基于BIM的施工进度与材料管理集成优化应用研究
时间：2021-04-07 来源：www.jbevzenko.com
本文基于 BIM 5D 施工进度与材料管理集成优化，提出的结论和见解如下。（1）综合分析了基于 BIM 5D 的施工进度与材料管理的可行性、应用思路及构成框架，综合考虑设计阶段与施工进行阶段，建立各项目单位发生工程变更时的施工进度与材料管理随之改变的应用框架。（2）本文基于神经网络算法使用 MATLAB 软件，综合考虑影响施工进度的多种因素，对某工序施工进度时间进行预测，通过大量工程实践数据对神经网络进行训练，使预测数据与真实值更加贴近，消除人为主观因素带来的误差。
1 绪论
1.1 研究背景和研究意义
1.1.1 研究背景
建筑业是中国国民经济的重要组成部分，与整个国家的经济发展息息相关。根据工业研究所发布的统计数字《中国智能建筑行业发展前景与投资战略规划分析报告》所示，2015 年中国建筑业总产值为 18.08 万亿元，同比仅增长 2.3％，2016 年，中国建筑业总产值达 19.36 万亿元，同比增长 7.08％，2017 年，全国建筑业总产值 21.4 万亿元，同比增长 10.5％，截至 2018 年，中国建筑业总产值达 23.5 万亿元，同比增长 9.9％，预计2019 年中国建筑业总产值将超过 25 万亿元，未来五年的年均复合增长率约为 7.08％，到 2023 年，中国建筑业的总产值将达到约 33.05 万亿元，具体如图 1.1 所示。
由上图可知，我国建筑行业具有较好的发展前景，但与此同时建设项目也正在朝着规模化，复杂化和专业分工精准化方向发展。在工程项目管理中，施工进度管理在项目管理过程中的作用和重要性越来越明显。物料管理也是项目管理的主要内容，作为建筑主体的重要组成部分，建筑材料如果供应不及时便会影响项目最终目标的实现。为了按时，保质，保量，经济地提供施工所需的材料，需要进行一系列的过程，例如存储，运输，分配等，所以必须要有有效的计划，组织和管理才行。在工程建设中，材料供应模型主要包括分散和集中两种类型[1-2]，它们与进度，成本，质量和安全性密切相关。
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1.2 国内外研究现状
本论文主要研究基于 BIM 技术的施工进度管理和材料管理集成优化研究，研究过程涵盖到多个领域，在进行文献查阅时主要从以下三个方面进行：（1）施工进度管理理论的研究现状；（2）施工材料管理理论的研究现状；（3）BIM 技术在施工进度管理和材料管理中应用的研究现状。
1.2.1 国外研究现状
（1）施工进度管理理论的研究现状
追溯至 2005 年，Salem 和 Slomon 等[4]分析了的大型建设项目影响施工进度的各种因素，并提出了基于精益建设 LC 施工管理概念的多元线性回归模型和神经网络系统来对项目进度预测。基于对大型建设项目的施工单位工作过程的进度进行预测和分析，使大型项目的建设过程更加稳定、平衡。2006 年，Cho 和 Gokhale 等[5-6]基于线性贝叶斯二元正态分布定理，通过设立进度计算工程管理专家系统的框架，对不同工程单元的施工持续时间是否成比例的概率进行了估算，得到基于实际工作时间来预测后续工作时间的方法，但仅提出了科学框架，并且未提出在项目计划中实现施工项目动态管理的详细方法。2007 年，Tulke Hanff[7]提出使用 BIM 模型对施工进度进行管理的建议，研究 BIM4D 模拟的施工进度和工期计算模型。Liu 和 Zayed 等人[8]在 2009 年基于赢得值法建立了项目余额支付模型，并动态显示了项目进度和现金流风险的模型。2010 年，Sacks 和Radosavljevic 等人[9]开发了 KanBIM 系统，用于计算和显示施工细节和工作完成情况，并提出精益生产计划和复杂项目的施工进度控制。2012 年，Chen 和 Griffis 等[10]提出了一种依据计算机仿真模型和智能优化的调度系统（ISS），它使项目经理可以根据项目目标和项目约束找到一个近似的最佳调度模型，综合考虑进度、成本、人力、设备、材料和空间等主要影响因素，使进度模型接近最佳结果。2013 年，Kim 和 Anderson[11]通过将赋予 BIM 模型时间信息，自动生成各工序施工进度表，其中包含施工进度的计划时间、工程效率、持续时间等，根据不同工序的时间安排得到整体工程项目的施工进度表。Vahid Faghihi 等人[12]在 2014 年通过 BIM 赋予三维模型工程信息，自主开发基于遗传算法的计算机程序，使用该算法可以自动生成进度表。
