基于BIM的某公共工程施工进度分析与方案优化文献综述

 2023-08-24 11:08
  1. 文献综述（或调研报告）：
  2. 前言

作为项目管理的三大目标之一，进度管理是要通过制定出合理、经济的进度计划，并在执行该计划的过程中对其进行控制与优化，以保证工程项目按时完成。工程项目进度计划的合理编制与优化是保证在规定的工期内实现项目目标的重要部分。传统的进度管理主要依靠人来完成，耗时且容易出错。近年来，建筑信息模型（BIM）的发展与在建筑业中的普及为进度管理带来了新的契机。《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中提出“普及项目管理信息系统，开展施工阶段的BIM基础应用[1]”。通过将BIM与传统进度管理方法相结合，可以进一步实现更精细化的进度管理。因此，应着力推广BIM技术在工程项目进度方面的应用。

  1. 国内外研究现状
  2. 国外研究现状

通过将三维建筑模型与时间维度进行集成从而实现 4D 模拟的技术是BIM技术在进度管理中应用研究的重要方面。国外在4D技术方面的研究起步较早，主要经历了以下两种研究思路：

（1）基于CAD平台的4D技术

早期4D模型的建立主要是基于CAD平台进行的。1996年，美国斯坦福大学整合设施工程中心CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）首先提出4D理论。CIFE推出的4D-CAD系统将三维模型与施工进度进行集成，使用者可以将模型构件与具体施工活动关联，还可以定义相互之间的逻辑关系，实现了施工进度的可视化[2,3,4]。1998年，CIFE发布了新的4D应用系统4D-Annotator，实现了4D技术与决策支持系统的有机的结合，借助4D显示功能，管理者能够直观地发现场地中潜在存在的问题，大大提高了对施工状况的感知能力[5]。2003年，CIFE 开发了新的4D 产品模型PM4D系统（Product Model and Fourth Dimension），它可以生成建筑物的成本预算、施工进度、环境报告及建筑物全寿命周期的成本分析等信息，还能通过VR技术实现产品的3D可视化及4D施工过程模拟[6]。英国 Strathclyde 大学在4D研究领域也具有一定的代表性，其在1997年提出的PROVISYS模型能够实现施工现场状况和进度的动态模拟，美中不足的是缺乏施工计划管理方面的功能[7]。

基于CAD平台进行的4D模拟存在一定的缺陷。工程项目不同阶段的参与方独立工作，通过二维图纸或电子文档进行交流。这就导致项目信息很难在项目全寿命周期内进行传递，各参与方无法全面掌握项目的所有信息，容易形成片面的理解。CAD平台上进行的4D建模在3D方面的性能较差，不是真正意义上的三维信息模型，但其为后来面向对象的参数化研究打下了基础。

（2）基于IFC的4D建筑信息模型

相比基于CAD的4D技术，基于IFC的4D建筑信息模型可以应用于项目的全寿命周期[8]。IFC使建筑业的各软件能协同工作，支持在项目各阶段进行数据交换与共享，有助于在项目全寿命周期内实现高效率的合作。Navisworks、ProjectWise Navigator和Model Checker等BIM可视化软件就是以IFC 标准为基础来实现4D-BIM的。Bauke de Vries设计了一个方案，通过确定3D模型中各组件之间的空间位置关系来确定施工顺序，从而自动生成进度计划[9]。E.Tauscher介绍了一种基于IFC生成进度计划的方法，有助于项目经理从建筑信息模型中提取进度信息，快速实现4D可视化，而且不需要后续的交互[10]。Yibrah W. WELDU提出了一种方案，以BIM中建筑组件之间的拓扑关系为基础，应用基于规则的空间推理机制来自动生成施工顺序，同时自动将这些施工任务与BIM相关联，以实现4D可视化[11]。Hexu Liu研究了通过实现BIM产品模型与工作包信息，过程模拟和优化算法的深入集成，以促进在资源受限的情况下自动生成用于建设项目的优化活动水平的施工计划[12]。C. Kim 和 H. Son 设计了一种进度自动更新系统，它是将4D和3D点云信息加以整合来完成更新，并通过与其他进度更新方法的对比提供了一种运用4D-BIM的新思路和流程[13]。

