。量子粒子群優(yōu)化算法[12-13]是一種基于群體智能的全局隨機(jī)搜索算法，其認(rèn)為粒子以一定的概率密度出現(xiàn)在空間任何點(diǎn)處，并以波函數(shù)描述粒子的狀態(tài)，波函數(shù)模平方是粒子出現(xiàn)的概率密度。因此粒子可在整個(gè)可行解空間中搜索，尋找全局最優(yōu)解。與基本粒子群算法相比，QPSO算法在解空間中尋求最優(yōu)解的能力更強(qiáng)。

QPSO算法的流程為：在以工序總數(shù)目N為維度的搜索空間中，假設(shè)有M個(gè)代表工期-成本最優(yōu)組合的潛在解所組成的群體X={X1，X2，…，XM}。

算法迭代到第t步時(shí)，第j個(gè)潛在解的工期為：

Xj(t)=[Xj，1(t)，Xj，2(t)，…，Xj，N(t)](j=1，2，…，M)

(7)

根據(jù)式(1)可得第j個(gè)潛在解的直接成本值。

在第j個(gè)潛在解的搜索經(jīng)驗(yàn)中找到的最優(yōu)工期組合稱為個(gè)體經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)位置，即：

Pj(t)=[Pj，1(t)，Pj，2(t)，…，Pj，N(t)]

(8)

將第t次迭代和t-1次迭代得到的工期組合代入式(6)計(jì)算對(duì)應(yīng)的總成本值，使總成本更小的工期組合就是第j個(gè)潛在解的個(gè)體經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)工期組合，為：

(9)

所有潛在解中使得總成本最小的工期組合即為群體全局最優(yōu)工期組合，稱作群體全局最優(yōu)位置，即：G(t)=[G1(t)，G2(t)，…，GN(t)]，由式(10)確定：

G(t)=Pg(t)

(10)

式中：g為代表全局總成本值最小的工期組合的位置，g∈{1，2，…，M}。

下面給出潛在解的更新公式：在每一個(gè)工序的搜索空間中，第j個(gè)潛在解依概率收斂于局部吸引子pj，i(t)。該局部吸引子以一定概率出現(xiàn)在個(gè)體經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置之間的任何一處。pj，i(t)的計(jì)算公式為：

pj，i(t)=φi·Pj，i(t)+[1-φi]·Gi(t)

(11)

式中：pj，i(t)為第t次迭代中第i項(xiàng)工序第j個(gè)潛在解搜索到的最優(yōu)工期組合；Gi(t)為第t次迭代中第i項(xiàng)工序M個(gè)潛在解中最優(yōu)工期組合；φi為(0，1)之間的隨機(jī)數(shù)。

潛在解的更新公式：

Xj，i(t+1)=pj，i(t)±β|Ci(t)-Xj，i(t)|·

ln[1/uj，i(t)]

(12)

式中：uj，i(t)為(0，1)之間的隨機(jī)數(shù)；b為擴(kuò)張-收縮因子，用于控制算法的收斂速度，常采用線性減小的取值策略，計(jì)算公式見(jiàn)式(13)；Ci(t)為當(dāng)前群體所有個(gè)體最優(yōu)平均位置，其定義見(jiàn)式(14)。

(13)

式中：MAXITER為人為設(shè)定的總迭代次數(shù)。

(14)

3.2QPSO算法的執(zhí)行過(guò)程

步驟1：導(dǎo)入工程項(xiàng)目原始的成本、工期數(shù)據(jù)，設(shè)置潛在解個(gè)數(shù)為M、總迭代次數(shù)MAXITER、算法運(yùn)行次數(shù)。

步驟2：初始化N項(xiàng)工序的工期X(0)，個(gè)體經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)工期組合P(0)和群體全局最優(yōu)工期組合G(0)。考慮優(yōu)化工期的約束條件，隨機(jī)生成M種工期組合，且每個(gè)工序的初始工期應(yīng)處于極限工期和正常工期之間。根據(jù)式(6)分別計(jì)算這M種工期組合的總成本值，總成本值最小的那組粒子是當(dāng)前的群體全局最優(yōu)工期組合。

步驟3：采用式(11)得到隨機(jī)點(diǎn)的位置，采用式(12)計(jì)算群體平均最優(yōu)位置Cj(t)。

步驟4：由式(12)對(duì)M種工期組合進(jìn)行1次迭代更新。

步驟5：更新后，根據(jù)式(6)計(jì)算當(dāng)前M種工期組合的總成本值，并與前一次迭代的總成本值作比較，由式(9)確定Pj(t)。

步驟6：采用式(10)確定當(dāng)前群體全局最優(yōu)工期組合，并與前一次迭代結(jié)果作比較，使得總成本值更小的工期組合作為群體全局最優(yōu)位置。

