项目进度的有效控制关系到项目的经济社会效益, 进度预警是保证项目进度一直处于受控状态的关键。Goldratt提出的关键链进度管理使项目进度管理向前迈进了一大步。但由于关键链进度预警模型的理论较复杂, 涉及大量计算, 现有进度管理软件不能很好地将动态的施工信息及时同步至预警模型, 加之缺乏可视化和集成化的管理平台, 信息的沟通和传递常发生偏差和滞后, 导致关键链进度预警管理在实际运用中存在较大困难。BIM作为一种新兴的信息化工具, 具有信息集成、可视化、强大的数据处理能力以及开放的软件接口等优点, 能够很好地解决上述问题。

国内外学者对关键链进度预警的研究主要集中在缓冲区大小的估计和缓冲监控。Geekie和Steyn通过数值模拟的方法, 分析了各种偏差对缓冲区大小的影响, 并提出了应对策略。童杏娟提出在缓冲区监控时应该综合考虑任务完成量与缓冲消耗量, 并考虑工序不确定性因素对缓冲量的影响。李南等将蒙特卡洛仿真技术引入到缓冲动态估计方法中, 基于挣值法的相关理论, 对缓冲区实施动态监控来进行项目进度控制。

关于BIM在进度预警中的研究多集中在系统原型的开发。Zhang等基于BIM平台, 利用自动分析算法检测安全隐患, 并提出如何将其与WBS和项目进度集成。Kim等利用4D-BIM技术开发了可自动精准计算工程进度的系统原型。王磊从准确获取信息、信息更新的时效性、风险预测结果的可视化和数据库共享四个方面分析了进度预警对BIM的需求。

综上所述, 目前国内外的研究主要侧重于缓冲区预警机制的定量化和监控指标的优化上, 对BIM在进度管理中的研究多集中在4D模拟方面, 仅少数学者对BIM在进度预警中的应用方法进行了探讨, 并且多局限于BIM的可视化功能, 未充分发挥BIM技术的价值。鉴于此, 本文将BIM与关键链进度预警技术有效集成, 提出一种基于BIM的关键链进度预警系统, 以解决关键链进度预警中数据集成、运算和可视化的问题。

关键链进度管理是以关键路径法 (Critical Path Method, CPM) 和计划评审技术 (Project Evaluation and Review Technique, PERT) 为基础的进度管理方法。传统进度管理方法在估计工序工期时, 各工序所设定的安全时间会受到“学生综合症”和“帕森斯定律”等行为因素的影响, 使得设定的安全时间不能发挥应有作用, 导致计划工期偏长。关键链进度管理运用风险聚合的原理, 将工序中分离出来的安全时间放在缓冲区进行统一管理, 有效缩减了项目的工期。除此之外, 关键链进度管理将资源约束提高到与时间约束同等重要的位置。在确定项目的关键路径之后, 要识别并优化各任务间的资源冲突, 解决了资源冲突之后的最长线路即为项目的关键链。

缓冲管理是关键链进度管理的核心, 其主要工作是监控已设置的缓冲区。通过获得缓冲区的消耗信息来评估项目进度的紧张程度和进度延误的可能性, 然后采取合理的措施来保证项目的正常进展。缓冲区包括项目缓冲、汇入缓冲和资源缓冲, 如图1所示。项目缓冲用来吸收关键链上的工序引起的延误, 设置在关键链的末尾。汇入缓冲用来消除非关键链上的风险, 保证关键链上任务的正常实施, 设置在关键链与非关键链的汇入处。资源缓冲用来规避资源供应不足造成的工期延误。

BIM作为一种新兴的信息化集成工具, 可包含建设项目的全过程信息。住建部发布的《建筑信息模型应用统一标准》对BIM的定义为:在建设工程及设施全生命期内, 对其物理和功能特性进行数字化表达, 并依次设计、施工、运营的过程和结果的总称, 简称模型。BIM可以直观表达建筑构件与项目进度之间的关系, 支持施工过程的可视化模拟和可视化管理, 通过可视化窗口可以直观地了解项目的进度计划, 辨别项目施工过程中潜在的不利因素, 以及时控制进度风险。随着项目进行, BIM模型可进行更新调整, 为项目进度预警提供全面、实时、准确的数据支持。同时基于BIM模型的二次开发可实现项目进度状态和预警信息的可视化表达。

针对项目进度预警存在的问题和BIM技术的特点, 基于BIM的关键链进度预警系统应具备以下特点:

(1) 预警时效性:为及时准确地获得施工进度信息, 需将BIM平台与数据采集技术结合, 并通过固定和动态监控相结合的方式设定预警监控点, 既降低实时监控导致的资源浪费, 又保障进度监控的动态性和时效性;

