建筑业作为我国经济的重要组成部分, 不仅具有较大的规模, 而且一直保持较快的速度增长。2016年, 我国建筑业总产值约19.4万亿元, 同比增长7.09%, 2017年我国建筑业总产值21.4万亿元, 同比增长10.53%^[1,2]。传统进度管理方法基于二维施工图, 其局限性日趋明显, 随着项目群体化、复杂化和多元化的发展趋势, 也对施工技术和施工进度管理水平提出了更高的要求^[3]。BIM的出现, 给施工进度管理提供了新的思路, 基于BIM的进度管理集成了虚拟建造、可视化等技术, 可实现施工进度的事前优化和事中控制。PDCA作为管理学中的一个基本原理, 已从最初的质量缺陷控制扩展到目标管理, 基于PDCA的进度管理程序以进度目标为核心, 对进度影响因素进行分析, 制定并实施对策, 直至实现进度目标为止。BIM作为全新的技术手段, PDCA作为目标管理的科学原理, 两者同时引入施工进度管理中, 优势互补, 共同为实现进度目标服务, 因此, 对BIM和PDCA在施工进度管理中的研究有重要的现实意义。

有学者^[4,5]开展了大量的关于传统进度管理方法的研究, 这些研究不同程度指出传统进度管理是一种基于二维施工图的方法, 这种方法存在3个方面的局限: (1) 以文字表示工作任务、以工作箭线表达逻辑关系的信息表达方式抽象, 难以理解; (2) 进度计划的优化相对困难; (3) 以事中控制为主, 忽视事前优化。这些研究过多强调在进度出现偏差时采取纠偏措施, 以实现事中控制, 却不同程度忽视了事前优化的重要性。

PDCA循环最初只是用在全面质量管理上, 随着研究的深入, 逐渐将PDCA循环应用到成本、安全、进度等目标管理中, 取得了一定的应用效果。但仍存在两个方面的不足:一是未制定更为详细的进度管理流程;二是未按事前、事中两个阶段对进度影响因素进行归纳和管理。虽然这些研究都不同程度地找到了进度影响因素, 但是没有按照事前、事中2个阶段对影响因素进行划分, 对制定并实施对策缺乏指导意义。

BIM, 即建筑信息模型 (building information modeling) , 是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础建立建筑模型, 通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。研究表明BIM应用于项目进度管理, 从理论和实践而言, 都是可行的^[6,7,8,9,10]。基于BIM的进度管理研究取得了一定的成效, 但仍然存在以下3个方面的不足:没有介绍如何承接施工图设计模型;强调事前优化, 忽视了事中控制;进度影响因素的辨析不够彻底。

基于BIM和PDCA的施工进度管理研究具有两大重要意义。

1) 改善行业现状, 提质增效建筑业规模大, 增长速度快, 基于BIM和PDCA的施工进度管理研究若能改善进度滞后严重、无效工作和浪费大等行业现状, 将具有非常重要的现实意义。

2) 为施工进度管理提供一种更有效的方法基于BIM和PDCA的施工进度管理通过BIM技术创建项目的三维、四维乃至N维的建筑信息模型, 替代传统的二维施工图, 为施工进度管理提供更直观、更全面信息, 有效地解决了甘特图、网络图、关键链等传统进度管理方法存在信息表达抽象、进度计划优化困难、忽视事前控制等问题;基于BIM和PDCA的进度管理集成了两者的优势, 能够弥补单独基于BIM或单独基于PDCA的进度管理存在的不足;PDCA优化进度管理流程, 规范过程管理, BIM作为新技术补充传统进度管理技术, 强化过程管理, 确保每个步骤达到应有的深度, 基于PDCA建立进度影响因素管理流程, 运用5M1E分析法找出进度影响因素, 再利用BIM技术分事前、事中两个阶段控制这些影响因素, 对进度影响因素实行全面、全过程管控。最终实现进度管理的事前优化、事中控制、事后巩固。

基于BIM和PDCA的进度管理体系以传统进度管理理论作为基础, 引入BIM技术及PDCA循环原理, 该体系能够集成传统进度管理理论和BIM技术、PDCA循环原理三者的优势, 为实现进度目标管控服务, 如图1所示。该体系主要分为3层。

1) 以传统进度管理理论作为该体系的基础。BIM和PDCA的引入并没有完全改变传统进度管理的4大阶段。此外, 传统进度管理的主要思想及方法仍然在基于BIM和PDCA的进度管理中发挥着重要作用。

2) 引入BIM技术和PDCA循环原理构建了基于BIM和PDCA的进度管理流程。两者的引入将进度管理的4大阶段细化成了8个步骤, 并以BIM技术、PDCA循环原理作为一种更有效的手段对传统进度管理进行补充, 强化了4大阶段、8个步骤的细部管理, 确保每个步骤达到应有的深度并完成该步骤的任务及目标。

