【《基于BIM技术的建筑工程施工现场布置模拟与优化设计研究》6600字（论文）】

基于BIM技术的建筑工程施工现场布置模拟与优化设计研究【摘要】施工场地布置作为施工组织设计的重要组成部分，是项目顺利施工的前提和基础，合理的施工场地布置方案能够在项目开始之初，从源头减少安全隐患，便于施工，是方便后续管理，降低成本，提高项目效益的重要方式。然而随着科技的飞速发展，建设项目日益增多，建筑的结构与造型也越来越复杂，纷繁复杂的工序，各种新技术和新工艺的出现，以及材料设备的使用和管理无一不在对施工现场场地布置提出更高的要求。因此，必须运用更先进的科学技术手段和管理方法辅助项目管理人员完成施工现场的条件分析和现场布置决策。《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》指出建筑信息模型BIM(BuildingInformationModeling)技术是实现建筑业信息化、有效地提高技术和管理效率的重要技术支撑和方法。BIM具有全面丰富的参数化建筑信息、直观的三维展示及动态模拟等功能，有利于实现项目精细化管理，为改善当前施工现场场地布置中遇到的问题，寻求更加科学高效的场地布置方法提供了新的契机。本次毕业设计以江苏省徐州市睢宁县新城区第二实验小学综合楼项目作为研究案例，研究内容为基于BIM技术的建筑工程施工现场布置模拟与优化设计，希望在实践中检验应用效果，丰富应用案例。首先，运用广联达BIM施工现场布置软件分阶段建立项目的三维场地布置模型；接着，利用三维模型，结合调查获得的各构件单价，自动生成工程量数据和成本数据，利用测量工具获取距离信息，将相关信息代入多目标优化数学模型中进行检验与优化；最后，建立综合评价指标体系，利用层次分析法对优化后的各方案进行综合评选，选出最佳设计方案，再依据主体阶段的最佳布置方案，对其他阶段的设计方案进行调整，最终完成所有阶段的场地布置方案的设计。【关键词】BIM；施工现场布置；层次分析法；方案优化引言随着经济全球化的发展，建筑行业间的竞争日趋激烈，对工程项目的施工组织管理水平提出了更加严格的要求，施工场地布置作为施工组织设计的重要组成部分，是项目顺利施工的前提和基础，而长久以来粗放式的管理模式已经不再适用于今天的工程项目，为了进一步提升建筑企业的核心竞争力，企业必须加速改造升级，对于工程项目实行更加精细化、信息化的管理。近年来，BIM技术的兴起为建筑业带来了重大变革，BIM具有全面丰富的参数化建筑信息、直观的三维展示及动态模拟等功能，有利于实现项目精细化管理，为改善当前施工现场场地布置中遇到的问题，寻求更加科学高效的场地布置方法提供了新的契机。一、施工现场布置发展现状与存在问题场地布置是施工现场管理的起点，将各类机械设备和临时设施如何科学合理的放置在施工现场的空地上，合理规划各设施之间的关系是其需要解决的主要问题。科学合理的场地布置方案可以有效缩短施工现场材料设备的运输距离，减少二次运输距离，提高生产效率，降低项目成本，减少安全隐患。但是传统的施工场地布置方案大多缺乏科学合理的布置依据，纯粹建立在项目管理人员的主观经验之上，缺乏对施工现场复杂组织关系和众多影响因素的综合考虑，也因此暴露出了很多问题，其一，建立在主观经验上的布置方案通常比较单一，缺乏比较对象，难以确定其优劣和改进方向；其二，由于缺少系统布置方法，往往会造成施工布置方案上的各种缺项漏项；其三，施工现场的情况是动态变化的，但是传统的场地布置方案大多都是静态的，无法满足不同阶段施工现场的工作要求。因此，必须运用更先进的科学技术手段和管理方法辅助项目管理人员完成施工现场的条件分析和现场布置决策。为了解决以上问题，国内外学者和科学家们开展了许多研究。其中，国外对于施工现场布局重要性的研究开始较早，并且随着研究的深入，提出了利用计算机技术、BIM技术等先进科学技术建立施工现场的动态可视化模型，通过模型进行场地布置优化的方法。