(2) 预警集成化:关键链进度预警管理会产生大量信息, 因此系统需具备BIM模型和数据库之间的信息交互能力, 将进度预警所需要的全部信息进行集成和分析, 以提高信息的利用效率;

(3) 预警可视化:为使管理者清晰直观地了解预警信息, 需利用BIM技术实现预警信息的可视化, 以提高预警效率;

(4) 预警多功能性:为改进传统预警方式功能单一的缺点, 预警系统应同时具备编辑、监控、警示等功能。

基于BIM的关键链进度预警系统主要功能模块如表1所示。

BIM模型管理模块是进度预警的基础, 包括4D模型创建、构件信息编辑、构件进度查询、进度修改与更新。

(1) 4D模型创建

4D-BIM由BIM模型和关键链进度计划两部分构成。关键链进度计划的编制涉及关键链的识别、缓冲区的设置以及缓冲大小的计算。目前基于网络计划技术的进度管理软件中, Microsoft Project既能很好地同BIM模型进行关联, 又具有应用广泛、操作简单、功能免费等特点, 因此本文采用Microsoft Project 2013编制进度计划, 将缓冲区当作只消耗时间的新任务插入网络计划, 如图2所示。考虑到进度计划中插入的缓冲区没有对应的建筑构件实体, 在BIM模型中创建缓冲区图元, 每一个缓冲区图元都被分配固定的ID, 管理者可以在模型中给每个缓冲区图元定义特定的参数, 譬如缓冲大小、缓冲消耗量、触发点等, 如图3所示。最后基于Navisworks API关联BIM模型和关键链进度计划。

(2) 构件信息编辑

基于Revit的参数化建模, 当需要对模型进行改动时, 可通过修改构件的参数来编辑构件的几何尺寸和材质等信息, 整个模型可进行同步更新。

(3) 构件进度查询

由于模型与进度信息进行了关联, 通过数据采集技术将施工进度数据上传至BIM模型, 管理者可以根据需求随时点选特定的构件, 查看构件的计划进度和实际执行进度。

(4) 进度修改与更新

当项目实际情况发生变动需要对进度计划进行调整时, 可在Project中修改进度计划, 然后将修改后的进度计划再次与BIM模型进行关联, 实现4D-BIM的更新。

缓冲区作为进度计划和进度控制之间的桥梁, 其有效监控是关键链进度预警的核心。根据Goldratt提出的三色缓冲监控方法, 缓冲区被均分成三个部分, 分别用绿色、黄色和红色表示。在项目执行过程中, 当缓冲消耗低于总缓冲量的1/3时, 即在绿色区域, 此时缓冲消耗状态良好, 项目进度按计划执行。当缓冲消耗处于1/3至2/3之间时, 即在黄色区域, 项目进度计划随时可能遭到破坏, 需要查明原因并设置应对措施, 加强监控管理。当缓冲消耗大于2/3时, 缓冲达到红色警示区域, 表明缓冲消耗状态严重, 项目进度计划可能严重受损, 必须立即找出原因, 采取相关措施避免进度进一步延误。

(1) 施工进度数据采集

目前进度数据采集和监测主要采用传统的手工方式, 这种方式会消耗大量的时间和人力成本。并且由于复杂的现场环境, 数据采集极易出现人为错误, 进度数据的偏差和滞后常有发生。随着自动化数据采集技术在建筑业的普及, 数据采集的时效性和准确性都得到较大提高, 并且自动化技术的日益成熟也使得现场数据采集的成本更低、效率更高。此外, 自动化数据采集技术可以很好地与BIM集成, 满足基于BIM的进度预警需求。当前主要的建设项目空间数据采集技术见表2。

(2) 缓冲消耗计算

缓冲区的大小与项目的不确定性有关。随着项目的进行, 不确定性和潜在影响工期的作用力呈下降趋势, 剩余任务所需的缓冲量也就越小。因此, 应随着项目进行对项目所需的缓冲大小进行动态计算, 本预警系统采用剪切粘贴法计算缓冲大小。

剪切粘贴法的基本思路是将项目网络计划中各项活动所设置的安全时间的50%作为缓冲区的大小, 其中项目缓冲 (PB) 设置在关键链末端, 其大小为关键链上各项活动消除的安全时间σ_i的一半;汇入缓冲区 (FB) 的大小为非关键链上各工序所消除安全时间δ_i的一半。设某个项目网络计划中共有m条链 (当m=1时, 代表着关键链) , 每条链上共有活动n_m, 则每条链缓冲区的大小为:

