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一种自动制定施工计划的方法：基于建筑信息模型的板式结构现场施工计划的制定
Hexu LIU1 , Zhen LEI2 , Hong Xian LI3 , Mohamed AL-HUSSEIN4
1加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学建筑工程学院土木工程与环境学系T6G 2W2;电话号码：（780）492-0370；电子邮箱：hwxu@ualberta.ca。
2加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学建筑工程学院土木工程与环境学系T6G 2W2;电话号码：（780）492-0370；电子邮箱：zlei@ualberta.ca。
3加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学建筑工程学院土木工程与环境学系T6G 2W2;电话号码：（780）729-8196；电子邮箱：ho8@ualberta.ca。
4加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学建筑工程学院土木工程与环境学系T6G 2W2;电话号码：（780）492-0599；电子邮箱：malhussein@ualberta.ca。
摘要
在行业内主要的施工方法越来越多地采用板式结构或模数结构，其中包括了厂内加工和现场装配这两种主要过程。这两个过程都涉及到提高生产效率，但二者的侧重点不同：对于厂内加工来说，工艺管理是重点，另一方面，对于现场装配来说，制定施工项目进度计划和管理是重点。本文提出了一种基于建筑信息模型（BIM）自动生成现场进度计划的通用方法，这个方法考虑到了结构支撑和建筑元素之间的拓扑关系，以及钢板结构的知识。BIM模型是在Autodesk Revit环境中开发的，基于Autodesk Revit环境中元素的优先级关系自动导出，并通过Autodesk Revit应用程序编程接口(API)进行现场调度，生成的调度结果被导出到微软项目的进一步分析，如资源均衡。给出了一个实例来演示和验证该方法。本文以板式结构施工进度为重点来探讨BIM 的实施。本研究为利用Autodesk Revit进一步实施BIM奠定了基础。
引言
在加拿大，中高层多户住宅建筑可以使用钢结构的面板建造，这些钢结构面板在工厂中预制，然后运到现场安装，这一过程被称为板式结构施工。与传统的现场施工方法相比，该方法最大限度地减少了施工过程中的浪费，提高了效率。此类项目的成功依赖于对钢结构板的生产、运输和安装进行准确和合理的制定施工项目进度计划，在这种情况下，钢结构面板交付延迟或工厂生产过剩可能会导致项目延期和库存费用。现有的制定施工项目进度计划方法很多(de Vries et al. 2007; Chua et al. 2011; Chua et al. 2013)，在当前的做法中，施工项目进度计划是基于从业者经验和知识来制定的，然而由于涉及的单元(面板)数量较多，这些方法不适用于板式建筑项目的面板进度计划。因此，需要一个自动化系统来规划板式结构建筑项目的施工项目进度计划。
建筑信息建模(BIM)是一种基于可视化的信息技术建模方法，被广泛应用于建筑等各种应用中：（1）作为自动化BIM绘图和模块化建设的设计(Alwisy et al.2012)；（2）基于BIM的建筑能耗分析(Barnes and Castro-Lacouture 2009; Cho et al. 2010); （3）使用BIM进行碰撞检测，以降低施工项目中的安全风险(Zhang and Hu 2011; Cheng and Teizer 2013; Zhang et al. 2013);（4）基于BIM模型的成本估算(Cheung et al. 2012)。
