16、自动化 4D BIM 模型开发与优化

自动化 4D BIM 模型开发与优化

一、引言

建筑规划和调度是建筑管理的主要流程之一，过去几十年有了很大发展。传统上，建筑规划包括定义项目活动、估算资源、确定活动持续时间以及明确任务间的相互关系；项目调度则要确定活动顺序和执行活动所需资源。随着计算机在计算过程中的广泛应用，建筑规划和调度过程得到了改进，比如使用 Autodesk Microsoft Project 减少了时间、降低了错误并改善了数据可视化。

近年来，建筑信息模型（BIM）彻底改变了整个建筑过程，建筑规划和调度以 4D BIM 的形式呈现。然而，目前 BIM 采用的是传统规划和调度模型，如手动输入活动列表，导致 3D BIM 模型中活动持续时间估算与资源之间缺乏联系。

本研究引入了一种在 BIM 过程中创建项目进度计划的新方法。由于建筑过程复杂，调度项目需要数千个活动，因此提出了通过在 Navisworks 中附加设计元素并从插件库中分配所需活动来改变项目进度计划制定方式。同时，将基于活动的成本核算（ABC）方法集成到 4D/5D BIM 中创建补充进度计划，将项目资源消耗层次按核心团队组织内的活动级别进行分类，从核心团队级别到日常任务级别。此外，还提出了将活动库嵌入 4D/5D BIM Navisworks 平台，通过遗传算法优化方法实现施工进度的整体优化。

二、理论背景

（一）4D BIM

4D BIM 起源于 20 世纪 80 年代，Bechtel 和 Hitachi Ltd 合作生成了 4D 可视化模型。其核心技术由斯坦福大学的 Fischer 及其团队开发，用于创建可视化规划和调度。目前，4D BIM 模型可以将多个模型与项目进度计划集成，实现多资源加载，并在项目活动之间建立智能逻辑关系。

4D BIM 的主要功能是将 3D BIM 模型与项目进度计划相连接，具有以下特点：
1. 可视化属性 ：帮助非专业雇主在不同阶段参与建筑过程，决策时可视化有助于明确信息，构建有效论据以做出最佳决策。
2. 高效沟通 ：建立信息渠道，促进所有项目利益相关者在动态面板中整合和协作，从概念阶段开始，业主与建筑师整合设定项目大纲，需要贸易承包商和其他专家的信息。
3. 协作、规划、调度和可施工性 ：支持项目活动的协作规划、调度和可施工性分析。
4. 索赔和纠纷解决 ：利用 4D BIM 中的冲突检测功能解决索赔和纠纷。

（二）4D/5D 自动化过程相关研究

• Montaser 和 Moselhi（2015） ：开发了一个模型，允许用户使用 Revit 应用程序编程接口（API）将 MS Project 中的数据导入到开发的 BIM 模型中，能够关联设计元素实施与活动开始和结束日期，并通过基于过程的颜色编码设计了项目进度控制方法。
• Omar 和 Dulaimi（2015） ：认为将 BIM 嵌入日常建筑活动有助于克服持续存在的问题，自动更新现场信息可提高生产力，增强利益相关者之间的关系和对现场数据的信任。
• El - Omari 和 Moselhi（2011） ：指出使用非系统程序收集现场数据会导致信息大量丢失和结果不可靠，BIM 4D 自动化可提高收集数据的质量，减少人工干预。
• Lawrence 等人（2014） ：开发了一个模型，根据成本参数（如设计或项目范围变化导致的数量变化）自动更新成本数据。
• Hamledari 等人（2017） ：建议通过先进信息技术自动分析进度数据。
• Wang 等人（2016） ：开发了一个利用 BIM 创建项目预算曲线（S 曲线）的模型，基于多标准生成优化的成本预算曲线，在成本/进度案例方面更可靠和现实。

（三）集成项目交付（IPD）和早期决策的重要性

集成项目交付（IPD）的特点是关键利益相关者在所有项目交付阶段早期、协作和集体参与。在 BIM 项目中使用 IPD 有一些标准，如多方协议、各方早期参与以及共享风险和回报。BIM 通过增强项目参与者在不同阶段（设计或施工）的协作，提高了建筑过程的效率。因此，在早期设计阶段必须进行全面决策，实施 IPD 可以通过更好的规划和共享风险/回报减少浪费，优化建筑项目的交付时间表。4D BIM 的优化在降低成本和提高建筑过程整体效率方面起着至关重要的作用。