国内近几年才开始研究和推广BIM技术，虽然BIM技术在工程领域中的应用已经初见成效，有部分大型工程应用BIM技术进行施工现场管理也取得了良好的效果，但是针对施工场地布置的应用方法仍然有待进一步的研究，特别是随着科学技术的发展，越来越多复杂的建设项目出现，除了大型建设项目，普通建设项目也面临着更加严格的工期要求，更加狭小的施工场地，为了提高施工效率，必须大力推广BIM技术，将BIM技术切实应用在具体的工程项目中，不断丰富实践经验。二、BIM技术在施工现场布置中的模拟应用由于BIM具有可视化、模拟性、协调性和优化性等特点，应用BIM技术完成施工现场布置方案的设计非常具有实际意义：（1）软件操作简单，布置方便，针对具体的工程实例，以参数化信息模型为基础，对工程不同阶段的场地布置进行模拟，相比二维施工场地布置可以更直观的呈现场地布置的状况，有利于提高施工现场布置的效率和科学性，提高项目施工的效率。（2）通过三维动态模拟、碰撞检查和合规性检查，可以及时发现场地布置中不合理之处，并进行修改，完成在二维设计中无法完成的优化。（3）BIM模型提供了施工现场布置各材料设备以及临时设施实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息等等，随着项目进程的推进，也可以对模型中的信息进行实时的更新、丰富和补充，只有以准确的信息做基础，才有可能实现合理的优化。（4）有利于BIM在施工阶段应用价值的发掘，促进BIM在建筑业的应用发展。在实际工程中，随着工程项目的推进，施工现场的情况会一直处于一个动态变化的过程中，但是场地布置是一个系统工程，需要综合考虑各方面因素，如施工进度计划、工程项目成本、现场安全、绿化环保等等，不同施工阶段会对场地布置有不同的要求，因此，一成不变的场地布置方案是不能满足工程施工的要求的，但是场地布置方案也不能一直随着现场情况变化而变化，一方面不利于控制工程成本，另一方面也不利于保障施工现场的安全性。综合考虑两方面的要求，可以把施工过程主要划分为三个阶段，分别为基础阶段、主体阶段和装饰装修阶段，有时也可以分为四个阶段，即在基础阶段前可以再增加一个土方开挖阶段，在每个施工阶段的场地布置方案大致相同，只有在不同施工阶段的过渡期才需要对场地布置方案做出改变，这样既满足了不同施工阶段对场地布置的要求，也在很大程度上降低了工程项目成本，保障了施工现场的安全性。目前，建筑行业内目前比较常用的场地布置软件主要有Revit，广联达BIM施工现场布置软件，Sketchup等等，这些软件各有优势和特点，可以依据工程项目实际情况选择合适的软件进行三维场布模型的建立。笔者以江苏省徐州市睢宁县某小学为例进行研究，以广联达BIM施工现场布置软件为工具，分别完成了工程项目的土方开挖阶段、基础阶段、主体阶段以及装饰装修阶段的场地布置方案设计，而主体阶段又是整个施工过程中耗时最长，无论是材料消耗还是工人数量都是最多的，因此计划针对重点主体阶段的场地布置设计多种建模方案，再进一步在所有建模方案中选出最优方案。三、基于BIM技术和数学模型的施工现场布置优化设计（一）建模与优化虽然在场地建模前已经对场地布置的原则和要求进行了了解和学习，并且在建模时也考虑到了施工场地边界限制、各项设置安全性要求以及环保绿化要求等等，但在场地建模时仍然存在很大的主观性，所以在完成方案的初步设计后，需要建立数学优化模型对模型进行优化。同时，也可以利用数学模型计算出不同布置方案的成本和运输效率，为最后利用层次分析法选择最佳布置方案建立基础。在建立多目标数学优化模型时，主要考虑成本和运输效率两方面，成本主要包括临时设施成本、材料的二次运输成本以及人员的移动成本，运输效率主要考察运输时间和运输距离两方面。最后得到的数学表达式如下：成本F=r=1ndr×pr+k（r，k，i，t=1，2，3…n）其中dr为运输道路的长度，pr为运输道路的单价，nk为临时设施的数量，pk为临时设施的单价，ni为材料的数量，pi为材料的单价，nt为机械设备的数量，pt为机械设备的单价。