进度管理在项目管理中的重要程度毋庸置疑, 进度计划编排和落实的不合理往往会产生工程投资超支、工期拖延等问题。王家远等收集了深港两地515个项目的合同工期和实际工期数据, 统计分析表明大多数项目都有不同程度的工期延误, 只有12.5%的项目没有延误, 工期延误项目的延误率绝大多数在40%内^[1]。陈耀明等运用模糊优先关系比较法对影响工期的因素进行量化计算, 得到10个导致工期延误的主要风险因素, 最主要的是工期设计和进度计划编排不合理^[2]。由此可见, 施工进度计划的编排工作急需优化提高。

传统手工编排方式受制于操作者的工程经验和主观能动性, 因此各种因素难以考虑周全, 造成设计方和施工方的信息断流。现在的工程体量越做越大、结构形式日益复杂, 传统低效易错的手工编排方式已无法满足庞大的需求。而且面对工程变更, 进度计划的修改任务繁重, 对编排人员造成很大负担。在此情景下, 进度计划的自动编排作为未来的发展趋势正逐步得到重视。

Han-Guk Ryu等建立了基于案例推理的施工规划模型^[3]。Jaehyun Park等重点研究了BIM元素分解结构 (element breakdown structure) 与进度计划任务分解结构 (work breakdown structure) 的匹配问题, 提出了解决框架^[4]。J.Melzner等建立了基于知识的系统来自动生成4D进度计划^[5]。胡文发等提出一种基于知识库的进度计划自动安排方法, 并通过在某高层建筑中的应用验证可用性^[6]。宋元斌等提出了若干种描述施工过程信息的时间逻辑, 实现了施工过程逻辑信息在IFC模型中的自动获得^[7]。近年来, BIM背景下的进度计划自动生成和4D-BIM技术成为研究的热点。王仁超等总结了目前各种自动生成方法的适用情况及存在问题, 认为建立统一标准和综合采用多种方法是今后发展的方向^[8]。王兰苗针对IFC文件展开研究, 提出了基于本体约束规则和遗传算法的进度计划自动生成方法^[9]。

将BIM技术引入进度计划编排中, 旨在建立能够进行智能推理自动编排进度计划的模型, 研究内容包括以下几点:分析进度计划传统编排过程的不足;创建模型实现进度计划自动编排;基于某教学实验大楼的案例展示。

一些进度管理的共性问题在不同项目中反复出现, 因为传统施工进度计划编排方式的局限性使进度管理在根源上有所欠缺。通过分析传统编排流程, 其不足如下。

1) 工作量大一般工程需查阅数十项图纸, 大型工程需上百项。编排过程中的工程量汇总、人力和资源计划安排都需要编排人员与项目其他部门沟通协作完成, 工作量大。

2) 协调性差现场施工存在大量手工操作和机械操作, 涉及劳动力安排、资源供给、材料堆放等多个方面。不同施工过程中施工技术和人力资源分配各不相同, 而进度计划的编排既需要保证工序间的合理搭接又需要保证流水组织、穿插施工。编排施工进度计划稍有疏忽就会造成施工流水的不协调^[10]。

3) 过于依赖经验每个项目都是唯一的, 类似项目经验的借鉴具有一定的主观性, 应用到特定项目容易出现预知外的错误^[11]。好的解决方式是有机组织类似经验, 形成专家知识库, 借助智能搜索进行推理, 减少仅靠人员经验造成的问题。

4) 动态调整能力差该调整往往在现场进度与理论进度出现较大偏差后进行, 偏差需要通过层层审批才能传达编排人员, 编排人员所做调整需要再进行1遍流程才能传回现场施工人员, 极大影响工作效率^[12]。

知识表达较常见的方式是产生式规则, 而知识关系最常见的是因果关系。且不同产生式规则之间可以联动, 即A规则导出的结果能与B规则的前置条件相吻合。若干条规则通过一定的原则进行组织形成交错复杂的规则网, 能够表达复杂的知识结构。