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2 相关理论研究
2.1 BIM 5D 的内涵及特征
BIM 5D 技术是通过集成其他工程专业建设信息，完成工程项目的设计、建造、管理等过程的信息技术。BIM 5D 是 BIM 技术发展的一个重要方向，将成本管理、施工进度管理、材料管理、合同管理、运维管理等进行集成，具有可视化、可模拟性、可统计行、可协调性等特点。
2.1.1 BIM 5D 的内涵
1975 年，Chunk Eastman 教授最早提出了 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的概念。将 BIM 作为开发数据丰富的产品模型，提供框架并通过信息化管理促进提升工程项目综合效益。在此过程中，施工材料的元素（如墙、门、窗和梁）在三维数字模型中表示为对象。除建模外，还集成了从设计到拆除的全生命周期信息，实现三维设计、数字建造等功能。同时具备建造信息的完备性、信息关联性、信息一致性等特点，BIM 的发展和应用是一个从 2D 到 nD 的过程。
BIM 5D 是可用于整个项目建设周期的管理工具。将三维模型构建集成时间与成本信息，通过其强大的图形分析及数据处理能力，可提供施工进度的准确信息图像，计算物资需求量，成本核算等核心功能，通过将各专业信息汇总至 BIM 5D 综合管理平台中，可提高沟通和决策效率，帮助项目经理数字化管理施工过程，提高项目管理效率。
在实际工程应用中，BIM 5D 内涵不仅包含模型，同时提供了各组织协同管理两个层面。一方面，各部门的工程信息通过 BIM 以参数化的三维模型进行组建、表达和移交，通过添加物件几何信息，时间进度信息，材料属性，量算信息可实现动态，可视化信息技术。另一方面，BIM 5D 可理解为施工项目的管控决策平台，它可集成各部门的项目资料，提供各参与方的信息，提供各项计算分析功能，供各参与方（设计方、施工方、监理方）方便协调推进整体项目，极大提高管理者的管控能力，为管理者提供决策支持。
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2.2 项目进度管理理论
2.2.1 施工进度管理的内涵
施工进度管理是使用科学的方法完成施工项目任务的时间维度和工作进展的体现。首先总体的对项目建设目标进行分析，再全面分析各项施工工序的基本内容，通过对各分项工作的持续时间、开始时间、结束时间、工序间的逻辑关系、拟定出可行的施工进度计划，实现对施工进度的初步管理。根据拟定的施工计划，合理有序的安排人员、材料、设备、资金等各类施工资源进行施工，通过阶段性的与施工计划进行比对，分析出在施工过程中出现差池的因素，通过有效的控制措施，确保项目整体施工进度稳步有序的完成。
2.2.2 施工进度的内容
（1）施工进度计划的设计编制。施工进度计划的设计基于工程项目的总体目标，通过对各项施工作业进行任务分解、作业时间的估算、工序之间的逻辑关系进行统一处理，形成符合工程项目整体要求的工程施工总体计划方案和分项计划方案。总施工计划方案对施工进度进行阶段性划分，明确各单项工程的起始时间，在总施工计划方案的基础上，编制二级进度计划，进一步对单项工程进行细致分解。施工进度计划不仅是时间表，更是现场各项施工活动的指导方案，施工经理可以依据此施工计划中各项施工工序的开始时间和结束时间，对人员、材料、设备、资金等资源进行统筹安排，使各项工程施工环节可以循序渐进。甘特图法是工程领域中常用的施工进度编制方法，甘特图（Ganttchart）又称横道图，是将各项工序赋予持续时间，通过横向的图表表示出来，常用于小型工程，表达直观，方便施工人员理解。
................................
