变电站工程施工进度管理关系着整个施工工程的效益和质量, 加强工程施工进度优化水平, 能有效提高施工效率, 缩短工期, 在工期紧张的项目里意义重大。传统的施工进度优化方法中采用施工进度管理软件如project进行施工进度计划编制, 并由生成的网络图进行进度优化。但施工计划编制前期工程量统计任务繁重, 且无法准确描述施工进度以及各种复杂关系。BIM (building information modeling, 建筑信息模型) 可以实现模型信息化、施工进度可视化模拟。结合BIM技术与传统的施工进度管理技术, 可以提高施工进度优化水平, 缩短工期。目前, 许多学者探索研究了应用于施工进度管理的BIM技术^[1,2,3]。

虽然, 国内的一些实例项目已经利用BIM建模软件 (如Revit等) 建立三维模型, 但进度计划和三维模型是分离的, 它们不仅未能实现BIM技术与传统进度管理技术的真正结合, 也没有准确表达随时间轴动态变化的实际施工过程, 这使得BIM技术未能有效参与进度优化。本文通过高装配率变电站项目, 探究了BIM技术应用于施工进度优化的具体实施方法, 通过BIM技术和传统进度优化方法的有效结合, 提高进度优化水平。对于一些实际工程尤其是变电站项目中BIM在施工进度计划优化方面的具体实施过程具有一定的借鉴作用。

1) BIM技术是在CAD技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术, 与传统的二维平面模型相比, BIM更具直观性, 可以实现建筑信息在项目全生命周期、各参与方的共享, 提高了工作效率。

2) BIM是建筑设施数字化表示技术, 在计算工程量时, 由于BIM模型中的构件具有真实的属性 (包括几何属性和物理属性) , 因而可以实现快速的自动统计^[4], 不仅提高了工程量统计的效率和精度, 还减轻了进度计划的负担。

3) 基于BIM技术的进度管理过程中, 可对施工过程进行4D模拟, 即对进度计划的编制过程和优化过程进行模拟分析, 进而预见计划执行中可能存在的问题, 并能及时调整。动态的施工计划模拟实现了可视化的进度优化。

高装配率变电站具有工业化程度高的特点, 其中可实现装配化的构件包括综合设备室的预制外墙板、预制内墙板、预制钢框架结构、预制结构基础, 以及室外场地的装配式道路、装配式围墙、屋外配电场地的预制结构基础等。通过BIM建模软件 (Revit) 的精细化建模, 项目里的预制构件能够通过模型真实反映, 并由此直接生成构件明细表, 为后期工程量的准确提取和进度计划制定奠定基础。

为后期实现项目的4D模拟, 施工进度计划与三维模型应形成关联对应关系。三维模型的最小单元和分段施工方案中的施工段应完全一致, 即三维模型的最小单元应与进度计划中的最小WBS级别 (施工段) 一致^[5]。所以, 对三维模型的各个构件进行统一编码, 从而建立一个实现二者联动的统一标准。目前变电站项目编码体系尚无国家标准或者行业标准要求。因此, 根据变电站施工实际建立编码体系即可。

施工进度计划是实现施工进度控制的依据, 从而实现对项目施工工期的管理。其编制过程受到了各施工段逻辑顺序、各分部分项工程的工程量、资源供给情况等的约束。

BIM信息化模型的应用可以减轻进度计划编制的负担。传统工程计量要先将建筑师绘制的图纸数字化, 再将其CAD图纸导入软件中进行人工计算, 这种方法效率低下, 且容易增加人为出错的风险。基于BIM的三维空间模型集成了变电站项目的几何模型、功能要求、各预制构件性能等信息。并由此生成各构件的明细表, 再通过BIM平台的工程算量软件将数据进行整理, 可直接精确计算出各材料的用量和各分项工程的工程量;并可依据各个施工段的划分计算出相应的工程量。项目管理者在编制进度计划时, 利用工程量并结合劳动量和机械台班数量可以估算出各项工作的作业时间, 再参考其他类似规模的变电站项目的经验和历史信息, 最终达到各分部分项工程工期估算的目的^[6]。基于BIM的进度计划编制的流程为:BIM模型→提取工程量→确定劳动量和机械台班数→初步估算各项工作作业时间→参考类似项目经验, 确定各项工作作业工期。

各阶段作业工期估算完成后, 按照各阶段作业间的逻辑关系和各作业的持续时间, 结合网络计划技术, 绘制网络图, 找出关键线路。在人力、材料、设备等资源有保证的前提下, 通过压缩关键工作的持续时间, 以达到优化进度、缩短工期的目的^[7]。最后, 利用Project 2007软件完成施工进度计划的编制。

