面向對象的施工企業工法庫設計與建設研究

楊銘，何蘭生，趙邦國

（中鐵四局集團管理研究院，安徽 合肥230000）

1 概述

1.1 工法的概念

工法[1]是指以工程為對象，工藝為核心，運用系統工程的原理，把先進的技術和科學管理結合起來，經過工程實踐形成的綜合配套的施工方法。它必須具有先進、適用和保證工程質量與安全、環保、提高施工效率、降低工程成本等特點。工法是企業標準[2]的重要組成部分，是企業開發應用新技術工作的一項重要內容，是企業技術水平和施工能力的重要標志。

1.2 工法在施工生產管理中的作用

①加強企業生產過程中技術的積累和提煉。固化了成套的施工作業流程，形成可以傳遞和交流的技術文件；

②提升項目生產管理的效率，創造效益。先進的工法采用先進的技術和工裝，機械化程度的提升，先進材料的應用，優化了施工工序，節約了工序時長，既提高了生產效率，也節約了生產成本。

③提升質量管理水平和企業技術進步的能力。先進工法可以更好的保證生產質量，提高管理水平。在保障施工技術的應用和施工質量的基礎上，加強企業對施工技術的管理，促進企業標準化建設。隨著現代科學技術的不斷發展，開發多樣化的新穎施工技術，增強施工企業技術創新能力，提升企業的綜合實力。

1.3 對象的分類與其工法中相關參數的賦值

將建筑工程視作多個不同對象的組合件。同一類構件理解為相同生產要素的共同作用體。對一個單體建筑來說，無論體量多大，對象的類型是有限的，無非是數量不同而已。

對象的分類宜遵循以下原則：

①對象的分類[3]僅依托對象本身的功能、幾何特性、生產要素、工法等，與對象的領域、時間和環境沒有關系。如對于一根鉆孔樁基而言，無論是建筑領域、還是鐵路領域，其施工工藝、資源配置等都是一樣的；

②對象的分類尚應考慮成本管理的需要。盡管對象生產完成后其特性和功能是完全相同，但為了成本管理的需要，應按施工工法的不同將對象細化分類。如對一根鉆孔樁來說，雖然無論采用沖擊成孔，亦或采用旋挖成孔，其成形后的幾何特征和功能是完全相同的，但其生產成本不同，因此應分為不同類的對象；

③雖然組成對象的材料、體量不同，但其生產工法完全相同，可將此類對象歸為一類。如鉆孔樁的混凝土強度不同，但確定了施工工法后，其生產過程和工序管理是完全相同的，因此可以不考慮其強度等級而將其歸為同類；

④對象分類應以遵從國家及行業已頒布的分類與編碼標準，除非這些標準中未作規定，企業可根據自身需要補充定義分類標準，否則不得擅自修改標準。

同類對象的施工工法，其施工工序已然確定，但受邊界條件（如施工環境、氣候特征、資源配置等）約束，工序時長不同，對其賦值時一般是依據企業的經驗積累而獲得的。雖然多數企業在生產過程中不大注重這些經驗數據的積累，但認識到這些數據的重要性后，其信息積累的速度也將會很快。依托企業的信息化管理平臺[4]，對生產過程中的信息按工法庫的設計思路分類存儲，積累到足夠數量時，設計算法進行分析，得到更為實用的特征值，以代替個人經驗。

2 工法庫的設計

2.1 邊界條件的定義

工法的邊界條件[5]主要有生產環境、氣候條件、地質條件、降雨量、氣溫等，凡是影響工法相關特征值的因素都應作為工法的邊界條件。部分邊界條件的特征值可以利用信息化手段自動獲取，如對象所處的區域、施工期的氣溫、降雨情況等，部分邊界條件特征值需要根據施工經驗定義。

2.2 工法庫的架構

下圖是企業級工法庫架構的框架簡圖。

圖1 工法庫架構簡圖

該圖定義了對象（構件）的邊界條件和生產工序，邊界條件中定義了對象所處的區域（一般要求精度能達到縣級）、統計時段（按春夏秋冬或月份統計）、生產階段的降雨情況和平均氣溫情況。另外將對象的關系特征值、以往生產中工序時長經驗指標及關鍵工序經驗指標也進行了定義。