3) 构建了基于BIM和PDCA的进度影响因素管理流程。集成BIM和PDCA两者的优势, 建立进度影响因素管理流程。以PDCA循环原理为基础, 创建进度影响因素辨识程序, 运用5M1E分析方法全面系统地找出进度影响因素;结合BIM技术制定并实施对策, 不仅可以在施工过程中解决这些因素, 更重要的是能够把部分影响因素在模拟施工阶段予以发现并解决;对循环活动成果, 特别是BIM应用进行总结, 制定标准化巩固措施。最终实现进度管理的事前优化、事中控制、事后巩固。

项目的进度信息主要包括模型信息和施工管理信息, 模型信息来自于项目技术模型本身, 通过编辑和添加构件属性来承载, 如梁截面尺寸、材质等;而施工管理信息主要是业主、设计方、施工方、材料和设备供应商等参建各方在项目实施过程中产生的管理文件, 如验收记录单、材料进场合格证、形象进度等, 一部分施工管理信息也可以通过链接的方式附件在构件上, 其余大部分施工管理信息则必须通过BIM信息管理平台来承载。

基于BIM的信息管理平台通过信息的采集、组织与处理3个环节实现。信息流程如图2所示, 3个环节呈递进关系, 只有前序工作完成, 后续工作才得以开展。首先, 通过人工输入、拍照导入等多种方式完成信息采集;然后, 按照行业标准、规则和施工管理需求, 完成信息的编码、归类、存储等信息组织工作;最后, 利用系统集成化的信息, 开展进度模拟、物资管理、质量安全管理、成本管理等信息处理工作。

BIM信息管理平台可集成土建、机电、钢构、幕墙等各专业技术模型, 并以集成的模型为载体, 导入并关联施工过程中的进度、合同、成本、质量、安全、物料等信息, 构建多维集成管理体系。通过BIM信息管理平台, 实现了技术模型向管理模型的转换。利用BIM模型的多维可视化、可计算分析等特性, 为项目的进度、成本、安全、质量管控等提供数据支撑, 协助参建各方高效地沟通与决策, 从而减少执行过程中的设计变更与实际进度偏差, 实现提高质量、加快进度、节约成本的精细化管理目标。

基于BIM和PDCA的进度管理方法是一种可视化、可模拟、可优化的进度管理方法。该方法运用PDCA优化进度管理流程, 规范过程管理;通过BIM模型的创建与综合应用, 为进度管理提供技术和数据支撑, 强化过程管理, 确保进度管理全过程处于受控状态。基于BIM和PDCA的进度管理流程如图3所示。

广西百色干部学院项目位于广西壮族自治区百色市百东新区, 总投资约8.2亿元, 建成后为集“教学、办公、住宿、餐饮、会议、学术交流、研讨及文体活动”多功能于一体的仿古园林式干部学院, 学院红线范围内约629亩 (1亩≈667m²) , 分为“一湖两溪”3个功能区块, 分别为:沿湖区公共建筑, 东区组团式宿舍楼, 西区分散式宿舍楼, 整个项目由57栋单体工程组成。本文以6号楼为例, 探讨BIM技术在进度管理中的应用方法及效果。该建筑采用独立基础, 主体为框架混凝土结构, 屋面为斜屋面。占地1 720m², 地上3层, 局部4层, 1层层高4.5m, 2～3层层高3m, 4层层高7.4m, 总建筑高度17.9m, 总建筑面积36 153m², 6号楼合同工期300个日历天。

1) 工程特点

本工程依山而建, 地势高低起伏, 具有单体工程多、设计出图时间紧、土方开挖与回填量大、标高控制困难、建筑造型独特、内外装修材料繁多、施工工艺复杂、交叉作业多、结构无标准层等特点。

2) 进度影响因素辨析

基于PDCA循环原理建立进度因素管理流程, 如图3所示, 通过深入分析本工程的特点, 并参考类似工程经验, 运用头脑风暴法, 从人、机、料、法、环、测、设计缺陷、其他8个方面辨析进度影响因素, 共找出24条进度影响因素, 如表1所示。

本工程选择Revit 2014作为本项目实施BIM的核心建模软件。

1) 拆分CAD文件由于设计院提供的电子版图纸, 一般每个专业只存为一个dwg文件, 如“6号楼建筑图.dwg”。这种情况下, 需要按照图号, 以每张图为单位, 拆分成单独的文件, 如“1层建筑平面图.dwg”, 以此类推。

