張靈祉

摘要：隨著現(xiàn)代工程建設(shè)高速發(fā)展，項(xiàng)目復(fù)雜度不斷提升，進(jìn)度-成本優(yōu)化已經(jīng)成為項(xiàng)目進(jìn)度管理中不可忽視的一個(gè)挑戰(zhàn)。BIM 4D技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度管理涉及的進(jìn)度計(jì)劃、成本、資源等信息可以高度集成，但缺少理論體系支持。傳統(tǒng)研究中的遺傳算法優(yōu)化精細(xì)度高，但缺少與實(shí)踐的結(jié)合。因此，為了應(yīng)對(duì)這種實(shí)踐需求與理論應(yīng)用上的缺陷，提出了BIM 4D與算法的參數(shù)交互標(biāo)準(zhǔn)與集成框架，應(yīng)用于進(jìn)度優(yōu)化與動(dòng)態(tài)控制。

Abstract： With the rapid development of modern engineering and the constant increase of project complexity， time-cost tradeoff optimization has been a considerable challenge in project schedule management. BIM （Building Information Modeling） 4D can highly integrate information like schedule， cost and resources， but it lacks theoretical support. The traditional GA （Genetic Algorithm） is good at optimizing schedule accurately， but it is kind of far from practical projects. Hence， to solve the imperfection in practical requirement and theoretical application， this paper proposes a parameter interaction standard and integration framework between BIM 4D and GA. This method can be applied in schedule optimization and dynamic control.

關(guān)鍵詞：進(jìn)度管理;BIM 4D技術(shù);遺傳算法

Key words： schedule management;BIM 4D;Genetic Algorithm

中圖分類號(hào)：TU722 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）08-0020-03

0 ?引言

統(tǒng)計(jì)研究表明，目前全球30%的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與項(xiàng)目管理有關(guān)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，現(xiàn)代項(xiàng)目要求準(zhǔn)時(shí)完工率更高、成本更低、現(xiàn)場(chǎng)管理水平更高，對(duì)項(xiàng)目管理尤其是進(jìn)度管理的水平提出了更高的要求。合理有效的進(jìn)度計(jì)劃對(duì)于提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有促進(jìn)作用和相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。BIM技術(shù)作為一種新興的項(xiàng)目管理理念和技術(shù)，一定程度上與“中國(guó)制造2025”的行動(dòng)綱領(lǐng)一致，并能促進(jìn)建筑業(yè)提質(zhì)增效，加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，因此也得到了國(guó)家的高度重視和企業(yè)的大力推廣。BIM是一個(gè)以工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維全生命周期內(nèi)各種信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的高度集成的建筑工程項(xiàng)目信息化模型。研究人員通常使用Navisworks軟件或企業(yè)自主開發(fā)的BIM 4D平臺(tái)（包括魯班、廣聯(lián)達(dá)等），與進(jìn)度計(jì)劃文件如Project、Primavera等進(jìn)行鏈接，從而實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化模擬，分析進(jìn)度計(jì)劃安排、資源分配、現(xiàn)場(chǎng)布置方案等是否合理，并對(duì)不合理之處進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[1]。BIM 4D通過信息高度集成和管理多方協(xié)調(diào)的方式，能有效提升項(xiàng)目進(jìn)度管理水平。然而，雖然BIM技術(shù)可以初步模擬工程進(jìn)度計(jì)劃的可行性和合理性，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，但核心主要是通過實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化來進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整，缺乏定量?jī)?yōu)化的依據(jù)和系統(tǒng)的理論體系，與定量模型結(jié)合能深入加強(qiáng)BIM技術(shù)的使用效果。

1 ?BIM 4D技術(shù)研究現(xiàn)狀與意義

1.1 基于BIM 4D的進(jìn)度管理

美國(guó)斯坦福大學(xué)的集成設(shè)備工程中心CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）于1998年提出了將建筑模型與進(jìn)度計(jì)劃信息結(jié)合的4D概念，并通過在三維模型中插入進(jìn)度計(jì)劃，成功演示了用計(jì)算機(jī)軟件模擬項(xiàng)目施工，實(shí)現(xiàn)可視化的全過程。研究人員通常使用Navisworks軟件或企業(yè)自主開發(fā)的BIM 4D平臺(tái)（包括魯班、廣聯(lián)達(dá)等），與進(jìn)度計(jì)劃軟件如Project、Primavera等進(jìn)行鏈接，從而實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化模擬，分析進(jìn)度計(jì)劃安排、資源分配、現(xiàn)場(chǎng)布置方案等是否合理，并對(duì)不合理之處進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[1]。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在BIM技術(shù)與4D概念的基礎(chǔ)上，針對(duì)BIM 4D的模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)度相關(guān)優(yōu)化問題等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。

