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使用建筑信息模型自动生成施工序列
E. Tauscher1, K. Smarsly1, M. Kouml;nig2and K. Beucke3
1魏玛包豪斯大学,土木工程计算专业,德国魏玛99423库德雷大街7号;电话: 493643584215;传真: 493643584216;电子邮箱:{eike.tauscher | kay.smarsly}@uni-weimar.de
2波鸿鲁尔大学，工程计算专业，德国波鸿44781IC建筑;电话: 492343223047;传真: 492343214292;电子邮箱: koenig@inf.bi.rub.de
3魏玛包豪斯大学,德国魏玛99423兄弟学校街8号;电话: 493643581111;传真: 493643581120;电子邮箱: karl.beucke@uni-weimar.de
摘要
施工进度表通常仅限于一份最终施工进度表的文档，并且在规划过程中可能已经考虑过的其他施工方案通常不包括在最终进度表中。此外，由于完整性和正确性方面对施工进度表的形式控制非常有限，这是因为现有的方法（例如4D可视化）未充分集成到施工计划过程中。本文介绍了旨在支持施工进度计划的软件框架的开发。如本文中将显示的那样，通常使用人工信息进行施工进度安排的过程，该过程通常使用建筑物信息模型（BIM）和4D可视化自动进行。由于BIM对象和施工任务之间的逻辑互连，因此可以自动生成灵活的进度表和施工过程的可视化表示，而且无需永久的人工干预。
引言
在大多数建筑项目中，施工进度表是使用最新的软件工具手动生成的。不幸的是，生成的时间表通常是受制于负责安排的项目经理的个人经验和主观知识。此外，施工进度通常仅限于最终结果的记录，即只有一个最终施工进度可用，而忽略了施工期间可能发生的潜在变化。在施工计划过程中可能已经考虑过的其他施工方案通常不包括在最终进度表中。如果在施工过程中发生更改，通常不会对这些计划进行修订，因为修订非常耗时且昂贵。另外，由于完整性的可用方法（例如4D可视化）未充分集成到进度计划过程中，因此在完整性方面对施工进度表进行形式化控制非常有限。结果，几乎不可能重复使用现有的施工进度表。
本文提出了一个集成的软件框架，该框架可以积极支持施工进度计划的过程，并有助于自动生成施工时间表。此文显示的工作是Kouml;nig等（2006），Tauscher等（2009），Mikulakova等（2010），以及Hartmann（2012）等人提出的一项合作研究项目的一部分。从本质上讲，该软件框架提供了一个模型来处理施工进度规划和执行过程中。由于自动生成施工进度表并集成了4D可视化，因此高度地实现了可重复使用性，即使施工计划发生变化，也需要精确而灵活的施工进度表。本文提出的方法是使用基于行业基础分类CAD计划工具创建的建筑物信息（IFC）。 该软件框架基于IFC工具项目（Tauscher和Theiler，2014年）。
本文的结构如下。首先，简要说明自动生成施工进度表的基本概念。然后，以位于德国魏玛的研究和办公大楼为例，说明了软件框架的使用和操作。本文以简要的总结和对潜在的未来研究方向的简要展望作为结束。
生成施工序列
对施工序列进行建模的第一步是定义基础模型的粒度。在这项研究中，假设一项施工任务导致只建造一个建筑元素。如果要构造一个建筑元素需要几个构造任务，则相应的施工序列可以由单个施工任务代替，如图1所示。
图1.构建序列替换示例:加固,模板,混凝土,拆模,墙壁。
生成的建筑元素在计算上由其对象特征表示。主要对象特征，与定义任务有关用于构造建筑元素的类型（例如墙），材料（例如混凝土）和尺寸。基于以上假设，得出了两个方面，这些方面对于所提出的发电概念至关重要:（i）施工任务的可转移性和（ii）施工任务的顺序。
施工任务的可转移性
每个施工任务仅产生一个建筑元素。为了定义一个合适的模型，软件框架将建筑元素的特性，或更确切地说，将它们的描述进行比较。一旦为某个建筑元素定义了建筑任务，就可以将该任务转移到类似的建筑元素上（图2）。
图2.施工任务的可转移性示例。
施工任务的顺序。仅当先前已经执行了所有相关的先前任务时，才能执行构造序列中的任务。 换句话说，完成一个或多个施工任务是后续任务的前提。于是，给定任务产生建筑要素，则一个或多个建筑要素是要执行的建筑任务的前提。在软件框架中，构造条件的顺序是通过将前提条件与生成的结果相同的构图串联而成的，如图3所示。
图3.排序构造任务示例。
根据上述假设建模的施工任务存储在数据库中。基于存储在数据库中的施工任务池，实现了将施工任务自动分配给建筑物要素（这些建筑物是基础建筑物信息模型的一部分）以及对任务顺序的准确确定。
软件框架的使用和操作
通过“ CIB.Weimar”大楼（位于魏玛（德国）的4层研究和办公大楼）阐明了软件框架的使用和操作，该大楼是本研究的参考大楼（图4）。为了清楚起见，在以下小节中仅使用4层建筑的第三层来说明框架的有效利用和操作。
在本研究中，生成施工进度表的过程分为三个主要阶段，如图5所示。这些阶段是结构化阶段，生成阶段和连接阶段，所有这些阶段均由软件框架支持。
结构化阶段:建筑信息模型取自基于IFC的建筑施工规划，宏观构造建筑物以进行施工计划，确定建筑物每种元素的结构单元。
生成阶段:定义新任务，从数据库分配任务，自动分配到每个结构单元的建筑构件，按结构单元半自动生成施工顺序。
连接阶段:施工衔接序列。
结构阶段