运输距离TD=l=其中dl为场内道路运输距离，fl为运输车辆的运输频率。运输时间TT=l=其中dl为两个设施之间的距离，fl为工人的运输频率，tl为不同运输方式的运输速度。约束条件主要包括：（1）i（2）dij≥Dij其中，（1）中qi表示两设施之间的运输量，fi表示两设施之间的运输频率，Qi表示设施之间的单日最大资源需求量。（2）中dij表示现场设施之间的距离，Dij表示所要求的的防火间距。利用广联达BIM施工现场布置软件中自动生成工程量的功能获取工程成本信息，利用各构件的坐标数据以及测量工具获取距离信息，将每个方案的数据信息代入模型中计算成本、运输距离、运输时间，同时以运输量和防火间距为约束条件，若方案满足要求，则输出方案的成本、运输距离和运输时间的数据信息；若无解，则说明方案的运输量或防火间距等条件不满足要求，进行方案的调整和优化，再进行计算，直至所有方案均完成优化，符合约束条件。方案评价与决策层次分析法是指将决策问题的有关元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性分析和定量分析的一种评价方法，它由美国匹兹堡大学的T.L.Saaty教授于20世纪70年代提出。评判一个场地布置方案的优劣会涉及到多方面的因素，如工程成本、运输效率、安全性、工程进度、环保性等等，而每个因素的重要程度又是不同的，这就给方案的综合评价带来了困难。利用层次分析法可以通过构建层次结构模型，将决策问题的相关元素分成目标层，方案层和准则层三个层次，利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，从而为求解最优场地布置方案提供一种科学简便的评价方法。从使用场地布置软件分阶段建立场地布置模型，到利用数学优化模型对方案进行检验与优化，最后再通过BIM模型提供的丰富数据信息，利用层次分析法完成对多方案的评价与决策，整个过程中虽然仍有一些不完美之处，但已经在很大程度上改善了传统施工场地布置方案暴露出的问题。四、某小学工程实例分析为了检验整个场地布置方案设计与优化的流程，笔者以江苏省徐州市睢宁县新城区第二实验小学综合楼项目作为研究案例，借助BIM技术对其进行施工现场布置模拟与优化设计，希望能够在实践中检验应用效果，展现基于BIM技术的方案设计与优化的巨大潜力，丰富应用案例。该项目位于徐州市睢宁县，总建筑面积为6304.05㎡，基底面积1796.94㎡，地上5层，建筑高度22.775m。建筑设计使用年限为50年，建筑类别为一类建筑，建筑耐火等级为二级，抗震设防烈度为8度，结构形式为框架结构，建筑为南北朝向。本工程建设地区的气候特征为夏热冬冷，年平均气温为14.5℃，最高气温39℃，最低气温-12℃，年平均降水量922.1mm，日最大降水量73.91mm，降雨主要集中在6月份到9月份，年平均风速3.81m/s，地下水位较高，土质较好。待建建筑位于小学内部，其西侧有教学楼，东侧有居民区，工程施工过程容易对周边住户的休息造成不良影响，因此在进行场地布置方案设计时应该考虑到噪音影响。北侧是高铁商务区北外环，西侧也靠近城市道路，交通便利。施工区域场地较为平整，雨水、污水经过沉淀池后，向市政道路雨、污管网排放。生活区、办公区拟建在施工场区内。首先，根据施工场地布置的原则和要求，在广联达BIM施工现场布置软件中完成了四个阶段的场地布置方案的模型建立。图4.1挖土方阶段二维场地布置模型图4.2挖土方阶段三维场地布置模型图4.3基础阶段二维场地布置模型图4.4基础阶段三维场地布置模型图4.5主体阶段方案A二维场地布置模型图4.6主体阶段方案A三维场地布置模型图4.7主体阶段方案B二维场地布置模型图4.8主体阶段方案B三维场地布置模型图4.9主体阶段方案C二维场地布置模型图4.10主体阶段方案C三维场地布置模型图4.11主体阶段方案D二维场地布置模型图4.12主体阶段方案D三维场地布置模型图4.13装饰装修阶段二维场地布置模型图4.14装饰装修阶段三维场地布置模型以主体阶段为例，对主体阶段的场地布置模型进行优化。