3 基于BIM 5D的施工进度与材料管理方案设计与实现 ...................... 17
3.1 搭建原则与平台选择.................................. 17
3.1.1 模型的搭建原则................................ 17
3.1.2 软件平台的选择............................. 17
4 基于BIM 5D的施工进度与材料管理优化方法 .................... 29
4.1 基于 BIM 5D 设计阶段的优化方式 ....................... 29
4.1.1 基于 BIM 5D 项目组织设计优化 .................... 29
4.1.2 基于 BIM 设计过程中的集成优化 ........................ 31
5 案例分析....................... 39
5.1 项目概况...................................... 39
5.2 BIM 5D 模型构建 ...................... 39
5 案例分析
5.1 项目概况
本项目规划建设净用地总面积 33333.31 平方米，总建筑面积 88870.63 平方米，其中小区 1、2 号楼及配套用房地上建筑面积 20083.41 平方米，建筑工程等级为二级；建筑使用性质：住宅；设计使用年限 50 年；建筑分类二类；结构类型：剪力墙结构；基础类型：抗水底板、桩基；抗震设防烈度：7 度；结构抗震等级：剪力墙/二级，框架/三级；建筑抗震类别：丙类；耐火等级：一级；防雷级别：二级。工程项目的子项目分为五个部分：区域开挖工程，主体结构工程，砌体工程，装饰工程，门窗工程。主体结构工程项目耗时长，需要的资源种类也多，如物料运输车道和消防车道，以及钢筋加工区，混凝土搅拌站，物料存储区和其他生活设施等。
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6 结论和展望
6.1 结论
本文根据各种学者的最近研究内容，对比分析了在建筑工程项目中将施工进度管理与材料管理进行协同管理的现状和存在问题。通过将施工进度管理与材料管理集成在BIM 5D 现代管理技术中，提出基于 BIM 5D 的施工进度与材料管理的现代化建筑项目管理的理论方法，分别分析了在工程项目计划阶段、实施阶段在动态性和预测性的管理内容和管理方式。并使用人工神经网络现代算法和 MATLAB 对某工序施工进度的时长进行优化与预测。通过具体案例分析演示如何将 3D 模型与时间维度结合起来，并通过把量算信息导入广联达 BIM5D 的综合管理平台上实现工程信息的 5D 集成，分析进度计划与材料管理的协作过程，以提供最准确的材料需求计划与施工进度的动态管理为目标，跟踪施工进度以及基于 PDCA 实时控制的管理方式，包括材料数量的需求和进度计划的优化等。本文基于 BIM 5D 施工进度与材料管理集成优化，提出的结论和见解如下。
（1）综合分析了基于 BIM 5D 的施工进度与材料管理的可行性、应用思路及构成框架，综合考虑设计阶段与施工进行阶段，建立各项目单位发生工程变更时的施工进度与材料管理随之改变的应用框架。
（2）本文基于神经网络算法使用 MATLAB 软件，综合考虑影响施工进度的多种因素，对某工序施工进度时间进行预测，通过大量工程实践数据对神经网络进行训练，使预测数据与真实值更加贴近，消除人为主观因素带来的误差。
（3）基于 BIM 软件族群的兼容性、可视性、模拟性、可扩展性等特点，为将 BIM应用于工程项目领域对工程进行管控提供了更多的参考方案，本文主要使用其模拟性与可视化、集成性，通过结合 PDCA 阶梯式管理模式对施工进度与材料供应进行管控。
（4）通过实际工程项目证实，基于 BIM 的协作集成化管理的进展可贯穿整个工程生命周期。在广联达 BIM5D 软件中将 3D 模型加时间维度加成本维度信息集成得到动态材料需求计划，通过过程分析对工程实时控制进行优化，推动 BIM 技术在工程领域内的使用。
