基于BIM的施工進度與材料管理集成優化應用研究
時間：2021-04-07 來源：51mbalunwen.com作者：vicky
本文基于 BIM 5D 施工進度與材料管理集成優化，提出的結論和見解如下。（1）綜合分析了基于 BIM 5D 的施工進度與材料管理的可行性、應用思路及構成框架，綜合考慮設計階段與施工進行階段，建立各項目單位發生工程變更時的施工進度與材料管理隨之改變的應用框架。（2）本文基于神經網絡算法使用 MATLAB 軟件，綜合考慮影響施工進度的多種因素，對某工序施工進度時間進行預測，通過大量工程實踐數據對神經網絡進行訓練，使預測數據與真實值更加貼近，消除人為主觀因素帶來的誤差。
1 緒論
1.1 研究背景和研究意義
1.1.1 研究背景
建筑業是中國國民經濟的重要組成部分，與整個國家的經濟發展息息相關。根據工業研究所發布的統計數字《中國智能建筑行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》所示，2015 年中國建筑業總產值為 18.08 萬億元，同比僅增長 2.3％，2016 年，中國建筑業總產值達 19.36 萬億元，同比增長 7.08％，2017 年，全國建筑業總產值 21.4 萬億元，同比增長 10.5％，截至 2018 年，中國建筑業總產值達 23.5 萬億元，同比增長 9.9％，預計2019 年中國建筑業總產值將超過 25 萬億元，未來五年的年均復合增長率約為 7.08％，到 2023 年，中國建筑業的總產值將達到約 33.05 萬億元，具體如圖 1.1 所示。
由上圖可知，我國建筑行業具有較好的發展前景，但與此同時建設項目也正在朝著規模化，復雜化和專業分工精準化方向發展。在工程項目管理中，施工進度管理在項目管理過程中的作用和重要性越來越明顯。物料管理也是項目管理的主要內容，作為建筑主體的重要組成部分，建筑材料如果供應不及時便會影響項目最終目標的實現。為了按時，保質，保量，經濟地提供施工所需的材料，需要進行一系列的過程，例如存儲，運輸，分配等，所以必須要有有效的計劃，組織和管理才行。在工程建設中，材料供應模型主要包括分散和集中兩種類型[1-2]，它們與進度，成本，質量和安全性密切相關。
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1.2 國內外研究現狀
本論文主要研究基于 BIM 技術的施工進度管理和材料管理集成優化研究，研究過程涵蓋到多個領域，在進行文獻查閱時主要從以下三個方面進行：（1）施工進度管理理論的研究現狀；（2）施工材料管理理論的研究現狀；（3）BIM 技術在施工進度管理和材料管理中應用的研究現狀。
1.2.1 國外研究現狀
（1）施工進度管理理論的研究現狀
追溯至 2005 年，Salem 和 Slomon 等[4]分析了的大型建設項目影響施工進度的各種因素，并提出了基于精益建設 LC 施工管理概念的多元線性回歸模型和神經網絡系統來對項目進度預測。基于對大型建設項目的施工單位工作過程的進度進行預測和分析，使大型項目的建設過程更加穩定、平衡。2006 年，Cho 和 Gokhale 等[5-6]基于線性貝葉斯二元正態分布定理，通過設立進度計算工程管理專家系統的框架，對不同工程單元的施工持續時間是否成比例的概率進行了估算，得到基于實際工作時間來預測后續工作時間的方法，但僅提出了科學框架，并且未提出在項目計劃中實現施工項目動態管理的詳細方法。2007 年，Tulke Hanff[7]提出使用 BIM 模型對施工進度進行管理的建議，研究 BIM4D 模擬的施工進度和工期計算模型。Liu 和 Zayed 等人[8]在 2009 年基于贏得值法建立了項目余額支付模型，并動態顯示了項目進度和現金流風險的模型。2010 年，Sacks 和Radosavljevic 等人[9]開發了 KanBIM 系統，用于計算和顯示施工細節和工作完成情況，并提出精益生產計劃和復雜項目的施工進度控制。2012 年，Chen 和 Griffis 等[10]提出了一種依據計算機仿真模型和智能優化的調度系統（ISS），它使項目經理可以根據項目目標和項目約束找到一個近似的最佳調度模型，綜合考慮進度、成本、人力、設備、材料和空間等主要影響因素，使進度模型接近最佳結果。2013 年，Kim 和 Anderson[11]通過將賦予 BIM 模型時間信息，自動生成各工序施工進度表，其中包含施工進度的計劃時間、工程效率、持續時間等，根據不同工序的時間安排得到整體工程項目的施工進度表。Vahid Faghihi 等人[12]在 2014 年通過 BIM 賦予三維模型工程信息，自主開發基于遺傳算法的計算機程序，使用該算法可以自動生成進度表。
