基于BIM技術的全預制混凝土梁橋施工進度動態預測及應用

李枝軍,張金康,韓曉楠,張瑞興,李雪紅

(1.南京工業大學 土木工程學院,江蘇 南京 211800; 2.南京市公路事業發展中心,江蘇 南京 210039;3.中建安裝集團有限公司,江蘇 南京 210046)

隨著橋梁工程行業的快速發展,項目結構形式日趨復雜,在項目實施過程中人員、材料、機械、環境、工藝等因素都會對施工進度產生一定的影響,工程規模逐漸增大的同時也加大了進度預測與管理的難度。BIM技術能實現施工過程的可視化模擬,提升進度管理水平,綜合國內外研究人員對工程進度的研究可以發現：Chao等[1]收集工程建設過程中的實際進度數據并結合神經網絡進度預測模型,預測工期的變化,證實了模型的準確性;Johansen等[2]收集并整理已完成項目的信息數據,利用數學模擬知識對歷史數據進行分析,預測項目進度的總體持續時間；朱思雅等[3]在考慮特殊施工環境的前提下分析出海外項目施工過程中進度影響因素,利用改進DEMATEL方法計算因素相互影響程度,找出關鍵因素并做出相應調整；劉煜明等[4]針對在給定施工進度風險等級的情況下制定進度計劃的問題,基于確定的施工進度風險等級,采用等效概率和蒙特卡羅模擬技術編制施工進度計劃。在基于BIM技術的進度預測研究中,羅瑋[5]通過分析BIM技術在進度預測中的應用價值,提出應用思路和實現流程；覃淼平[6]提出建立BIM施工模型,并對模型中的數據進行整理分析,可以達到進度預測的作用,并利用BIM虛擬仿真的特性模擬出進度中可能發生的問題；李勇[7]基于工期隨機預測模型,考慮工程中進度影響因素的不確定性,研究基于單因素影響條件下的預測進度可靠性分析方法；何敏杰等[8]將物聯網技術與BIM相結合, 研發了基于模糊算法的施工進度動態控制方法,用模糊算法邏輯映射完成工程進度計劃評估。然而,現有的BIM 4D虛擬施工技術大多用于項目開工前的計劃階段,進度預測也缺乏對各種風險因素的實時性分析,現場施工經常會受到各種因素的影響,導致實際進度與預期計劃有所差別,造成計劃與實際的脫節,基于此計劃進行的4D模擬也將無法真正的引導實際施工。本文以現場調研的實際完工數據為基礎,建立BIM 4D實時進度模型,篩選出較明顯的施工進度影響因素,采用多元回歸算法建立工期預測模型,根據BIM模型提供的實際進度信息對回歸模型進行求解分析,預測后續工序的工期。利用BIM 4D可視化技術對預測結果進行展示,實現進度的合理安排和有效控制。

1 工期預測模型

1.1 進度影響因素

預制裝配式橋梁施工過程分為后場預制、構件運輸、前場施工3個階段,其施工進度影響因素復雜多變,需綜合考慮預制場與施工現場。本文通過大量調研,采用文獻檢索的方式,以施工進度影響因素為主題在CNKI資源庫中進行檢索,篩選出道路橋梁方向、裝配式結構方向期刊論文[9-11],結合現場調研提出裝配式橋梁施工進度主要一級影響因素,包括工程、人員、材料、機械設備、技術、外部環境等,列出二級影響因素,如表1所示。

表1 施工進度影響因素

1.2 工期預測模型

1.2.1 模型設計思路

進度預測模型的構建分為定性分析和定量分析兩種,定性分析主要依靠管理者的主觀判斷,如案例推理、德爾菲法等;定量分析是對定量特征、定量關系和定量變化的分析,主要是回歸預測、灰色預測、人工神經網絡預測等[12-14]。通過上述對工程進度影響因素的分析可知工期的確定需綜合考慮各種影響因素,因此在構建預測模型時需考慮各因素之間的耦合作用。本文選取定量分析方法中的回歸預測法來建立工期預測模型,如圖1所示,其思路如下。

