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    科學技術論文

    基于BIM和規則推理的施工進度計劃自動編排

    時間:2021年09月30日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:進度計劃是施工管理、施工過程模擬的重要依據,自動生成進度計劃能夠提高編制準確性和效率.但是,現有相關研究大多采用基于案例或模板的方式,無法實現項目的精確匹配,且僅考慮了空間上的約束關系,未梳理詳細的知識規則.該研究面向建筑工程中常見的裝配整

      摘要:進度計劃是施工管理、施工過程模擬的重要依據,自動生成進度計劃能夠提高編制準確性和效率.但是,現有相關研究大多采用基于案例或模板的方式,無法實現項目的精確匹配,且僅考慮了空間上的約束關系,未梳理詳細的知識規則.該研究面向建筑工程中常見的裝配整體式項目,分解適用于進度計劃自動生成的施工基本活動,建立編碼體系,分析各類構件或施工活動之間的約束規則,推理各施工活動間的邏輯順序,并基于工業基礎類(IFC)格式的建筑信息模型(BIM)提取工程量來計算施工活動持續時間,最終實現構件級進度計劃的自動生成.該研究結果可為施工過程模擬及施工自動化提供施工進度,支持智能施工機械的有效運行.

      關鍵詞:施工進度計劃;自動生成;建筑信息模型(BIM);規則推理;約束關系

    施工工藝技術

      施工進度是項目管理的三大目標之一,進度計劃的合理編制是工程項目成本和質量目標實現的重要基礎[1].工程項目施工進度計劃編制不合理,會使其對工程指導作用降低,導致工期延誤、施工成本增高,影響項目質量[23],而詳細合理的施工計劃對于工程的執行、追蹤以及階段報告都具有重要意義[4].同時,施工進度計劃是施工過程模擬的基礎[5],施工人員依據進度計劃進行施工過程模擬的展示和推進,從而有效發現并解決問題.近年來,在施工管理相關研究中,進度計劃是出現頻率最高的詞匯[6].

      建筑施工論文范例: BIM自動全站儀在建筑工程施工中的應用

      傳統的進度計劃主要通過人工計算和編排,工作量較大,且過于依賴施工技術人員的經驗,準確性不高、效率較低[7].針對這些問題,許多學者借助計算機等輔助工具,利用智能化的方式自動生成施工進度計劃[8].任桂娜[1]提出基于建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)的進度計劃自動生成模型的構建思路,并對功能模塊進行了設計,但沒有對推理規則進行深入分析.胡文發等[3]通過建筑計算機輔助設計(computerGaideddesign,CAD)系統接口獲取建筑項目相關數據,分析施工活動持續時間及邏輯關系,提出了一種基于知識系統的施工進度編排方法,但僅考慮了類與類之間的邏輯關系.謝琳琳等[2]通過構建專家知識庫存儲規則,建立了進度計劃自動編排模型,但只從概念上分析了工序邏輯,沒有梳理出規則.

      Tauscher等[9]基于各施工活動先決條件建立進度計劃生成軟件框架,但對于建筑元素分類不夠細致,且對規則描述不夠詳細.Weldu等[10]對BIM模型中的建筑元素之間的空間拓撲關系進行空間推理來生成施工次序,但僅考慮了空間關系,對于構件的工藝和組織關系考慮較少.Yue等[11]針對預制建筑吊裝過程,以施工消耗時間和勞動力成本作為約束條件,采用遺傳算法從所有滿足初始約束的施工順序中找出最優的約束,但該研究僅針對構件吊裝過程且初始約束較為簡單.

      Kim等[12]提出了進度計劃的生成框架,但是側重于數據的提取和施工活動的轉化,對于施工活動的順序生成只考慮了物理層面的約束.張天琪[13]研究了裝配式建筑的進度計劃編制,利用遺傳算法生成預制構件安裝序列,形成施工進度計劃,但僅考慮了層間預制和現澆部分的關系,并沒有考慮層內的預制和現澆構件同時出現該如何處理.Faghihi等[14]從BIM模型中提取信息,基于遺傳算法實現了建筑結構部分的施工順序生成與優化,但僅考慮了構件之間的物理約束,需要搜尋很多無用的可能性,消耗大量的計算時間,而最終產生的施工順序并不能夠貼合施工實際.郭奕婷[15]結合人工智能思想提出了進度計劃自動編排的思路流程和應用假設,并建立進度計劃框架,但該研究主要基于案例和模板,然后對生成的計劃進行修正,無法解決工程項目唯一性的問題.