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2 相關理論研究
2.1 BIM 5D 的內涵及特征
BIM 5D 技術是通過集成其他工程專業建設信息，完成工程項目的設計、建造、管理等過程的信息技術。BIM 5D 是 BIM 技術發展的一個重要方向，將成本管理、施工進度管理、材料管理、合同管理、運維管理等進行集成，具有可視化、可模擬性、可統計行、可協調性等特點。
2.1.1 BIM 5D 的內涵
1975 年，Chunk Eastman 教授最早提出了 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的概念。將 BIM 作為開發數據豐富的產品模型，提供框架并通過信息化管理促進提升工程項目綜合效益。在此過程中，施工材料的元素（如墻、門、窗和梁）在三維數字模型中表示為對象。除建模外，還集成了從設計到拆除的全生命周期信息，實現三維設計、數字建造等功能。同時具備建造信息的完備性、信息關聯性、信息一致性等特點，BIM 的發展和應用是一個從 2D 到 nD 的過程。
BIM 5D 是可用于整個項目建設周期的管理工具。將三維模型構建集成時間與成本信息，通過其強大的圖形分析及數據處理能力，可提供施工進度的準確信息圖像，計算物資需求量，成本核算等核心功能，通過將各專業信息匯總至 BIM 5D 綜合管理平臺中，可提高溝通和決策效率，幫助項目經理數字化管理施工過程，提高項目管理效率。
在實際工程應用中，BIM 5D 內涵不僅包含模型，同時提供了各組織協同管理兩個層面。一方面，各部門的工程信息通過 BIM 以參數化的三維模型進行組建、表達和移交，通過添加物件幾何信息，時間進度信息，材料屬性，量算信息可實現動態，可視化信息技術。另一方面，BIM 5D 可理解為施工項目的管控決策平臺，它可集成各部門的項目資料，提供各參與方的信息，提供各項計算分析功能，供各參與方（設計方、施工方、監理方）方便協調推進整體項目，極大提高管理者的管控能力，為管理者提供決策支持。
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2.2 項目進度管理理論
2.2.1 施工進度管理的內涵
施工進度管理是使用科學的方法完成施工項目任務的時間維度和工作進展的體現。首先總體的對項目建設目標進行分析，再全面分析各項施工工序的基本內容，通過對各分項工作的持續時間、開始時間、結束時間、工序間的邏輯關系、擬定出可行的施工進度計劃，實現對施工進度的初步管理。根據擬定的施工計劃，合理有序的安排人員、材料、設備、資金等各類施工資源進行施工，通過階段性的與施工計劃進行比對，分析出在施工過程中出現差池的因素，通過有效的控制措施，確保項目整體施工進度穩步有序的完成。
2.2.2 施工進度的內容
（1）施工進度計劃的設計編制。施工進度計劃的設計基于工程項目的總體目標，通過對各項施工作業進行任務分解、作業時間的估算、工序之間的邏輯關系進行統一處理，形成符合工程項目整體要求的工程施工總體計劃方案和分項計劃方案。總施工計劃方案對施工進度進行階段性劃分，明確各單項工程的起始時間，在總施工計劃方案的基礎上，編制二級進度計劃，進一步對單項工程進行細致分解。施工進度計劃不僅是時間表，更是現場各項施工活動的指導方案，施工經理可以依據此施工計劃中各項施工工序的開始時間和結束時間，對人員、材料、設備、資金等資源進行統籌安排，使各項工程施工環節可以循序漸進。甘特圖法是工程領域中常用的施工進度編制方法，甘特圖（Ganttchart）又稱橫道圖，是將各項工序賦予持續時間，通過橫向的圖表表示出來，常用于小型工程，表達直觀，方便施工人員理解。
