面向对象的施工企业工法库设计与建设研究

杨铭，何兰生，赵邦国

（中铁四局集团管理研究院，安徽 合肥230000）

1 概述

1.1 工法的概念

工法[1]是指以工程为对象，工艺为核心，运用系统工程的原理，把先进的技术和科学管理结合起来，经过工程实践形成的综合配套的施工方法。它必须具有先进、适用和保证工程质量与安全、环保、提高施工效率、降低工程成本等特点。工法是企业标准[2]的重要组成部分，是企业开发应用新技术工作的一项重要内容，是企业技术水平和施工能力的重要标志。

1.2 工法在施工生产管理中的作用

①加强企业生产过程中技术的积累和提炼。固化了成套的施工作业流程，形成可以传递和交流的技术文件；

②提升项目生产管理的效率，创造效益。先进的工法采用先进的技术和工装，机械化程度的提升，先进材料的应用，优化了施工工序，节约了工序时长，既提高了生产效率，也节约了生产成本。

③提升质量管理水平和企业技术进步的能力。先进工法可以更好的保证生产质量，提高管理水平。在保障施工技术的应用和施工质量的基础上，加强企业对施工技术的管理，促进企业标准化建设。随着现代科学技术的不断发展，开发多样化的新颖施工技术，增强施工企业技术创新能力，提升企业的综合实力。

1.3 对象的分类与其工法中相关参数的赋值

将建筑工程视作多个不同对象的组合件。同一类构件理解为相同生产要素的共同作用体。对一个单体建筑来说，无论体量多大，对象的类型是有限的，无非是数量不同而已。

对象的分类宜遵循以下原则：

①对象的分类[3]仅依托对象本身的功能、几何特性、生产要素、工法等，与对象的领域、时间和环境没有关系。如对于一根钻孔桩基而言，无论是建筑领域、还是铁路领域，其施工工艺、资源配置等都是一样的；

②对象的分类尚应考虑成本管理的需要。尽管对象生产完成后其特性和功能是完全相同，但为了成本管理的需要，应按施工工法的不同将对象细化分类。如对一根钻孔桩来说，虽然无论采用冲击成孔，亦或采用旋挖成孔，其成形后的几何特征和功能是完全相同的，但其生产成本不同，因此应分为不同类的对象；

③虽然组成对象的材料、体量不同，但其生产工法完全相同，可将此类对象归为一类。如钻孔桩的混凝土强度不同，但确定了施工工法后，其生产过程和工序管理是完全相同的，因此可以不考虑其强度等级而将其归为同类；

④对象分类应以遵从国家及行业已颁布的分类与编码标准，除非这些标准中未作规定，企业可根据自身需要补充定义分类标准，否则不得擅自修改标准。

同类对象的施工工法，其施工工序已然确定，但受边界条件（如施工环境、气候特征、资源配置等）约束，工序时长不同，对其赋值时一般是依据企业的经验积累而获得的。虽然多数企业在生产过程中不大注重这些经验数据的积累，但认识到这些数据的重要性后，其信息积累的速度也将会很快。依托企业的信息化管理平台[4]，对生产过程中的信息按工法库的设计思路分类存储，积累到足够数量时，设计算法进行分析，得到更为实用的特征值，以代替个人经验。

2 工法库的设计

2.1 边界条件的定义

工法的边界条件[5]主要有生产环境、气候条件、地质条件、降雨量、气温等，凡是影响工法相关特征值的因素都应作为工法的边界条件。部分边界条件的特征值可以利用信息化手段自动获取，如对象所处的区域、施工期的气温、降雨情况等，部分边界条件特征值需要根据施工经验定义。

2.2 工法库的架构

下图是企业级工法库架构的框架简图。

图1 工法库架构简图

该图定义了对象（构件）的边界条件和生产工序，边界条件中定义了对象所处的区域（一般要求精度能达到县级）、统计时段（按春夏秋冬或月份统计）、生产阶段的降雨情况和平均气温情况。另外将对象的关系特征值、以往生产中工序时长经验指标及关键工序经验指标也进行了定义。

