当前大型建设项目工序多而复杂, 普遍存在同一空间存在多个施工任务交叉作业的情况。每个工序由于专业形式、内容、材料、施工方法、设备选择的差异, 具有时间和空间的不确定性, 需要在指导性和控制性强的进度计划支持下有序实施。但是由于经验和工具方面的不足, 施工组织设计以及进度计划对各个工序往往考虑不周, 导致进度冲突、成本增加等后果, 例如屋面作业与幕墙吊篮布置位置发生冲突而导致二次搬运。张建勇^[1]指出在项目中存在大型机械设备的多任务交叉性, 组织设计阶段调查研究不足, 容易导致工序时间安排不足, 进而导致施工延误;钟波涛^[2]指出, 总承包工程涉及多个专业承包商, 由于其属于平行关系主体, 具有独立性、专业性和分散性, 彼此之间容易发生界面问题, 尤其是在任务之间的接口处产生进度冲突, Jaffar^[3]认为冲突因素主要包括行为问题、合同问题和技术问题, 其中技术问题在施工阶段可进一步优化解决。可见众多因素都影响着施工安排的合理性, 分包界面、作业时间交叉、作业空间重叠都可导致施工部署冲突, 采取有效措施提前识别这些冲突利于项目的顺利推进。Sigalov等^[4]评估了施工计划的相似性, 将过程模式分解成更小的部分, 以便规范其特征。Li等^[5]指出为临时设施分配合理的区域是场地规划设计的重要组成, 而临时设施种类多样, 处于动态变化的状态, 其布置影响施工进度和成本。在工具方面, 传统二维管理工具只能在项目之初静态部署施工作业, 而无法满足多方位、动态控制的要求。李家群^[6]提出实物空间和工艺空间, 其中实物空间指施工对象自身几何尺寸决定的空间, 而工艺空间则是由施工主体与施工对象相互作用占用的空间组成, 包括人和施工资源 (设备、材料等) 。Sotoa等^[7]认为PERT、CPM等技术无法识别作业活动的空间环境, 尤其是处于动态的因素。可见作业活动需要涵盖设备、材料等元素, 而目前传统技术只是基于逻辑关系、起始时间、持续时间进行计划和调整, 无法有效考虑这些元素。胡超等^[8]按照实体状态的变化, 将对象分为主动实体和被动实体, 主动实体位置会随时间的改变不断发生变化, 因此计划错误和条件变化会造成冲突。

BIM技术在建筑行业得到了快速的发展和应用, 其可视化、施工模拟等功能可帮助施工单位解决施工部署冲突的问题。王廷魁等^[9]基于BIM技术对施工场地布置方案中的潜在空间冲突进行了量化分析, Ma等^[10]利用4D-ISPS技术增强施工场地规划的4D图形可视化能力;Tserhg等^[11]开发了web Con BIM-SM系统帮助总承包商提高进度信息分享和施工跟踪的有效性。虽然BIM技术可以通过施工模拟和可视化功能实现项目施工方案展示, 但在优化施工方案, 尤其是发现施工冲突方面仍有所欠缺, 原因包括BIM施工模拟与实际施工顺序没有形成对应关系、施工模拟多关注BIM模型构件, 而忽略了现场施工因素, 例如机械设备、平面布置等。因此本文首先对施工交叉作业中的因素及其原因进行分析, 以施工单元为对象, 制定交叉作业冲突检查的规则, 最后建立基于BIM技术的施工空间冲突因素自动检查系统框架, 为系统开发奠定基础。

大型工程建设项目施工活动交叉, 施工设备种类繁多、工艺复杂, 在单位工程中, 管理者通过WBS对工作任务进行分解, 按照工作包之间的逻辑关系安排施工作业活动。活动的冲突是两实体在同一时间在同一空间产生重叠, 包含空间面积、持续时间。冲突影响因素中, 掌握设备设施的持续时间、运行轨迹、空间占用等有利于减少施工计划冲突, 而物质因素在施工准备和实施阶段就已基本体现为作业活动和机械设备空间位置的重叠, 例如混凝土浇筑作业与模板支撑体系冲突, 幕墙施工吊篮与防水作业冲突。由于作业活动在运行中是以建筑构件和机械设备的协调配合实现, 因此本文将这样的作业活动与其对应的机械设备组合成施工单元。

根据施工空间冲突的特点, 可以将冲突类型分为施工单元与施工单元、施工单元与施工机械设备、机械设备与机械设备、机械设备与施工材料等5类冲突, 如表1所示, 冲突因素可归纳为作业活动、机械设备、施工材料。正是这些因素在时间和空间上的重叠导致了冲突的发生, 因此在施工计划编制过程中, 需要考虑冲突因素对施工单元的影响, 否则就会造成施工冲突。由于大型项目的施工计划涵盖范围较多, 尤其是进度计划编制过程中, 往往是以任务为对象, 通过明确任务之间的逻辑关系而形成计划, 再配以资源, 只有到了月计划或者周计划阶段, 才会将机械设备、施工材料考虑, 而按照传统CPM等方法难以识别实施过程中的冲突。

施工单元、平面布置的状态属性不同, 两者相互独立, 平面布置因素多为静态因素, 如临时用房、堆场、仓库、加工厂、消防设施、升降机、物料提升机、塔吊等, 参数包括位置、持续时间、空间尺寸、空间属性 (垂直、水平) 。机械设备因素则指随作业活动变化的动态因素, 如起重机、吊篮、泵送车, 参数包括路线、时间点、空间尺寸、空间属性 (垂直、水平) 。可以通过匹配不同阶段的施工单元和平面布置, 按照一定的调整策略实施冲突检查。

