馮 興,張 健,李汝寧
(1.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300300;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院,天津 300222)
近年來,隨著機(jī)場吞吐量的急劇上升,機(jī)場場道施工動態(tài)管理方法變得越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的機(jī)場場道施工進(jìn)度管理已無法適應(yīng)當(dāng)前機(jī)場運(yùn)營管理的要求,一些軟件和智能優(yōu)化算法被應(yīng)用到當(dāng)前機(jī)場場道施工管理中,例如建筑信息模型(BIM,building information modeling)技術(shù),能為現(xiàn)代機(jī)場場道施工的進(jìn)度計劃提供科學(xué)且方便的平臺。遺傳算法(GA,genetic algorithm)是人們通過長期的發(fā)現(xiàn)與總結(jié)生物進(jìn)化獲得最優(yōu)解集的方法之一,現(xiàn)已經(jīng)被應(yīng)用到建筑、組合優(yōu)化等領(lǐng)域中。
已有眾多學(xué)者進(jìn)行了建筑工程和水利工程等方面施工進(jìn)度的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1-2]提出了將BIM 應(yīng)用于工程安全和進(jìn)度管理中,從而有利于各個施工方的信息交流,使問題的解決更加方便快捷,進(jìn)而加快施工進(jìn)度。文獻(xiàn)[3]通過設(shè)計基于BIM 的資源受限優(yōu)化框架,對項目進(jìn)度進(jìn)行了動態(tài)優(yōu)化模擬。文獻(xiàn)[4-6]通過遺傳算法對建立的“工期—成本”和“工期固定—資源均衡”施工進(jìn)度兩階段多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行了求解,確定了各工序最優(yōu)持續(xù)時間和非關(guān)鍵工序最優(yōu)開始時間。文獻(xiàn)[7]通過粒子群優(yōu)化算法對“工期—成本”優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化,解決了大規(guī)模建設(shè)項目的進(jìn)度優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[8-9]在構(gòu)建“工期—費(fèi)用”和“工期—質(zhì)量”單目標(biāo)優(yōu)化模型基礎(chǔ)上,建立了“工期—費(fèi)用—質(zhì)量”多目標(biāo)進(jìn)度優(yōu)化模型,再依據(jù)改進(jìn)的遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化和求解,驗證了多目標(biāo)進(jìn)度優(yōu)化模型的可行性與優(yōu)越性。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法對項目進(jìn)度計劃中的重點和難點進(jìn)行了有效的優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用遺傳算法對項目調(diào)度和員工分配問題建立了“工期固定—資源均衡”優(yōu)化模型進(jìn)行求解,并驗證了“工期固定—資源均衡”模型的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[12-13]在工期、成本和質(zhì)量的基礎(chǔ)上將環(huán)境因素也加入其中,使得施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化更加趨于完善。
綜上所述,現(xiàn)有的項目工程施工進(jìn)度管理研究主要集中于:建筑工程和水利工程領(lǐng)域方面的施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化、BIM 技術(shù)應(yīng)用于安全和進(jìn)度管理等方面。在機(jī)場場道施工領(lǐng)域缺乏將工期、成本、質(zhì)量、環(huán)境4 個目標(biāo)結(jié)合BIM 技術(shù)和智能優(yōu)化算法對場道施工進(jìn)度管理進(jìn)行綜合優(yōu)化的研究。因此,本文以機(jī)場場道工程的施工進(jìn)度為研究對象,將BIM、GA 及多目標(biāo)優(yōu)化三者結(jié)合,考慮工期、成本、質(zhì)量、環(huán)境因素,構(gòu)建機(jī)場場道BIM 模型以及多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,再基于遺傳算法和開發(fā)的優(yōu)化軟件,對機(jī)場場道施工進(jìn)度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,為機(jī)場場道施工進(jìn)度計劃的制定提供支撐。主要研究內(nèi)容為:
(1)首先根據(jù)機(jī)場場道施工工序表和相關(guān)文件構(gòu)建機(jī)場場道施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化模型,其中包括工期、費(fèi)用、質(zhì)量和環(huán)境的目標(biāo)優(yōu)化模型;
(2)根據(jù)機(jī)場場道CAD 圖及相關(guān)場地信息,采用BIM 中的建模核心軟件Revit 構(gòu)建機(jī)場場道模型,再將此模型導(dǎo)入造價管理軟件廣聯(lián)達(dá)中,得到相應(yīng)材料的造價,最后再將核心建筑模型導(dǎo)入Navisworks 軟件中細(xì)化拆分,得到機(jī)場場道各個工序的邏輯關(guān)系,并利用Project 軟件及思維導(dǎo)圖軟件Visio 得到初始的施工進(jìn)度計劃;
(3)在構(gòu)建好的工期、費(fèi)用、質(zhì)量和環(huán)境的目標(biāo)優(yōu)化模型基礎(chǔ)上,采用遺傳算法和Matlab-GUI 語言程序,完成機(jī)場場道施工方案多目標(biāo)優(yōu)化軟件的開發(fā),并結(jié)合此軟件得到更新后的施工進(jìn)度計劃,從而實現(xiàn)科學(xué)和高效的施工進(jìn)度管理;
(4)最后,依據(jù)以上步驟對某機(jī)場場道施工案例進(jìn)行施工進(jìn)度的多目標(biāo)優(yōu)化,驗證該方法及軟件的有效性。
機(jī)場場道施工進(jìn)度計劃是對各工序中工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境等因素的精確反映。其中任意一個工序發(fā)生變化時,會導(dǎo)致對應(yīng)的人員、材料、施工設(shè)備及方法發(fā)生改變,所對應(yīng)的機(jī)場場道施工持續(xù)工期、成本、工程質(zhì)量也隨之變化。為此,本文構(gòu)建了工期、費(fèi)用、質(zhì)量和環(huán)境的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型,作為后續(xù)求解和優(yōu)化的基礎(chǔ)。機(jī)場場道施工工序如表1 所示。
表1 機(jī)場場道施工工序表Tab.1 Construction procedure table of airport runway
式中:T 為機(jī)場場道工程施工的總工期;ti為機(jī)場場道工程施工中第i 項工序的工期,i 為機(jī)場場道工程施工中的工序序號;ta和tb分別為機(jī)場場道工程施工中,各工序中的最短工期和最長工期;I1為場道施工中的施工準(zhǔn)備、清除腐殖土層以及工程收尾的工序序號;I2為土石方工程中的挖方、填方、平整表層和壓實的工序序號;I3為基層施工中的跑道和防吹坪基層施工、滑行道基層施工、圍場路基層施工和機(jī)坪基層施工的工序序號;I4為面層施工中的跑道和防吹坪面層施工、滑行道面層施工、圍場路面層施工和機(jī)坪面層施工的工序序號。
式中:C 為機(jī)場場道工程施工的總成本;Di為機(jī)場場道工程施工中的第i 項工序的直接成本;Si為機(jī)場場道工程施工中的第i 項工序的間接成本;Tp為工程計劃工期;Ts為工程實際工期;Cw為提前完成工期的獎勵金,取1 200 元;I=15,為機(jī)場場道工程施工總工序數(shù)。
工序質(zhì)量目標(biāo)的量化是用一種施工中常用的方法在每一道工序施工時設(shè)置質(zhì)量因子[14-15],根據(jù)施工時所使用的建筑材料和機(jī)械設(shè)備及其養(yǎng)護(hù)等,再依據(jù)專家打分法得到。在其他因素不變的情況下,將質(zhì)量與工期的邏輯關(guān)系近似看作正相關(guān)的關(guān)系,隨著工期的減少,施工質(zhì)量也下降;反之,施工質(zhì)量上升,其質(zhì)量優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型如下
式中:Q 為機(jī)場場道工程施工的總質(zhì)量評價得分;qi為機(jī)場場道工程施工中第i 項工序中不同因素的質(zhì)量得分,質(zhì)量指數(shù)用0~10 來表示,數(shù)值越靠近0 表明施工質(zhì)量越差,反之?dāng)?shù)值越靠近10 表明施工質(zhì)量越好;qi,n、qi,z分別表示第i 項工序的最小和最大質(zhì)量數(shù),ti,n、ti,z分別表示第i 項工序的最小和最大工期數(shù)。
噪聲標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《建筑施工場界噪聲限值》中的5類功能類別進(jìn)行劃分;廢氣標(biāo)準(zhǔn)參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和空氣質(zhì)量指數(shù);廢水標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中溶解氧來確定。再通過專家打分法來確定各個工序的噪聲與廢氣和廢水的環(huán)境數(shù)據(jù),在其他因素不變的情況下,環(huán)境與工期的邏輯關(guān)系也可以近似看作正相關(guān)的關(guān)系,隨著工期的減少,施工環(huán)境也變差;反之,施工環(huán)境變好,其環(huán)境優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型如下