在式 (1) 中, 当m=1时, B^m为项目缓冲, 当m≠1时, B^m为汇入缓冲。

在Project中, 将消除的安全时间作为缓冲区置于关键链中进行集中管理。通过计算得出的缓冲大小, 将缓冲区作为一种只需要消耗时间的新任务, 在项目相应的位置添加新任务, 输入任务名称, 使缓冲任务与其他任务建立一定的逻辑关系, 即可实现缓冲区的插入。

(3) 动态设定触发点

触发点的设置将直接影响缓冲监控行为与警示信息的发布。触发点设置偏保守会导致提前采取行动对项目进度进行控制, 从而使管理成本增加。偏风险将会延迟危险信号的警示, 使项目进度不能及时得到控制, 甚至会进一步导致工期延误。由于本系统考虑了缓冲需求量与项目已完工作量之间的关系, 因此触发点的设定也应取决于项目剩余部分所需缓冲的大小。在三色监控法的基础上, 将剩余部分所需缓冲量的末端与初始的缓冲末端对齐, 然后以剩余部分所需缓冲量为基准, 在1/3、2/3处设定触发点。缓冲区触发点的动态设定如图4所示。

在各监控点通过比较缓冲消耗量与触发点的大小确定警度, 利用BIM技术的可视化功能将警度以不同颜色可视化展示出来。监控点的设定应结合固定监控点和动态监控点, 固定监控点包括项目的里程碑任务和根据项目实际情况设置的固定周期监控点, 动态监控点应综合考虑项目执行过程中的突发状况以及对工期影响较大的事件。警度分为安全、警告和危险, 见表3。

基于Navisworks强大的渲染功能, 管理者能够对项目进度的进展进行不同颜色的渲染, 表示不同等级的进度风险。譬如某项目设置四个缓冲区:PB、FB1、FB2和FB3。在某个监控点测得PB、FB1和FB2均处于安全区域, FB3处于警告区域。由于同一条活动链上的工序和缓冲区被放在了一个大集合下进行管理, 根据表3的警度判断标准, PB所在的关键链上的已施工工序和FB1、FB2所在的非关键链上已施工工序对应的构件高亮为绿色, FB3所在的非关键链上已施工工序对应的构件高亮为黄色。管理者可通过模型界面可视化的结果, 重点分析黄色构件所对应的施工工序, 寻找出现警情的原因。

结合系统的功能需求以及目前BIM技术的发展水平, 进度预警系统的逻辑架构如图5所示。

BIM技术的核心是信息的集成与共享, 数据层整合了三维模型数据、进度数据和专家知识库, 并且均以IFC数据标准存储在BIM数据库中。数据层是整个系统架构的基础和支撑, 模型层的建立以及应用层功能的实现, 都是以IFC数据规范表述、数据访问、数据转换为基础。

模型层是基于BIM的关键链进度预警系统的核心, 包括实体建模、进度关联和推理计算等模块。各模块通过IFC标准实现彼此的关联, 并以IFC标准将各模块与BIM数据库连接起来, 实现数据的查询、修改、更新等操作。

模型的应用层包括BIM模型管理、缓冲区监控、警度报告。管理者在进度管理过程中, 能够直接从BIM数据库获取需要的信息, 不需要像以前一样从上游参与者获取项目信息。同时, 项目参与者可以将自身对项目进度的需求信息直接存储在BIM数据库中, 各参与方通过BIM平台可以共享这些信息, 实现各方的协同。

基于BIM的关键链进度预警是以BIM模型为基础、以计划进度和施工进度为数据来源、通过监控缓冲区的消耗, 实现项目进度动态可视的管控。系统运行流程如图6所示。

项目进度的有效监控是项目进度目标实现的关键, 以信息化技术为主导的实时感知预警已然成为了进度监控的重要保证。本文将BIM技术运用到关键链进度预警管理中, 得出以下结论:

(1) 随着项目的进展, 项目的不确定性会不断降低, 所需的缓冲也就逐渐减小, 因此应结合项目施工进度动态设定触发点, 从而更好地反映项目执行的真实情况, 避免错误的预警信息。

(2) 关键链进度计划的编制难点在于关键链的识别、缓冲区的设置以及缓冲大小的计算。本文将关键链中的缓冲区作为只消耗时间的任务插入由Project编制的进度计划, 在BIM三维模型中创建对应缓冲区图元, 实现关键链进度计划与BIM模型的关联。进而再利用BIM强大的数据处理能力分析计算缓冲区的消耗, 以实现对缓冲区的有效监控。

(3) 通过进度预警模型的三个功能模块:BIM模型管理、缓冲区监控以及警度报告, 来满足进度预警的时效性、集成化、可视化和多功能化的现实需求。