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3 基于BIM 5D的施工進度與材料管理方案設計與實現 ...................... 17
3.1 搭建原則與平臺選擇.................................. 17
3.1.1 模型的搭建原則................................ 17
3.1.2 軟件平臺的選擇............................. 17
4 基于BIM 5D的施工進度與材料管理優化方法 .................... 29
4.1 基于 BIM 5D 設計階段的優化方式 ....................... 29
4.1.1 基于 BIM 5D 項目組織設計優化 .................... 29
4.1.2 基于 BIM 設計過程中的集成優化 ........................ 31
5 案例分析....................... 39
5.1 項目概況...................................... 39
5.2 BIM 5D 模型構建 ...................... 39
5 案例分析
5.1 項目概況
本項目規劃建設凈用地總面積 33333.31 平方米，總建筑面積 88870.63 平方米，其中小區 1、2 號樓及配套用房地上建筑面積 20083.41 平方米，建筑工程等級為二級；建筑使用性質：住宅；設計使用年限 50 年；建筑分類二類；結構類型：剪力墻結構；基礎類型：抗水底板、樁基；抗震設防烈度：7 度；結構抗震等級：剪力墻/二級，框架/三級；建筑抗震類別：丙類；耐火等級：一級；防雷級別：二級。工程項目的子項目分為五個部分：區域開挖工程，主體結構工程，砌體工程，裝飾工程，門窗工程。主體結構工程項目耗時長，需要的資源種類也多，如物料運輸車道和消防車道，以及鋼筋加工區，混凝土攪拌站，物料存儲區和其他生活設施等。
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6 結論和展望
6.1 結論
本文根據各種學者的最近研究內容，對比分析了在建筑工程項目中將施工進度管理與材料管理進行協同管理的現狀和存在問題。通過將施工進度管理與材料管理集成在BIM 5D 現代管理技術中，提出基于 BIM 5D 的施工進度與材料管理的現代化建筑項目管理的理論方法，分別分析了在工程項目計劃階段、實施階段在動態性和預測性的管理內容和管理方式。并使用人工神經網絡現代算法和 MATLAB 對某工序施工進度的時長進行優化與預測。通過具體案例分析演示如何將 3D 模型與時間維度結合起來，并通過把量算信息導入廣聯達 BIM5D 的綜合管理平臺上實現工程信息的 5D 集成，分析進度計劃與材料管理的協作過程，以提供最準確的材料需求計劃與施工進度的動態管理為目標，跟蹤施工進度以及基于 PDCA 實時控制的管理方式，包括材料數量的需求和進度計劃的優化等。本文基于 BIM 5D 施工進度與材料管理集成優化，提出的結論和見解如下。
（1）綜合分析了基于 BIM 5D 的施工進度與材料管理的可行性、應用思路及構成框架，綜合考慮設計階段與施工進行階段，建立各項目單位發生工程變更時的施工進度與材料管理隨之改變的應用框架。
（2）本文基于神經網絡算法使用 MATLAB 軟件，綜合考慮影響施工進度的多種因素，對某工序施工進度時間進行預測，通過大量工程實踐數據對神經網絡進行訓練，使預測數據與真實值更加貼近，消除人為主觀因素帶來的誤差。
（3）基于 BIM 軟件族群的兼容性、可視性、模擬性、可擴展性等特點，為將 BIM應用于工程項目領域對工程進行管控提供了更多的參考方案，本文主要使用其模擬性與可視化、集成性，通過結合 PDCA 階梯式管理模式對施工進度與材料供應進行管控。