2) 绘制统一轴网可参照二维纸质版图纸直接绘制, “打开Revit2014软件→标高→平面视图→绘制轴网”;也可以“打开Revit2014软件→插入→链接CAD→选定1层平面布置图 (电子版) →打开”, 将CAD图链接到Revit2014中, 锁定CAD图, 识取绘制轴网。

3) 统一的轴网 (.rvt文件) 派发给建筑、结构、给排水、电气各专业建模工程师, 工程师在统一的轴网下按照1∶1的比例绘制各专业的模型, 加快建模速度。可直接参照纸质版图纸绘制, 也可以链接CAD电子图, 沿着轮廓绘制。如建筑模型创建流程:标高→轴网→1层墙体→1层门窗→1层楼梯→1层楼板→其余楼层的创建 (重复步骤) →屋顶→幕墙→装饰线→功能应用→地形地貌。

4) 将各专业绘制完成的信息模型依次组装在一起, 各专业合模效果如图4所示。操作路径:插入→链接Revit文件→选择原点到原点→打开→组装完成。

从Revit软件中导出NWC格式文件, 然后打开Navisworks, 导入NWC文件, 附加进度计划横道图。然后按照WBS结构将进度计划时间与模型逐一关联, 生成4D模型。

操作路径:Revit→导出NWC格式文件→打开Navisworks→附加→选择NWC文件→打开→Time Liner→数据源→添加→选择project2007-2013→找到Project进度横道图→打开→使用规则自动附着→使用相同名称、匹配大小写将Timeliner任务从列名称对应到层→检查调整模型与任务对应关系和任务之间的逻辑关系。

1) 碰撞检测将模型导入Navisworks软件中, 选择碰撞检测, 先进行硬碰撞, 然后再进行软碰撞。碰撞检测可以是专业内的, 也可以是专业间的, 比如建筑与结构、结构与给排水、结构与暖通, 按两两组合进行碰撞检测。跟踪、定位碰撞的部位, 判断是否需要调整, 若需要修改, 则输出报告, 提请设计院变更。

2) 净高、净宽分析可针对出入口、走道、设备机房、楼梯平台、地下室等部位进行净高、净宽的分析 (见图5) 。将测取的数值与规范限制对比, 确定是否需要调整。

可视化交底形式多样, 如图片式的静态展示、漫游式的动态展示、虚拟建造式动画展示。采用集中式交底和常态化的班前教育相结合, 提升交底效果。

1) 图片式可视化交底在统一视角下, 将建筑物的内外立面、内外结构、机电管线、装饰、关键节点等以图片的形式将二维图纸和三维模型逐一对比展示。机电管网可视化展示如图6所示。

2) 漫游式动态交底漫游动画由无数个视图视点集合而成, 在Navisworks中, 利用第3人实时漫游和动画功能, 由外而内、由下而上的顺序不断保存视点, 生成整个建筑的漫游动画, 作为可视化交底的素材。

3) 基于Lumion的虚拟漫游项目运用多种BIM图形软件的集成使用, 实现了基于BIM模型的可视化仿真应用, 获得逼真的工程视觉效果, 通过项目效果展示及虚拟漫游, 确认了精装修方案。

4) 基于AR技术的可视化交底根据如图7的AR实现路径, 将复杂节点Revit模型以fbx格式导入到unity3d中, 生成可识别的位素图, 利用unity3D的Hi AR插件导入到unity3D中, 进行内部运行环境的搭建, 最后应用摄像头扫描位素图出现增强现实的场景。AR钢筋结构投影展示如图8所示。

生成4D模型后可使用Navisworks的进度模拟功能对项目施工过程进行模拟, 也可添加现场实际工序完成的时间, 通过对比掌握现场进度完成情况。

1) 施工进度模拟将模型导入Navisworks中, 对关键工序或者整个建造过程进行轻量化模拟;也可以将模型导入BIM5D施工管理平台 (如广联达BIM云、PKPM BIM施工管理系统) , 进行精细化的施工模拟, 验证进度计划的合理性。

2) 4D进度对比显示将每项工作包的实际开始、实际结束时间录入到4D模型或者基于BIM模型的施工管理平台中, 设定不同的颜色显示已完、在建、未建的3种进度状态。

3) 现场与模型对比将模型及图纸录入Ipad中, 管理人员在现场可以将实体质量与三维模型进行对比, 控制过程质量。也可以将实际进度与4D模型对比, 检查进度执行情况。

4) 生成形象进度报表在模型中, 选中该月份所施工的内容对应的三维构件, 输出工程量, 生产月度进度报表。

1) 边坡支护方案模拟本工程依山而建, 边坡支护工程量大, 施工困难, 利用Revit建立边坡支护及绿化模型, 导入Navisworks进行施工方案模拟, 优化施工工艺, 并利用模拟动画对工人进行可视化交底。