1)對施工現場進行調研,確定工程項目中進度影響因素的種類以及各工序的實際持續時間。

2)對每道工序中各影響因素進行量化處理,量化分為4個等級:0(無影響)、1(影響小)、2(影響適中)、3(影響大)。

3)建立多元回歸模型,根據各影響因素的量化值以及實際工期計算出影響系數。

4)確定多因素影響下的工期預測模型。

圖1 工期預測模型

1.2.2 回歸模型

查看實施性施工組織設計文件,根據施工方案中對工藝流程的劃分確定施工工序,利用Project或者斑馬進度計劃等項目管理軟件編制進度甘特圖并找出關鍵線路確定關鍵工序(表2中工序列代表各關鍵工序),根據現場施工情況確定每道工序的實際持續時間Ti(i=1,2,3…n),Ti為第i道工序的實際持續時間(工期),n為工序個數。假設進度影響因素有m個,為保證預測效果的準確性,需將影響因素定義到二級,因此用于工期預測的回歸模型可表示為

(1)

式中:Xi(i=1…m)為第i個自變量；m為自變量個數,在工期預測時,分別代表各類二級影響因素；λm為偏回歸系數,保持其他自變量不變的情況下自變量xm改變一個單位對工期造成的變化;μ為去除自變量影響后的隨機誤差,也稱擾動項。

模型數據樣本如表2所示。

表2 數據樣本

表2中n為工序的個數,T為工序的實際工期,xnm為第n個工序當中的第m個影響因素對該工序工期的影響程度,在0～3中取值。

根據表2中的數據樣本,利用預測模型(式(1)),通過最小二乘法得到各影響因素的偏回歸系數,由此可得工期預測值為

(2)

1.2.3 評價指標

評價模型擬合效果是回歸分析的重要工作,通過上述回歸模型計算得出相應指標,利用方差分析法對模型誤差進行分析可以判定擬合效果的優劣。常用的評價指標為判定系數R2(也稱擬合優度):R2為回歸平方和占總平方和的百分比,用來說明回歸模型對原始數據的擬合程度,取值范圍為0～1,值越大說明模型對原數據解釋的越好,回歸效果越好。

(3)

式中:SSR為各工序預測工期與實際工期平均值之差的平方和SST為各工序實際工期與實際工期平均值之差的平方和SSE為各工序預測工期與實際工期之差的平方和。

2 基于BIM的進度預測體系

BIM是一種信息模型,在三維數字化技術的基礎上集成了橋梁施工過程中的進度、資源等信息[15]?；贐IM的進度預測體系是將上述建立的工期預測模型和BIM模型相結合,通過BIM信息模型可以實現信息的共享和傳遞,項目各參與方可以從模型中提取各施工階段的進度信息,為工期預測模型提供數據來源,如圖2所示。同時,BIM具有可視化特點,基于BIM的虛擬施工技術可以模擬項目的建造過程,反映各工序的邏輯關系,確保施工方案的可行性,利用BIM 4D技術可以形象展示出當前實際進度狀況,實現從靜態二維到動態四維的轉變,有利于偏差分析,提高進度預測可靠性。

圖2 BIM進度預測體系

2.1 BIM施工模擬

預制構件的吊裝是裝配式橋梁施工過程中的重要環節,吊裝工序及場地安排的合理性將對施工進度產生極大影響[16-17]。以312國道南京繞越高速公路至仙隱北路段改擴建工程為例,本工程蓋梁節段重量大,施工場地范圍有限,因此蓋梁吊裝存在較大難度,在CATIA平臺中搭建與施工現場相似的場地環境并創建施工機械模型,建立機械模型與橋梁構件之間的關聯,在虛擬環境下模擬出構建的吊裝過程,如圖3和4所示。通過三維可視化模擬來制定并優化吊裝方案,確定吊機類型及停放位置,確保實際施工過程中吊裝工作安全有序推進。

圖3 墩柱吊裝

圖4 蓋梁吊裝

2.2 BIM 4D實時模型

基于BIM的4D實時模型是以構建完成的三維模型為基礎并添加時間參數,形成4D進度模型[18-19]。其與設計模型的不同之處在于設計模型是在項目開工前基于施工圖紙創建,而施工過程中由于設計變更以及各種影響因素使得計劃進度與實際施工狀態產生偏差,由此,設計模型將不再適用于施工過程[20]。實時施工模型基于實際進度而創建,是一個動態發展的模型,因此需要對施工現場進度完成情況跟蹤調研,將進度信息及時更新到模型中實現項目信息的可視化展示。將BIM 4D實時模型與工期預測數學模型相連接,利用BIM模型中提供的實際進度信息作為工期預測模型的數據來源并進行后續工序工期的預測,進而能預測出后續進度的發展趨勢,分析進度的偏差范圍,并針對偏差做出動態調整。