在制定项目施工项目进度计划方面，学术界针对基于BIM的项目施工项目进度计划进行了一些尝试，如Kim等人开发的的一个通过分析行业基础类(IFC) BIM模型来自动化施工制定施工项目进度计划的原型（2013）。然而，他们的工作并没有说明顺序推理规则是如何为制定施工项目进度计划生成物流的。在业界，有一些优秀的BIM/4D工具，如Tekla Structure和Autodesk Navisworks。它们大多是为了项目可视化而开发的，并没有为施工管理提供制定施工项目进度计划功能。另一方面，市场上也存在一些开发良好的商业制定施工项目进度计划工具，如MS Project和Primavera P6，这些工具对项目管理很有帮助。然而，任何利用这些现有项目的计划都需要在规划阶段大量的人工参与，并不能充分利用BIM中现有的丰富信息来自动生成施工计划。因此，基于BIM的施工项目自动制定施工项目进度计划仍然是一个挑战，尤其是基于BIM的组合式施工项目制定施工项目进度计划的探索在文献中是缺失的。
在前人研究的基础上，本研究旨在对BIM模型中的信息进行实施和操作。本研究的目标是提出一种通用的方法，通过BIM模型自动生成时间表，该方法基于建筑构件之间的结构支持和拓扑关系，以及使用轻钢(LGS)系统的住宅建筑施工过程的知识。
轻量钢住宅建筑施工顺序
轻量型钢(LGS)提供了一种具有成本效益的建筑解决方案，因为该系统中的大多数建筑构件，如墙壁和浴室，都是在工厂预制的，然后交付到现场进行现场组装。与其他施工系统或方法相比，LGS施工涉及的现场工作主要涉及建筑构件的装配，如墙板、楼板托梁等。在实践中，LGS系统在现场组装方面有独特的要求。目前，在LGS施工中，结构承重墙在制造厂预先组装，现场作为墙板安装，而在非承重墙的情况下，钢材建筑材料被运到施工现场，墙体按常规方式就地制作。地板由钢托梁组成，与非承重墙以相同的方式构造。它是由钢搁栅片现场组装而成，而不是作为预制地板安装。还应注意的是，盥洗室是作为工厂的一个模块预制的，并运到现场进行现场安装。盥洗室模块通常由四面墙、一层地板和天花板组成(天花板作为上一层的地板);盥洗室的所有其他部件，如浴缸，也都是在装运到现场之前安装的。此外，由于卫生间是一个独立的模块，不需要额外的临时支撑系统，所以同一层的墙板现场组装工作从卫生间模块的安装开始。接下来要安装的元件是墙板，墙板与卫生间模块相连。沿着与卫生间模块相邻的墙壁，其他墙板依次安装。图1举例说明了在一个假设的板式建筑中公寓单元的一个可行的施工顺序。需要注意的是，“CS”表示施工顺序，“承重”/“不承重”表示墙板结构功能。在图中，一些墙板具有相同的施工序列号，因为在施工现场有足够的施工资源(如设备和劳动力)的情况下，技术上可以同时进行组装。楼层钢托梁的施工划分为与住宅建筑中不同公寓单元相对应的区域，即楼板托梁的组装按公寓单元进行。
图1 假设结构的建造顺序
提出的方法
本研究采用Autodesk BIM Solution-Revit对LGS住宅楼进行建模，并将其扩展到现场调度，以有效确定现场安装顺序并调度现场装配过程。对Revit进行了扩展，用于施工顺序推理和自动制定施工项目进度计划。图2展示了基于Revit的自动调度系统的体系结构。自动系统由以下三个部分组成: (1) Microsoft (MS) Access，存储项目资源信息以及各流程的资源需求和生产力; (2) Autodesk Revit，用于建筑项目的设计; (3) MS Project，用于显示生成的进度并进行资源调平分析。这三个组件通过C语言的Autodesk Revit应用程序编程接口(API)进行连接。更具体地说，利用Revit API对构建元素的信息进行提取和操作，分析优先关系，从MS Access中读取项目的可用资源信息、各活动的资源需求和生产力信息，并将生成的进度输出到MS Project中。
图2 自动调度系统的体系结构
拟议的时间表系统的方法流程图如图3所示。研究方法的投入包括: (1)项目可用资源;(2)每个活动的资源需求和生产力，它决定了每个过程的活动持续时间，并将用于之后的资源均衡。主要过程的第一步是对建筑元素的信息进行解析，然后基于三维BIM模型推断出建筑元素之间的支撑关系和拓扑关系。根据前面所提到的BIM模型中各要素之间的关系，以及与组网化的施工知识(顺序推理规则)之间的关系，进一步生成优先关系。每个流程的活动持续时间是根据存储在MS Access中的生产力计算的。根据优先级关系和工期，安排现场作业。系统的输出是进度结果，将其导入到MS项目中，以方便项目干系人之间的沟通，以及建设资源的平衡。该系统的核心组件是构造序列推理模块和活动持续时间计算模块。下面讨论自动系统的详细说明。
图3.研究方法流程图
基于BIM的施工顺序推理