（4）通過實際工程項目證實，基于 BIM 的協作集成化管理的進展可貫穿整個工程生命周期。在廣聯達 BIM5D 軟件中將 3D 模型加時間維度加成本維度信息集成得到動態材料需求計劃，通過過程分析對工程實時控制進行優化，推動 BIM 技術在工程領域內的使用。
參考文獻（略）
1 緒論
1.1 研究背景和研究意義
1.1.1 研究背景
建筑業是中國國民經濟的重要組成部分，與整個國家的經濟發展息息相關。根據工業研究所發布的統計數字《中國智能建筑行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》所示，2015 年中國建筑業總產值為 18.08 萬億元，同比僅增長 2.3％，2016 年，中國建筑業總產值達 19.36 萬億元，同比增長 7.08％，2017 年，全國建筑業總產值 21.4 萬億元，同比增長 10.5％，截至 2018 年，中國建筑業總產值達 23.5 萬億元，同比增長 9.9％，預計2019 年中國建筑業總產值將超過 25 萬億元，未來五年的年均復合增長率約為 7.08％，到 2023 年，中國建筑業的總產值將達到約 33.05 萬億元，具體如圖 1.1 所示。
由上圖可知，我國建筑行業具有較好的發展前景，但與此同時建設項目也正在朝著規模化，復雜化和專業分工精準化方向發展。在工程項目管理中，施工進度管理在項目管理過程中的作用和重要性越來越明顯。物料管理也是項目管理的主要內容，作為建筑主體的重要組成部分，建筑材料如果供應不及時便會影響項目最終目標的實現。為了按時，保質，保量，經濟地提供施工所需的材料，需要進行一系列的過程，例如存儲，運輸，分配等，所以必須要有有效的計劃，組織和管理才行。在工程建設中，材料供應模型主要包括分散和集中兩種類型[1-2]，它們與進度，成本，質量和安全性密切相關。
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1.2 國內外研究現狀
本論文主要研究基于 BIM 技術的施工進度管理和材料管理集成優化研究，研究過程涵蓋到多個領域，在進行文獻查閱時主要從以下三個方面進行：（1）施工進度管理理論的研究現狀；（2）施工材料管理理論的研究現狀；（3）BIM 技術在施工進度管理和材料管理中應用的研究現狀。
1.2.1 國外研究現狀
（1）施工進度管理理論的研究現狀
追溯至 2005 年，Salem 和 Slomon 等[4]分析了的大型建設項目影響施工進度的各種因素，并提出了基于精益建設 LC 施工管理概念的多元線性回歸模型和神經網絡系統來對項目進度預測。基于對大型建設項目的施工單位工作過程的進度進行預測和分析，使大型項目的建設過程更加穩定、平衡。2006 年，Cho 和 Gokhale 等[5-6]基于線性貝葉斯二元正態分布定理，通過設立進度計算工程管理專家系統的框架，對不同工程單元的施工持續時間是否成比例的概率進行了估算，得到基于實際工作時間來預測后續工作時間的方法，但僅提出了科學框架，并且未提出在項目計劃中實現施工項目動態管理的詳細方法。2007 年，Tulke Hanff[7]提出使用 BIM 模型對施工進度進行管理的建議，研究 BIM4D 模擬的施工進度和工期計算模型。Liu 和 Zayed 等人[8]在 2009 年基于贏得值法建立了項目余額支付模型，并動態顯示了項目進度和現金流風險的模型。2010 年，Sacks 和Radosavljevic 等人[9]開發了 KanBIM 系統，用于計算和顯示施工細節和工作完成情況，并提出精益生產計劃和復雜項目的施工進度控制。2012 年，Chen 和 Griffis 等[10]提出了一種依據計算機仿真模型和智能優化的調度系統（ISS），它使項目經理可以根據項目目標和項目約束找到一個近似的最佳調度模型，綜合考慮進度、成本、人力、設備、材料和空間等主要影響因素，使進度模型接近最佳結果。2013 年，Kim 和 Anderson[11]通過將賦予 BIM 模型時間信息，自動生成各工序施工進度表，其中包含施工進度的計劃時間、工程效率、持續時間等，根據不同工序的時間安排得到整體工程項目的施工進度表。Vahid Faghihi 等人[12]在 2014 年通過 BIM 賦予三維模型工程信息，自主開發基于遺傳算法的計算機程序，使用該算法可以自動生成進度表。