把从三维模型中获取的每个方案的成本信息和距离信息等相关数据代入上文的数学公式和约束条件中，若方案满足要求，则会输出方案的一组相关数值，若无解，则说明方案的运输量或运输频率或防火间距等不满足约束条件的要求，进行方案的调整和优化，再进行计算，直至方案满足约束条件为止。经过测距，发现可燃材料原木堆场、模板堆场与其加工场的间距不满足防火间距要求，现场临时办公区与在建工程的间距不满足防火间距的要求，在生活区中的临时房屋间距也不满足防火间距的要求，针对查找出的问题对主体阶段方案进行优化。优化后的主体阶段各设计方案如下：图4.15优化后主体阶段方案A二维场布模型图4.16优化后主体阶段方案A三维场布模型图4.17优化后主体阶段方案B二维场布模型图4.18优化后主体阶段方案B三维场布模型图4.19优化后主体阶段方案C二维场布模型图4.20优化后主体阶段方案C三维场布模型图4.21优化后主体阶段方案D二维场布模型图4.22优化后主体阶段方案D三维场布模型通过向专家和现场一线管理人员咨询以及现场调查，获取了机械设施、水电管网、临时建筑等模型构件的单价，在场布模型中输入了单价数据，自动生成了所有工程量的Excel表格。经过统计计算，四个方案除材料成本外的其他成本价格分别是2387527.87元、2542976.75元、2400259.98元、2262391.10元。四个方案场内总运输距离分别为1833.8m、1833.8m、2207.27m、2207.27m。运输时间主要考虑的是从运输车卸货点到各个材料仓库的人工运输时间以及从可燃材料原木堆场到木材加工厂的人工运输时间，一趟为两地之间的一个来回，工人的运输速度为0.5m/s，从可燃材料原木堆场到木材加工厂的人工运输频率为50次/8h，从运输车卸货点到各个材料仓库的人工运输频率为10次/8h，则计算得到四个方案的总运输时间分别为5679.16s、6547.08s、5071.44s、4605.32s。最后，利用层次分析法对主体阶段的不同方案进行评价与选择。根据对施工现场实际情况的分析，在所建立的施工场地评价标准体系中选取的评价因素如下：成本、运输距离、运输时间、安全性、绿化环保。层次结构模型建立：图4.23本工程案例层次结构模型图2.2构建比较矩阵准则层构建5个评判准则分别为：成本、运输距离、运输时间、安全性、绿化环保。设立准则含义如下：成本：各施工场地布置方案更有利于降低成本的方案；运输距离：各施工场地布置方案运输距离更短的方案；运输时间：各施工场地布置方案运输时间更少的方案；安全性：各施工场地布置方案安全性更高的方案；绿化环保：各施工场地布置方案绿化率更高，环保性更强的方案。①层次结构模型判断矩阵如下：A=，列归一化后A1=，行相加得A2=，规范化得特征向量WA=，*=，λmax=5.0823，CI=0.0206，RI=1.12，CR=CI/RI=0.0184＜0.1，一致性检验通过。②四个场地布置方案所对应五个标准判断矩阵如下：B1=，列归一化后B11=，行相加得B12=，规范化得特征向量w1=，*=，λmax=4.1720，CI=0.0573，RI=0.9，CR=CI/RI=0.0637＜0.1，一致性检验通过。B2=，列归一化后B21=，行相加得B22=，规范化得特征向量w2=，λmax=4，CI=0，RI=0.9，CR=CI/RI=0＜0.1，一致性检验通过。B3=，列归一化后B31=，行相加得B32=，规范化得特征向量w3=，*=λmax=4.1948，CI=0.0649，RI=0.9，CR=CI/RI=0.0722＜0.1，一致性检验通过。B4=，行相加得B43=，规范化得特征向量w4=，*=λmax=4