      此外,4DBIM技術通過給BIM模型元素賦予時間序列屬性進行可視化模擬,在施工進度管理中得到了較多應用,但模型中的時間屬性通;陉P鍵路徑法等進行確定,且需要人工輸入施工活動開始和結束時間[16].Park等[17]建立了一個基于網絡的框架,從施工日程報告中自動獲取信息,更新4DBIM模型并進行進度可視化,但仍需從傳統施工進度計劃及工程日志中提取信息.GarcíadeSoto等[18]通過從BIM模型中提取信息,利用禁忌搜索算法改善了4D模擬中的施工進度自動生成問題,但僅提取了模型的空間約束信息,且沒有對構件元素進行分類.

      綜上,現有的進度計劃自動生成方法可分為以下幾類:基于案例推理、基于知識的方法、基于模板的方法、遺傳算法、專家系統和神經網絡等[19].其中:基于案例或模板推理的方式較為常見,通常利用遺傳算法或神經網絡進行優化,但此類方法不能實現案例的精確匹配,且無法較好地解決工程項目唯一性的問題;而基于知識或規則推理的研究相對較少,且缺少相關模型或系統的具體應用方法以及施工活動之間邏輯關系的詳細推理規則,難以用于實踐.此外,現有進度計劃自動編排和4DBIM施工時間序列生成的研究主要從三維模型中提取信息,僅考慮了結構和空間上的關系,對于組織和工藝等約束關系考慮較少,且對于施工活動之間的邏輯約束關系,沒有進一步細化形成系統的規則[20].

      因此,進度計劃的生成結果不夠精細,通常只是較大尺度下的進度計劃,不足以支撐施工過程模擬以及未來施工自動化的實現.針對現有進度計劃自動生成研究與實踐中的問題,本文將面向常見的預制與現澆并存的建筑工程項目,結合BIM和規則推理構建施工進度計劃自動生成方法.一方面,分解適用于進度計劃生成的施工基本活動,建立屬性編碼體系,分析各類構件或施工活動之間的約束規則,從而推理各施工活動間的邏輯順序;另一方面,基于工業基礎類(industryfoundationclasses,IFC)格式的BIM模型提取工程量來計算施工活動持續時間,最終實現進度計劃的自動編排.

      1施工基本活動分解

      建設工程項目進度計劃的編制本質上是對項目施工活動的分解與組織.因此,施工活動的分解是編制施工進度計劃的前提和基礎,而施工活動的分解需要依據一定的建設項目信息分類標準.目前,國外建設項目信息分類體系主要有UniformatII、MasterFormatTM、OmniClass等,國內建筑項目信息分類主要包含在工程量清單、工程定額中[21].但現有的分類體系均是為不同的應用目的而建立的,且分類劃分不夠細致,不足以支持詳細進度計劃生成.為此,本文根據施工進度計劃編排的實際需求,參考現有信息分類體系,提出了適用于施工進度計劃自動生成的分解規則.具體如下:

      1)按工程施工所需專業分類.專業分類內容包括:地基基礎、主體結構、建筑安裝工程、裝飾裝修工程、室外工程等.由于不同專業的施工進度計劃所需資源以及進度計劃的細致程度不同,因此項目分解需按專業進行.2)按施工層、施工段分類.在實際工程中,為提高施工效率和質量,或由于施工資源受限,通常需要安排分層分段流水施工.3)按施工方法分類.由于不同的施工方案采用的施工工藝、方法不同,因此需按施工方法進行分類.本文主要針對裝配整體式混凝土結構,需考慮建設項目中的預制和現澆兩部分的施工工藝不同.