参考文献（略）
1 绪论
1.1 研究背景和研究意义
1.1.1 研究背景
建筑业是中国国民经济的重要组成部分，与整个国家的经济发展息息相关。根据工业研究所发布的统计数字《中国智能建筑行业发展前景与投资战略规划分析报告》所示，2015 年中国建筑业总产值为 18.08 万亿元，同比仅增长 2.3％，2016 年，中国建筑业总产值达 19.36 万亿元，同比增长 7.08％，2017 年，全国建筑业总产值 21.4 万亿元，同比增长 10.5％，截至 2018 年，中国建筑业总产值达 23.5 万亿元，同比增长 9.9％，预计2019 年中国建筑业总产值将超过 25 万亿元，未来五年的年均复合增长率约为 7.08％，到 2023 年，中国建筑业的总产值将达到约 33.05 万亿元，具体如图 1.1 所示。
由上图可知，我国建筑行业具有较好的发展前景，但与此同时建设项目也正在朝着规模化，复杂化和专业分工精准化方向发展。在工程项目管理中，施工进度管理在项目管理过程中的作用和重要性越来越明显。物料管理也是项目管理的主要内容，作为建筑主体的重要组成部分，建筑材料如果供应不及时便会影响项目最终目标的实现。为了按时，保质，保量，经济地提供施工所需的材料，需要进行一系列的过程，例如存储，运输，分配等，所以必须要有有效的计划，组织和管理才行。在工程建设中，材料供应模型主要包括分散和集中两种类型[1-2]，它们与进度，成本，质量和安全性密切相关。
.......................
1.2 国内外研究现状
本论文主要研究基于 BIM 技术的施工进度管理和材料管理集成优化研究，研究过程涵盖到多个领域，在进行文献查阅时主要从以下三个方面进行：（1）施工进度管理理论的研究现状；（2）施工材料管理理论的研究现状；（3）BIM 技术在施工进度管理和材料管理中应用的研究现状。
1.2.1 国外研究现状
（1）施工进度管理理论的研究现状
追溯至 2005 年，Salem 和 Slomon 等[4]分析了的大型建设项目影响施工进度的各种因素，并提出了基于精益建设 LC 施工管理概念的多元线性回归模型和神经网络系统来对项目进度预测。基于对大型建设项目的施工单位工作过程的进度进行预测和分析，使大型项目的建设过程更加稳定、平衡。2006 年，Cho 和 Gokhale 等[5-6]基于线性贝叶斯二元正态分布定理，通过设立进度计算工程管理专家系统的框架，对不同工程单元的施工持续时间是否成比例的概率进行了估算，得到基于实际工作时间来预测后续工作时间的方法，但仅提出了科学框架，并且未提出在项目计划中实现施工项目动态管理的详细方法。2007 年，Tulke Hanff[7]提出使用 BIM 模型对施工进度进行管理的建议，研究 BIM4D 模拟的施工进度和工期计算模型。Liu 和 Zayed 等人[8]在 2009 年基于赢得值法建立了项目余额支付模型，并动态显示了项目进度和现金流风险的模型。2010 年，Sacks 和Radosavljevic 等人[9]开发了 KanBIM 系统，用于计算和显示施工细节和工作完成情况，并提出精益生产计划和复杂项目的施工进度控制。2012 年，Chen 和 Griffis 等[10]提出了一种依据计算机仿真模型和智能优化的调度系统（ISS），它使项目经理可以根据项目目标和项目约束找到一个近似的最佳调度模型，综合考虑进度、成本、人力、设备、材料和空间等主要影响因素，使进度模型接近最佳结果。2013 年，Kim 和 Anderson[11]通过将赋予 BIM 模型时间信息，自动生成各工序施工进度表，其中包含施工进度的计划时间、工程效率、持续时间等，根据不同工序的时间安排得到整体工程项目的施工进度表。Vahid Faghihi 等人[12]在 2014 年通过 BIM 赋予三维模型工程信息，自主开发基于遗传算法的计算机程序，使用该算法可以自动生成进度表。
