基于BIM技術(shù)的建筑施工進(jìn)度優(yōu)化研究

柳茂

摘 要： 針對(duì)建筑工程項(xiàng)目施工進(jìn)度管理的信息完備性和管理效率不高的問題，提出基于BIM技術(shù)的建筑施工進(jìn)度優(yōu)化模型。采用建筑信息模型采集建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)，對(duì)采集的建筑施工相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合和優(yōu)化聚類分析；利用參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，建立建筑施工進(jìn)度管理的幾何信息、物理信息、資金投入、時(shí)間、工序等參量的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化建筑施工項(xiàng)目進(jìn)度；最后通過仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能，結(jié)果表明，采用該模型規(guī)劃建筑施工進(jìn)度，可直觀、快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，快速、準(zhǔn)確地獲得工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的信息化管理，節(jié)省開支，減少工期。

關(guān)鍵詞： BIM技術(shù)； 建筑工程； 施工進(jìn)度； 信息管理

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）03?0103?03

Research on building construction schedule optimization model based on BIM technology

LIU Mao1， 2

（1. School of Construction Management and Real Estate， Chongqing University， Chongqing 400044， China；

2. Department of Engineering Management， Sichuan College of Architectural Technology， Deyang 618000， China）

Abstract： Since the information completeness and management efficiency of the construction schedule management for the construction project are low， a building construction schedule optimization model based on BIM technology is proposed. The building information model is used to collect the various relevant information data of the building project for information fusion and optimization clustering analysis. The parameter model is adopted to integrate the relevant information of each project， establish the 5D relational database （including the parameters such as geometry information， physical information， funding， time and process） of the building construction progress management， and optimize the building construction project schedule. The performance was tested with simulation experiment. The results show that the model used to plan the construction schedule can contrast with the construction plan and the actual progress intuitively and quickly， and the informatization management of the construction schedule was realized by acquiring the project basic data rapidly and accurately to save the money and shorten the time limit for a project.

Keywords： BIM technology； building project； construction schedule； information management

0 引 言

建筑工程施工進(jìn)度管理關(guān)系著整個(gè)施工工程的效益和質(zhì)量，加強(qiáng)建筑工程施工進(jìn)度管理，能有效提高施工效率，節(jié)省工程開銷。工程進(jìn)度管理貫穿于項(xiàng)目施工的各個(gè)環(huán)節(jié)[1?2]。影響施工工程進(jìn)度的因素很多，比如項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃、土地開發(fā)費(fèi)用的投入、材料費(fèi)、工程造價(jià)以及建筑物體的物理信息、時(shí)間、工序等[3]。需要對(duì)建筑工程項(xiàng)目中影響施工進(jìn)度的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理和分析，采用一種數(shù)字信息處理手段實(shí)現(xiàn)建造管理的數(shù)據(jù)化分析[4?6]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為信息分析基礎(chǔ)的建筑工程項(xiàng)目管理數(shù)字信息處理模型[7]。BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具，采用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑施工進(jìn)度的優(yōu)化管理和控制，具有廣闊的應(yīng)用前景[8?9]。針對(duì)建筑工程項(xiàng)目施工進(jìn)度管理的信息完備性和管理效率不高的問題，本文提出基于BIM技術(shù)的建筑施工進(jìn)度優(yōu)化模型。結(jié)果表明，采用本文模型規(guī)劃建筑施工進(jìn)度，可節(jié)省開支，減少工期。

1 建筑信息模型構(gòu)建

1.1 建筑工程施工信息熵

假設(shè)建筑工程的集成管理環(huán)境中建筑工程進(jìn)度約束數(shù)據(jù)集[X=x1，x2，…，xn，][n]是數(shù)據(jù)集[X]的數(shù)目，在建筑項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期中，建筑工程施工項(xiàng)目的約束參量及[X]中的每個(gè)元素都是一個(gè)[P]維矢量，[X]含有[c]個(gè)類別，表示建筑物建造的支持向量集屬性，把建筑工程施工的約束向量機(jī)分為不同的類別屬性，包括建筑工程造價(jià)、建筑物的物理屬性以及施工工期等[7]，第[i]個(gè)類的中心為[vi=vi1，vi2，…，vip]。構(gòu)建關(guān)聯(lián)知識(shí)庫，構(gòu)建建筑工程施工相關(guān)信息的完備性正交基向量，用[y（k）]表示；[s（k）j]和[y（k）j]表示建筑信息模型系統(tǒng)線性輸入和可逆不變性輸出，得到建筑工程施工相關(guān)信息的完備性正交基：

