基于BIM与精益建造的工程进度管理研究*

2016-06-05黄恒振

项目管理技术 2016年7期

关键词：计划编制工程进度精益

黄恒振

(1.西南交通大学经济管理学院，四川成都 610031；2.四川建筑职业技术学院工程管理系，四川德阳 61800)

基于BIM与精益建造的工程进度管理研究*

黄恒振1，2

(1.西南交通大学经济管理学院，四川成都 610031；2.四川建筑职业技术学院工程管理系，四川德阳 61800)

难以编制高质量的进度计划、无法保证稳定的工程进度流程以及难以实现进度与质量及成本的综合平衡是当前进度管理中存在的主要问题。BIM和精益建造的集成应用有助于改善工程进度管理存在的问题，提升工程进度管理的绩效。在分析BIM和精益建造应用于进度管理的优势与不足的基础上，提出二者集成的具体路径，并构建基于BIM和精益建造的工程进度管理模型。

BIM；精益建造；进度管理；集成

0 引言

传统工程进度管理在制订切实可行的进度计划、确保稳定的施工流程等方面存在不足，从而导致进度延误等问题层出不穷。为实现高质量的进度管理，有学者尝试将BIM技术应用于工程进度管理，如何清华等构建了基于BIM的可视化、多目标协同的进度管理系统，并分析了不同层面进度计划的管理流程[1]；朱佳佳等将BIM应用到进度计划管理系统，提出利用BIM团队协同管理实现进度目标的思路[2]；纪凡荣等从可视化的角度，探讨基于BIM的进度计划编制原则、管理组织和相关数据收集技术[3]；赵斌等论证了基于BIM和4D技术的工程进度管理的优越性和可行性[4]；王雪青等建立了基于BIM的实时施工模型，将4D模拟拓展到施工阶段，实现对工程管理的动态跟踪[5]。还有学者应用精益建造的理论、方法和工具来提升工程进度管理的质量和效率，如邓斌等将精益建造的重要工具——精益生产系统(LPS)应用于项目计划管理和控制[6]；韩雷杰等从精益建造的角度出发，探讨建造工作流的构成形式及影响工作流稳定性的因素，从而为确保工程进度稳定性提供了实证证据[7]。

作为解决工程进度管理问题的新技术，BIM和精益建造各有其独特的优势，然而同时也存在不足。那么能否充分发挥BIM和精益建造的优势，规避其不足，从集成的视角加以应用，是一个值得探讨的问题。

1 当前工程进度管理存在的问题

工程进度管理主要包括进度计划的编制和进度计划的实施控制等工作，其主要目标在于确保进度计划切实可行、按计划实现工程进度目标以及确保进度与质量及成本的协同。当前工程进度管理主要存在以下问题：

(1)难以编制出高质量的工程进度计划。编制工程进度计划的传统做法是首先根据图样计算各分部分项工程的工程量；其次，根据定额计算所需工日、机械台班等基础数据；再次，依据拟采取的施工方案和资源情况确定各分部分项工程所需时间；最后，综合考虑工期要求和施工组织形式等因素确定工程进度计划。在工程进度管理中，科学合理的进度计划是做好进度管理的前提，而工程进度计划编制的任何环节出现问题，都可能使得最终的计划脱离实际。从工程实践的角度看，工程进度计划缺乏可操作性的原因在于：

