基于BIM和规则推理的施工进度计划自动编排

　　摘要:进度计划是施工管理、施工过程模拟的重要依据,自动生成进度计划能够提高编制准确性和效率.但是,现有相关研究大多采用基于案例或模板的方式,无法实现项目的精确匹配,且仅考虑了空间上的约束关系,未梳理详细的知识规则.该研究面向建筑工程中常见的装配整体式项目,分解适用于进度计划自动生成的施工基本活动,建立编码体系,分析各类构件或施工活动之间的约束规则,推理各施工活动间的逻辑顺序,并基于工业基础类(IFC)格式的建筑信息模型(BIM)提取工程量来计算施工活动持续时间,最终实现构件级进度计划的自动生成.该研究结果可为施工过程模拟及施工自动化提供施工进度,支持智能施工机械的有效运行.

　　关键词:施工进度计划;自动生成;建筑信息模型(BIM);规则推理;约束关系

　　施工进度是项目管理的三大目标之一,进度计划的合理编制是工程项目成本和质量目标实现的重要基础[1].工程项目施工进度计划编制不合理,会使其对工程指导作用降低,导致工期延误、施工成本增高,影响项目质量[23],而详细合理的施工计划对于工程的执行、追踪以及阶段报告都具有重要意义[4].同时,施工进度计划是施工过程模拟的基础[5],施工人员依据进度计划进行施工过程模拟的展示和推进,从而有效发现并解决问题.近年来,在施工管理相关研究中,进度计划是出现频率最高的词汇[6].

　　建筑施工论文范例： BIM自动全站仪在建筑工程施工中的应用

　　传统的进度计划主要通过人工计算和编排,工作量较大,且过于依赖施工技术人员的经验,准确性不高、效率较低[7].针对这些问题,许多学者借助计算机等辅助工具,利用智能化的方式自动生成施工进度计划[8].任桂娜[1]提出基于建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)的进度计划自动生成模型的构建思路,并对功能模块进行了设计,但没有对推理规则进行深入分析.胡文发等[3]通过建筑计算机辅助设计(computerGaideddesign,CAD)系统接口获取建筑项目相关数据,分析施工活动持续时间及逻辑关系,提出了一种基于知识系统的施工进度编排方法,但仅考虑了类与类之间的逻辑关系.谢琳琳等[2]通过构建专家知识库存储规则,建立了进度计划自动编排模型,但只从概念上分析了工序逻辑,没有梳理出规则.

　　Tauscher等[9]基于各施工活动先决条件建立进度计划生成软件框架,但对于建筑元素分类不够细致,且对规则描述不够详细.Weldu等[10]对BIM模型中的建筑元素之间的空间拓扑关系进行空间推理来生成施工次序,但仅考虑了空间关系,对于构件的工艺和组织关系考虑较少.Yue等[11]针对预制建筑吊装过程,以施工消耗时间和劳动力成本作为约束条件,采用遗传算法从所有满足初始约束的施工顺序中找出最优的约束,但该研究仅针对构件吊装过程且初始约束较为简单.

　　Kim等[12]提出了进度计划的生成框架,但是侧重于数据的提取和施工活动的转化,对于施工活动的顺序生成只考虑了物理层面的约束.张天琪[13]研究了装配式建筑的进度计划编制,利用遗传算法生成预制构件安装序列,形成施工进度计划,但仅考虑了层间预制和现浇部分的关系,并没有考虑层内的预制和现浇构件同时出现该如何处理.Faghihi等[14]从BIM模型中提取信息,基于遗传算法实现了建筑结构部分的施工顺序生成与优化,但仅考虑了构件之间的物理约束,需要搜寻很多无用的可能性,消耗大量的计算时间,而最终产生的施工顺序并不能够贴合施工实际.郭奕婷[15]结合人工智能思想提出了进度计划自动编排的思路流程和应用假设,并建立进度计划框架,但该研究主要基于案例和模板,然后对生成的计划进行修正,无法解决工程项目唯一性的问题.