[x（k）=[x（k）1，x（k）2，…，x（k）Nk-1]T] （1）

[s（k）=[s（k）1，s（k）2，…，s（k）Nk]T] （2）

[y（k）=[y（k）1，y（k）2，…，y（k）Nk]T] （3）

采用數(shù)據(jù)離散特征采樣方法構(gòu)建在工程檢查區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采樣的[N]個(gè)離散點(diǎn)[A={a1，a2，…，aN}，]且滿足[a1

[V1={>a1，>a2，…，>aN-1}V2={≥a1，≥a2，…，≥aN}V3={

采用參數(shù)化建模將數(shù)據(jù)屬性并集中的[Dn]按照沖突調(diào)用計(jì)量區(qū)間[dn-max-dn-min?1K]劃分為若干個(gè)（[K]個(gè)）數(shù)據(jù)子集[Ak，][Ak]為工程量信息特征集，滿足[A1?][A2?…?Ak=A，]工程量信息可以根據(jù)時(shí)空維度進(jìn)行特征分區(qū)，當(dāng)[Ai?Aj=Ω，]其中[i，j=1，2，…，m]且[i≠j，]得到單個(gè)建筑施工工程構(gòu)件[i]的信息熵：

[Hi（x）=k=1Kpkln1pk=-k=1Kpklnpk] （4）

采用簇內(nèi)數(shù)據(jù)相干點(diǎn)尋優(yōu)法對(duì)[Hi（x）]求取最大值[max（Hi（x）），]由此采集建筑工程施工相關(guān)信息，分析其特征。

1.2 建筑信息融合

在建筑施工進(jìn)度優(yōu)化管理中，采用BIM技術(shù)在建筑物建造前期協(xié)調(diào)各專業(yè)問題生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建參量分析模型融合建筑信息，若各種建筑信息定量值[x∈U，]且[x]是BIM建筑信息模型的差異性特征量[C]的隨機(jī)采樣結(jié)果，若[x]滿足：[x～N（Ex，En2），]信息熵[En～][N（En，He2）]，得到使建筑工程在整個(gè)進(jìn)程中信息特征分解的最優(yōu)化約束條件為：

[f1， μ1<αf2， μ2?f1μ2，otherwise] （5）

式中：[f2， μ1， μ2]分別表示建筑施工項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的開銷系數(shù)，建筑工程集成管理的特征矢量[x1]和[x2]支持度滿足[C1（Ex1，En1，He1）， C2（Ex2，En2，He2），]通過碰撞檢查產(chǎn)生出[n]個(gè)信息融合區(qū)域，構(gòu)建模糊函數(shù)進(jìn)行建筑施工約束參量信息的特征篩選和模糊控制[8]，當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征信息分配在[[Ex-3En，Ex+3En]]分區(qū)范圍內(nèi)，采用混沌自相似性融合原理得到建筑信息模型數(shù)字信息融合度：

[pi=f（di，d′i）N=Ti，Oj， f1，…，Oj， fn，Ti，…，Ti，On， f1，…，On， fn] （6）

式中：[Ti]表示通過構(gòu)件信息自動(dòng)生成的BIM建筑信息[Oj， f1，Oj， fn]共軛梯度邊值，用符號(hào)表示為[Ti∈][{T1，T2，T31，T32}]，[Oj， f1…Oj， fn]為建筑工程進(jìn)度優(yōu)化的奇異矩陣雙正則函數(shù)。

設(shè)定二維熵的閾值[H0]進(jìn)行閾值判斷，當(dāng)[H2

[L1=i=1n（si+p=1silp）] （7）

式中[l1，l2，…，lsi]表示解向量的熵融合特征串長(zhǎng)度。

2 數(shù)據(jù)處理及模型優(yōu)化

2.1 BIM建筑信息增益計(jì)算

對(duì)于BIM數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)標(biāo)量序列[y1]和[y2，]在特征空間分布的關(guān)聯(lián)聯(lián)合概率密度函數(shù)為[f（y1，y2），]構(gòu)建建筑工程量信息分布數(shù)學(xué)模型為：

[yi=f（x1，x2，…，xm）] （8）

式中[m]表示BIM數(shù)據(jù)的分類屬性個(gè)數(shù)。

根據(jù)信息融合結(jié)果提取數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本，得到建筑信息模型的齊次線性協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)標(biāo)量時(shí)間序列表達(dá)式為：

[z（t）=s（t）+js（t）?h（t）=s（t）+j-∞+∞s（u）t-udu=s（t）+jH[s（t）]] （9）

采用模糊C均值聚類算法對(duì)上述標(biāo)量時(shí)間序列進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類[9]，根據(jù)建筑施工的BIM信息數(shù)據(jù)的歸類屬性分為[SC]和[Sr]兩大屬性種類，構(gòu)建矩形窗函數(shù)[h（t）]進(jìn)行C均值聚類，假設(shè)數(shù)據(jù)聚類的窗函數(shù)的寬度為[T=（2d+1）Ts，][Fs=1Ts，]令[A=a1，a2，…，an]為各種建筑信息的屬性集，[B=b1，b2，…，bm]為信息增益的類別集，[ai]的各種建筑BIM信息的歸類屬性集合為[c1，c2，…，ck，]通過模糊C均值聚類，得到數(shù)據(jù)聚類和信息增益的表達(dá)式為：