对生产工序的定义主要是与资源配置[6]的需要，资源配置应将每道工序中可能用到的机具设备及材料消耗都定义进去，不同工序使用的资源也不相同，在参照企业定额的同时，须结合生产实际调整资源的实际配置。各道工序时长可通过现场采集而来，由于生产中可能因为经验不足，安排不合理，或是资源短缺，或是外界干扰，导致工序时长延误，这些因素在统计工序时长时应加以描述。

2.3 工法库与企业预算定额的关联关系

企业预算定额采用平均值法定义了对象生产的费用指标，并对每道工序可能产生的费用都作了定量分析。工法库中每道工序对应企业定额中的一个或多个费用清单，是一对多的关系。赋予对象一个或少数几个主数据（如桩的桩长与桩径可以理解为桩这类对象的主数据，承台的混凝土体积可以视作承台这类对象的主数据），费用清单与主数据建立数学关系，这样，当具体到工程项目时，可以实现自动算量和自动套价。图2是工法库与企业定额库[7]的关系拓扑图。

虽然工法库与企业预算定额建立逻辑关系是一项繁琐、工作量大的工作，但对于提升项目现场管理水平大有裨益，且使基于BIM的自动算量、自动套价、实时反馈生产成本变为现实。

3 工法库的应用

3.1 对象工序时长的确定

图2 工法库与企业定额库关系拓扑图

对象的生产是时间积累的过程，生产对象的每一道工序时长影响对象的施工组织和成本管理水平。由于不同的项目有不同的边界条件，即使同一项目的同类对象，区域位置不同、生产季节不同等因素都导致其生产工序时长不同，为了定量描述对象生产的时间要素，针对具体项目，施工组织管理者都会依据自身经验提前定一个指标，再根据这个指标来配置施工资源。个人经验是否丰富决定了施工前期资源配置是否合理。我们常碰到一些项目在施工过程中不停地补充资源，或者出现大量的过剩资源，尤其是劳力和机械设备，其实就是施工组织管理者对项目施工中的各种边界条件估计不足，亦或是确定经验指标过于保守。解决个人经验、主观臆断问题需要大数据的支持，但迫于建筑行业大数据积累重视不足，在很长一段时间不得不依赖个人经验来确定对象生产的工序时长。在这里，暂时将工序时长的确定依托项目生产组织管理者的个人经验，当然，正如前所述，企业管理者重视对象生产过程中大数据积累的重要性时，依托个人经验转变为以分析大数据为准的工序时长。

3.2 工法库在施工组织管理中的应用

笔者此前曾发表过一篇基于对象的线性工程项目施工组织设计编制方法研究，阐述了面向对象的项目施工组织管理新思路。这种施工组织管理模式更加精细，对企业大数据更加依赖，而工法库是企业生产组织过程中工序时长和资源配置的大数据累积仓库[8]，为项目组织管理者提供更加科学的生产指标，为生产决策提供数据支撑，成为企业后台生产管理的智库。

3.3 大数据时代工法库的动态调整

工法库是企业生产过程中大数据不断累积而逐步完善起来的，企业承接的生产任务越多，其积累的信息量就会越大，适时的动态调整和更新，才能为企业提供可靠、科学、实时准确的数据。动态调整工法库是对大数据的再整理、再分析和完善算法的过程，是提高算法精准度的过程。企业库的动态调整及更新宜与企业预算定额同步进行。企业应建立企业工法库、定额库的动态管理机制，配置数据管理和维护专职人员，定期由软件开发人员调整数据分析算法。