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2 相關理論研究
2.1 BIM 5D 的內涵及特征
BIM 5D 技術是通過集成其他工程專業建設信息，完成工程項目的設計、建造、管理等過程的信息技術。BIM 5D 是 BIM 技術發展的一個重要方向，將成本管理、施工進度管理、材料管理、合同管理、運維管理等進行集成，具有可視化、可模擬性、可統計行、可協調性等特點。
2.1.1 BIM 5D 的內涵
1975 年，Chunk Eastman 教授最早提出了 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的概念。將 BIM 作為開發數據豐富的產品模型，提供框架并通過信息化管理促進提升工程項目綜合效益。在此過程中，施工材料的元素（如墻、門、窗和梁）在三維數字模型中表示為對象。除建模外，還集成了從設計到拆除的全生命周期信息，實現三維設計、數字建造等功能。同時具備建造信息的完備性、信息關聯性、信息一致性等特點，BIM 的發展和應用是一個從 2D 到 nD 的過程。
BIM 5D 是可用于整個項目建設周期的管理工具。將三維模型構建集成時間與成本信息，通過其強大的圖形分析及數據處理能力，可提供施工進度的準確信息圖像，計算物資需求量，成本核算等核心功能，通過將各專業信息匯總至 BIM 5D 綜合管理平臺中，可提高溝通和決策效率，幫助項目經理數字化管理施工過程，提高項目管理效率。
在實際工程應用中，BIM 5D 內涵不僅包含模型，同時提供了各組織協同管理兩個層面。一方面，各部門的工程信息通過 BIM 以參數化的三維模型進行組建、表達和移交，通過添加物件幾何信息，時間進度信息，材料屬性，量算信息可實現動態，可視化信息技術。另一方面，BIM 5D 可理解為施工項目的管控決策平臺，它可集成各部門的項目資料，提供各參與方的信息，提供各項計算分析功能，供各參與方（設計方、施工方、監理方）方便協調推進整體項目，極大提高管理者的管控能力，為管理者提供決策支持。
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2.2 項目進度管理理論
2.2.1 施工進度管理的內涵
施工進度管理是使用科學的方法完成施工項目任務的時間維度和工作進展的體現。首先總體的對項目建設目標進行分析，再全面分析各項施工工序的基本內容，通過對各分項工作的持續時間、開始時間、結束時間、工序間的邏輯關系、擬定出可行的施工進度計劃，實現對施工進度的初步管理。根據擬定的施工計劃，合理有序的安排人員、材料、設備、資金等各類施工資源進行施工，通過階段性的與施工計劃進行比對，分析出在施工過程中出現差池的因素，通過有效的控制措施，確保項目整體施工進度穩步有序的完成。
2.2.2 施工進度的內容
（1）施工進度計劃的設計編制。施工進度計劃的設計基于工程項目的總體目標，通過對各項施工作業進行任務分解、作業時間的估算、工序之間的邏輯關系進行統一處理，形成符合工程項目整體要求的工程施工總體計劃方案和分項計劃方案。總施工計劃方案對施工進度進行階段性劃分，明確各單項工程的起始時間，在總施工計劃方案的基礎上，編制二級進度計劃，進一步對單項工程進行細致分解。施工進度計劃不僅是時間表，更是現場各項施工活動的指導方案，施工經理可以依據此施工計劃中各項施工工序的開始時間和結束時間，對人員、材料、設備、資金等資源進行統籌安排，使各項工程施工環節可以循序漸進。甘特圖法是工程領域中常用的施工進度編制方法，甘特圖（Ganttchart）又稱橫道圖，是將各項工序賦予持續時間，通過橫向的圖表表示出來，常用于小型工程，表達直觀，方便施工人員理解。
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3 基于BIM 5D的施工進度與材料管理方案設計與實現 ...................... 17
