基于BIM的碾壓混凝土壩施工進度-成本聯合管控

黃建文,毛宇辰,王 東,祝建軍,周宜紅

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學水電工程施工與管理湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002; 3.三峽新能源鹽城大豐有限公司,江蘇 鹽城 224100)

碾壓混凝土壩工程具有建設工程量大、工期要求緊、施工強度高等特點,已在我國水利水電工程建設中應用廣泛[1]。進度和成本目標在施工過程中密切相關、相互影響[2]。碾壓混凝土壩施工受施工條件復雜、設計變更頻繁、施工信息共享程度低等因素帶來的進度-成本失控問題,成為困擾水電承包商項目管理成敗的難題[3]。如何合理控制施工成本同時保障施工進度,實現二者的動態聯合管控,綜合達成項目施工管理的目標將是重中之重。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)能有效地集成項目全生命周期中建筑物幾何信息、進度信息、成本信息、資源及施工強度等屬性信息,實現工程各參建方、部門之間信息傳遞共享,能夠避免由于信息共享度低、共享慢而導致的進度延誤及成本超支,已在建筑行業得到廣泛應用[4]。美國斯坦福大學工程中心最早提出4D理論,隨著BIM技術發展,逐漸形成以三維模型為基礎,不斷添加各類別信息的nD模型。王婷等[5-7]將3D BIM模型與進度計劃文件關聯,實現了4D進度可視化模擬、現場布置演示和三維技術交底,并運用到房建、基坑及橋梁施工領域;張連營等[8-10]將進度、成本共同集成構建了5D信息平臺,實現了可視化模擬及多維度信息查詢;Davies等[11-12]建立云BIM模型,實現BIM信息實時共享。上述學者將多類別工程信息與3D BIM模型關聯,提升了工程信息的集成度和管理效率,實現了可視化施工模擬、工程信息查詢共享,但在進度和成本目標聯合控制優化方面的研究較少。隨著水利水電工程信息化概念的提出,領域內專家和學者也將BIM理念應用到水利水電工程設計、施工與管理中。肖彬等[13]運用Bentley旗下軟件進行水電站廠房內部各專業的協同設計和碰撞檢查,彌補了二維設計的不足,優化了設計方案。苗倩[14]通過Navisworks軟件中的TimeLiner模塊進行施工三維動態演示,實現了大壩施工過程的可視化展示。王仁超等[15-16]通過引入工業基礎類(industry foundation classes,IFC)標準,構建了基于BIM的混凝土澆筑施工信息模型,提升了建模效率和自動化程度。Smith[17]提出了造價信息數據處理的5D模型,提高了成本管理的效率。邱世超等[18]引入5D技術和IFC標準,建立了多維度信息模型,并開發了模型動態可視化管理系統。綜上所述,廣大學者在水利水電設計、施工過程三維可視化、多維信息關聯集成以及IFC標準的應用開發方面做出了大量研究,使多維BIM模型的構建效率提升,信息集成和協同共享度更高。但是進度-成本信息的聯動性仍然不強,施工過程中進度-成本信息缺乏有效的監控及預警,進度、成本計劃調整滯后且難以同時兼顧,進度-成本聯合管控難度大。

為了解決以上問題,本文結合BIM技術和改進掙值法,將壩體三維模型與進度信息和成本信息進行匹配關聯,構建碾壓混凝土壩IFC信息模型和5D進度-成本聯合管控信息平臺,通過平臺API接口和C#.NET語言開發的插件實現碾壓混凝土壩施工全過程信息查詢、進度-成本可視化仿真模擬及監測預警,以期為碾壓混凝土壩施工進度-成本聯合管控提供思路。

1 進度-成本動態聯合管控信息平臺架構

項目進度和成本控制是隨著項目的進展而持續進行的,是一個動態調整過程,項目在執行過程中,會遇到各種干擾因素使實際進度和成本偏離原目標[19]。采用掙值法對項目執行過程中的進度和成本偏差進行分析是一種常見的項目管理辦法[20]。本文結合BIM技術構建碾壓混凝土壩5D進度-成本動態聯合管控信息平臺,其架構如圖1所示。