　　此外,4DBIM技术通过给BIM模型元素赋予时间序列属性进行可视化模拟,在施工进度管理中得到了较多应用,但模型中的时间属性通常基于关键路径法等进行确定,且需要人工输入施工活动开始和结束时间[16].Park等[17]建立了一个基于网络的框架,从施工日程报告中自动获取信息,更新4DBIM模型并进行进度可视化,但仍需从传统施工进度计划及工程日志中提取信息.GarcíadeSoto等[18]通过从BIM模型中提取信息,利用禁忌搜索算法改善了4D模拟中的施工进度自动生成问题,但仅提取了模型的空间约束信息,且没有对构件元素进行分类.

　　综上,现有的进度计划自动生成方法可分为以下几类:基于案例推理、基于知识的方法、基于模板的方法、遗传算法、专家系统和神经网络等[19].其中:基于案例或模板推理的方式较为常见,通常利用遗传算法或神经网络进行优化,但此类方法不能实现案例的精确匹配,且无法较好地解决工程项目唯一性的问题;而基于知识或规则推理的研究相对较少,且缺少相关模型或系统的具体应用方法以及施工活动之间逻辑关系的详细推理规则,难以用于实践.此外,现有进度计划自动编排和4DBIM施工时间序列生成的研究主要从三维模型中提取信息,仅考虑了结构和空间上的关系,对于组织和工艺等约束关系考虑较少,且对于施工活动之间的逻辑约束关系,没有进一步细化形成系统的规则[20].

　　因此,进度计划的生成结果不够精细,通常只是较大尺度下的进度计划,不足以支撑施工过程模拟以及未来施工自动化的实现.针对现有进度计划自动生成研究与实践中的问题,本文将面向常见的预制与现浇并存的建筑工程项目,结合BIM和规则推理构建施工进度计划自动生成方法.一方面,分解适用于进度计划生成的施工基本活动,建立属性编码体系,分析各类构件或施工活动之间的约束规则,从而推理各施工活动间的逻辑顺序;另一方面,基于工业基础类(industryfoundationclasses,IFC)格式的BIM模型提取工程量来计算施工活动持续时间,最终实现进度计划的自动编排.

　　1施工基本活动分解

　　建设工程项目进度计划的编制本质上是对项目施工活动的分解与组织.因此,施工活动的分解是编制施工进度计划的前提和基础,而施工活动的分解需要依据一定的建设项目信息分类标准.目前,国外建设项目信息分类体系主要有UniformatII、MasterFormatTM、OmniClass等,国内建筑项目信息分类主要包含在工程量清单、工程定额中[21].但现有的分类体系均是为不同的应用目的而建立的,且分类划分不够细致,不足以支持详细进度计划生成.为此,本文根据施工进度计划编排的实际需求,参考现有信息分类体系,提出了适用于施工进度计划自动生成的分解规则.具体如下:

　　1)按工程施工所需专业分类.专业分类内容包括:地基基础、主体结构、建筑安装工程、装饰装修工程、室外工程等.由于不同专业的施工进度计划所需资源以及进度计划的细致程度不同,因此项目分解需按专业进行.2)按施工层、施工段分类.在实际工程中,为提高施工效率和质量,或由于施工资源受限,通常需要安排分层分段流水施工.3)按施工方法分类.由于不同的施工方案采用的施工工艺、方法不同,因此需按施工方法进行分类.本文主要针对装配整体式混凝土结构,需考虑建设项目中的预制和现浇两部分的施工工艺不同.

　　4)主体结构分解精度至构件级别,便于施工进度的细化和进度计划精度的调整.例如,通过对同类构件的整合,可以在满足关键节点控制要求下,简化进度计划、便于施工管理;与之相对应,将施工活动分解至更高精度,有利于分析不同构件之间的逻辑关系,以便于精益施工.对于建筑安装工程和装饰装修工程,由于占用工期以及资源比例都较小,可以按照房间为单元进行分类,以避免进度计划冗杂而降低效率.

