基于BIM與SLP相結合視角的建筑施工現場布置優化及仿真

文/王 琦 王 淋 丁澤輝

一、引言

我國是建筑大國，根據國家統計局2019年數據，建筑業總產值已達到了約25萬億，并以年均1億左右穩步上升[1]，施工現場布置是施工組織環節中的重要一環，是工程順利建設完成的基礎條件和重要保障。資料顯示，在工廠項目中物料搬運所產生的費用占總費用的20%～50%，而物料搬運與物流設施規劃和設備布置情況有直接關系，合理有效的設施布置能減少約30%搬運費用,且使生產效率提高近3倍[2]。物流設施是指在進行各項物流活動的過程中，滿足物流組織與管理需要的具有綜合或單一功能的場所和組織的總稱[3]。施工現場中的物流設施主要是指材料堆場和建材的施工、加工區等。

早在20世紀60年代，一些國外的學者就已經對設施布置問題作出了相關的研究。Li和Osman通過運用遺傳算法對多目標優化問題進行研究，并建立了能自動測算空間的范圍以及設施費用等的優化程序[4]。Yeh I C通過運用退化神經網絡模型，結合了霍普菲爾德神經網絡的相關特點，對平面布置問題提出了有效的優化方法[5]。李恒提出了如何利用遺傳算法對存在多目標問題進行優化求解[6]。尚美珺通過以改進的BP神經網絡的算法為數學基礎，通過matlab軟件進行編程，對施工現場品面布置中的多種因素進行評價[7]。鄭經緯就建筑工程中施工現場布置管理措施等方面做出了討論[8]。尹清泉等人對如何在施工現場進行綠色布置和優化施工方案做出了探討[9]。綜上所述，目前大多數研究是從工程管理、安全管理等角度出發，進行綜合性評價，而物流設施規劃作為施工現場平面布置中的必不可少重要組成因素，在施工現場布置中應重點考慮，但目前鮮有學者針對施工現場物流設施規劃設計的角度進行分析。

表1：物流強度等級比例劃分[10]

表2：非物流量化值

表3：建筑模型元素與系統元素對應表

表4：施工現場各作業區標號表

圖3 BIM5D中模型建立

表5：各作業單位間物流強度統計表

根據現有研究，本研究在兼顧物流因素和非物流因素的前提下，從物流設施規劃的角度出發，尋找物流設施在施工現場的最優布置方案，對施工現場各物流作業單位之間的相互關系進行量化分析和定性評價，避免了在對施工現場設施布置時的盲目性，對施工現場物資運輸效率和布置合理性進行了優化提高，具有一定的參考價值。

二、基于BIM和SLP的建筑施工現場平面布置優化方法

根據目前的施工現場現狀，本文考慮到傳統布置方法中不能準確地獲取施工現場所需的具體工程量，無法在施工現場布置中對各種物流設施進行準確規劃，提出結合BIM技術和SLP系統布置方法進行集成應用，運用BIM技術對工程量的準確把握的特點和SLP方法對物流因素和非物流因素的綜合考慮，提出一種具有普適性的施工現場物流設施平面布置方案。

1.基于BIM的建筑施工現場平面布置優化方法

首先必須對施工現場進行全面和系統的整體考察和把握，測算施工現場場地面積和施工區主體面積，根據所測算的相關數據，繪制平面圖，根據前期調查數據在BIM場布軟件中進行建模，在BIM5D中對建筑工程進行仿真，得出工程的各種基礎數據和對建材的準確需求數量，確定各個物流作業單位之間流動的物流量，以及各個設施之間的距離，確定各作業區間物流路線所占的比例，在基礎數據輸出后運用SLP方法進行分析，在SLP方法分析時不只對物流因素進行考慮，對非物流因素更要著重進行考慮，對物流因素進行分析時，確定出各單位之間的物流強度，并繪制出相關表。在對非物流因素進行分析時則需要首先確定非物流因素主要的影響因素，對各作業區間之間非物流因素的影響程度進行量化分析，確定各單位之間非物流因素對其的影響程度，在得到物流因素和非物流因素之間的影響關系后，采用因素加權分析法進行綜合分析，確定進行評價的各作業單位的排序，排序等級越高，在布置中越應考慮將其布置在中心附近。

表6：物流相關表

表7：各作業單位相互關系影響因素表

表8：各作業單位相互關系影響因素表

表9：綜合接近程度排序表

本文從施工現場物流設施規劃的角度出發，提出了優化方法、切實的驗證方法和施工現場平面布置的方案。該方案對大多數施工現場具有一定的通用性，對于具有特殊性質的施工現場，讀者需在此基礎上加以判斷。