該平臺采用Autodesk Navisworks作為聯合管控信息平臺的中樞,基于AutoCAD建立碾壓混凝土壩三維模型,使用Primavera 6.0編制及修改進度、成本計劃,施工過程的各類屬性信息整合存儲在Access數據庫中,便于二次開發插件的調用。將三維模型與進度、成本及資源等屬性信息導入Navisworks并按照一定規則集成,實現大壩三維模型、進度信息模型、成本信息模型及資源等屬性信息模型的關聯,形成BIM-5D信息模型。在此基礎上對施工進度-成本進行可視化模擬,當模擬結果不符合施工需要,可以返回Primavera 6.0 軟件對進度、成本計劃進行調整,并再次關聯BIM-5D信息模型。通過Navisworks二次開發的插件實現進度-成本信息的可視化和施工資源信息查詢,結合改進掙值法開發插件對進度、成本偏差進行監測預警,將信息反饋給項目參與方,找出偏差原因,及時調整實施計劃,實現進度、成本的動態優化調整和聯合管控。

圖1 碾壓混凝土壩進度-成本動態聯合管控信息平臺架構

圖2 IFC標準下的碾壓混凝土壩施工信息集成模型

IFC標準是由國際協同工作聯盟 (International Alliance for Interoperability,IAI)應用面向對象技術所建立的信息標準,可作為BIM技術的主流信息交換標準[21],已廣泛應用于建筑工程領域。為適應AEC(Architecture,Engineering and Construction)領域的復雜性,IFC提供了擴展方法,可實現對水利水電工程領域的IFC結構擴展[22]。根據碾壓混凝土壩施工信息模型的特點和進度-成本聯合管控信息平臺架構,將大壩實體信息、工程量信息、進度信息、成本信息以及資源信息之間建立聯系,用EXPRESS-G視圖描述IFC標準下的碾壓混凝土壩5D施工信息模型如圖2所示。該信息模型可用于碾壓混凝土壩施工信息集成管理,并易于與其他IFC標準化的管理平臺實現數據共享。

2 進度-成本動態聯合管控信息平臺構建

2.1 大壩混凝土澆筑三維模型構建

進行大壩施工過程可視化仿真模擬前,需要劃分大壩三維實體模型。通常以大壩工作分解結構(work breakdown structure, WBS)和實際澆筑施工分層為依據,在高程上對各水平壩段進行劃分,如圖3所示。由于水工構筑物施工時不同約束區的應力控制要求不同,因此基礎強約束區(澆筑塊高程為0～0.2L,其中L為澆筑塊邊長),基礎弱約束區及非約束區(澆筑塊高程大于0.2L)的澆筑層厚度Δh和澆筑間歇期Δt取值不同,澆筑塊的高程和澆筑日期分別為

(1)

式中:Hi(m)為i壩段第m個澆筑塊的高程;Ti(m)為i壩段第m個澆筑塊的澆筑日期。

利用AutoCAD內嵌的AtuoLisp語言二次開發的插件可快速對各壩段、澆筑層(塊)進行切分和相關參數的提取[23],形成最小澆筑作業單元即澆筑塊,每個澆筑塊有唯一對應的進度-成本信息。

圖4 施工進度-成本可視化模擬

2.2 施工進度信息、成本信息與三維模型關聯

Primavera 6.0項目管理軟件由美國引進,作為P3E/C的后續版本,擁有更好的交互和強大的功能,已廣泛應用于核電、水電等長周期大型建設項目施工進度、成本管理中[24-25]。在Navisworks軟件中的TimeLiner模塊中導入運用Primavera 6.0編制的大壩混凝土施工進度計劃文件,即可實現進度信息與三維模型關聯。

統計大壩混凝土澆筑工程量,參考定額規范,計算出對應三維模型和進度計劃的各澆筑塊的人工費、材料費、機械費、總成本等,并保存到Access數據庫。將施工成本信息導入Navisworks,通過映射規則將各施工作業任務的成本信息與工程構件匹配,完成成本信息與三維模型的關聯。

2.3 施工動態模擬與可視化查詢

施工進度、成本信息與大壩三維模型在Navisworks軟件中關聯后,形成大壩施工期5D進度-成本動態聯合管控信息平臺,利用TimeLiner的模擬功能,可以模擬大壩施工過程中進度執行及成本使用情況,并以不同顏色區分構件的進度狀態,如圖4所示。Navisworks軟件中提供.NET API接口,基于Microsoft Visual Studio 2013軟件平臺和C#語言編譯Navisworks窗口插件實現大壩澆筑施工的進度面貌查詢、澆筑強度查詢。