4 企业工法数据库的建设

图3 企业工法库组件与服务框图

企业工法库的建设主要围绕数据采集、数据存储、数据库转换之开发框架，即面向对象方法的数据服务。源数据入口点可以采集三种方式，从形式上说三种方式必须采用统一元数据标准、完善数据质量、制定安全流程和强化治理组织。数据存储在数据质量上要进行规范性约束并提供系统间数据流、数据统一视图、统一数据实体、统一数据字典。OOS采用面向对象思想设计的结构，可读性高，由于继承的存在，即使改变需求，维护也只是在局部模块，所以维护起来是非常方便和较低成本的，在以前的项目领域中已被测试过的系统满足业务需求并具有较高的质量，由于OOS拥有继承、封装、多态的特性，自然设计出高内聚、低耦合的系统结构，使得系统更灵活、更容易扩展，而且成本较低。

4.1 数据库建设原则

面向对象的企业工艺工法数据库建设遵循两个原则[9]，首先它是一个基于DBMS的数据库系统，其次它是面向工艺工法特定对象系统。第一个原则即作为通用的DBMS数据库系统本身应具备的能力如安全性、持久性、完整性以及事务管理、事务处理、并发控制、恢复等。第二个原则就是要求面向工艺工法对象数据库充分支持完整的面向对象概念和控制机制。综上所述，我们将面向对象的企业工艺工法数据库概括为面向对象工艺工法数据库=数据库能力+面向工艺工法对象系统。

把数据库技术和基于面向工艺工法对象的方法结合起来可以使数据库系统在分析、设计、应用上最大程度地与人们对客观世界的认知相一致。同时对于应用者来说由于数据结构的变化导致程序的修改加重了工作强度。

4.1.1 数据库模型转换

在异构数据库系统[10]中各数据库的模式和操作之间的转换是一个关键研究和突破课题。由于关系数据库目前在各领域广泛应用，面向对象数据库则能满足更高一级数据库要求，所以有必要在设计和实现过程中为这两种数据库模型建立一种映射或对应关系，实现数据模式和操作之间相互转换[11]。

转换一般有两种途径[12]从从面向对象DB到关系DB(OODB to RDB)和关系DB到面向对象DB(RDB to OODB)。OODB to RDB转换技术在转换时要保证一致性（即对象语义和动作信息在转换过程中不丢失）。转换包括数据模式和数据操作转换。

关系数据库模型和对象数据库模型的关系

4.1.2 数据模式转换

对象目标标识符是对象存在的唯一标志也就是关系数据库的唯一关键字（PK），在实体数据库中，如果两个对象相同即等价于其目标标识符相同。与关系模式不同的是面向对象中类属性分为三个，原子属性、组合属性和集合属性，如工艺工法对象中的几何特性、生产要素、施工工艺、施工工法以及资源配置等分解为原子属性。

把父类属性（如桩基的施工工艺、施工资源配置）扩展到所有子类（钻孔桩基、旋挖桩基、CFG桩基、管桩基、沉入桩基……）中，每个类映射为一个关系;类的每个属性映射为它对应的关系属性。默认对象目标标识符属性映射为RDB关键字（PK）属性，原子属性映射为固定属性,其中的方法转换是数据模式转换的重要转换，方法有定义和调用。数据模式转换过程中支持以下两种功能：

①创建用户自定义函数，并从表达式中调用此函数；

②创建用户自定义过程，并通过一个新的SQL语句调用这些过程，如通过CALL方法调用等。

4.1.3 OODBMS继承和转换

其核心是把分层结构中每个类、引用继承的类等并为每个类转换为一张关系表，在实现过程中采用适配器方式来实现，这样处理可以提高类的稳定性，增强其复用性，在不改变现有类的前提下拓展类的功能，且能解耦目标类和适配器类，符合开闭原则。

图4 类适配器的类图

4.1.4 数据操作转换

数据模式转换是指从OODB到RDB数据操纵语言(DCL)的转换。数据库常用操作有数据查询、插入、删除和修改，它们都离不开限制条件，所以先讲述限制条件转换[12]。

如，数据库里有一个表"钻孔桩基表"，它只有pID、object_name和p_code等10个字段，我们把它作为一个实体对象pile，假设我们要完成从数据库查询、修改、插入，使用它的代码片段如下：