产生式规则的基本形式是如果-则结构 (IfThen) , 如表达梁板是否整体浇筑的2种不同结构施工方式:Rule1:If{梁板整浇}Then{Procedure1};Rule2:If{梁板不整浇}Then{Procedure2};Procedure1:{定位放线→柱模板安装→柱钢筋绑扎→柱浇筑→梁板模板安装→梁板钢筋绑扎→梁板浇筑};Procedure2:{定位放线→柱模板安装→柱钢筋绑扎→柱浇筑→梁模板安装→梁钢筋绑扎→梁浇筑绑扎→预制板安装}。

每个产生式规则是一个内聚的知识块, 每个知识块可在不影响整体结构的条件下独立进行修改, 不同于一阶逻辑谓词必须要求的准确知识, 模糊知识的表示和匹配可以用产生式规则表达, 但同时也对知识的组织和管理水平更高、更严格。由于产生式规则简单易懂, 可阅读性比一阶逻辑谓词的符号高, 目前在专家知识库系统中广为应用。

基于产生式专家知识库的架构如图1所示。知识库是整个系统的基础, 储存着推理所需要的所有知识, 是各种规则的容器。得益于产生式规则的高度模块化, 这些规则被高效准确地组织起来, 这些规则协同工作构成的规则链在模型运行中不断地产生新数据。具体的规则可以是某类构架的施工流程、楼层标高的排序、构件的分类形式等。

数据库主要存储推理的过程数据及存储推理产生的新数据, 过程数据包括模型运行初期提取的各类构件属性、人机交互信息、时间参数等。当某条数据与专家知识库储存的某条产生式规则条件吻合时, 推理机推理的结论将作为新的数据基础。

推理机是系统的CPU, 负责与数据配对推理出最终结果。推理机采用一定的规则搜索策略从专家知识库中挑选合适的知识与数据库中储存的数据进行配对检查。如果找到吻合的2项, 将推理演绎得出的结果作为数据库新项, 如果未能匹配合适的2项则说明选中知识的前置条件不在数据库中, 停止推理。

正向推理即从已有的知识和前置条件为起点, 朝未有的结果顺序推理。推理流程此处省略。

BIM的开发主要有2种方式:利用现有的IFC解析器解析BIM模型导出的IFC文件, 获得构件属性信息;根据BIM软件提供的API接口自行编写代码进行程序开发。

IFC开发多基于现有的解析器, 常见的有SETP工具包和IFC工具包。虽然解析器能实现对IFC数据的访问但方式固定, 不能根据开发者的需求灵活提取数据。如果绕开该工具自底层重新开发, 会花费大量的时间和精力, 编程量巨大。且不同软件IFC转换方式不同, 如特殊几何形状构件的IFC转换, 软件用线、面结合的形式将其映射为表面模型, 有的软件则将其映射为实体模型。IFC转换可能导致信息丢失:不同BIM软件提供的IFC转换功能不完全相同, 或多或少存在一些缺陷, 使导出的IFC文件信息缺失。所以实际应用中较少采用IFC开发方式。

Revit不仅可以应用于建筑设计阶段, 还提供结构设计、能耗分析、协同工作等功能, 是一个完整的BIM终端解决平台, 其功能渗透到BIM各个领域。Revit的开发前景不可估量。综合对比基于IFC和Revit 2种开发模式的易用性、难度和开发前景, 将基于Revit的平台进行开发。

通过对传统进度计划编排流程的梳理和模型运行的分析, 初步确定表现层-业务层-资源层的3层架构, 如图2所示。

表现层是模型信息输入和输出的窗口, 输入信息主要来源于资源层的调用和用户输入, 表现层通过清晰、友好的界面引导用户进行输入, 实现人机对话, 保证知识推理准确高效进行。业务层是模型架构的核心, 相当于模型的CPU, 即从表现层和资源层调用相关信息进行处理运算, 实现编排进度计划所需的各个功能模块。资源层是模型架构的基础, 主要包括知识库、定额库、数据库3部分, 其中知识库储存施工工序的推理规则;定额库储存不同工种工人的定额数据, 作为工人工效的默认值, 用户可对其进行修改;数据库储存BIM模型的构件信息及模型运行过程中产生的中间数据。模型的运行流程如图3所示。