将revit建立的变电站三维模型和Project创建的进度计划, 分别导入Navisworks软件中^[8]。在Navisworks中, 由Timeliner模块实现进度模拟, 由于前期统一编码的工作准备, 可快速将各施工段对应的构件与相应的进度子计划进行动画关联, 由此, 即可完成进度计划与BIM模型的交互, 实现基于BIM技术的施工4D虚拟建造过程。基于BIM的4D施工进度模拟具有以下特点。

1) 4D进度模拟能够直观地展示整个施工过程, 从而为项目管理者提供三维可视化的平台, 使施工过程可视管理化成为可能。

2) 实现了3D参数化模型与Project文件中数据的完全对接, 从而保证了施工现场管理与施工进度在时间和空间上协调一致, 能够有效地帮助项目管理者更加合理地进行施工组织和施工场地布置, 并且根据进度要求优化分配人、材、机等各种资源, 以此进一步优化进度计划。

3) 4D进度模拟不但可以模拟整个项目的施工过程, 还可以对复杂技术方案的施工过程和进度进行模拟。4D进度模拟实现施工方案可视化交底, 避免了由于语言文字和二维图纸交底引起的理解分歧和信息错漏等问题。

较之纯文本的传统进度优化方法, 基于BIM的4D施工模拟, 项目管理者可在项目建造前对施工全过程进行动态预演, 将施工现场的材料堆放、机械设备运作情况直观地表现出来, 真实展示施工项目的各里程碑节点的情况, 通过动态的演示来审核和优化施工逻辑, 从而提高优化效率, 缩短工期。例如, 通过4D模拟, 直观考察项目建造过程中平行交叉施工的可能, 优化施工组织, 修改进度计划, 再利用网络图重新确定关键线路, 计算判断关键线路工期是否缩短, 由此提高进度优化的效率。其优化思路:BIM模型→4D模拟→发现优化空间→修改进度计划→进度优化。

以蒙东太平庄220k V变电站工程为例, 根据蒙东通辽市历年的基本气候情况可知, 每年5—9月为正常施工时间, 施工期仅5个月, 工期较短, 加之蒙东通辽市地区全年降水量不均 (通辽市科尔沁区降雨集中在夏季, 最大值在7月) , 因此除去雨季影响施工, 有效施工的时间仅为4~5个月, 不能满足常规变电站的土建施工, 若要延长施工时间, 需要投入大量的冬季施工措施及费用, 且施工质量也不容易得到保证。因此, 结合高装配率的变电站设计, 应用BIM技术进行施工进度和工期优化, 提高优化效率, 则显得尤为重要。

将二维CAD图纸导入Autodesk的Revit, 建立该变电站项目的三维模型, 如图1所示。

依据变电站模型的明细表进行工程量精确统计。基于BIM模型, 直观地进行施工方案设计, 对施工场地布置进行模拟, 如施工机械的布置等, 如图2所示。

基于BIM模型和生成的工程量清单, 结合劳动量和机械台班数量可以估算出各项工作的作业时间, 再参考其他类似规模的变电站项目的经验和历史信息, 最终得到各分部分项工程工期的估值, 如表1所示。

根据表1各阶段作业间的逻辑关系, 绘制网络图, 如图3所示。确定关键线路为 (1) → (2) → (3) → (4) → (5) → (6) → (11) → (12) → (17) → (18) → (19) → (21) → (22) , 计算工期为138d。经压缩优化后的施工进度网络计划关键线路不变, 构支架基础、设备支架基础工期均改为30d, 计算工期为130d, 工期缩短8d。最后, 将最终计划写入Project2007。

利用Navisworks选择树功能与集合功能对已经按照施工段编码过的构件进行集合定义, 再利用Timeliner功能对构件以集合的形式与导入的Project进度计划进行时间排序上的关联, 实现变电站项目施工过程的动态模拟。

通过对变电站施工过程进行反复的4D虚拟建造, 直观选择最合适的施工方案, 包括场地布置、机械进出场路线等, 并考虑施工中的平行、交叉等作业, 重新编排更加合理的进度计划。例如, 在该变电站的4D模拟中发现, 可将道路分为2部分进行施工, 先施工中间道路路基, 工期5d, 即可进行构支架和综合楼施工, 周边道路可与其他部分平行施工。经优化后的网络计划如图4所示, 关键线路改为 (1) → (2) → (3) → (5) → (6) → (7) → (8) → (12) → (17) → (18) → (19) → (20) → (21) → (23) → (24) , 关键线路工期缩减为119d, 与原计划相比缩短11d, 达到了进度优化的目的。

高装配率变电站项目具有大量预制构件, BIM信息化“构件模型”集成了预制构件的全部属性信息, 可快速且准确地生成工程量清单, 从而提高各作业段工作时间估计的效率和精确度。4D模拟建造作为变电站项目进度控制的重要手段, 其施工过程的动态模拟和立体化管理思路, 可进一步优化进度计划。利用BIM技术的优势, 结合传统进度管理方法, 可有效帮助进度优化, 缩短工期。