3.1 搭建原則與平臺選擇.................................. 17
3.1.1 模型的搭建原則................................ 17
3.1.2 軟件平臺的選擇............................. 17
4 基于BIM 5D的施工進度與材料管理優化方法 .................... 29
4.1 基于 BIM 5D 設計階段的優化方式 ....................... 29
4.1.1 基于 BIM 5D 項目組織設計優化 .................... 29
4.1.2 基于 BIM 設計過程中的集成優化 ........................ 31
5 案例分析....................... 39
5.1 項目概況...................................... 39
5.2 BIM 5D 模型構建 ...................... 39
5 案例分析
5.1 項目概況
本項目規劃建設凈用地總面積 33333.31 平方米，總建筑面積 88870.63 平方米，其中小區 1、2 號樓及配套用房地上建筑面積 20083.41 平方米，建筑工程等級為二級；建筑使用性質：住宅；設計使用年限 50 年；建筑分類二類；結構類型：剪力墻結構；基礎類型：抗水底板、樁基；抗震設防烈度：7 度；結構抗震等級：剪力墻/二級，框架/三級；建筑抗震類別：丙類；耐火等級：一級；防雷級別：二級。工程項目的子項目分為五個部分：區域開挖工程，主體結構工程，砌體工程，裝飾工程，門窗工程。主體結構工程項目耗時長，需要的資源種類也多，如物料運輸車道和消防車道，以及鋼筋加工區，混凝土攪拌站，物料存儲區和其他生活設施等。
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6 結論和展望
6.1 結論
本文根據各種學者的最近研究內容，對比分析了在建筑工程項目中將施工進度管理與材料管理進行協同管理的現狀和存在問題。通過將施工進度管理與材料管理集成在BIM 5D 現代管理技術中，提出基于 BIM 5D 的施工進度與材料管理的現代化建筑項目管理的理論方法，分別分析了在工程項目計劃階段、實施階段在動態性和預測性的管理內容和管理方式。并使用人工神經網絡現代算法和 MATLAB 對某工序施工進度的時長進行優化與預測。通過具體案例分析演示如何將 3D 模型與時間維度結合起來，并通過把量算信息導入廣聯達 BIM5D 的綜合管理平臺上實現工程信息的 5D 集成，分析進度計劃與材料管理的協作過程，以提供最準確的材料需求計劃與施工進度的動態管理為目標，跟蹤施工進度以及基于 PDCA 實時控制的管理方式，包括材料數量的需求和進度計劃的優化等。本文基于 BIM 5D 施工進度與材料管理集成優化，提出的結論和見解如下。
（1）綜合分析了基于 BIM 5D 的施工進度與材料管理的可行性、應用思路及構成框架，綜合考慮設計階段與施工進行階段，建立各項目單位發生工程變更時的施工進度與材料管理隨之改變的應用框架。
（2）本文基于神經網絡算法使用 MATLAB 軟件，綜合考慮影響施工進度的多種因素，對某工序施工進度時間進行預測，通過大量工程實踐數據對神經網絡進行訓練，使預測數據與真實值更加貼近，消除人為主觀因素帶來的誤差。
（3）基于 BIM 軟件族群的兼容性、可視性、模擬性、可擴展性等特點，為將 BIM應用于工程項目領域對工程進行管控提供了更多的參考方案，本文主要使用其模擬性與可視化、集成性，通過結合 PDCA 階梯式管理模式對施工進度與材料供應進行管控。
（4）通過實際工程項目證實，基于 BIM 的協作集成化管理的進展可貫穿整個工程生命周期。在廣聯達 BIM5D 軟件中將 3D 模型加時間維度加成本維度信息集成得到動態材料需求計劃，通過過程分析對工程實時控制進行優化，推動 BIM 技術在工程領域內的使用。
參考文獻（略）
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