對生產工序的定義主要是與資源配置[6]的需要，資源配置應將每道工序中可能用到的機具設備及材料消耗都定義進去，不同工序使用的資源也不相同，在參照企業定額的同時，須結合生產實際調整資源的實際配置。各道工序時長可通過現場采集而來，由于生產中可能因為經驗不足，安排不合理，或是資源短缺，或是外界干擾，導致工序時長延誤，這些因素在統計工序時長時應加以描述。

2.3 工法庫與企業預算定額的關聯關系

企業預算定額采用平均值法定義了對象生產的費用指標，并對每道工序可能產生的費用都作了定量分析。工法庫中每道工序對應企業定額中的一個或多個費用清單，是一對多的關系。賦予對象一個或少數幾個主數據（如樁的樁長與樁徑可以理解為樁這類對象的主數據，承臺的混凝土體積可以視作承臺這類對象的主數據），費用清單與主數據建立數學關系，這樣，當具體到工程項目時，可以實現自動算量和自動套價。圖2是工法庫與企業定額庫[7]的關系拓撲圖。

雖然工法庫與企業預算定額建立邏輯關系是一項繁瑣、工作量大的工作，但對于提升項目現場管理水平大有裨益，且使基于BIM的自動算量、自動套價、實時反饋生產成本變為現實。

3 工法庫的應用

3.1 對象工序時長的確定

圖2 工法庫與企業定額庫關系拓撲圖

對象的生產是時間積累的過程，生產對象的每一道工序時長影響對象的施工組織和成本管理水平。由于不同的項目有不同的邊界條件，即使同一項目的同類對象，區域位置不同、生產季節不同等因素都導致其生產工序時長不同，為了定量描述對象生產的時間要素，針對具體項目，施工組織管理者都會依據自身經驗提前定一個指標，再根據這個指標來配置施工資源。個人經驗是否豐富決定了施工前期資源配置是否合理。我們常碰到一些項目在施工過程中不停地補充資源，或者出現大量的過剩資源，尤其是勞力和機械設備，其實就是施工組織管理者對項目施工中的各種邊界條件估計不足，亦或是確定經驗指標過于保守。解決個人經驗、主觀臆斷問題需要大數據的支持，但迫于建筑行業大數據積累重視不足，在很長一段時間不得不依賴個人經驗來確定對象生產的工序時長。在這里，暫時將工序時長的確定依托項目生產組織管理者的個人經驗，當然，正如前所述，企業管理者重視對象生產過程中大數據積累的重要性時，依托個人經驗轉變為以分析大數據為準的工序時長。

3.2 工法庫在施工組織管理中的應用

筆者此前曾發表過一篇基于對象的線性工程項目施工組織設計編制方法研究，闡述了面向對象的項目施工組織管理新思路。這種施工組織管理模式更加精細，對企業大數據更加依賴，而工法庫是企業生產組織過程中工序時長和資源配置的大數據累積倉庫[8]，為項目組織管理者提供更加科學的生產指標，為生產決策提供數據支撐，成為企業后臺生產管理的智庫。

3.3 大數據時代工法庫的動態調整

工法庫是企業生產過程中大數據不斷累積而逐步完善起來的，企業承接的生產任務越多，其積累的信息量就會越大，適時的動態調整和更新，才能為企業提供可靠、科學、實時準確的數據。動態調整工法庫是對大數據的再整理、再分析和完善算法的過程，是提高算法精準度的過程。企業庫的動態調整及更新宜與企業預算定額同步進行。企業應建立企業工法庫、定額庫的動態管理機制，配置數據管理和維護專職人員，定期由軟件開發人員調整數據分析算法。