　　在项目分解之后,可以根据进度计划本身的精度需求和施工方面的共性,对构件进行整合.例如,同一施工层(段)、同一尺寸进行归类;相同施工层(段)中,同类但不同位置的构件进行整合归类,从而实现进度计划精细程度的调整,以便于施工关键节点控制和施工过程管理.

　　2施工基本活动逻辑关系确定

　　主体结构施工是整个施工过程的关键,在整个施工周期中占用工期和资源比例最大,通常也是其他专业施工的前提和基础;与之相比,建筑设备安装及装修装饰工程,具有楼层间独立性,可以在主体结构完工后依据流水逐层逐间施工,逻辑较为清晰简洁.因此,本文选取主体结构部分作为研究对象,描述施工基本活动间的逻辑约束关系,以及施工进度计划的自动生成方法.

　　2.1编码体系建立

　　在施工活动分解后,需要将其转化为计算机可以识别的语言,从而建立施工基本活动之间的逻辑关系.本文采用属性编码方式,基于BIM模型本身提供的信息,将其进一步完善,并使其满足本文进度计划编制的需求.例如,施工段流水、预制和现浇类型、构件类别、同类构件所在位置等,均是进度计划编制所需考虑的信息.传统的进度计划编制方案需要专业的进度计划管理人员编制和解读,且不能够建立构件或施工活动与时间的一一对应关系,对于某一确定构件,无法从施工进度计划中直接获取其施工开始及持续时间.

　　为此,本文基于构件属性建立编码体系,即每一项编码均代表构件的某一类属性,构件的所有属性编码共同组成构件的编码组合名称,熟悉此编码的施工人员可以通过解读编码直接获取构件的全部信息.通过从建设项目IFC文件中提取属性信息,可以将构件全局ID与构件编码组合名称一一对应,从而实现构件属性的完善和对应.

　　2.2基于逻辑约束关系的推理规则构建

　　施工进度计划的编制需要考虑施工活动或者构件之间的逻辑约束关系.本文构建逻辑约束关系,包括物理约束关系、工艺约束关系和组织约束关系.3种逻辑约束关系之间存在互相参照关系,即物理约束关系是工序和组织约束关系的前提与基础,组织约束关系需在同时满足物理和工艺约束关系的前提下实现.例如,梁的施工需在与其搭接的柱完工后进行,组织约束关系中流水施工的前提是先保证物理和工艺约束关系得到满足[22].

　　2.2.1工艺约束关系

　　工艺约束关系主要是指根据工程施工技术、施工方法和施工规范要求,为完成某一施工活动具体所需的工艺流程及其顺序关系.例如,钢筋混凝土墙体的施工工艺顺序一般为:绑扎钢筋—支设模板—浇筑混凝土—养护拆模等.基于工艺约束关系,可以产生如下施工规则:

　　1)对于相同施工层、施工段和类型构件,先施工预制构件,后施工现浇构件.部分现浇构件需要预制构件和模板共同组成封闭的空间以用于混凝土浇筑.例如,同层同施工段中编号为JGG03GIIG1GwallGwq003的预制外墙,施工顺序要高于编号为JGG03GIIG0GwallGwq003的现浇外墙.2)现浇构件施工需考虑模板搭设、钢筋绑扎、混凝土浇筑的工艺流程.对于竖向构件,先绑扎钢筋,再支模,再浇筑混凝土,最后拆模;对于水平构件,先支模,再绑扎钢筋,再浇筑混凝土,最后拆模.例如,对于现浇框架结构,可采用的施工顺序为:测量放线—柱绑扎钢筋—柱支模—柱浇筑混凝土—梁板支模—梁板绑扎钢筋—浇筑混凝土—养护拆模.3)预制构件的施工顺序需考虑吊装、安装等工艺过程.以预制墙体为例,常见的施工流程为:测量放线—吊装—安装—灌浆.