（1）物流因素分析

在施工現場使用SLP方法進行平面布置時，可以將各作業單位之間的物流量化分為等級，不必對各設施之間物流量的具體數值進行單獨考慮，可通過劃分等級的方法來對物流狀態進行分析，在劃分等級的基礎下，應用物流相關表，通過精簡的方式表示施工現場總體物流情況。結合各作業單位所對應的物流量水平，可將其轉化為5個級別，分別可用A、E、I、O、U來代表這5個級別，其中A占物流量的40%，E占物流量的30%，I占物流量的20%，O占物流量的10%，U大約為物流量的0%[10]，如表1所示。

（2） 非物流因素分析

在對施工現場平面進行布置時，不單要考慮物流因素，非物流因素同樣也要重點考慮，在SLP非物流因素，同樣可以用A、E、I、O、U五種程度的等級來表示，如表2所示。

（3）綜合關系分析

在現實情況中，作業單位之間不單單存在著物流的流動，作業單位也存在著非物流的關系，因此在作業單位布置和考慮中應同時包含這兩方面的因素。設兩個任意作業單位為i和j，其綜合相互關系的評價值可定義為TRij，物流關系的量化值可以用LRij來表示，非物流所對應的量化值可以用NRij來表示，那么此時可以推出i與j兩個單位間的量化值如下∶

通常情況下m∶n應介于1∶3至3∶1之間。如果m∶n的比值未超過1∶3，此時表明物流對生產形成的影響相對較小，這種情況下在布置的過程中僅僅需要分析非物流作業單位之間存在的關聯即可;如果比值m∶n超過3∶1，那么就表明此時物流關系應該為主要分析的要素，在進行布置的過程中僅僅需要分析物流作業單位之間的相互影響。因此，結合建筑施工現場物流量所具有的特性，可以明確物流關系與非物流關系所存在的權重m∶ n= 1∶ 1[11]，TRij是一個量化值，須劃分成一定的等級才能建立起作業單位綜合相互關系，通常可以取A=4、E=3、I=2、O=1、U=0，X=-1，通過加權求和，得到各單位的綜合接近程度排序表。

表10：仿真前后對比表

2. Flexsim軟件仿真建模

在使用Flexsim建模之前，需對模型各種因素進行定義，如表3所示。

根據SLP方法優化后生成的布置方案在Flexsim軟件中進行建模，根據實際情況定義相關變量，確認方案的優劣性，最后輸出最優的場地布置方案。

三、基于BIM和SLP的建筑施工現場平面布置案例研究

某住宅樓項目，項目總建筑面積：34999.94m2，建筑基底面積7477.42m2。建筑主體五層，建筑高22.10m。該建筑結構形式為框架結構，建筑結構分為3種類型，設計使用年限為50年，抗震設計烈度為8度，建筑耐火等級為二級。

1. BIM模型建立與數據導出

對現場進行實地考察，對各種因素和方位進行詳盡的調查，根據當前施工現場具體情況進行測量，在BIM場布軟件中進行布置，完成對工程量的測算，建立模型，方便對施工的具體用料情況進行精準把握。如圖1、圖2所示，將工程項目在BIM場布軟件中建模，輸出平面布置圖和三維顯示圖。

圖1 建筑施工現場平面布置圖

圖2 BIM施工現場三維布置圖

將場布模型導入BIM5D中，并輸出所需物資計劃，實現對工程項目的精準化把握。

2.SLP方法分析

根據對現場實體考察，依據現場當前布置具體情況和結構收集相關資料，對所需的各種參數進行計算和測定，為方便研究，可將施工現場整體看成一個矩形結構，已知原始各設單位的具體情況和功能，從而得到初始施工現場現有的平面布置簡化圖，如圖4所示。

圖4 初始建筑施工現場平面布置簡圖

根據現場初始現場各施工單位的布置情況和內在聯系，考慮各作業單位之間具體的物流關系，根據實際情況，繪制出施工現場在實際作業過程中各物流作業單位之間的流動關系，如圖5所示。