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2 相关理论研究
2.1 BIM 5D 的内涵及特征
BIM 5D 技术是通过集成其他工程专业建设信息，完成工程项目的设计、建造、管理等过程的信息技术。BIM 5D 是 BIM 技术发展的一个重要方向，将成本管理、施工进度管理、材料管理、合同管理、运维管理等进行集成，具有可视化、可模拟性、可统计行、可协调性等特点。
2.1.1 BIM 5D 的内涵
1975 年，Chunk Eastman 教授最早提出了 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的概念。将 BIM 作为开发数据丰富的产品模型，提供框架并通过信息化管理促进提升工程项目综合效益。在此过程中，施工材料的元素（如墙、门、窗和梁）在三维数字模型中表示为对象。除建模外，还集成了从设计到拆除的全生命周期信息，实现三维设计、数字建造等功能。同时具备建造信息的完备性、信息关联性、信息一致性等特点，BIM 的发展和应用是一个从 2D 到 nD 的过程。
BIM 5D 是可用于整个项目建设周期的管理工具。将三维模型构建集成时间与成本信息，通过其强大的图形分析及数据处理能力，可提供施工进度的准确信息图像，计算物资需求量，成本核算等核心功能，通过将各专业信息汇总至 BIM 5D 综合管理平台中，可提高沟通和决策效率，帮助项目经理数字化管理施工过程，提高项目管理效率。
在实际工程应用中，BIM 5D 内涵不仅包含模型，同时提供了各组织协同管理两个层面。一方面，各部门的工程信息通过 BIM 以参数化的三维模型进行组建、表达和移交，通过添加物件几何信息，时间进度信息，材料属性，量算信息可实现动态，可视化信息技术。另一方面，BIM 5D 可理解为施工项目的管控决策平台，它可集成各部门的项目资料，提供各参与方的信息，提供各项计算分析功能，供各参与方（设计方、施工方、监理方）方便协调推进整体项目，极大提高管理者的管控能力，为管理者提供决策支持。
..........................
2.2 项目进度管理理论
2.2.1 施工进度管理的内涵
施工进度管理是使用科学的方法完成施工项目任务的时间维度和工作进展的体现。首先总体的对项目建设目标进行分析，再全面分析各项施工工序的基本内容，通过对各分项工作的持续时间、开始时间、结束时间、工序间的逻辑关系、拟定出可行的施工进度计划，实现对施工进度的初步管理。根据拟定的施工计划，合理有序的安排人员、材料、设备、资金等各类施工资源进行施工，通过阶段性的与施工计划进行比对，分析出在施工过程中出现差池的因素，通过有效的控制措施，确保项目整体施工进度稳步有序的完成。
2.2.2 施工进度的内容
（1）施工进度计划的设计编制。施工进度计划的设计基于工程项目的总体目标，通过对各项施工作业进行任务分解、作业时间的估算、工序之间的逻辑关系进行统一处理，形成符合工程项目整体要求的工程施工总体计划方案和分项计划方案。总施工计划方案对施工进度进行阶段性划分，明确各单项工程的起始时间，在总施工计划方案的基础上，编制二级进度计划，进一步对单项工程进行细致分解。施工进度计划不仅是时间表，更是现场各项施工活动的指导方案，施工经理可以依据此施工计划中各项施工工序的开始时间和结束时间，对人员、材料、设备、资金等资源进行统筹安排，使各项工程施工环节可以循序渐进。甘特图法是工程领域中常用的施工进度编制方法，甘特图（Ganttchart）又称横道图，是将各项工序赋予持续时间，通过横向的图表表示出来，常用于小型工程，表达直观，方便施工人员理解。
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3 基于BIM 5D的施工进度与材料管理方案设计与实现 ...................... 17
3.1 搭建原则与平台选择.................................. 17