模型構(gòu)建方面，Eastman等人分析了創(chuàng)建BIM 4D模型的方法途徑，并進(jìn)而提出了應(yīng)用BIM 4D進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃生成與進(jìn)度控制中應(yīng)該注意的問題。Duffey等人首先對(duì)BIM 4D的應(yīng)用效益進(jìn)行了研究，包括由于低效時(shí)間表和進(jìn)度計(jì)劃更新不及時(shí)引起的直接成本或間接成本。趙彬等人[2]對(duì)BIM 4D技術(shù)引入前后在工程項(xiàng)目進(jìn)度管理方面的表現(xiàn)進(jìn)行了比較分析，論證了該技術(shù)在項(xiàng)目進(jìn)度管理方面的可行性和優(yōu)越性。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，Golparvar-Fard等人提出了一種基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM 4D進(jìn)度計(jì)劃自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法，該方法基于IFC格式標(biāo)準(zhǔn)，通過點(diǎn)云模型生成進(jìn)度計(jì)劃，并進(jìn)而利用BIM模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的可視化。隨后，Hamledari等人[3]提出了一個(gè)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM 4D進(jìn)度自動(dòng)更新的模型，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度數(shù)據(jù)采集，將非IFC格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為IFC格式的數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)一管理和利用。

1.2 BIM 4D的研究意義

進(jìn)度相關(guān)優(yōu)化問題方面，如圖1所示，根據(jù)Rabia等人對(duì)BIM從業(yè)人員的調(diào)研，使用BIM 4D的人員中，86%研究的是3D+進(jìn)度問題，其次重視的是預(yù)測(cè)方面的問題，包括成本和進(jìn)度，可見實(shí)際工程中進(jìn)度計(jì)劃是利用BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目管理的關(guān)鍵領(lǐng)域，也是公司真正想要使用的領(lǐng)域。

2 ?BIM 4D技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)思路

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛也逐步成熟，而BIM 4D技術(shù)是在BIM 3D搭建的建筑三維模型的基礎(chǔ)上，通過鏈接進(jìn)度計(jì)劃附加項(xiàng)目進(jìn)度、資源、成本等信息，形成4D模型的信息化技術(shù)[4]。利用BIM 4D可以實(shí)現(xiàn)可視化，通過施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析進(jìn)度計(jì)劃安排、資源配置和現(xiàn)場(chǎng)布局等是否合理，并根據(jù)判斷對(duì)初始進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，尤其是針對(duì)復(fù)雜工序調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃與資源安排。同時(shí)，BIM技術(shù)最終可輸出優(yōu)化方案的模擬視頻來知道現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

BIM 4D技術(shù)雖然能通過軟件實(shí)現(xiàn)可視化，但軟件應(yīng)用層面的操作基本都基于項(xiàng)目管理人員的觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏定量?jī)?yōu)化的理論依據(jù)，尚未引入可實(shí)現(xiàn)量化的數(shù)學(xué)算法，也不存在BIM模型信息與進(jìn)度優(yōu)化理論中各屬性的關(guān)聯(lián)操作，因此缺乏系統(tǒng)化的理論支撐。如果將遺傳算法與BIM 4D方法有效結(jié)合，驗(yàn)證理論研究的可行性和動(dòng)態(tài)可持續(xù)性，可以加強(qiáng)BIM 4D的應(yīng)用效果。

2.2 改進(jìn)思路

由于遺傳算法和BIM 4D技術(shù)在進(jìn)度優(yōu)化問題上各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，單一進(jìn)行應(yīng)用時(shí)又分別存在相應(yīng)的不足，因此，本文提出在BIM 4D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳算法共同進(jìn)行工程項(xiàng)目進(jìn)度優(yōu)化，有效發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)進(jìn)度的二次優(yōu)化與深度優(yōu)化，達(dá)到理論性與實(shí)踐性結(jié)合、定量分析與定性分析結(jié)合的目的，增強(qiáng)研究方法的科學(xué)性與可行性。在輸入項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)后利用綜合了多種進(jìn)度壓縮方法的改進(jìn)后遺傳算法進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃的一次優(yōu)化，然后運(yùn)用BIM 4D技術(shù)，在可視化的基礎(chǔ)上對(duì)一次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的二次優(yōu)化，最終得到符合項(xiàng)目需求的最優(yōu)進(jìn)度計(jì)劃，同時(shí)保證算法一次優(yōu)化結(jié)果在實(shí)際項(xiàng)目中的安全性、合理性和可行性。

3 ?遺傳算法與BIM 4D集成機(jī)制設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)交互研究

由于遺傳算法輸入、輸出參數(shù)為數(shù)學(xué)模型的參數(shù)表達(dá)，包含目標(biāo)函數(shù)和約束條件中的變量，而BIM 4D模型主要由工程構(gòu)件組成，需要建立遺傳算法數(shù)學(xué)模型與基于BIM的建筑模型之間的信息表達(dá)、參數(shù)設(shè)定等交互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃二次優(yōu)化，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的效果。