式中:E 表示機(jī)場場道工程施工的總環(huán)境評價得分;wi為第i 項工序在整個工程中所占的環(huán)境評價權(quán)重為在機(jī)場場道工程施工的第i 項工序中表示噪聲污染的環(huán)境指數(shù)為機(jī)場場道工程施工中第i 項工序中表示廢氣、廢水污染的環(huán)境指數(shù),這兩個環(huán)境指數(shù)用0~10 來表示,數(shù)值越靠近0 表明施工造成環(huán)境越差,反之,數(shù)值越靠近10 表明施工造成環(huán)境越好。
在提高施工進(jìn)度管理效率方面,BIM 發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,其具有施工過程模型集成、關(guān)聯(lián)模型、信息管理和三維可視化等特點,使得施工過程能不斷地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。遺傳算法是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法[16]。由于施工進(jìn)度隨著場道工程的復(fù)雜而趨于復(fù)雜,雖然遺傳算法能進(jìn)行場道工程全局的智能優(yōu)化,但是其也需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐。因此,本文將BIM 和遺傳算法結(jié)合起來,解決因傳統(tǒng)施工進(jìn)度數(shù)據(jù)難獲取而無法模擬整個施工流程等難題。
機(jī)場場道施工進(jìn)度優(yōu)化流程如圖1 所示。在該流程中,首先根據(jù)機(jī)場場道CAD 圖及機(jī)場相關(guān)信息,運(yùn)用BIM 建模軟件Revit 進(jìn)行建模;再將此模型導(dǎo)入BIM 造價管理軟件廣聯(lián)達(dá)中,得到相應(yīng)材料的造價,并導(dǎo)入Navisworks 中細(xì)化拆分,得到機(jī)場場道各個工序的邏輯關(guān)系;再采用Project 軟件、思維導(dǎo)圖軟件Visio 以及依據(jù)工程工期定額得到的各個工序工期和初始的施工進(jìn)度計劃;然后采用搭建的軟件優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中各個工序的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境;最終得到優(yōu)化后的施工進(jìn)度計劃。
2.2.1 適應(yīng)度函數(shù)
在已構(gòu)建好的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境優(yōu)化函數(shù)模型的基礎(chǔ)上,建立各自目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù),再通過TOPSIS 法[17]計算出各個目標(biāo)的權(quán)重,進(jìn)而得到總的適應(yīng)度函數(shù)如下
式中:f(T,C,Q,E)表示多目標(biāo)進(jìn)度優(yōu)化問題的綜合適應(yīng)度函數(shù);f(T)、f(C)、f(Q)、f(E)分別為工期、成本、質(zhì)量、環(huán)境的適應(yīng)度函數(shù);m1、m2、m3、m4分別表示工期、成本、質(zhì)量、環(huán)境在多目標(biāo)進(jìn)度優(yōu)化問題中的權(quán)重,是將Xj=[x1jx2j… x15j]T代入式(6)、(8)、(9)求得,權(quán)重值分別為0.216、0.191、0.223、0.370,其中xij為第j 個目標(biāo)的第i 個決策目標(biāo)值表示工期與費(fèi)用的無量綱指數(shù)值表示環(huán)境與質(zhì)量的無量綱指數(shù)值,對越小越優(yōu)型指標(biāo),對越大越優(yōu)型指標(biāo)
2.2.2 遺傳算法流程
本文將遺傳算法結(jié)合施工進(jìn)度管理應(yīng)用到機(jī)場場道施工中,使得施工進(jìn)度更加科學(xué)和高效。在本文的機(jī)場場道施工中存在15 道施工工序,每個工序?qū)?yīng)著不同的工期、成本、質(zhì)量及環(huán)境,使得目標(biāo)優(yōu)化模型變得極為復(fù)雜且難以直接求解最優(yōu)值,所以將遺傳算法引入到機(jī)場場道施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化中來搜尋最優(yōu)解,遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化流程如圖2 所示。