在结构阶段，将使用的建筑信息模型构建为连贯的单元，称为“结构单元”。结构阶段的主要目标是自动提取每个结构单元中包含的建筑元素。为此，用户定义建筑物的几何区域并指定对建筑物信息模型的查询（Tulke，2010； Tauscher，2011）。作为结构阶段的结果，要建造的建筑物分为精确确定建筑工段和建筑元素。这应该提到结构单元的执行顺序是手动定义的，因为它无法确定所有构造顺序的正确顺序自动。最后，结构单元的顺序以“结构图”（图6）
图6.“ CIB.Weimar”三楼的可视化效果，包括几何区域（左）和结构单元SUi，以及结构图SG（右）
生成阶段
第二阶段（生成阶段）的目的是为结构单元的建筑元素自动生成建筑任务，如下所示：
在结构化阶段确定。除了软件框架提供的自动生成功能之外，还支持手动用户交互以实现最佳结果。生成阶段又分为三个阶段：（i）映射阶段，（ii）串联阶段和（iii）冲突解决阶段，其中映射阶段包括两个步骤。
映射阶段-步骤1。进行步骤1以查找存储在服务器中的现有任务数据库，即建筑信息模型中的数据库，可用于创建结构单元中包含的建筑元素。从技术上讲，将结构单元的每个建筑元素与存储在数据库中的建筑元素描述进行比较。一旦建筑元素描述适合所考虑的结构单元的建筑元素，就将相应的任务映射到建筑信息模型的建筑元素。
映射阶段-步骤2.步骤2比较了步骤1中映射的任务的先决条件。如果先决条件相似，则将评估这些任务的建筑元素的几何邻接。如果相似建筑元素的最小距离在预定范围内，则将确定的建筑元素映射为所考虑任务的先决条件。示例性地显示了一个圆形的墙，这需要两列作为先决条件。图7说明了几何邻接的原理。根据与墙的几何距离，将“ S1”列和“ S2”列分配给墙。
图7.用于分配先决条件的几何邻接原理。
串联阶段。在上一阶段中，适当的先决条件和生成的构建元素已映射到每个任务，而在连接阶段，将为结构单元创建工作流程序列。任务的完全相同的前提条件和所得的构建元素被串联在一起，并添加了开始节点和结束节点，如图8右侧的工作流图中所示。
图8.串联后（左）和插入起始节点和结束节点后（右）的工作流程序列
解决冲突阶段。上一阶段产生的工作流程图可能会不一致，因为用于图形生成的算法可能会导致XOR拆分（例如，图8中的节点1）和AND连接（例如，图8中的节点T4）的不正确同步，这是一个众所周知的问题（ Tauscher，2011年； Pahl和Damrath，2001年）。对于此类故障，将自动冲突解决算法集成到软件框架中，在此示例中，该算法通过插入伪节点进行XOR分割修改，从而正确连接变体和并行构造过程（图9）。
图9.自动解决冲突
连接阶段。在执行所有先前阶段后，在连接阶段，将为每个结构单元生成有效的工作流图，如结构化阶段中所定义。如图10所示，结构单元的工作流程图根据先前由结构图SG定义的链接，以便生成总体工作流程图作为最终结果。
图10.最终工作流程图。
总结和结论
这项研究表明，施工进度安排过程可以在很大程度上可靠地自动化。使用本文介绍的软件框架，可以显著减少时间和成本，否则将由手动生成和跟踪施工进度表引起。具体而言，灵活的施工进度表存储在数据库中，并提供给负责的项目经理。一旦将进度表存储在数据库中，就可以在将来的项目中自动生成施工进度表。此外，与4D可视化技术集成到规划流程中相比，由于通常可以早日发现并消除缺失或不正确的任务，因此与通常部署的最新软件工具相比，可以提供更高的施工进度质量。在以后的研究中，可以通过对步骤2进行更详细的建模来完善在映射阶段提出的几何邻接。这样可以进一步减少在当前版本的软件框架中仍会在一定程度上发生的映射失败。另外，尚不支持进一步的建筑任务分类，例如将来的研究工作中将设想创建或拆除建筑元素。
参考文献
图林根州建筑师协会（2013年）。CIB.Weimar-智能建筑中心。[在线]可在以下网站找到：lt;http://www.architekten-thueringen.degt; [2013年12月20日访问]。
Hartmann，VS.，Bruce，K.，Shapiro，K.，Kouml;nig，M.（2012）“基于模型的施工计划调度”。 在：第十四届国际会议的记录，ICCCBE-14，俄罗斯莫斯科：MSU。
Kouml;nig，M.，Beucke，K.和Tauscher，E.（2006）。 “管理和评估替代施工任务”。在：第十一届国际会议论文集ICCCBE-XI会议，加拿大蒙特利尔：魁北克大学。
Pahl，P.J.和Damrath，R.（2001）。 “计算工程的数学基础”，德国海德堡：施普林格。
Mikulakova，E.，Kouml;nig，M.，Tauscher，E.和Beucke，K.（2010）。 “基于知识的进度表生成和评估”。 先进的工程信息学24（2010）第389-403页。
Tauscher，E.和Theiler，M.（2014年）。IFC工具项目-IFC Java框架，
http：//www.ifctoolsproject.html（2014年2月18日）。
Tauscher，E.，Mikulakova E.，Kouml;nig，M.和Beucke，K.（2009）。 “基于IFC对象模型的施工进度表自动生成”。在：2009 ASCE IWCCE会议录，美国德克萨斯州奥斯汀。
Tauscher，E.（2011）。 “从建筑信息模型到调度-
生成施工计划的模型”。 博士学位论文。 魏玛德国：魏玛包豪斯大学。
Tulke，J.（2010年）。 “基于建筑信息模型的协同调度”。 博士学位论文。 德国魏玛：包豪斯大学。
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