4.2 工艺工法数据源

首先规划工艺工法数据资源，优先满足应用透明方面的要求，逐步形成专业的应用，为施工实际应用系统提供唯一的数据源，为今后系统的集中、统一和企业标准打好基础，其次通过搭建全业务服务接口架构，建设三级互动的一体化应用服务和消费机制，形成全业务、全行业、全生命周期的应用能力，形成一体化产品的发布和动态管理能力，形成统一集中的业务资源管理及动态调配能力。

图5 工艺工法数据源服务图

4.3 数据模型和编码

工艺工法基于《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T 51269-2017）统一的数据模型和编码标准，将功能、形态、空间、元素、成果、阶段、行为、专业、产品、组织角色、工具、信息、材料、属性、材质等多维度数据实时地同步、转换/映射、整合工艺工法集中数据库，形成全行业核心业务数据的统一数据中心，提供定额清单库、企业定额库、工艺工法库的引用，最终形成工程量清单，并提供统一整合的数据视图，实现全网数据计算、分析与稽核。

图6 数据模型和编码图

4.4 集中数据规划

集中数据规划分为ODS（Operational Data Store）数据仓库存储、历史数据库和OLAP（Online AnalyticalProcessing）联机分析处理共享库、私有数据库等。

ODS库是基于准实时数据同步机制的全行业、全业务、全渠道的操作数据存储，针对多应用的数据分布环境，提供统一整合的数据视图，并可有效分担生产系统负荷。历史数据库存放各类历史数据，包括账单、详单、客户接触历史及历史日志。

OLTP共享库分为基础库和业务库。基础库存放功能、形态、空间、元素、成果、阶段、行为、专业、产品、组织角色、工具、信息、材料、属性、材质等多维度数据等各系统所使用的共有数据。业务库存放定额清单库、企业定额库、工艺工法库等企业业务数据。

私有数据库存放企业各项目工程量清单数据等非共享或保密数据。

历史数据库存放私有已完成经营指标等数据，供企业后期评估和追溯。

4.5 业务能力提升

集中数据库通过数据集中共享，提供统一、标准的数据服务，并带来对外、对内两方面的业务能力提升。基于业务的全景视图，实现全网快速支撑应用定额清单项目数量、企业定额项目数量、工艺工法、工程量清单数量等业务需求、外部合作伙伴的接入、异地业务。通过集中化提升运维效率，通过构建自动化的自维护能力，显著降低维护人员的数量，提高运维的效率，集中数据库基于统一的软硬件体系架构构建，形成统一的平台规范，使得平台的发展具备可持续性。总之，集中数据库的建设通过全企业基础数据的标准化与集中，必将全面提升数据应用与分析能力，满足企业快速、高效进行工程定额和清单核算。

4.6 库维护与应用

4.6.1 数据维护

数据维护[13]是整个应用的核心，主要包含扩展性开发、类的适配和数据源的更新与扩充和完备。

4.6.2 数据应用

依托施工生产过程中采集的海量数据以及定义的相关数据，存在（依赖）关系和数据库提供后台处理能力，结合提供的丰富的类和方法等，把相关应用指标有效组织和利用，使工法库数据更为科学地指导生产管理，为基于数据库的施工组织生产管理奠定基础。

5 结语

依托企业生产长期积累的大数据，日臻完善的企业各类生产要素数据，形成面对对象的企业工法库，是对施工组织生产大数据的归类、整理、分析与研究，提炼出企业所需的进度、资源等关键指标。目前已经完成工艺库的基础代码开发，完成基础数据库的建设，完成部分基于面向对象的库框架开发，已经应用于中铁四局“基于GIS+BIM信息化集成平台”算量管理模块。后续主要丰富和完善框架内的服务种类及其广度和深度，为BIM模型、企业定额清单提供更快更精准数据支撑。提升企业社会竞争力和成本管理水平，促进企业转型升级。