      4)主體結構分解精度至構件級別,便于施工進度的細化和進度計劃精度的調整.例如,通過對同類構件的整合,可以在滿足關鍵節點控制要求下,簡化進度計劃、便于施工管理;與之相對應,將施工活動分解至更高精度,有利于分析不同構件之間的邏輯關系,以便于精益施工.對于建筑安裝工程和裝飾裝修工程,由于占用工期以及資源比例都較小,可以按照房間為單元進行分類,以避免進度計劃冗雜而降低效率.

      在項目分解之后,可以根據進度計劃本身的精度需求和施工方面的共性,對構件進行整合.例如,同一施工層(段)、同一尺寸進行歸類;相同施工層(段)中,同類但不同位置的構件進行整合歸類,從而實現進度計劃精細程度的調整,以便于施工關鍵節點控制和施工過程管理.

      2施工基本活動邏輯關系確定

      主體結構施工是整個施工過程的關鍵,在整個施工周期中占用工期和資源比例最大,通常也是其他專業施工的前提和基礎;與之相比,建筑設備安裝及裝修裝飾工程,具有樓層間獨立性,可以在主體結構完工后依據流水逐層逐間施工,邏輯較為清晰簡潔.因此,本文選取主體結構部分作為研究對象,描述施工基本活動間的邏輯約束關系,以及施工進度計劃的自動生成方法.

      2.1編碼體系建立

      在施工活動分解后,需要將其轉化為計算機可以識別的語言,從而建立施工基本活動之間的邏輯關系.本文采用屬性編碼方式,基于BIM模型本身提供的信息,將其進一步完善,并使其滿足本文進度計劃編制的需求.例如,施工段流水、預制和現澆類型、構件類別、同類構件所在位置等,均是進度計劃編制所需考慮的信息.傳統的進度計劃編制方案需要專業的進度計劃管理人員編制和解讀,且不能夠建立構件或施工活動與時間的一一對應關系,對于某一確定構件,無法從施工進度計劃中直接獲取其施工開始及持續時間.

      為此,本文基于構件屬性建立編碼體系,即每一項編碼均代表構件的某一類屬性,構件的所有屬性編碼共同組成構件的編碼組合名稱,熟悉此編碼的施工人員可以通過解讀編碼直接獲取構件的全部信息.通過從建設項目IFC文件中提取屬性信息,可以將構件全局ID與構件編碼組合名稱一一對應,從而實現構件屬性的完善和對應.

      2.2基于邏輯約束關系的推理規則構建

      施工進度計劃的編制需要考慮施工活動或者構件之間的邏輯約束關系.本文構建邏輯約束關系,包括物理約束關系、工藝約束關系和組織約束關系.3種邏輯約束關系之間存在互相參照關系,即物理約束關系是工序和組織約束關系的前提與基礎,組織約束關系需在同時滿足物理和工藝約束關系的前提下實現.例如,梁的施工需在與其搭接的柱完工后進行,組織約束關系中流水施工的前提是先保證物理和工藝約束關系得到滿足[22].

      2.2.1工藝約束關系

      工藝約束關系主要是指根據工程施工技術、施工方法和施工規范要求,為完成某一施工活動具體所需的工藝流程及其順序關系.例如,鋼筋混凝土墻體的施工工藝順序一般為:綁扎鋼筋—支設模板—澆筑混凝土—養護拆模等.基于工藝約束關系,可以產生如下施工規則:

      1)對于相同施工層、施工段和類型構件,先施工預制構件,后施工現澆構件.部分現澆構件需要預制構件和模板共同組成封閉的空間以用于混凝土澆筑.例如,同層同施工段中編號為JGG03GIIG1GwallGwq003的預制外墻,施工順序要高于編號為JGG03GIIG0GwallGwq003的現澆外墻.2)現澆構件施工需考慮模板搭設、鋼筋綁扎、混凝土澆筑的工藝流程.對于豎向構件,先綁扎鋼筋,再支模,再澆筑混凝土,最后拆模;對于水平構件,先支模,再綁扎鋼筋,再澆筑混凝土,最后拆模.例如,對于現澆框架結構,可采用的施工順序為:測量放線—柱綁扎鋼筋—柱支模—柱澆筑混凝土—梁板支模—梁板綁扎鋼筋—澆筑混凝土—養護拆模.3)預制構件的施工順序需考慮吊裝、安裝等工藝過程.以預制墻體為例,常見的施工流程為:測量放線—吊裝—安裝—灌漿.