从理论上讲，施工顺序主要取决于施工过程中临时结构的结构特性和采用的施工方法。先前的研究人员试图仅基于拓扑关系来推导构造序列，并且已经开发了几种基于3D CAD模型中3D几何信息的拓扑推论算法。但是，随着BIM的发展，有可能更有效，更实际地生成施工顺序。与传统的基于3D的项目建模相比，传统的基于3D的项目建模仅包含建筑物的几何信息，而不能承载任何语义信息或有关建筑的知识，而BIM为每个元素提供了丰富的信息（内容），从而为进行多种分析奠定了基础。图4显示了构造序列推理算法的整体流程图，而以下部分提供了对该算法组件的详细说明。
结构要素的支撑关系
住宅建筑采用LGS，这是本研究的重点，从结构的角度来看，包括墙壁，地板和基础。为了得出施工顺序，必须首先确定结构元件之间的支撑关系。关于地板，当前实践中通常采用两种不同的系统，如图5所示。在图的右侧，地板托梁位于墙板的顶部，而图的左侧的地板系统连接到墙板的内侧。因此，对于上述两个地板系统，在上述地板上用于墙板的直接支撑建筑元件将是不同的。对于图右侧的系统，上层的墙由地板系统直接支撑，而对于图左侧的系统，上层的墙板由下层的墙板支撑。尽管直接支撑元件不同，但在这两种情况下，在地板组装之前，不能开始在上面地板上安装墙板。为了应对这一挑战，Revit提供了一种经济有效的方法，通过一个分析模型来寻找建筑元素的支撑信息，该模型是一个结构物理模型的完整工程描述的简化3D表示，该模型是在创建三维物理模型时自动创建的。通过Revit API函数“element. GetAnalyticalModelSupports()”可以很容易地提取每个结构元素的支持信息。无论地板系统的类型如何，墙壁面板和地板都由Revit API收集，作为上述墙壁面板的支撑元素。通过上述功能，还可以方便地提取基础板、基础墙等结构要素之间的支撑信息。其次，将支撑构件记录为支撑构件的前身。
图4所示。前驱关系检测流程图
图5 不同楼层系统的草图
墙间连接关系
在从结构角度推导出建筑元素的前人之后，利用拓扑关系确定同一楼层的施工顺序，以考虑上一节中提到的特殊施工顺序。需要注意的是，拓扑关系包含了建筑元素之间的所有空间关系，包括连接、邻接、相交和包容(Nguyen et al. 2005)，但目前的研究只研究了同一楼层的墙壁之间的连接关系。
在墙之间的连接关系方面，Revit API提供了一些函数，如get_ElementsAtJoin(indexofWallEnd)，它检测端到端连接的墙。此外，Revit总是强制元素在适当的地方自动加入到它们的邻居中;因此，此函数可用于检测连接。但是，当超过两面墙同时连接时，计算结果不能直接用于施工顺序推理，如图6所示，需要进一步修改。如图6所示，墙板3和墙板2连在一起，共用一条边; 然而，他们不会通过共享一个面来连接，因此永远不会有直接的前任关系。本文提出了一种基于Revit函数get_ElementsAtJoin(indexofWallEnd)来推断墙体之间连接关系的算法。图4显示了dashed-line框中墙体之间连接关系的计算流程图。
图6 墙间连接关系
活动持续时间的计算
在此需要注意的是，本研究生成的时间表是针对建筑要素层面的，而不是针对具体的施工活动层面的。关于活动持续时间，在本研究中，活动持续时间是根据BIM模型中的数量和项目数据库中存储的生产力来计算的。例如，一个地基的持续时间是混凝土的体积除以混凝土工人的生产力。可用的资源信息也存储在数据库中。使用Revit API将所有存储的信息提取并导入Revit。在Revit中，根据BIM模型中的语义信息，将数据库中的可用资源分配给建筑元素。例如，建筑地基是由混凝土制成的，根据材料信息，地基是由混凝土工人建造的，然后使用Revit API将具体人员分配到基础活动中，然后通过XML将生成的调度(包括资源信息)导出到MS Project，并执行资源调平以管理现场资源。
案例
嵌入Revit的调度系统在某住宅楼进行了测试，如图7所示。建筑由两层组成，每层有四个公寓单元和一个楼梯。每个公寓单元都有两个卫生间，装配工作从这里开始。另有182块面板，其中非承重墙60块，承重墙122块。这座建筑坐落在29个混凝土地基上。
图7 一座两层住宅建筑的三维视图和平面图
为了测试所提出的进度系统，首先在Revit 2014中构建建筑模型，点击“进度
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