圖2 遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化流程Fig.2 Multi-objective optimization process of genetic algorithm
從圖2 中可知在Matlab 中,通過不斷運(yùn)行源代碼確定了交叉概率、變異概率等相關(guān)決策變量參數(shù),并且采取實數(shù)編碼的方式對決策變量進(jìn)行編碼。再根據(jù)工期與成本、質(zhì)量和環(huán)境的關(guān)系得到相關(guān)函數(shù)關(guān)系,將4 個適應(yīng)度函數(shù)通過TOPSIS 法轉(zhuǎn)化為一個總的適應(yīng)度函數(shù),再將原始工期代入生成初始種群,然后在大循環(huán)中采用君主方案進(jìn)行選擇、交叉和變異操作,獲得新的種群并且合并初始種群,再進(jìn)行降序處理,最終取第一列的值為最優(yōu)的各工序工期值。
在圖2 流程的基礎(chǔ)上,本文采用Matlab-GUI 語言編寫了結(jié)合遺傳算法的機(jī)場場道施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化程序,使其能實現(xiàn)施工計劃中多目標(biāo)優(yōu)化與計算機(jī)軟件的緊密結(jié)合,并形成一個完整實用性框架。軟件詳細(xì)操作流程如圖3 所示。
圖3 軟件操作流程Fig.3 Software operation process
機(jī)場場道施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化軟件使用流程分為以下5 步。
(1)用戶在軟件界面選擇參數(shù)按鈕組并完成場道施工各工序的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境等參數(shù)的輸入;用戶也可以根據(jù)自身決策變量的需求,將寫好的代碼放到控制按鈕組中的計算按鈕的callback 程序下方,便可實現(xiàn)機(jī)場場道工程施工進(jìn)度計劃的多目標(biāo)優(yōu)化。
(2)通過提前對多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行遺傳算法的編寫,并將代碼放入計算按鈕下的代碼之下,用戶再點擊控制按鈕組中的計算按鈕,便可以計算出各個工序的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境等數(shù)據(jù)。
(3)在優(yōu)化工期等數(shù)據(jù)后,用戶點擊控制按鈕組中的繪圖按鈕,便可繪制最優(yōu)適應(yīng)度變化曲線和平均適應(yīng)度變化曲線,并可對數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行截圖保存。
(4)當(dāng)用戶想更改數(shù)據(jù)或者清除所有數(shù)據(jù)以及圖表時,使用控制按鈕組中的數(shù)據(jù)清除按鈕,可使所有數(shù)據(jù)均變?yōu)?,圖表均變?yōu)榭瞻醉摗?/p>
(5)當(dāng)用戶完成所有的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)繪制,可點擊控制按鈕組中的退出軟件按鈕關(guān)閉軟件。
在某平原要建一個機(jī)場,其中某公司承擔(dān)了機(jī)場場道的施工,計劃工期為320d,機(jī)場場道面積為1 360 000 m2,場道為3 層,其中包括上基層,下基層及面層。在本文中,由于機(jī)場場道施工有15 道施工工序,而不同的施工工期對應(yīng)不同的施工成本和質(zhì)量,因此,使用BIM 軟件中的建模軟件Revit 構(gòu)建機(jī)場場道工程BIM 三維模型,如圖4 所示。
圖4 BIM 機(jī)場場道工程三維模型Fig.4 BIM three-dimensional model of airport runway engineering
再將建好的機(jī)場場道Revit 模型導(dǎo)入造價管理軟件廣聯(lián)達(dá)民用機(jī)場工程計價軟件中,根據(jù)圖4 中的模型信息以及相應(yīng)的人工、機(jī)械等材料定額可以得到各工序的直接、間接成本,最終的直接成本及間接成本如表2 所示。
通過依次將不同的Revit 模型中的圖層單獨(dú)分離出來,再在Navisworks軟件中整合為一個整體,在Navisworks 軟件中先建立15 個工序,再將根據(jù)《建筑安裝工程工期定額》確定的各工序工期輸入軟件中,相應(yīng)地附著上導(dǎo)入的圖層可以對該工程的細(xì)化拆分,便得到機(jī)場場道的各個工序的邏輯關(guān)系,如圖5 所示,再利用Project 軟件以及思維導(dǎo)圖軟件Visio 得到初始的場道施工進(jìn)度計劃雙代號網(wǎng)絡(luò)如圖6 所示。