3.1.1 模型的搭建原则................................ 17
3.1.2 软件平台的选择............................. 17
4 基于BIM 5D的施工进度与材料管理优化方法 .................... 29
4.1 基于 BIM 5D 设计阶段的优化方式 ....................... 29
4.1.1 基于 BIM 5D 项目组织设计优化 .................... 29
4.1.2 基于 BIM 设计过程中的集成优化 ........................ 31
5 案例分析....................... 39
5.1 项目概况...................................... 39
5.2 BIM 5D 模型构建 ...................... 39
5 案例分析
5.1 项目概况
本项目规划建设净用地总面积 33333.31 平方米，总建筑面积 88870.63 平方米，其中小区 1、2 号楼及配套用房地上建筑面积 20083.41 平方米，建筑工程等级为二级；建筑使用性质：住宅；设计使用年限 50 年；建筑分类二类；结构类型：剪力墙结构；基础类型：抗水底板、桩基；抗震设防烈度：7 度；结构抗震等级：剪力墙/二级，框架/三级；建筑抗震类别：丙类；耐火等级：一级；防雷级别：二级。工程项目的子项目分为五个部分：区域开挖工程，主体结构工程，砌体工程，装饰工程，门窗工程。主体结构工程项目耗时长，需要的资源种类也多，如物料运输车道和消防车道，以及钢筋加工区，混凝土搅拌站，物料存储区和其他生活设施等。
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6 结论和展望
6.1 结论
本文根据各种学者的最近研究内容，对比分析了在建筑工程项目中将施工进度管理与材料管理进行协同管理的现状和存在问题。通过将施工进度管理与材料管理集成在BIM 5D 现代管理技术中，提出基于 BIM 5D 的施工进度与材料管理的现代化建筑项目管理的理论方法，分别分析了在工程项目计划阶段、实施阶段在动态性和预测性的管理内容和管理方式。并使用人工神经网络现代算法和 MATLAB 对某工序施工进度的时长进行优化与预测。通过具体案例分析演示如何将 3D 模型与时间维度结合起来，并通过把量算信息导入广联达 BIM5D 的综合管理平台上实现工程信息的 5D 集成，分析进度计划与材料管理的协作过程，以提供最准确的材料需求计划与施工进度的动态管理为目标，跟踪施工进度以及基于 PDCA 实时控制的管理方式，包括材料数量的需求和进度计划的优化等。本文基于 BIM 5D 施工进度与材料管理集成优化，提出的结论和见解如下。
（1）综合分析了基于 BIM 5D 的施工进度与材料管理的可行性、应用思路及构成框架，综合考虑设计阶段与施工进行阶段，建立各项目单位发生工程变更时的施工进度与材料管理随之改变的应用框架。
（2）本文基于神经网络算法使用 MATLAB 软件，综合考虑影响施工进度的多种因素，对某工序施工进度时间进行预测，通过大量工程实践数据对神经网络进行训练，使预测数据与真实值更加贴近，消除人为主观因素带来的误差。
（3）基于 BIM 软件族群的兼容性、可视性、模拟性、可扩展性等特点，为将 BIM应用于工程项目领域对工程进行管控提供了更多的参考方案，本文主要使用其模拟性与可视化、集成性，通过结合 PDCA 阶梯式管理模式对施工进度与材料供应进行管控。
（4）通过实际工程项目证实，基于 BIM 的协作集成化管理的进展可贯穿整个工程生命周期。在广联达 BIM5D 软件中将 3D 模型加时间维度加成本维度信息集成得到动态材料需求计划，通过过程分析对工程实时控制进行优化，推动 BIM 技术在工程领域内的使用。
参考文献（略）
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