  1. 国内研究现状

构建4D模型是进行基于BIM的进度管理的基础。在4D模型方面，清华大学的张建平教授从1991年起就开始对建筑施工计划三维可视化和动态管理进行研究。1995年，清华大学开发了GCPRU系统，该系统将施工对象定义为一个3D整体描 述、施工过程模拟以及结构构件实体的三维复合模型，体现了4D模型的基本概念，但没有实现施工对象3D模型与外部进度计划系统的链接[14]。2000年，清华大学提出了一个4D施工管理模型（4D Site Management Model，4DSMM），该模型实现了施工对象3D模型与外部进度计划系统的链接，但该4D系统的3D模型仅仅是施工对象的模拟，还不是真正意义上的信息化3D模型[15]。2002年，清华大学又提出了一个扩展的4D施工管理模型（4D Site Management Model＋＋）。该模型以工程结构分解为核心，将进度计划、三维模型、资源管理、场地布置和成本分析等施工管理要素相结合，实现了建筑施工的可视化管理和优化控制[16]。丁杰研究了4D模型的概念及4D模型在建筑业中应用的主要功能，并提出了基于传统CAD技术和基于BIM的两种4D建模方法，最后用IDEF0方法对4D建模的实现过程进行了分析[17]。牟茗采用面向对象建模技术和数据库技术提出了四维建筑信息模型构建的思路模型，并基于技术平台实现了四维建筑信息模型的建立[18]。

在构建BIM 4D模型的研究基础上，我国学者在基于BIM技术的进度管理方面也进行了一些研究。王青薇等分析了BIM技术在工程项目进度计划与控制的应用现状，基于集成管理的思想，探讨了应用BIM技术编制进度计划和实施进度控制的可行性，并以某大型机场项目为例，提出基于BIM的进度计划编制构想[19]。赵彬等分析了工程项目进度管理现存的问题及成因，然后将传统进度管理技术与基于 BIM 的 4D 技术进行对比，论证了基于 BIM 的 4D 施工模拟技术在进度管理中应用的优越性及可行性[20]。何清华等尝试构建了基于 BIM 的进度管理系统框架，并从总进度计划、二级进度计划、周进度计划、日常工作四个层面对该进度管理系统的流程进行梳理，创建了一种可视化并能促进多目标协同优化的进度管理系统[21]。姚发海等结合工程实例分析了论述了基于BIM技术构建施工物料管理系统的模式和实现方案，实现了物料单全过程追踪、实时监控物料供需情况以及进行施工物料的可视化统计和分析[22]。董娜等针对工业化建筑的特点进行构件进度管理的功能需求分析、信息需求分析和管理流程设计,并在此基础上提出基于BIM和RFID的工业化建筑构件进度管理系统框架, 并通过二次开发, 形成基于BIM和RFID的工业化建筑构件进度管理系统, 最后通过工程实例验证了系统的有效性和可行性[23]。李羽晗对初步制定的进度计划在进度、资源方面进行了优化。在进度计划的执行过程中，将 BIM 技术与 PDCA 循环原理相结合，分析了基于 BIM4D 平台对施工进度进行信息收集、进度偏差分析以及运用遗传算法对工期固定-资源均衡实现定量优化的方法，并通过对一个实例的施工过程的模拟建造验证了算法的有效性[24]。郑沁从影响工程项目进度管理的人为因素、材料因素、机械设备因素、施工组织因素和外部环境因素入手，建立了施工进度协同优化评价指标体系，提出了基于云模型理论的BIM项目施工进度协同优化绩效评价方法[25]。

  1. 国内外研究现状评述

综合国内外研究现状来看，随着计算机技术与信息技术的发展，为了更好地进行工程项目的进度管理，越来越多的国内外学者开始研究如何将三维模型与时间维度进行结合实现4D模拟技术。国外在4D方面的研究起步较早，研究内容包括4D模型的构建、4D施工模拟、4D进度分析优化等，在对基于BIM 的进度管理的系统性研究较少。从基于CAD平台的4D研究到基于IFC的4D研究的转变实现了工程项目信息在项目全寿命周期内的交流与共享，而BIM则为数据的传递提供了一个平台，方便项目参与方进行协同工作。国内在4D方面的研究主要集中在4D模型的构建和BIM在进度管理中的应用，大多是理论性的研究，实证性研究偏少，对利用BIM 4D模型进行施工进度计划的分析与优化方面还有待进一步研究。

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