施工作业空间冲突检查机制是以施工单元为对象, 将随进度变化的作业活动和机械设备按照对应关系形成动态的施工单元, 施工单元包含作业活动的时间参数、空间参数以及机械设备的参数。结合进度计划、施工平面布置、施工方案, 通过检查施工单元之间以及施工单元与平面布置的契合度, 识别造成冲突的因素, 即构件、机械设备、材料等。本冲突检查机制主要考虑的包括以下几方面:

作业活动与机械设备的对应规则:分部分项工程需要按照一定的顺序实现整体单位工程的实施, 如图1所示。而每个分部分项工程都需要一定的作业活动施工机械实施, 例如混凝土浇筑与泵送车、幕墙与吊篮等, 因此统计并梳理作业活动与机械设备的范围与并行关系, 建立作业活动与其涵盖的机械设备的对应规则, 为施工单元选型奠定基础。

进度计划中施工单元之间的时间参数冲突:通过将包含施工机械起始时间、持续时间在内的施工单元进行施工模拟, 从而检查出时间冲突的范围, 以分析对关键线路的影响;

进度计划中施工单元之间的空间参数冲突:通过将包含施工机械位置、方位、运行轨迹在内的施工单元进行模拟, 从而检查出作业之间的空间冲突的期限、位置等参数;

冲突因素影响程度的优先级:根据冲突因素的类型、量化指标、调整对象确定冲突因素之间的调整顺序以及处理方式;

冲突因素的报警与显示、报告输出:施工模拟功能将根据冲突检查结果以及优先级设置, 在BIM模型之中显示冲突因素的时间和范围, 并通过不同颜色显示影响程度, 为管理人员提供直观的冲突检查结果, 同时可以把冲突因素的名称、时间、位置、影响程度及处理方式通过报告的形式输出, 方便管理人员进行决策。

检查机制对象主要在单位工程范围内的施工单元和平面布置的时间参数和空间参数。首先施工信息的收集是以基于WBS为基础, 并随着录入施工方案中机械设备等信息而完善。结合进度计划和施工方案, 将已设定逻辑关系的工作包和其所对应的施工设备、材料关联, 形成施工单元。由于时间冲突的工作仍是以空间冲突表现出来, 因此施工单元中输入作业起始时间和持续时间、施工设备起始时间和持续时间、位置、空间尺寸等参数。然后基于施工单元之间的逻辑关系、运行轨迹运行检查规则, 如图2所示。

根据以上分析, 由于检查机制是以施工单元为对象运行, 而施工单元包含作业活动、设备、平面布置等多个因素, 因此可以通过建立BIM模型实现组合, 其中作业活动以施工构件为载体, 从而与BIM专业模型中的构件一一对应, 结合已有的机械设备模型数据库, 最终生成施工单元BIM模型。由于BIM技术具备施工模拟的功能, 因此可以通过算法运行冲突检查机制, 从而以4D模拟的方式把进度计划与平面布置模型中的冲突因素识别出来。

由于施工模拟是以施工单元的方式实现, BIM专业模型作为一个整体, 根据施工作业顺序和分部分项工程进行划分, 形成相对独立的子模型, 例如主体结构工程中, 分为混凝土结构模型、钢结构模型、砌体模型, 从而能够匹配一次结构施工、二次结构施工的顺序;子模型可对应范围内的机械设备形成施工单元子模型, 如混凝土结构模型 (梁、板、柱构件) 对应脚手架、水泥泵送车、布料机、模板等机械设备, 如图3所示, 而这些设备则与砌体结构模型几乎不存在对应关系。机电工程、屋面工程、装饰装修工程、幕墙工程同样形成匹配规则, 将BIM模型和机械设备数据库设置链接对应关系, 从而为实施冲突检查规则建立基础。

基于BIM的作业冲突检查是建立在进度计划、机械设备数据库、BIM模型的基础之上, 三者在BIM信息管理平台实现集成。按照施工顺序将BIM模型划分为以分部分项工程为基数的子模型, 然后将子模型与机械设备匹配形成施工单元。同时建立相应的平面布置模型, 并分别将施工单元和平面布置模型中的构件与设备输入时间参数, 从而可实现整体施工模拟。冲突检查在施工模拟和检查规则的基础上对同一时间内处于重叠空间坐标的元素进行标记, 如图4所示。进而根据元素的性质判断冲突类型, 以形成冲突检查报告。

在完成施工单元中的时间冲突检查后, 对时间重叠的因素进行空间重叠检查, 根据优先调整对象的运行轨迹、位置和方位实施模拟。当系统检测到两个对象可能发生冲突时, 判断冲突类型以确定优先调整对象, 如表2所示, 并将冲突录入报告中。管理者按照调整策略进行调整, 然后重新检查直到消除冲突。

大型项目的顺利实施离不开施工计划的合理部署, 冲突因素的提前识别及处理有利于保证项目进度和成本目标。本文通过分析项目冲突因素及原因, 发现施工作业活动及相关机械设备的时间和空间冲突是造成施工冲突的影响之一。以施工单元为对象的冲突检查机制可以实现对施工作业冲突的提前识别与消除。BIM施工模拟和可视化的功能有利于将此机制自动化完成, 从而通过输出报告帮助决策者事前优化施工部署, 这有助于解决施工组织不合理、资源调配不当、相关单位协调不利等情况, 具有一定的可行性。本文下一步的工作将是建立各单位工程施工单元体系, 并完善BIM施工单元模型匹配规则, 从而为实现施工作业空间冲突自动识别完善理论基础。