對所關注的重點10個單位間的重點物流量進行考慮，根據BIM仿真軟件的建模，得出各物流設施之間的物流量，并劃分物流強度等級，如表4、5所示。

根據物流相關表和各單位之間的物流量，確定出各作業單位間的物流強度，如表6所示。

對整體進行綜合考慮，以提升工程的整體效率和施工現場的安全環境出發，首先相近的作業單位之間必須確保工作流程的連續性、物料之間搬運的方便性以及對區域管理是否方便，在非物流因素考慮中此三個因素應首先做出考慮；其次必須對各作業單位之間的相互布置是否會存在安全和污染問題、是否存在噪音振動和煙塵的污染以及各作業單位之間的人員聯系是否方便充分，通過前期分析和對專家進行咨詢篩選出以下6個因素作為非物流因素進行評價，作為非物流相關因素，并進行分析，進行量化，如表7所示。并分析得到所有單位之間的相互關系影響因素分析表，如表8所示。

如表9所示，如果量化值相對較高，那么就表明這個單位與布置圖對應的中心位置相對較近，如果分值相對較低，那么就表明這個單位處于相對邊緣的位置。

3.仿真模型建立

仿真模型中，首先根據場地布置提出假設，不考慮各個加工單位的加工時間，設置各個加工單位的加工時間為默認值，假設塔吊作業區樞紐布置的位置是可以在中心區域內進行移動，設置了5個發生器，代表各個堆場，以及相應的暫存區，根據實際距離的不同更改發生器產生的實體速度，體現距離對實體之間的影響，插入4個處理器以及相應的暫存區，處理器對應各處加工棚，對處理器設置百分比輸入，控制同時像下一工序和建筑垃圾輸出模型，通過A連接，表示各實體之間的物流，放入4臺叉車，Flexsim軟件本身不能體現出距離對各實體之間的影響，但是插入運輸工具后，可通過調整叉車的運輸速度，考慮距離對整體模型的影響，用S連接叉車的輸出輸入端，代表之間的信息流，設置兩個吸收器，分別代表建筑垃圾站和最后的施工輸出區，首先根據初始布置方案進行建模，模型如圖6所示。

圖6 初始Flexsim模型圖

4.仿真結果分析

根據表9對各作業單位綜合關系排序所作出的調整對方案進行修改，重新布置模型，設置模型的參數，修改后的模型如圖7所示。

圖7 優化后Flexsim模型

設置仿真時間1h進行仿真，仿真前后數據對比如表10所示。

根據SLP調整方法最后生成優化后的現場物流設施，如圖8所示。

圖8 優化后建筑施工現場平面布置簡圖

通過Flexsim軟件仿真對比后可以發現，在1h內各作業單位的輸出量有了明顯提高，在建筑工程項目中工期往往長達數年，由此可見良好的施工現場物流設施布置對整個工程的成本和效率有著極大的影響，良好的施工現場物流設施布置不單單能提高整體的物流運輸效率，降低整體成本，還能起到使施工現場布置合理，因此施工現場的優化布置對工程項目整體效益存在這重要的影響。

四、結論

本文通過對實際施工案例進行分析，使用BIM技術和物流設施規劃方法，驗證了合理的施工現場布置可以起到降本增效的目的，具體結論如下：

（1）基于BIM與SLP相結合視角將SLP方法和BIM軟件引用到建筑施工現場平面布置中，對現場進行仿真建模，通過構建建筑物的BIM模型提取建筑物的工程量數據，進而轉換為準確的物流數據，精準地反映了各個施工單位之間的關系，結合施工現場平面布置的特點，運用SLP方法，驗證了BIM與SLP在施工現場物流設施布置中結合使用可以起到提高施工效率、優化現場施工組織的優勢。

（2）本研究可對施工現場各作業單位間的現狀進行量化，使各作業單位之間的關系變得直觀清晰，通過對物流因素和非物流因素的綜合考慮，使施工現場平面布置更加規范合理。

（3）本研究通過運用物流設施規劃仿真軟件Flexsim進行方案對比分析，得出了優化后的施工現場布置與初始施工現場布置的量化對比結果，較傳統的單單使用因素加權分析法相比，更具有說服性，數據對比更加直觀，同時可以對比多個方案，避免因個人主觀因素對施工現場平面布置做出影響。

良好的施工現場物流設施布置方案會對整體進程產生較大影響，本文借助案例將BIM技術和SLP系統布置方法相結合，得出了建筑施工現場布置的優化方案，并運用Flexsim軟件驗證了優化效果，為現階段建筑業施工現場布置優化提供了較好的、實用性強的途徑和方法，為建筑業實施施工現場精細化管理提供了有意義的參考。