2) 砌体排砖方案优化本工程不仅没有相同的单体建筑, 而且每栋建筑也没有标准层, 每面墙体都是独一无二的。利用Revit创建基于线的族, 运用成组阵列的方式制作砖族, 可实现砖墙的自动排布以及工程量的自动统计, 指导现场砌体材料的采购、垂直运输以及砌筑施工。

3) 土方平衡方案优化本工程地形高低起伏, 原始地貌复杂, 地质条件差, 土方挖填量大, 土方调运与平衡难度大。应用无人机及三维激光扫描仪采集原始地貌标高数据, 导入Civil 3D软件精准计算各单体土方挖填量, 然后将土方运输问题抽象成目标规划模型, 进而确定调配方案, 并最终实现土方运输平衡。

4) 安全应急疏散方案模拟项目运用Pathfinder软件对重点工作面进行安全疏散模拟, 模拟施工人员在紧急状态下逃生的行为和路径, 指导安全应急方案的编制。同时, 结合定期的安全消防演练, 验证模拟的可行性和有效性, 最终确定出工作面能容纳的最大安全人数和最佳逃生路径, 应急疏散模拟如图9所示。

1) 三维场地布置利用Revit、3DMax、广联达三维场布等软件, 三维布设塔式起重机、外架、加工厂、道路等临时设施, 实现科学、合理布置, 提高施工效率。

2) 安全防护设置布置通过API对Revit软件进行二次开发, 开发出安全标识插件, 防止隐患部位安全标识的遗漏。

本文在分析了传统进度管理理论的基础上, 探讨了BIM和PDCA给进度管理带来的改变和价值, 构建了基于BIM和PDCA的进度管理体系, 提出了基于BIM和PDCA的进度管理流程和进度影响因素管理流程, 并结合实际案例介绍了如何运用BIM和PDCA实施进度管理及进度影响因素管理, 经实例验证, 基于BIM和PDCA的进度管理是可行的、有效的。主要得到以下4点结论。

1) 基于BIM和PDCA进度管理维度更广, 展现的信息更全传统的进度管理方法基于二维的施工图, 设计错误和理解偏差无可避免, 且进度计划相对抽象、编制过于理想, 都将导致进度实际执行过程中产生较大偏差。基于BIM和PDCA的进度管理可创建三维、四维甚至N维的建筑信息模型, 维度更全, 可以直观、形象地掌握项目的全部信息, 管理者可以根据进度管理的需要直接读取相关信息。

2) 基于BIM和PDCA进度管理流程更细、更优PDCA的引入, 以进度管理目标为核心, 围绕目标的实现, 对进度管理流程进行了优化, 将4大环节细化至8大步骤, 并且明确了每个步骤应该做到什么程度;而BIM的引入, 强化了每个步骤, 为做好每个步骤的工作提供了更为有效的技术手段。两者的结合, 让进度管理流程更细、效果更优。

3) 基于BIM和PDCA的进度影响因素分析更彻底PDCA循环拥有科学严谨的管理流程, 运用系统图、因果图、关联图等工具, 从人、机、料、法、环、测等6个方面, 对影响进度管理目标实现的因素进行全面系统的分析。BIM的虚拟建造、碰撞检测等功能, 也能够辅助影响因素的查找。基于BIM和PDCA的进度影响因素分析方法, 理论依据充分、分析工具齐全、分析方向明确, 分析更彻底。

4) 基于BIM和PDCA的进度影响因素的解决时间提前BIM和PDCA的结合, 构建了以PDCA辨析因素, 以BIM消除因素的进度影响因素管理体系。该体系将PDCA辨识出来的进度影响因素按照事前、事中两个阶段进行划分, 然后利用BIM技术在施工前提前解决部分进度影响因素, 为进度管理赢得主动权。

本文对BIM和PDCA做了系统的分析和研究, 提出基于BIM和PDCA的进度管理体系, 并在实际工程应用中取得了良好的效果, 但仍存在一定的局限和不足, 具体如下。

1) 因为基于BIM平台的进度、安全、质量、成本集成应用涉及内容比较多, 因此, 本文只是简单介绍了集成应用的管理思路及过程, 没有进一步展开研究。

2) Revit系列软件为国外开发, 工程量计算规则与国内钢筋平法、工程量清单计价规范存在较大差异。因此, 本文案例中创建的3D模型并没有添加钢筋信息, 而是在国内算量软件中另行创建钢筋算量模型导入到BIM平台中, 从而实现钢筋工程量及钢筋费用的计算。由于国内算量软件与Revit系列软件是单向接口, 另行创建的钢筋算量模型不能直接附加到模型上, 降低了模型信息的完整性。