目标价值设计（TVD）被推荐为 IPD 项目的有效解决方案，但成功的 TVD 需要设计师、建筑商、测量师和贸易伙伴之间的广泛协作，各方需持续反馈以影响设计并实现业主目标，同时符合设定的预算。TVD 通过精益管理工具支持实施，以促进有效协作和实现概念化、分析和估算的快速循环。

（四）基于活动的成本核算（ABC）

建筑项目通常依赖于分散的参与者结构，这种分散导致间接活动和间接成本增加。传统成本核算方法包括基于资源的成本核算（RBC）和基于体积的分配（VBA），但这些方法会导致成本扭曲，将所有间接成本混为一谈，扭曲了公司产品的定价。ABC 通过将成本分配到多个成本池，确定间接活动以及将资源转化为可交付最终产品的活动所需的相关成本，解决了这种成本扭曲问题。

（五）进化调度优化相关研究

不同学者在进化调度优化方面进行了研究，但都存在一定局限性：
|研究者|研究内容|局限性|
| ---- | ---- | ---- |
|Hegazy（1999）|开发模型基于资源平衡和分配同时组装最优进度路径，嵌入遗传算法|未考虑成本因素|
|Hegazy 和 Ersahin（2001）|创建电子表格基于资源平衡、成本和时间优化项目进度|/|
|Senouci 和 Eldin（2004）|开发模型考虑时间成本权衡以最小化项目成本|未考虑执行活动的多种可能方法|
|Leu 和 Yang（1999）|开发模型考虑时间 - 成本权衡、资源受限分配和无限资源平衡模型，分两阶段实施|两阶段实施可能相互影响最终结果|
|Ghoddousi 等人（2013）|开发模型考虑多目标，包括多模式资源受限项目调度问题、离散时间 - 成本权衡问题以及资源分配和资源平衡问题|在复杂项目中可能不适用|
|Elbeltagi 等人（2016）|开发模型基于多标准（时间、成本、资源和现金流）优化进度，使用粒子群优化方法|依赖手动收集数据，活动手动链接，在复杂项目中难以应用|

三、研究差距

虽然有大量研究讨论了建筑规划和调度中的多目标优化，但这些研究大多在 4D BIM 出现之前进行，基于 BIM 的进度优化尚未得到充分探索。许多研究主要关注 4D BIM 的应用，而忽略了其功能和流程的改进。因此，本研究旨在改进 4D BIM 过程的功能，具体包括：
1. 提出一种创建活动列表（过程）的新方法。
2. 提出一种使用 API 将遗传算法集成到 BIM 平台的方法。
3. 阐述一种理解/利用 4D BIM 输出的新方法。

四、研究方法

（一）研究方法选择

本研究的目标是提出可行解决方案并在现实环境中探索其实际有效性。探索性案例研究和实验方法是实现此类目标最适用的方法。由于案例研究受太多变量影响，评估此类工作流程在现实案例中的影响不仅受多种因素影响，还需通过各种程序进行调解，因此运行案例研究和应用观察技术被认为不相关。

实验能够有效揭示真实数据是否支持或反驳研究人员的概念化。实验可以隔离因果变量，对理论的稳健性进行强有力的测试，为理论提供有说服力的证据。因此，本研究选择实验作为测试所提出成本估算方法积极效果假设的主要方法。本研究采用混合研究方法策略，通过文献综述（定性方法）提出研究假设，开发框架提供解决方案，最后通过比较案例研究（定量案例研究）验证所提出的解决方案。

（二）逻辑

通过深入的文献综述突出了现有研究在集成 4D/5D BIM 和自动化过程方面的差距。然后，构建框架以解决文献综述中确定的集成/自动化不足问题。为了应用所开发的框架，需要进行验证。

下面是本研究的方法流程图：

graph LR
    A[文献综述] --> B[提出研究假设]
    B --> C[开发框架]
    C --> D[比较案例研究]
    D --> E[验证解决方案]

综上所述，本研究通过引入新的方法和理念，旨在改进 4D BIM 过程的功能，实现建筑规划和调度的自动化和优化，为建筑行业的发展提供新的思路和方法。后续将通过具体的实验和案例研究来验证所提出的框架和方法的有效性。