      2.2.2組織約束關系

      組織約束關系主要是指在滿足物理約束和工藝約束關系下,為了提高施工活動組織效率、施工質量,或在項目資源(如勞動力、施工機械等)受限條件下,對施工活動順序的合理調整與安排.例如,流水施工中施工層段之間的順序安排,多個柱同時澆筑或一塊板分流水段澆筑等.

      3施工基本活動持續時間測算

      根據施工基本活動之間的邏輯約束關系,可以推理出各施工活動的先后順序或搭接關系,此外還需計算每一項施工基本活動所持續的時間,從而形成完整的施工進度計劃.傳統的施工活動工期,通常由人工基于定額計算或者過往工程經驗估算得出,而本文在傳統計算方法的基礎上,通過構件自動匹配定額等數據來自動計算施工活動的持續時間.構件的工程量通過IFC解析的文件獲得,定額從定額數據庫獲得,并基于定額庫轉化為更為精確的每人每工時工作量.本文按每工日8工時進行計算,且暫不考慮工人施工熟練程度,即工人類型均假設為普通工人.對于1位普通工人。

      4案例分析

      本文以某建筑工程為例分析上述施工進度計劃自動編排方法的有效性.該工程為裝配整體式框架剪力墻結構,建筑面積約1000m2,地上共3層.為了充分展示不同類型以及同類型構件之間的施工邏輯順序,建立其BIM模型。包含預制墻、預制柱、疊合梁、疊合板等預制構件,以及現澆墻體、現澆柱、現澆梁板等現澆構件.基于屬性列表中得到的各個構件的施工開始時間和持續時間,生成該工程主體結構的施工進度計劃橫道圖.

      在選中構件后,根據每個構件屬性列表中的編碼組合名稱,可以解讀每個構件的基本屬性和施工時間,便于工人施工安排,也為施工自動化以及智能化設備應用提供信息基礎.任選某一構件,其構件編碼組合名稱為JGG03GIG0GwallGwq001GT4.95TGS20210919G02:59SGL0.23hL,表示該墻構件為現澆構件,將于2021年9月19日2:59分在第3施工層第1施工段開始施工.對于預制構件,可將構件組合編碼集成至構件二維碼中或寫在構件表面,便于工人對構件屬性解讀;對于現澆構件,可以在模型中解讀其各項屬性,從而安排具體施工流程.

      5結論

      本文提出了一個基于BIM和規則推理的施工進度計劃自動編排方法.該方法首先基于IFC格式的BIM文件實現施工基本活動的分解,并提取其屬性信息、建立構件的屬性編碼體系,然后基于屬性編碼分析構件之間的邏輯約束關系、推理構件施工順序規則,最后通過計算各構件施工持續時間參數,實現了建筑工程主體結構施工的進度計劃自動生成.案例分析表明,該方法可以生成構件級精度的施工進度計劃,不僅能夠減少人工編制計劃的成本,也能夠為施工過程模擬以及未來自動化施工、智能施工設備應用等提供基礎信息.此外,本文建立的編碼體系,可以幫助施工人員快速獲取構件施工相關信息,保證構件施工順序的準確性.本研究仍存在一定的局限性,如暫未將主體工程之外的專業施工加進來,且施工段的劃分以人式方式為主.未來研究可以對此深入探究,并進行更多的工程案例測試.

      參考文獻(References)

      [1]任桂娜.基于BIM的工程項目進度計劃自動生成模型研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2013.RENGN.ResearchontheautomaticgenerationofprojectschedulemodelbasedonBIM[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2013.(inChinese)

      [2]謝琳琳,賀迪,樂云.基于BIM的建設工程項目進度計劃自動編排研究[J].施工技術,2019,48(6):4044.XIELL,HED,LEY.AutomaticpatchingresearchbasedonconstructionprojectscheduleplanofBIM[J].ConstructionTechnology,2019,48(6):4044.(inChinese)

      [3]胡文發,何新華.基于知識系統的施工進度自動安排[J].同濟大學學報(自然科學版),2005,33(7):980984.

      作者:郭紅領,葉嘯天,任琦鵬,羅柱邦

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