3 基于改進掙值法的進度-成本動態聯合管控

掙值法是分析進度與成本偏差的控制方法,傳統掙值法將目標實際與計劃進行對比分析,測量計劃工作預算成本PV、已完工作實際成本AC、已完工作預算成本EV之間的差異,計算進度偏差SV和成本偏差CV來衡量項目的執行情況[26]。但一個項目的成功與否與多個管理任務目標的實現有關,除了進度、成本之外,質量、安全也是不可或缺的要素,傳統掙值法不能反映工程質量和安全的實際情況,也無法衡量質量、安全整頓工作對項目進度、成本的影響。本文對傳統掙值法的監測要素進行優化,將質量和安全因素納入掙值計算和分析體系,再利用Navisworks軟件API接口和C#.NET語言二次開發的掙值分析插件自動整理數據、計算掙值指標和繪制掙值曲線,提升掙值監測預警的工作效率。

(2)

式中:tZ、tA分別為進行質量修復、安全整改對項目工期的影響時間;yFu為第u項質量問題所影響的工程延誤時間;TF為質量問題影響下,該工程所在路徑的總時差;yAv為第v項安全問題所影響的工程延誤時間;TA為安全問題影響下,該工程所在路徑的總時差。

根據上述參數和預算單價C0可進行如下計算:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

施工期間不斷錄入實際進度、成本信息,并設置掙值監測時點定期監測,設置偏差預警閾值來實現對進度-成本的監測預警。設成本偏差程度指標為α,進度偏差程度指標為β,則其計算公式如下:

(9)

(10)

項目管理者根據項目實際情況設置預警閾值和監測間隔節點。假設偏差指標的允許偏移范圍為±σ,偏差指標的極限偏移邊界為±ε,當偏差指標的偏移范圍在±σ到±ε之間,則發出預警信號,讓管理者采取糾偏措施進行控制;當偏差指標的偏移范圍在±ε之外,發出信號提醒管理者重新制定進度-成本基準計劃,以此實現進度-成本動態聯合管控。

4 工程應用

4.1 工程概況

某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩,共由31個壩段組成,從左岸到右岸依次為:擋水壩段(1～8號)、左岸泄洪中孔壩段(9號)、溢流壩段(10～12號)、右岸泄洪中孔壩段(13號)、廠房壩段(14～18號)、沖沙底孔壩段(19號)、右岸擋水壩段(20～31號)。壩頂高程1 303 m,壩體最低高程1 184 m,最大壩高119 m。

4.2 施工進度模擬和可視化查詢

設置施工模擬時間段、視圖等選項后,Navisworks可以直接生成施工過程中進度、成本的模擬動畫,指定時間節點檢驗進度、成本計劃實施的合理性并指導計劃修改。

在進度面貌查詢插件中,可以按日期選項查詢大壩的施工面貌、進度、成本和施工資源信息(圖5);在澆筑強度查詢插件中,可查詢任意時間段混凝土澆筑強度;在成本分析插件中,主要從人工費、材料費、施工機械使用費以及總成本4個方面對模擬結果進行分析,可查看任意時間段的施工成本強度柱狀圖和累計曲線圖。

圖5 壩體施工面貌查詢

4.3 施工進度-成本聯合管控

將大壩混凝土澆筑開工以來統計的進度、成本計劃與實際數據導入掙值分析插件中,對2008年11月至2010年5月的工程數據進行分析,產生的掙值分析曲線圖能夠清晰了解項目的發展趨勢。圖6、圖7分別為掙值曲線圖和偏差趨勢圖。

圖6 掙值指標累計曲線

圖7 偏差指標變化趨勢

5 結 語

本文結合BIM技術和改進掙值法原理,將碾壓混凝土壩三維實體模型與施工進度信息和成本信息進行關聯,構建了基于BIM技術的碾壓混凝土壩5D施工進度-成本可視化模型及聯合管控信息平臺。通過5D進度-成本信息可視化模型實現碾壓混凝土壩澆筑施工過程的仿真模擬,動態展示壩體澆筑施工過程中施工成本隨施工進度的變化,開發并運用插件將施工過程中任意時刻大壩的進度面貌、施工成本、澆筑強度及設備資源信息以圖形的形式直觀的在5D信息平臺中展示,為施工組織管理提供參考。

基于改進掙值法相關理論開發掙值分析插件,能快速統計5D信息平臺的掙值數據并生成掙值指標曲線。項目管理者按實際情況設置檢查時點和偏差預警閾值,根據掙值插件動態監測信息和偏差預警信息判斷項目進度-成本的執行情況,及時對項目進度-成本的計劃做出優化調整,實現碾壓混凝土壩施工進度-成本的動態聯合管控,提高項目管理效率及效益。