1)按图计算工程量可能存在计算错误，特别是不同专业图样相互冲突或图样存在错误时，容易导致计算工程量出现误差，并给后续环节带来不利影响。

2)资源需求和供应的估算多基于经验的估计而非精确的计算，使得对分部分项工程所需时间的估计不准确。

3)进度计划编制者较少考虑实施者的意见，同时也缺乏与业主、设计单位等相关方的沟通，影响进度计划的可实施性。

4)缺乏对进度计划可能存在缺陷的合理调整，主要是采取事后补救的方式，而一旦出现超出预期估计的情形，将使得进度计划变得不可行。

(2)无法保证稳定的工程进度流程。按照正常流程，进度计划编制完成后，施工单位按照计划要求施工。然而大部分情况下工程实际进度往往滞后于工程计划进度，其原因在于：

1)在编制进度计划时只考虑能否满足业主或合同的工期要求，未能充分考虑进度计划的编制与进度计划实施之间的衔接问题。

2)进度计划编制不科学，或编制的进度计划存在错误，使得无法按计划实施。

3)进度计划实施过程中，资源调配、人员组织等方面存在不足，影响工程进度。

4)施工过程中受到环境或相关单位的干扰，无法按照进度计划施工。

5)实施过程中碰到不可预见的技术问题，需要制订解决方案，消耗了正常施工时间。

(3)难以实现工程进度与质量及成本的综合平衡。在工程建设过程中，进度并非是唯一的目标，普遍认为应该在诸多目标中进行权衡，从而实现整体最优。然而，在工程实践中，施工单位往往过度关注工程进度目标能否实现，而忽略了工程质量或成本问题，例如为满足施工所需，资源库存过多而导致成本增加，或者因追求较快的施工进度而影响工程质量等。

2 BIM与精益建造的应用分析和集成的具体途径

工程进度管理中存在诸多问题，归根结底是技术问题与组织问题，而通过BIM技术与精益建造的集成，有可能在某种程度上可以消除这些问题，提升工程进度管理的绩效。

2.1 BIM与精益建造在工程进度管理中的应用：优势与不足

(1)BIM应用于工程进度管理的优势在于：

1)BIM使得扁平化的组织结构成为可能，从而为进度计划编制和实施过程中的各参与单位的组织协同提供了基础。

2)基于BIM平台构建的各类模型，可以为进度计划的编制和实施准备良好条件。借助BIM的数据模型，有助于整合专业图样，确保图样冲突不出现，结合算量软件，能够精确计算工程量；基于BIM建立的资源模型，有助于实现资源需求的精确估计，确保资源需求与进度计划之间的匹配；利用BIM建立的4D虚拟施工模型，不仅可以提前发现技术图样和进度计划中可能存在的问题，而且通过调整模型，可以降低存在技术问题的可能性，同时还可以实现工程进度的动态跟踪。

(2)BIM存在的不足之处：

1)工程实际进度除了与计划有关之外，还受到环境和资源供应等的约束，BIM无法为进度计划的实施提供一个良好的施工环境及满足进度需求的资源管理。

2)BIM的4D虚拟施工和实时施工模拟主要侧重于进度计划的技术层面，即提前发现可能存在的问题并通过技术方案加以解决。然而，进度计划的实施还涉及更为复杂和更为微观的组织管理问题，BIM的组织协同无法将计划实施者纳入其中。此外BIM技术尽管能够动态跟踪进度，却无法灵活处理进度计划实施过程中的突发事项。

精益建造应用于工程进度管理的优势在于拥有诸多能够加强工程进度控制的管理工具，例如LPS有助于自下而上建立涵盖从主计划、前瞻计划到周计划的多级进度计划系统，使得工程进度计划既具有指导性，同时又兼具实施性；又如准时制在较大程度上能够保证进度计划实施过程中的资源供应，保障进度流程的稳定性，为实际进度与计划进度的一致提供条件。然而，精益建造本身却无法预判技术文件和进度计划中本身可能存在的问题，而只能通过精益管理尽量减少工作流程的干扰，从而避免陷入频繁纠偏的困扰之中。

综合来看，BIM和精益建造在工程进度管理中的角色并非是相互排斥，而是相互补充的：BIM长于工程进度管理的技术方面，而精益建造长于工程进度管理的组织方面，通过技术与组织的结合，能够为工程进度管理目标的实现提供有力保障。

2.2 BIM与精益建造集成的具体路径

BIM主要技术功能与精益建造基本原则之间的交互分析表明，二者存在集成的可能性[8]，且能够带来项目层面和行业层面的优势[9]。BIM与精益建造集成的技术路线主要包括以下几种：第一种技术路线是将BIM和精益建造共同纳入一个更广泛的分析框架之中，二者作为统一模式下的独立又关联的两个部分协同发挥作用，例如徐升奇等以集成交付模式作为载体，探讨精益建造与BIM的集成问题[10]；第二种技术路线是以精益建造作为载体，将BIM技术整合其中，例如包剑剑等从精益设计、精益采购和施工建造等方面分析了基于BIM的精益建造实施模式[11]；第三种技术路线是以BIM为载体吸收精益建造的原理和工具；第四种技术路线是将BIM与精益建造置于同等地位，考察二者的集成问题，如包剑剑等从设计与施工的整合、材料设备的采购与供应集成，以及工程交付与运营方面探讨二者的协同应用机制[12]。