Revit模型中的构件、标高、视图等对象统称为元素 (element) , 梁、板、柱等构件于Revit中的Family即实例和类的关系。参数访问有4种方式:参数名、参数枚举、参数定义、Guid参数, 其中效率最高的方式是参数枚举, 即built in parameter。其他方式则各自存在较大的缺陷, 如参数命名方式会遇到不同语言参数名不同的问题。

获取构件参数前首先要获取构件, Revit API提供了filtered element collector类收集构件, 指定完毕过滤规则后可获得符合规则的构件集合。过滤规则多是构件的类别, 如建筑柱的过滤规则为先指定category为built in category.OST＿Columns再指定class为family instance, 不同的构件category和class不尽相同, 需要具体条件具体分析。收集完毕后创建I list作为收集构件的容器, 考虑到每层都会有一定数目的柱, 为使程序结构清晰, 创建二维List分层收集每层的柱参数类。

获取构件完毕后进行构件参数的获取, 元素parameters方法封装了构件的内建参数, 遍历筛选出所需参数。参数格式有字符串string、双进度浮点数double等多种类型, 结合实际需求选择输出合适的格式。

流水施工能让各个施工过程精密关联、次序分明, 不发生延误。故本模型以流水施工的方式编排工序逻辑, 流水施工中施工过程间的逻辑关系主要受以下3种约束。

1) 物理约束 指构件间的几何关系和空间关系, 建筑构件按自下往上的空间顺序施工, 高楼层必须在低楼层建造完毕的基础上开始施工。

2) 工艺约束 指施工技术和施工方法确定的前后逻辑关系, 施工细节上可以调整但总体顺序不能改变。

3) 主观约束 指在满足上述2种约束的情况下, 编排人员拥有一定的权限, 可根据现场实际或上级要求, 主观上调整施工过程次序、施工任务等。

流水施工中楼层内施工段间是流水搭接关系, 楼层间是先后顺序关系。为实现流水施工, 施工队何时在末位施工段上开工决定了施工队在首位施工段上工作的时间参数。如果把2个施工段的B过程动工时间设置为紧接A过程结束, 施工队的工作时间会出现空闲间隔, 导致本可避免的损失。而楼层间的施工受制于物理约束只能依照从低到高的先后顺序施工。

流水施工的时间参数包括流水节拍、流水步距、搭接时间、间歇时间和流水工期, 除搭接与间歇时间由施工工艺和施工过程特点决定外, 其余时间参数均需通过计算得出^[13]。

流水节拍多根据工程量和现场投入的人力机械资源确定, 流水节拍如下:

式中:t为流水节拍;Q为该施工过程的工程量;R为班组人数或机械台数;S为人力或机械工作效率;N为工作台班数。

其中工程量Q由模型汇总计算而得, 班组人数或机械台数R由用户根据实际情况输入, 工作效率S、工作台班数N及施工过程数n, 用户可以选择输入也可采用数据库中的默认值。

流水步距值的大小代表流水施工工序衔接紧密的程度, 值越小工期越短, 越接近平行施工, K的取值受制于施工工艺、资源供给等多种因素, 不同的流水施工组织方式, K值的计算方法不同, 但都旨在实现施工连续、搭接时间合理^[14]。不同流水组织方式的流水步距计算公式如表1所示。

由于实际使用中更灵活、适用范围最广、应用最广泛的组织方式是非节奏流水施工, 所以模型将采用该方式计算进度计划相关参数。节奏流水施工的流水步距一般用累加数列错位相减取大差法, 又称潘特考夫斯基法。

流水工期如式 (2) 所示, 该公式适用于所有流水组织方式。

式中:∑K_{i, j+1}为流水步距累加之和;T_n为最后施工过程的流水节拍之和;∑Z为间歇时间之和;∑C为搭接时间之和。

某教学实验大楼位于广州市华南理工大学的天河区本部, 是用于教学和实验的公共建筑。建筑面积累计达29 800m², 其中地下部分2层, 地上部分5层。首层层高5.5m, 标准层高3.8m, 其他主要层高3.8, 3.6m, 结构总高度24.5m。依据工程图纸在Revit中建立某教学实验大楼的BIM模型, 如图4所示。