4 企業工法數據庫的建設

圖3 企業工法庫組件與服務框圖

企業工法庫的建設主要圍繞數據采集、數據存儲、數據庫轉換之開發框架，即面向對象方法的數據服務。源數據入口點可以采集三種方式，從形式上說三種方式必須采用統一元數據標準、完善數據質量、制定安全流程和強化治理組織。數據存儲在數據質量上要進行規范性約束并提供系統間數據流、數據統一視圖、統一數據實體、統一數據字典。OOS采用面向對象思想設計的結構，可讀性高，由于繼承的存在，即使改變需求，維護也只是在局部模塊，所以維護起來是非常方便和較低成本的，在以前的項目領域中已被測試過的系統滿足業務需求并具有較高的質量，由于OOS擁有繼承、封裝、多態的特性，自然設計出高內聚、低耦合的系統結構，使得系統更靈活、更容易擴展，而且成本較低。

4.1 數據庫建設原則

面向對象的企業工藝工法數據庫建設遵循兩個原則[9]，首先它是一個基于DBMS的數據庫系統，其次它是面向工藝工法特定對象系統。第一個原則即作為通用的DBMS數據庫系統本身應具備的能力如安全性、持久性、完整性以及事務管理、事務處理、并發控制、恢復等。第二個原則就是要求面向工藝工法對象數據庫充分支持完整的面向對象概念和控制機制。綜上所述，我們將面向對象的企業工藝工法數據庫概括為面向對象工藝工法數據庫=數據庫能力+面向工藝工法對象系統。

把數據庫技術和基于面向工藝工法對象的方法結合起來可以使數據庫系統在分析、設計、應用上最大程度地與人們對客觀世界的認知相一致。同時對于應用者來說由于數據結構的變化導致程序的修改加重了工作強度。

4.1.1 數據庫模型轉換

在異構數據庫系統[10]中各數據庫的模式和操作之間的轉換是一個關鍵研究和突破課題。由于關系數據庫目前在各領域廣泛應用，面向對象數據庫則能滿足更高一級數據庫要求，所以有必要在設計和實現過程中為這兩種數據庫模型建立一種映射或對應關系，實現數據模式和操作之間相互轉換[11]。

轉換一般有兩種途徑[12]從從面向對象DB到關系DB(OODB to RDB)和關系DB到面向對象DB(RDB to OODB)。OODB to RDB轉換技術在轉換時要保證一致性（即對象語義和動作信息在轉換過程中不丟失）。轉換包括數據模式和數據操作轉換。

關系數據庫模型和對象數據庫模型的關系

4.1.2 數據模式轉換

對象目標標識符是對象存在的唯一標志也就是關系數據庫的唯一關鍵字（PK），在實體數據庫中，如果兩個對象相同即等價于其目標標識符相同。與關系模式不同的是面向對象中類屬性分為三個，原子屬性、組合屬性和集合屬性，如工藝工法對象中的幾何特性、生產要素、施工工藝、施工工法以及資源配置等分解為原子屬性。

把父類屬性（如樁基的施工工藝、施工資源配置）擴展到所有子類（鉆孔樁基、旋挖樁基、CFG樁基、管樁基、沉入樁基……）中，每個類映射為一個關系;類的每個屬性映射為它對應的關系屬性。默認對象目標標識符屬性映射為RDB關鍵字（PK）屬性，原子屬性映射為固定屬性,其中的方法轉換是數據模式轉換的重要轉換，方法有定義和調用。數據模式轉換過程中支持以下兩種功能：

①創建用戶自定義函數，并從表達式中調用此函數；

②創建用戶自定義過程，并通過一個新的SQL語句調用這些過程，如通過CALL方法調用等。

4.1.3 OODBMS繼承和轉換

其核心是把分層結構中每個類、引用繼承的類等并為每個類轉換為一張關系表，在實現過程中采用適配器方式來實現，這樣處理可以提高類的穩定性，增強其復用性，在不改變現有類的前提下拓展類的功能，且能解耦目標類和適配器類，符合開閉原則。

圖4 類適配器的類圖

4.1.4 數據操作轉換

數據模式轉換是指從OODB到RDB數據操縱語言(DCL)的轉換。數據庫常用操作有數據查詢、插入、刪除和修改，它們都離不開限制條件，所以先講述限制條件轉換[12]。

如，數據庫里有一個表"鉆孔樁基表"，它只有pID、object_name和p_code等10個字段，我們把它作為一個實體對象pile，假設我們要完成從數據庫查詢、修改、插入，使用它的代碼片段如下：