步驟7：重復(fù)步驟3～6，直到滿足循環(huán)結(jié)束條件，即QPSO算法運(yùn)行次數(shù)達(dá)到設(shè)定值。

4 施工信息

本文以某高樁梁板式碼頭主體施工過(guò)程作為施工進(jìn)度優(yōu)化的研究對(duì)象。碼頭施工過(guò)程和施工工藝共分為10個(gè)關(guān)鍵步驟，假設(shè)各個(gè)步驟不間斷進(jìn)行，如圖5所示。

圖5 碼頭施工工序

基于BIM技術(shù)構(gòu)建的項(xiàng)目三維模型自帶各構(gòu)件的工程信息，可導(dǎo)出各構(gòu)件的明細(xì)表，再借助BIM工程量計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。預(yù)算人員根據(jù)軟件得到的工程量和材料用量，結(jié)合直觀的三維模型，在理解圖紙的前提下估算各項(xiàng)工序的成本和工期。而當(dāng)設(shè)計(jì)變更時(shí)，由于BIM技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)勢(shì)，模型數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)更新。將BIM技術(shù)應(yīng)用于進(jìn)度計(jì)劃編制，使得信息在設(shè)計(jì)人員和預(yù)算人員之間透明流暢地交互，提高了數(shù)據(jù)收集、匯總和共享的效率和準(zhǔn)確性。

考慮到碼頭體量巨大，而每段結(jié)構(gòu)基本相同，因此本文在優(yōu)化過(guò)程中將碼頭主體施工分為4個(gè)相同的分段進(jìn)行，取碼頭主體結(jié)構(gòu)的1/4段作為項(xiàng)目施工進(jìn)度優(yōu)化的對(duì)象。

在進(jìn)行優(yōu)化前，碼頭主體中10項(xiàng)施工工序的施工工期與成本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?？梢钥闯?，間接成本為2萬(wàn)元/d，碼頭1/4主體的正常工期為372 d。

表1 碼頭1/4主體施工優(yōu)化前的工期與成本

5 優(yōu)化結(jié)果分析

將工期和成本數(shù)據(jù)導(dǎo)入算法，根據(jù)多次調(diào)試，設(shè)定潛在解個(gè)數(shù)M為50，總迭代次數(shù)MAXITER設(shè)為120，QPSO算法運(yùn)行次數(shù)為10。得到的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值與迭代次數(shù)之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)大于80時(shí)，目標(biāo)函數(shù)趨于一個(gè)定值，為900.3萬(wàn)元，而在迭代次數(shù)達(dá)到20次時(shí)，總成本已經(jīng)優(yōu)化至901萬(wàn)元以下，由此可見(jiàn)量子粒子群算法能以較少的迭代次數(shù)快速靠近最優(yōu)值，在施工進(jìn)度優(yōu)化問(wèn)題中有著顯著優(yōu)勢(shì)。

圖6 總成本值-迭代次數(shù)關(guān)系

基于該算法，給出碼頭1/4主體優(yōu)化后的施工工期與成本信息見(jiàn)表2，碼頭1/4主體優(yōu)化前后各項(xiàng)工序的總成本與工期對(duì)比見(jiàn)圖7。

表2 碼頭1/4主體施工優(yōu)化后的工期與成本

圖7 優(yōu)化前后各項(xiàng)工序的總成本和工期的對(duì)比

對(duì)比表1、2可知，碼頭1/4主體優(yōu)化前的正?？偣て跒?72 d，正常工期條件下的碼頭1/4主體的施工總成本為980.0萬(wàn)元。而優(yōu)化后的總工期為302 d，施工總成本降為900.3萬(wàn)元，與原正常工期相比縮短了70 d，施工成本減少了79.7萬(wàn)元。

對(duì)于具體的施工步驟，優(yōu)化效果最明顯的是預(yù)制面板安裝，其施工工期縮短了20 d，這是由于該工期持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，出現(xiàn)預(yù)制速度和堆場(chǎng)存貨能力與施工進(jìn)度不匹配等問(wèn)題的概率因此增大，且水上施工的工期受風(fēng)浪等環(huán)境因素的影響很大，這對(duì)于施工工期的預(yù)先設(shè)置造成較大障礙。而項(xiàng)目中基于BIM模型的施工進(jìn)度優(yōu)化方案，不僅可以在工程開展之前盡可能對(duì)上述影響因素進(jìn)行充分預(yù)演，幫助選擇最穩(wěn)妥的施工方案，而且可以在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中通過(guò)動(dòng)態(tài)更新項(xiàng)目環(huán)境參數(shù)以及項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用優(yōu)化算法及時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)度安排，確保項(xiàng)目全生命周期的進(jìn)度最優(yōu)化。例如，通過(guò)對(duì)預(yù)制面板合理分片，或根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際環(huán)境因素合理選用對(duì)惡劣突發(fā)天氣適應(yīng)度更高但造價(jià)更低的吊裝工藝[14]、駕橋機(jī)[15]、面板結(jié)構(gòu)形式[16]等措施，縮短計(jì)劃面板澆筑的工期，可以在保證工程質(zhì)量的前提下有效提高施工效率。