圖5 Navisworks 機(jī)場場道模型拆分分析Fig.5 Split analysis of Navisworks airport runway model
機(jī)場場道施工相應(yīng)材料的造價已由上文得出;各個工序的質(zhì)量值在建筑材料、機(jī)械設(shè)備情況以及設(shè)置的質(zhì)量因子等基礎(chǔ)上,最終依據(jù)專家打分法得到;噪聲、廢氣標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)國家出臺的相應(yīng)文件得到。最終所有的工程施工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2 所示。
本文采用第3 節(jié)開發(fā)設(shè)計的軟件對機(jī)場場道工程進(jìn)行優(yōu)化并對模型進(jìn)行求解,根據(jù)上文施工的函數(shù)模型、工程清單以及15 個施工工序等數(shù)據(jù),經(jīng)過不斷地調(diào)整和在Matlab 中運(yùn)行確定遺傳算法相關(guān)數(shù)據(jù),如表3 所示。
表3 遺傳算法相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.3 Related data of genetic algorithm
依據(jù)表3 中的參數(shù)設(shè)置,在開發(fā)的軟件中運(yùn)行得到機(jī)場場道施工的各工序最優(yōu)工期、成本、質(zhì)量和質(zhì)量的數(shù)據(jù),如表4 所示,以及適應(yīng)度進(jìn)化曲線如圖7所示。
圖7 適應(yīng)度進(jìn)化曲線圖Fig.7 Fitness evolution curve
表4 優(yōu)化后各施工工序相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.4 Relevant data of each construction process after optimization
根據(jù)表4 的數(shù)據(jù),本文得到優(yōu)化后的關(guān)鍵工序施工工期為303 d,較正常施工工期縮短了17 d;優(yōu)化后的施工成本為2 475 112.20 元,較沒有優(yōu)化施工成本節(jié)約了11 660.02 元;優(yōu)化后的平均施工質(zhì)量為9.52,較沒有優(yōu)化平均施工質(zhì)量提高了1.52;優(yōu)化后的平均施工環(huán)境為17.06,較沒有優(yōu)化平均施工環(huán)境提高了2.19。通過優(yōu)化前和優(yōu)化后數(shù)據(jù)的比較,可以發(fā)現(xiàn)基于BIM 與GA 的機(jī)場場道工程施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化,使得機(jī)場場道工程的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境都得到了優(yōu)化。這可以為實際機(jī)場場道施工提供科學(xué)有效的指導(dǎo)依據(jù)。
從圖7 可以清晰地看出歷代的最優(yōu)適應(yīng)度值和歷代的平均適應(yīng)度值在9.8 到9.9 之間逐漸相交在一條線上,證明求解的15 個工序的工期為最優(yōu)值,從而證實此方法和所開發(fā)軟件的有效性和實用性。
(1)本文構(gòu)建了工期、質(zhì)量、成本和環(huán)境的機(jī)場場道工程施工優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)模型,其可以合理反映機(jī)場場道工程施工的工期、成本、質(zhì)量和環(huán)境之間的關(guān)系。
(2)應(yīng)用BIM 中建模軟件Revit 建造了機(jī)場場道的三維模型,再將此模型導(dǎo)入BIM 工程造價軟件廣聯(lián)達(dá)中得到工程量和成本;并應(yīng)用BIM 進(jìn)度計劃軟件Navisworks 和Project 得到初始的施工計劃,可見應(yīng)用BIM 軟件可以很方便地建立機(jī)場場道的實體模型,獲取定量數(shù)據(jù)并得到施工進(jìn)度計劃;然后,采用遺傳算法和Matlab-GUI 語言,完成了機(jī)場場道施工進(jìn)度多目標(biāo)優(yōu)化軟件的開發(fā)設(shè)計,并用實例驗證了此軟件具有便捷、速度快和精確度高等特點,可以有效地應(yīng)用到實際工程中。
(3)經(jīng)過實例驗證,優(yōu)化后的施工進(jìn)度計劃較優(yōu)化前施工工期縮短了17 d,施工成本節(jié)約了11 660.02元,平均施工質(zhì)量提高了1.52,平均施工環(huán)境提高了2.19??梢缘贸龌贐IM 與GA 對機(jī)場場道施工進(jìn)度進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化使得機(jī)場場道施工工期縮短、成本降低、質(zhì)量提高、環(huán)境得到改善,為機(jī)場場道施工進(jìn)度計劃的制定提供依據(jù)。