2.3 實時模型建立

實時模型的建立需要在達索平臺中進行施工工藝的劃分、流程規劃以及構件時間的添加。首先,將CATIA中創建的三維模型導入DELMIA平臺,根據WBS分解結構對施工工藝進行劃分,包括樁基、承臺、橋墩、蓋梁和箱梁等結構,如圖5所示。其次,根據施工方案定義構件的安裝順序,規劃施工流程,如圖6所示。通過施工工藝劃分和流程規劃并將時間信息添加至橋梁三維模型中,可以生成進度甘特圖,形成橋梁四維模型。

3 工程應用

3.1 工程背景

以312國道南京繞越高速公路至仙隱北路段改擴建工程為例說明上述方法的實施,該工程為全預制裝配式混凝土結構公路橋梁,全長4 974.06 m,總工期目標609 d,標段主要構造物為主線高架橋、互通匝道橋和樞紐匝道橋?，F場分為兩個工區,一個預制場,同步流水施工,BIM 4D進度模擬分析如圖7所示。

圖5 施工工藝分解

圖6 流程規劃

圖7 BIM 4D進度模型

3.2 進度預測模型

通過施工現場調研,針對預制場以及主線橋施工周、月計劃完工和實際完工狀況分析影響進度原因,提煉出本工程現場施工進度影響因素,如表3所示。

表3 進度影響因素

根據回歸模型的適用性原則,需要建立影響因素評價指標,本文采用對影響程度評分的方法判定其對進度影響的大小,根據BIM 4D進度模型提取本工程2020年8月—2020年10月一工區標段實際進度作為工期預測數據樣本來源。以本標段樁基到箱梁施工過程中的10道工序為例,根據等級評價指標(0～3)建立上述各影響因素對工序的影響程度值,并從BIM模型中得到每道工序的實際工期值,如表4所示。

表4 因素評價(部分)

建立回歸模型如式(4)所示,利用數據統計分析軟件STATA對數據進行處理,調用函數代碼:.reg(TA1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 E1 E2 E3 F1 F2 F3)。根據此模型可求出各回歸系數,結果如表5所示。

T=λ1A1+λ2A2+…+λ18F3+μ

(4)

將表5數據代入式(4)并對后續10道工序的工期值進行預測,得到預測工期TY,實際工期與預測工期對比如圖8所示。

3.3 結果分析

評價指標分析,見式(5)。

(5)

3.4 BIM 4D進度模擬

基于BIM 4D模擬能夠實現施工進度的可視化,采用不同的顏色將施工環節表現出來,綠色表示施工完成,紅色表示正在施工。

表5 回歸系數值

圖8 預測工期與實際工期對比

在施工階段采集實際進度并與對應模型構件相關聯形成實時施工模型,實現實時與預測進度在模型上的直觀對比,如圖9和10所示,由此可以判斷工程的完工量。同時,根據實際施工過程中資源和工期的消耗量合理安排后續進度,實現進度的動態管理。

圖9 預測模型

圖10 實時模型

4 結語

本文圍繞實際進度、工期預測等方面以提高施工進度精細化管理為目標,考慮施工進度影響因素的多樣性和隨機性,將進度與各影響因素相關聯,建立工期預測數學模型,并與BIM 4D技術相集成,跟蹤項目進展并以實際工期為基礎實現對后續工期的預測。

1)建立了施工進度預測模型,提出了基于BIM 4D技術的進度預測體系。

2)以實際工程為例,通過現場調查選取施工過程中發生的因素并對影響程度進行分析,根據BIM 4D實時模型提取實際進度,利用回歸模型算出影響系數,將預測工期和實際工期對比驗證模型的有效性。

3)將BIM 4D模擬技術應用于施工過程中,以實時3D模型為基礎的進度可視化管理可以直觀查看工程實況,分析進度偏差。同時將預測工期作為時間參數與BIM三維模型鏈接,實現對后續工程進度的動態管理。