以上四种集成技术路线均有各自的适用范围。对于工程进度管理而言，考虑到当前存在的问题、工程进度管理的阶段性以及BIM与精益建造的优势不足，本文认为从总体上说宜采用第四种技术路线，即将二者看作平等的问题解决工具，但同时注意区分不同阶段二者所扮演的角色和发挥的作用：

(1)从角色角度看，BIM主要提供技术基础，精益建造则提供组织化的手段和工具，二者是一种相互配合的关系。

(2)从工程进度管理的阶段性角度看，编制进度计划阶段，BIM通过可视化、数据模型和模拟，确保制订计划基础数据的科学性，精益建造则通过LPS等工具确保进度计划的可操作性，此阶段以BIM技术为主。而在进度计划实施阶段，BIM重在虚拟施工和实时监控，而精益建造则通过精益采购、准时制等工具确保工程按进度计划进行，此阶段以精益建造为主。

3 基于BIM和精益建造的工程进度管理模型

基于上述分析，本文构建了基于BIM和精益建造的工程进度管理模型，见图1。本模型以BIM和精益建造为基础，其中BIM主要提供技术支持，利用BIM平台提供的模型和工具，从技术层面将计划编制与计划实施整合起来，突出模拟二者之间的沟通者角色；精益建造则提供组织保障，借助LPS、准时制等工具，从组织和实践层面将进度计划和进度控制整合，强调同步反馈在确保进度目标中的关键作用。

图1 基于BIM和精益建造的工程进度管理模型

与传统模型不同，本模型将进度管理划分为计划编制、模拟和计划实施三个有机联系的环节，其核心是技术与组织下的计划编制与模拟、模拟与计划实施构成的两个闭环回路，此闭环回路反映的是进度管理过程中的虚拟与现实之间的不断反馈迭代的过程。第一个闭环回路由计划编制与模拟构成，借助于BIM平台编制出进度计划后，利用BIM技术的可视化虚拟施工对其科学性和操作性进行评估，然后根据评估结果对计划进行优化。由于进度计划具有层次性，因此该闭环回路是由若干层面的更微观的反馈过程构成的。第二个闭环回路由模拟与计划实施构成，进度计划在实施前，还需要根据施工环境、资源条件等要素进行施工模拟，以指导计划的实施；计划的实施情况反馈至BIM平台，以便后续计划的顺利实施。

具体到操作层面，本模型则由多方参与分层优化的进度计划编制模型、实时模拟与动态反馈的进度控制模型两个子模型构成。

3.1 多方参与分层优化的进度计划编制模型

进度计划的编制需要有力的组织保障。基于BIM构建施工方与工程各参与方的组织协同平台，确保进度管理中相关问题的充分高效沟通和解决，并在进度计划编制过程中起统筹指导作用，同时在精益建造方式生产理念指导下，施工方内部成立由计划编制人员和工程实施人员组成的编制团队，以确保指定的进度计划充分考虑设计和施工环境中的各种影响因素。在多组织协同平台和多元编制团队背景下，进度计划的编制过程见图2。

图2 多方参与分层优化进度计划编制模型

首先，以设计图为主要依据，利用BIM平台提取各类数据模型。其次，对模型进行冲突分析，若模型间存在冲突，则通过BIM平台与业主及设计方沟通，施工方提出冲突解决建议供参考，或是业主及设计方提供解决方案，并征求施工方意见，以消解设计图中存在的冲突。若是模型间没有冲突，或是冲突业已解决，则可应用BIM进行三维算量，计算工程各分部分项工程的工程量。再次，结合业主要求和合同约定，设计并论证施工方案，并多方案比选。最后，在此基础上确定主进度计划。

根据精益建造中的LPS原理，结合工程特征及施工规律，将主进度计划分解细化为阶段计划(里程碑计划)、前瞻计划和周计划，按照逆向顺序进行进度计划的模拟优化。首先，对周计划进行模拟，根据模拟结果进行评估，在征求施工人员意见、判断资源现状和未来供应情况等基础上，对周计划进行优化。其次，考虑工程实施的复杂性，可能存在多轮计划与模拟之间的评估优化过程。前瞻计划和阶段计划的评估优化过程则与周计划类似，但由于涉及面更广，其优化难度更为复杂。最后，基于阶段计划模拟优化的结果，从宏观层面对总进度计划进行优化。