此外，該優(yōu)化模型不僅適用于本高樁碼頭工程，還可在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他水工建筑的工程實(shí)際情況進(jìn)行模型的拓展和升級(jí)，為水工建筑工程的施工最優(yōu)化提供解決方案。

6 基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度管理

6.1 4D模型建立

傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理通常采用橫道圖、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖等方法，這些方法存在相互獨(dú)立性和共享交互不透明性的問(wèn)題[17]，不能表現(xiàn)復(fù)雜工序，而且當(dāng)實(shí)際工期和成本有所變化時(shí)，往往只能憑借施工管理人員的經(jīng)驗(yàn)察覺(jué)偏差、調(diào)控進(jìn)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的全局優(yōu)化和及時(shí)更新。而高樁碼頭的規(guī)模巨大、工序復(fù)雜、施工管理難度更大，亟需借助科學(xué)的優(yōu)化算法和BIM技術(shù)的信息化優(yōu)勢(shì)提高其施工進(jìn)度管理的時(shí)效性和透明性。

基于上述高樁碼頭的施工進(jìn)度優(yōu)化模型及優(yōu)化數(shù)據(jù)，進(jìn)一步采用與Revit軟件相匹配的施工模擬軟件BIMFILM進(jìn)行施工進(jìn)度管理，通過(guò)在三維模型中加入施工時(shí)間線，建立高樁碼頭4D施工模型。首先將Revit軟件中導(dǎo)出的高樁碼頭三維模型導(dǎo)入BIMFILM虛擬施工軟件，再根據(jù)施工工序?qū)Ω邩洞a頭構(gòu)件進(jìn)行分類管理，為各個(gè)工序構(gòu)件賦予動(dòng)畫指令和動(dòng)畫指令的起止時(shí)刻，展現(xiàn)碼頭施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的工程概況最終模型的施工管理界面如圖8所示。

圖8 碼頭最終模型的施工管理界面

6.2 4D模型優(yōu)勢(shì)

1)模擬施工全過(guò)程。施工前進(jìn)行施工進(jìn)度仿真模擬，高度還原各工序施工的順序與進(jìn)度，在考察進(jìn)度編排是否合理的同時(shí)，預(yù)先理解施工難點(diǎn)，有助于實(shí)際施工中對(duì)進(jìn)度的把控。

2)分析實(shí)際施工進(jìn)度的偏差。由4D施工模型可獲得任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)的施工三維模型，將實(shí)際施工情況與施工模型對(duì)比便可得到實(shí)際施工進(jìn)度的偏差?？刹捎迷黾訙箨P(guān)鍵工序和其后續(xù)工序的資源配置，或壓縮工序銜接時(shí)間等措施合理安排工程進(jìn)度。

3)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的快速動(dòng)態(tài)優(yōu)化管理。當(dāng)遇到突發(fā)狀況不得不延長(zhǎng)未完成工序的工期，或未完成工序的直接費(fèi)用有所變化時(shí)，比如材料價(jià)格漲跌、施工工藝改進(jìn)、機(jī)械設(shè)備更換，施工技術(shù)人員可將新的工期和成本數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)度優(yōu)化算法，根據(jù)優(yōu)化后的工期創(chuàng)建新的4D施工模型，全面安排施工進(jìn)度。此外，基于4D施工模型的動(dòng)態(tài)管理可以使各參建方實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目的最近施工進(jìn)度及施工方案，利于及時(shí)溝通，實(shí)現(xiàn)施工信息的多方交互和共享。

7 結(jié)語(yǔ)

1)BIM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)工程信息的無(wú)損傳遞，從編制進(jìn)度計(jì)劃到管理施工進(jìn)度，BIM技術(shù)都能貫穿其中，還能有效地解決工程項(xiàng)目各參與單位信息管理彼此獨(dú)立、時(shí)效性差及溝通效率低等問(wèn)題。

2)本文給出算法的計(jì)算式、流程及相應(yīng)的解釋，建立通俗易懂、互操性好的碼頭施工優(yōu)化模型，基于量子粒子群算法對(duì)高樁碼頭全生命周期的施工工期和成本進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證其良好的優(yōu)化效果。

3)綜合優(yōu)化算法、BIM模型和BIMFILM軟件，構(gòu)建引入時(shí)間參數(shù)的高樁碼頭施工進(jìn)度4D信息化管理方法，實(shí)現(xiàn)高樁碼頭建模和施工進(jìn)度的四維最優(yōu)化可視化管理。