遺傳算法優(yōu)化模型與BIM 4D模型之間的參數(shù)交互關(guān)系如圖2所示，其中數(shù)學(xué)模型中輸出都是基于活動(dòng)級(jí)的各項(xiàng)參數(shù)，依托于進(jìn)度計(jì)劃中制定的各個(gè)活動(dòng)，而BIM 4D模型中需要輸入的參數(shù)為構(gòu)件級(jí)，各項(xiàng)參數(shù)均基于模型構(gòu)建時(shí)的組成構(gòu)件，通過圖中箭頭表示的直接或間接對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以使算法中的參數(shù)與BIM模型中參數(shù)有效對(duì)應(yīng)，便于下一步深入優(yōu)化進(jìn)度計(jì)劃。

3.2 基于BIM 4D的二次優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

一次優(yōu)化過程中，通過遺傳算法可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程求解，得到滿足工期要求且成本最低條件下各項(xiàng)工序的持續(xù)時(shí)間、搭接方式、資源配置和成本金額。如圖3所示，利用BIM 4D技術(shù)，可以將一次優(yōu)化的參數(shù)數(shù)據(jù)與信息模型中工序活動(dòng)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，通過BIM平臺(tái)進(jìn)行二次優(yōu)化，使理論模型得出的優(yōu)化結(jié)果更具有實(shí)際意義。基于BIM 4D平臺(tái)的進(jìn)度二次優(yōu)化可以分為三個(gè)過程，首先將建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等三維模型與進(jìn)度、資源、成本等信息集成，實(shí)現(xiàn)可視化展示;然后將一次優(yōu)化的進(jìn)度計(jì)劃通過模型模擬演示，分析其中各工序的進(jìn)度安排是否合理，尤其是其中對(duì)于復(fù)雜工序的安排是否符合實(shí)踐操作的要求，從而根據(jù)合理性與可行性的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)進(jìn)度計(jì)劃和資源、成本的安排進(jìn)行二次調(diào)整與優(yōu)化，保證理論模型優(yōu)化成果的實(shí)踐性;在最終優(yōu)化的進(jìn)度計(jì)劃應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目后，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)度執(zhí)行情況與需求變化情況，及時(shí)反饋到BIM 4D模型中，形成PDCA循環(huán)，對(duì)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。

4 ?基于BIM 4D的進(jìn)度計(jì)劃動(dòng)態(tài)跟蹤與調(diào)整

二次優(yōu)化后的進(jìn)度計(jì)劃應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中后，實(shí)際情況可能與計(jì)劃出現(xiàn)偏差，或者因項(xiàng)目需求不可預(yù)見的變化而需要進(jìn)行再次調(diào)整，因此有必要針對(duì)這種狀況設(shè)計(jì)實(shí)際工程中的應(yīng)對(duì)思路。

進(jìn)度與需求的實(shí)時(shí)跟蹤主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)信息采集。傳統(tǒng)方式主要通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員人為觀測(cè)、手工測(cè)量和Excel報(bào)表記錄，最終生成實(shí)際進(jìn)度跟蹤報(bào)告。由于傳統(tǒng)方式對(duì)于人力和時(shí)間的消耗較大，目前可以使用無人機(jī)或相關(guān)攝影裝置采集現(xiàn)場(chǎng)施工情況，基于BIM 4D工程管理平臺(tái)將拍攝得到的進(jìn)度數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)中，甚至有相關(guān)學(xué)者研究BIM平臺(tái)直接識(shí)別圖片信息的方法。通過平臺(tái)的功能將現(xiàn)場(chǎng)施工與模型更直接而高效的關(guān)聯(lián)，并且可以針對(duì)其中的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)附上相關(guān)說明，便于后續(xù)進(jìn)行進(jìn)度分析與調(diào)整。

在實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃出現(xiàn)偏差時(shí)，或項(xiàng)目對(duì)于施工內(nèi)容、工期、成本等要求出現(xiàn)變更后，需要對(duì)項(xiàng)目未完成部分更新進(jìn)度計(jì)劃。

基于遺傳算法與BIM 4D對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制的思路主要包括以下四個(gè)步驟：

①利用改進(jìn)遺傳算法和優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃一次優(yōu)化，并與BIM 4D集成實(shí)現(xiàn)二次優(yōu)化;

②在最優(yōu)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施后，實(shí)時(shí)跟蹤施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和項(xiàng)目需求，分析進(jìn)度計(jì)劃是否需要調(diào)整;

③若出現(xiàn)進(jìn)度滯后、需求變更等情況導(dǎo)致未完成工程進(jìn)度計(jì)劃需要調(diào)整，通過前述方法再次優(yōu)化未完成部分的進(jìn)度計(jì)劃;

④若工程構(gòu)筑物出現(xiàn)變更，根據(jù)最新方案修改三維模型，并通過動(dòng)態(tài)模擬分析進(jìn)度計(jì)劃是否存在不合理或沖突之處，生成最優(yōu)進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)PDCA動(dòng)態(tài)循環(huán)控制。

5 ?結(jié)束語

進(jìn)度管理是工程項(xiàng)目管理的三要素之一，也一直是項(xiàng)目管理研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展以及全球化的不斷推進(jìn)，項(xiàng)目往往具有嚴(yán)格的工期限制。遺傳算法與BIM 4D結(jié)合使進(jìn)度優(yōu)化兼具理論支持和實(shí)踐可行性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

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