3.2 实时模拟与动态反馈的进度控制模型

图3 实时模拟与动态反馈的工作流程控制模型

进度计划的实施过程受到诸多复杂因素的影响，确保稳定的工作进度流程的关键，一是能够提前发现问题；二是及时应对突发情况。基于此构建实时模拟与动态反馈的进度控制模型，见图3。本模型以周计划为基本实施单元，由虚拟施工和现实施工两条主线构成：其一是结合上期进度实施情况(若是第一周，则根据工作准备情况)，应用BIM进行持续的4D施工模拟，以此指导计划的实施过程；其二是从计划到精益采购与供应、精益施工到输出进度绩效。考虑工程建设的特征，精益采购与供应遵循有条件的准时制和低库存原则，设定在复杂随机环境下材料供应的时间延迟范围，以满足施工所需的低库存，确保施工成本；精益施工则主要依据Koskela提出的精益建造三原则展开，即分别从转化角度、流的角度和价值生成的角度来控制有增值的活动和过程，减少无增值的活动和过程[13]。精益采购和供应以及精益施工的应用，既有助于保证工程质量，同时也有助于节约成本，实现进度与质量及成本的最优化。

针对进度实施的核心环节，本模型设置两条虚拟与现实的反馈路径。一是针对精益采购与供应，应用虚拟施工结果指导精益采购和供应，并通过BIM对采购与供应情况进行实时监控，随时将结果动态反馈到BIM的组织协同平台中，根据实施情况选择跨组织沟通或施工方内部协调方式，进而更新进度计划，并对更新计划进行虚拟施工。二是针对精益施工的反馈路径，其具体过程与第一条反馈路径类似。

4 结语

本文提出集成BIM与精益建造以解决工程进度管理中存在的问题、改善进度管理绩效。与以往的工程进度管理模型不同，本文首先强调应用BIM技术从源头上确保进度计划的科学性，并充分沟通工程各参与方以及工程实施人员，确保进度计划的操作性；其次，在计划实施过程中强调虚拟施工与现实施工的动态反馈，对进度实施偏差及各类情况采取敏捷应对，同时通过精益建造原理和工具的应用，减少浪费，保障工程质量，实现工程进度目标的综合平衡。当然本模型的实现还需要施工企业从组织和管理上做出变革，比如先期投入成本，加强企业信息化，搭建BIM技术平台，使得本模型的应用在技术上成为可能，从企业层面积极推广和应用精益建造的理论和工具，提升企业的组织能力。

[1]何清华，韩翔宇.基于BIM的进度管理系统框架构建和流程设计[J].项目管理技术，2011,9(9)：96-99.

[2]朱佳佳，谈飞.BIM技术在项目进度管理系统中的应用[J].项目管理技术，2014,12(5)：38-42.

[3]纪凡荣，曲娣，尚方剑.BIM情景下的可视化工程进度管理研究[J].建筑经济，2014,35(10)：40-43.

[4]赵彬，王友群，牛博生.基于BIM的4D虚拟建造技术在工程项目进度管理中的应用[J].建筑经济，2011,32(9)：93-95.

[5]王雪青，张康照，谢银.基于BIM实时施工模型的4D模拟[J].广西大学学报：自然科学版，2012,37(4)：814-819.

[6]邓斌，叶青.基于LPS的精益建造项目计划管理和控制[J].施工技术，2014,43(15)：90-93.

[7]韩雷杰，韩美贵，仝泽强.精益建造工作流稳定性影响因素实证分析[J].工程管理学报，2014,28(2)：97-101.

[8]赵斌，牛博生，王友群.建筑业中精益建造与BIM技术的交互应用研究[J].工程管理学报，2011,25(5)：482-486.

[9]徐奇升，苏振民，王先华.基于BIM的精益建造关键技术集成实现与优势分析[J].科技管理研究，2012,32(7)：104-108.

[10]徐奇升，苏振民，金少军.IPD模式下精益建造关键技术与BIM的集成应用[J].建筑经济，2012(5)：90-93.

[11]包剑剑，苏振民，王先华.IPD模式下基于BIM的精益建造实施研究[J].科技管理研究，2013,33(3)：219-223.

[12]包剑剑，苏振民，佘小颉.精益建造体系下BIM协同应用的机制及价值流[J].建筑经济，2013(6)：94-97.