[BIM（B）=-i=1mpi×log2pi] （10）

[BIMA（B）=j=1vBjB×BIM（Bj）] （11）

[Gain（A）=BIM（B）-BIMA（B）] （12）

式中：[Bj]表示訓(xùn)練集中含有[ax]屬性中的[cv]值的元素集合；[Gain（A）]表示信息增益量，通過信息增益量控制數(shù)據(jù)聚類的空間尺度，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

2.2 建筑施工進(jìn)度管理的關(guān)系數(shù)據(jù)庫及進(jìn)度優(yōu)化

在采集的BIM信息數(shù)據(jù)集合[S]中構(gòu)建建筑施工進(jìn)度管理幾何信息、物理信息、資金投入、時(shí)間、工序等參量的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫。以BIM應(yīng)用為載體，得到建筑質(zhì)量與建筑工期的關(guān)系模型邊界條件為：

[RβX=UE∈URcE，X≤β] （13）

[RβX=UE∈URcE，X≤1-β] （14）

為了提高建筑質(zhì)量、縮短工期、降低建造成本，把BIM建筑信息參量模型進(jìn)行整合，輸入模型參量信息元[mi，j（1≤i≤n，1≤j≤k），]在項(xiàng)目管理信息化數(shù)據(jù)庫中得到特征分類的判別系數(shù)[λi ：1≤i≤S，]判別準(zhǔn)則[Rj：1≤j≤L，]通過信息、復(fù)雜程度和時(shí)間的參量約束構(gòu)建約束目標(biāo)函數(shù)：

[Wq=W-X=1γk=1Kn=1Nkpk，n-N-1μ+rμr] （15）

通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在BIM約束參量模型中尋找所有匹配的特征點(diǎn)對(duì)，描述完整的工程信息，得到建筑施工進(jìn)度管理的幾何信息空間更新迭代：

[μk+1=αμ+（1-α）μk] （16）

[σk+1=βkσ+（1-βk）μk] （17）

定義[D=（dγ）γ∈Γ]為物理信息特征空間[H]中向量組成的基函數(shù)集，在項(xiàng)目管理信息化模型中，利用數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理，得到幾何信息、物理信息、資金投入、時(shí)間、工序等參量的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型的解空間矩陣：

式中：[A]為[m×n]矩陣；[A?A]和[A?A]為奇異矩陣的共軛特征。

考慮在齊次線性子空間的平穩(wěn)特性，利用三維數(shù)字模型預(yù)測(cè)建筑數(shù)據(jù)，構(gòu)建5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑施工進(jìn)度管理BIM信息數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)，整合BIM模型后，可提高建筑施工項(xiàng)目管理的精細(xì)化水平，逐步實(shí)現(xiàn)建筑施工項(xiàng)目管理信息化。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

利用Autodesk Revit MEP和Autodesk Revit Architecture建立BIM建筑信息模型，結(jié)合AutoCAD Civil 3D建立建筑施工進(jìn)度管理的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，憑借BIM直觀表達(dá)及智能信息管理，選擇5 000個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建筑施工的相關(guān)信息原始采樣，數(shù)據(jù)采樣對(duì)象包括建筑構(gòu)件的物理信息、工程造價(jià)信息、材料成本信息和施工時(shí)間進(jìn)展信息等20萬個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，給出其中一段信息的采樣結(jié)果如圖1所示。

3.2 結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)加載，讓參量數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)入5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和信息處理，優(yōu)化控制建筑施工進(jìn)度，圖2和圖3給出了不同模型進(jìn)行建筑施工進(jìn)度控制在施工成本和施工進(jìn)展時(shí)間方面的性能對(duì)比。

從圖2和圖3可知，采用本文模型進(jìn)行建筑施工進(jìn)度控制，參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，節(jié)省了成本開支，平均成本開支比傳統(tǒng)方法節(jié)省了22.45萬元，降低了工程造價(jià)開銷，同時(shí)提升了項(xiàng)目生產(chǎn)效率，縮短工期（平均工期縮短40余天）。

4 結(jié) 語

本文提出基于BIM技術(shù)的建筑施工進(jìn)度優(yōu)化模型，研究結(jié)果表明，該模型能夠優(yōu)化建筑施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度的信息化管理，提升了項(xiàng)目生產(chǎn)效率，降低了成本開支，縮短了工期。

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