4.2 工藝工法數據源

首先規劃工藝工法數據資源，優先滿足應用透明方面的要求，逐步形成專業的應用，為施工實際應用系統提供唯一的數據源，為今后系統的集中、統一和企業標準打好基礎，其次通過搭建全業務服務接口架構，建設三級互動的一體化應用服務和消費機制，形成全業務、全行業、全生命周期的應用能力，形成一體化產品的發布和動態管理能力，形成統一集中的業務資源管理及動態調配能力。

圖5 工藝工法數據源服務圖

4.3 數據模型和編碼

工藝工法基于《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB/T 51269-2017）統一的數據模型和編碼標準，將功能、形態、空間、元素、成果、階段、行為、專業、產品、組織角色、工具、信息、材料、屬性、材質等多維度數據實時地同步、轉換/映射、整合工藝工法集中數據庫，形成全行業核心業務數據的統一數據中心，提供定額清單庫、企業定額庫、工藝工法庫的引用，最終形成工程量清單，并提供統一整合的數據視圖，實現全網數據計算、分析與稽核。

圖6 數據模型和編碼圖

4.4 集中數據規劃

集中數據規劃分為ODS（Operational Data Store）數據倉庫存儲、歷史數據庫和OLAP（Online AnalyticalProcessing）聯機分析處理共享庫、私有數據庫等。

ODS庫是基于準實時數據同步機制的全行業、全業務、全渠道的操作數據存儲，針對多應用的數據分布環境，提供統一整合的數據視圖，并可有效分擔生產系統負荷。歷史數據庫存放各類歷史數據，包括賬單、詳單、客戶接觸歷史及歷史日志。

OLTP共享庫分為基礎庫和業務庫。基礎庫存放功能、形態、空間、元素、成果、階段、行為、專業、產品、組織角色、工具、信息、材料、屬性、材質等多維度數據等各系統所使用的共有數據。業務庫存放定額清單庫、企業定額庫、工藝工法庫等企業業務數據。

私有數據庫存放企業各項目工程量清單數據等非共享或保密數據。

歷史數據庫存放私有已完成經營指標等數據，供企業后期評估和追溯。

4.5 業務能力提升

集中數據庫通過數據集中共享，提供統一、標準的數據服務，并帶來對外、對內兩方面的業務能力提升。基于業務的全景視圖，實現全網快速支撐應用定額清單項目數量、企業定額項目數量、工藝工法、工程量清單數量等業務需求、外部合作伙伴的接入、異地業務。通過集中化提升運維效率，通過構建自動化的自維護能力，顯著降低維護人員的數量，提高運維的效率，集中數據庫基于統一的軟硬件體系架構構建，形成統一的平臺規范，使得平臺的發展具備可持續性。總之，集中數據庫的建設通過全企業基礎數據的標準化與集中，必將全面提升數據應用與分析能力，滿足企業快速、高效進行工程定額和清單核算。

4.6 庫維護與應用

4.6.1 數據維護

數據維護[13]是整個應用的核心，主要包含擴展性開發、類的適配和數據源的更新與擴充和完備。

4.6.2 數據應用

依托施工生產過程中采集的海量數據以及定義的相關數據，存在（依賴）關系和數據庫提供后臺處理能力，結合提供的豐富的類和方法等，把相關應用指標有效組織和利用，使工法庫數據更為科學地指導生產管理，為基于數據庫的施工組織生產管理奠定基礎。

5 結語

依托企業生產長期積累的大數據，日臻完善的企業各類生產要素數據，形成面對對象的企業工法庫，是對施工組織生產大數據的歸類、整理、分析與研究，提煉出企業所需的進度、資源等關鍵指標。目前已經完成工藝庫的基礎代碼開發，完成基礎數據庫的建設，完成部分基于面向對象的庫框架開發，已經應用于中鐵四局“基于GIS+BIM信息化集成平臺”算量管理模塊。后續主要豐富和完善框架內的服務種類及其廣度和深度，為BIM模型、企業定額清單提供更快更精準數據支撐。提升企業社會競爭力和成本管理水平，促進企業轉型升級。