自动化 4D BIM 模型开发与优化

五、框架设计

本研究提出的框架旨在实现 4D BIM 自动化与优化，主要包含以下几个关键部分：
1. 活动库的创建 ：在 4D/5D BIM Navisworks 平台中嵌入一个活动库，该库包含不同的建筑活动，且每个活动都加载了在不同情况下执行它的所有可能方法。通过从提议的浏览器中选择多标准，可实现施工进度的整体优化，整个过程将使用遗传算法优化方法自动执行。
2. 活动列表的生成 ：改变项目进度计划制定方式，通过在 Navisworks 中附加设计元素，并从插件库中分配所需活动来创建活动列表，避免传统手动输入活动列表的方式，建立 3D BIM 模型中活动持续时间估算与资源之间的联系。
3. ABC 方法的集成 ：将基于活动的成本核算（ABC）方法集成到 4D/5D BIM 中，创建补充进度计划，将项目资源消耗层次按核心团队组织内的活动级别进行分类，从核心团队级别到日常任务级别。同时，通过模型确定每个参与方或成员的贡献，以动画视频中其级别所选颜色出现的持续时间相对于总持续时间的比例来衡量。
4. 遗传算法的集成 ：提出一种使用 Navisworks 应用程序编程接口（API），用 C#.NET 编码，将遗传算法集成到 BIM 平台的方法，实现所有任务在 Navisworks 中完成，支持动态/单一数据源。

以下是框架主要步骤的表格展示：
|步骤|描述|
| ---- | ---- |
|创建活动库|在 Navisworks 平台嵌入包含多种建筑活动及执行方法的库|
|生成活动列表|通过附加设计元素和分配插件库活动创建列表|
|集成 ABC 方法|将 ABC 方法融入 4D/5D BIM 进行资源消耗分层|
|集成遗传算法|使用 Navisworks API 将遗传算法集成到平台|

六、案例研究验证

为了验证所开发框架的有效性和适用性，进行了一个案例研究。案例研究的主要过程和结果如下：
1. 数据收集与准备 ：收集项目的相关数据，包括设计信息、活动信息、资源信息和成本信息等，并将其整理和导入到 Navisworks 平台中。
2. 模型构建与优化 ：根据框架的设计，在 Navisworks 中构建 4D BIM 模型，利用活动库和遗传算法进行进度计划的制定和优化。
3. 结果分析 ：通过对优化前后的进度计划和成本进行比较分析，评估框架的效果。结果显示，由于提出的自动化多目标优化，实现了 22.86%的成本节约。同时，案例研究还表明了将 ABC 方法集成到 4D BIM 中，以 IPD 方法配置间接活动层次级别的重要性。在管理 IPD 项目中，贸易包级别贡献最大，达到 33.33%，项目级别贡献最小，约为 8.33%。

案例研究的流程可以用以下 mermaid 流程图表示：

graph LR
    A[数据收集与准备] --> B[模型构建与优化]
    B --> C[结果分析]
    C --> D[评估框架效果]

七、结论

本研究通过提出创新的方法和框架，在 4D BIM 自动化和优化方面取得了显著进展。具体成果和贡献如下：
1. 提出新的活动列表创建方法 ：改变了传统的活动列表创建方式，通过附加设计元素和分配插件库活动，提高了 4D BIM 模型中活动与资源的关联性。
2. 集成遗传算法到 BIM 平台 ：使用 Navisworks API 将遗传算法集成到 BIM 平台，实现了进度计划的自动化优化，减少了人工干预和错误。
3. 集成 ABC 方法到 4D BIM ：将 ABC 方法集成到 4D BIM 中，有助于更好地理解和管理项目的间接活动和成本，提高了项目成本控制的准确性。
4. 案例研究验证 ：通过案例研究验证了框架的有效性和适用性，实现了成本节约，证明了该框架在实际项目中的应用价值。

未来，可进一步拓展研究的范围和深度，例如在更多类型的项目中验证框架的有效性，探索与其他先进技术（如物联网、大数据等）的集成，以进一步提高建筑规划和调度的效率和质量。同时，可对遗传算法进行优化，提高其在复杂项目中的性能，为建筑行业的数字化转型提供更有力的支持。