构件属性查看功能由“查看构件属性”下拉按钮表示, 点击后该下拉按钮出现4个子按钮:查看柱属性、查看梁属性、查看墙属性、查看板属性。

点击子按钮后再点击相应的构件会弹出属性显示对话框, 如墙有剪力墙和砌体墙2种, 但Revit都用Wall类型表示, 所以在编排主体结构施工时, 提取完墙构件后还要判定其是否承重, 即structural usage属性值是否为Bearing。

工程类别、结构类型、工程量等信息在多个Panel中交互输入, 此处只给出Panel1和Panel2。

1) Panel1主要用来交互确定工程类别、结构类型、计算范围及划分施工段、导入Excel格式的工程量清单 (若有) , 确定工程的开始时间。

项目类别预制了住宅、教学楼、地下车库等多种选择, 结构类型有框剪结构、框筒结构、砌体结构等, 计算范围包括整个工程和部分工程。

施工段划分功能首先需要输入施工段数, 然后再划分。由于Revit本身并未提供构件切割划分功能, 现有通用的BIM 4D技术解决方案是在模型建立之初分段建立, 再连接各段施工进度计划实现进度模拟。模型在建立之初是分段的形式, 用户只需将每个施工段的所有构件注释属性赋予施工段值即可。

2) Panel2包含分部工程、施工方案、需要编排的楼层数、施工过程及每个施工过程对应在每个楼层的施工人数、效率和班次等工程信息。

其中分部工程下拉选项用于确认编排的分部工程范围, 包括基础、主体、砌体、水电、装饰装修和屋面防水工程, 对该教学实验大楼选择主体结构进行编排。

主体结构的施工方案根据梁板是否整浇预设了整浇方案1, 2、预制方案1, 2共4种方案类型, 综合该教学实验大楼的工程特征和实际施工方案, 选择整浇方案2。模型在查阅大量文献、咨询一线施工人员的基础上, 提炼施工经验并结合了墙柱钢筋绑扎、模板工程、梁板钢筋绑扎、混凝土浇筑4个典型施工过程推理的施工方案。

楼层数输入框需要用户输入需编排的楼层数, 该教学实验大楼地上共5层, 故输入5。选定施工过程再选定楼层 (可多选) , 即可在右侧分别输入人力或机械数、工作效率、班次数据。如果用户不输入工作效率则模型将按照广东建筑与装饰定额的默认值进行计算, 班次的默认值为1。输入完毕后点击“确定该工序参数按钮”, 即可开始下段施工过程和楼层的绑定与参数输入。

此外, 由于不同分部工程有不同施工方案, 不同施工方案推理的施工过程不同, 所以在用户选择分部工程后, 施工方案下拉框才显示界面, 同理选择施工方案后施工过程显示框不为空, 楼层数的原理也是如此。

为避免辅助标高等非楼层标高的干扰, 用户可自行选择需要编排工期的楼层标高。该教学实验大楼以地上5层为例进行演示, 首先切换到立面视图, 然后同时选中1～6层楼层标高, 点击进度计划生成按钮。然后弹出对话框提示用户是否完成了楼层标高选择, 若是则模型弹出提示“Program is running”, 开始运行计算;若否则模型弹出错误提示“Please select levels before run this”然后停止计算。

进度计划生成完毕后, 点击工程信息显示按钮查看每层的流水步距及各自楼层的施工持续时间, 最后会显示整个项目的总工期。

本文将BIM技术引用到施工进度计划编排工作中, 创建了基于知识库的专家系统模型。该模型通过BIM模型和用户交互获得信息, 可智能地进行施工工序推理和时间参数计算, 最后针对某教学实验大楼自动生成可行的施工进度计划文件。结果表明该研究可在一定程度上减少工程技术人员的工作量, 节省制定进度计划的时间, 也减少由于人员等原因造成的失误。本研究所存知识在深度和广度上都有待提高, 这是未来所要研究的重点之一。