　　2.2.2组织约束关系

　　组织约束关系主要是指在满足物理约束和工艺约束关系下,为了提高施工活动组织效率、施工质量,或在项目资源(如劳动力、施工机械等)受限条件下,对施工活动顺序的合理调整与安排.例如,流水施工中施工层段之间的顺序安排,多个柱同时浇筑或一块板分流水段浇筑等.

　　3施工基本活动持续时间测算

　　根据施工基本活动之间的逻辑约束关系,可以推理出各施工活动的先后顺序或搭接关系,此外还需计算每一项施工基本活动所持续的时间,从而形成完整的施工进度计划.传统的施工活动工期,通常由人工基于定额计算或者过往工程经验估算得出,而本文在传统计算方法的基础上,通过构件自动匹配定额等数据来自动计算施工活动的持续时间.构件的工程量通过IFC解析的文件获得,定额从定额数据库获得,并基于定额库转化为更为精确的每人每工时工作量.本文按每工日8工时进行计算,且暂不考虑工人施工熟练程度,即工人类型均假设为普通工人.对于1位普通工人。

　　4案例分析

　　本文以某建筑工程为例分析上述施工进度计划自动编排方法的有效性.该工程为装配整体式框架剪力墙结构,建筑面积约1000m2,地上共3层.为了充分展示不同类型以及同类型构件之间的施工逻辑顺序,建立其BIM模型。包含预制墙、预制柱、叠合梁、叠合板等预制构件,以及现浇墙体、现浇柱、现浇梁板等现浇构件.基于属性列表中得到的各个构件的施工开始时间和持续时间,生成该工程主体结构的施工进度计划横道图.

　　在选中构件后,根据每个构件属性列表中的编码组合名称,可以解读每个构件的基本属性和施工时间,便于工人施工安排,也为施工自动化以及智能化设备应用提供信息基础.任选某一构件,其构件编码组合名称为JGG03GIG0GwallGwq001GT4.95TGS20210919G02:59SGL0.23hL,表示该墙构件为现浇构件,将于2021年9月19日2:59分在第3施工层第1施工段开始施工.对于预制构件,可将构件组合编码集成至构件二维码中或写在构件表面,便于工人对构件属性解读;对于现浇构件,可以在模型中解读其各项属性,从而安排具体施工流程.

　　5结论

　　本文提出了一个基于BIM和规则推理的施工进度计划自动编排方法.该方法首先基于IFC格式的BIM文件实现施工基本活动的分解,并提取其属性信息、建立构件的属性编码体系,然后基于属性编码分析构件之间的逻辑约束关系、推理构件施工顺序规则,最后通过计算各构件施工持续时间参数,实现了建筑工程主体结构施工的进度计划自动生成.案例分析表明,该方法可以生成构件级精度的施工进度计划,不仅能够减少人工编制计划的成本,也能够为施工过程模拟以及未来自动化施工、智能施工设备应用等提供基础信息.此外,本文建立的编码体系,可以帮助施工人员快速获取构件施工相关信息,保证构件施工顺序的准确性.本研究仍存在一定的局限性,如暂未将主体工程之外的专业施工加进来,且施工段的划分以人式方式为主.未来研究可以对此深入探究,并进行更多的工程案例测试.

　　参考文献(References)

　　[1]任桂娜.基于BIM的工程项目进度计划自动生成模型研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.RENGN.ResearchontheautomaticgenerationofprojectschedulemodelbasedonBIM[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2013.(inChinese)

　　[2]谢琳琳,贺迪,乐云.基于BIM的建设工程项目进度计划自动编排研究[J].施工技术,2019,48(6):4044.XIELL,HED,LEY.AutomaticpatchingresearchbasedonconstructionprojectscheduleplanofBIM[J].ConstructionTechnology,2019,48(6):4044.(inChinese)

　　[3]胡文发,何新华.基于知识系统的施工进度自动安排[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(7):980984.

　　作者：郭红领,叶啸天,任琦鹏,罗柱邦