基于BIM与SLP相结合视角的建筑施工现场布置优化及仿真

文/王 琦 王 淋 丁泽辉

一、引言

我国是建筑大国，根据国家统计局2019年数据，建筑业总产值已达到了约25万亿，并以年均1亿左右稳步上升[1]，施工现场布置是施工组织环节中的重要一环，是工程顺利建设完成的基础条件和重要保障。资料显示，在工厂项目中物料搬运所产生的费用占总费用的20%～50%，而物料搬运与物流设施规划和设备布置情况有直接关系，合理有效的设施布置能减少约30%搬运费用,且使生产效率提高近3倍[2]。物流设施是指在进行各项物流活动的过程中，满足物流组织与管理需要的具有综合或单一功能的场所和组织的总称[3]。施工现场中的物流设施主要是指材料堆场和建材的施工、加工区等。

早在20世纪60年代，一些国外的学者就已经对设施布置问题作出了相关的研究。Li和Osman通过运用遗传算法对多目标优化问题进行研究，并建立了能自动测算空间的范围以及设施费用等的优化程序[4]。Yeh I C通过运用退化神经网络模型，结合了霍普菲尔德神经网络的相关特点，对平面布置问题提出了有效的优化方法[5]。李恒提出了如何利用遗传算法对存在多目标问题进行优化求解[6]。尚美珺通过以改进的BP神经网络的算法为数学基础，通过matlab软件进行编程，对施工现场品面布置中的多种因素进行评价[7]。郑经纬就建筑工程中施工现场布置管理措施等方面做出了讨论[8]。尹清泉等人对如何在施工现场进行绿色布置和优化施工方案做出了探讨[9]。综上所述，目前大多数研究是从工程管理、安全管理等角度出发，进行综合性评价，而物流设施规划作为施工现场平面布置中的必不可少重要组成因素，在施工现场布置中应重点考虑，但目前鲜有学者针对施工现场物流设施规划设计的角度进行分析。

表1：物流强度等级比例划分[10]

表2：非物流量化值

表3：建筑模型元素与系统元素对应表

表4：施工现场各作业区标号表

图3 BIM5D中模型建立

表5：各作业单位间物流强度统计表

根据现有研究，本研究在兼顾物流因素和非物流因素的前提下，从物流设施规划的角度出发，寻找物流设施在施工现场的最优布置方案，对施工现场各物流作业单位之间的相互关系进行量化分析和定性评价，避免了在对施工现场设施布置时的盲目性，对施工现场物资运输效率和布置合理性进行了优化提高，具有一定的参考价值。

二、基于BIM和SLP的建筑施工现场平面布置优化方法

根据目前的施工现场现状，本文考虑到传统布置方法中不能准确地获取施工现场所需的具体工程量，无法在施工现场布置中对各种物流设施进行准确规划，提出结合BIM技术和SLP系统布置方法进行集成应用，运用BIM技术对工程量的准确把握的特点和SLP方法对物流因素和非物流因素的综合考虑，提出一种具有普适性的施工现场物流设施平面布置方案。

1.基于BIM的建筑施工现场平面布置优化方法

首先必须对施工现场进行全面和系统的整体考察和把握，测算施工现场场地面积和施工区主体面积，根据所测算的相关数据，绘制平面图，根据前期调查数据在BIM场布软件中进行建模，在BIM5D中对建筑工程进行仿真，得出工程的各种基础数据和对建材的准确需求数量，确定各个物流作业单位之间流动的物流量，以及各个设施之间的距离，确定各作业区间物流路线所占的比例，在基础数据输出后运用SLP方法进行分析，在SLP方法分析时不只对物流因素进行考虑，对非物流因素更要着重进行考虑，对物流因素进行分析时，确定出各单位之间的物流强度，并绘制出相关表。在对非物流因素进行分析时则需要首先确定非物流因素主要的影响因素，对各作业区间之间非物流因素的影响程度进行量化分析，确定各单位之间非物流因素对其的影响程度，在得到物流因素和非物流因素之间的影响关系后，采用因素加权分析法进行综合分析，确定进行评价的各作业单位的排序，排序等级越高，在布置中越应考虑将其布置在中心附近。

表6：物流相关表

表7：各作业单位相互关系影响因素表

表8：各作业单位相互关系影响因素表

表9：综合接近程度排序表

本文从施工现场物流设施规划的角度出发，提出了优化方法、切实的验证方法和施工现场平面布置的方案。该方案对大多数施工现场具有一定的通用性，对于具有特殊性质的施工现场，读者需在此基础上加以判断。

（1）物流因素分析

在施工现场使用SLP方法进行平面布置时，可以将各作业单位之间的物流量化分为等级，不必对各设施之间物流量的具体数值进行单独考虑，可通过划分等级的方法来对物流状态进行分析，在划分等级的基础下，应用物流相关表，通过精简的方式表示施工现场总体物流情况。结合各作业单位所对应的物流量水平，可将其转化为5个级别，分别可用A、E、I、O、U来代表这5个级别，其中A占物流量的40%，E占物流量的30%，I占物流量的20%，O占物流量的10%，U大约为物流量的0%[10]，如表1所示。

（2） 非物流因素分析

在对施工现场平面进行布置时，不单要考虑物流因素，非物流因素同样也要重点考虑，在SLP非物流因素，同样可以用A、E、I、O、U五种程度的等级来表示，如表2所示。

（3）综合关系分析

在现实情况中，作业单位之间不单单存在着物流的流动，作业单位也存在着非物流的关系，因此在作业单位布置和考虑中应同时包含这两方面的因素。设两个任意作业单位为i和j，其综合相互关系的评价值可定义为TRij，物流关系的量化值可以用LRij来表示，非物流所对应的量化值可以用NRij来表示，那么此时可以推出i与j两个单位间的量化值如下∶

通常情况下m∶n应介于1∶3至3∶1之间。如果m∶n的比值未超过1∶3，此时表明物流对生产形成的影响相对较小，这种情况下在布置的过程中仅仅需要分析非物流作业单位之间存在的关联即可;如果比值m∶n超过3∶1，那么就表明此时物流关系应该为主要分析的要素，在进行布置的过程中仅仅需要分析物流作业单位之间的相互影响。因此，结合建筑施工现场物流量所具有的特性，可以明确物流关系与非物流关系所存在的权重m∶ n= 1∶ 1[11]，TRij是一个量化值，须划分成一定的等级才能建立起作业单位综合相互关系，通常可以取A=4、E=3、I=2、O=1、U=0，X=-1，通过加权求和，得到各单位的综合接近程度排序表。

表10：仿真前后对比表

2. Flexsim软件仿真建模

在使用Flexsim建模之前，需对模型各种因素进行定义，如表3所示。

根据SLP方法优化后生成的布置方案在Flexsim软件中进行建模，根据实际情况定义相关变量，确认方案的优劣性，最后输出最优的场地布置方案。

三、基于BIM和SLP的建筑施工现场平面布置案例研究

某住宅楼项目，项目总建筑面积：34999.94m²，建筑基底面积7477.42m²。建筑主体五层，建筑高22.10m。该建筑结构形式为框架结构，建筑结构分为3种类型，设计使用年限为50年，抗震设计烈度为8度，建筑耐火等级为二级。

1. BIM模型建立与数据导出

对现场进行实地考察，对各种因素和方位进行详尽的调查，根据当前施工现场具体情况进行测量，在BIM场布软件中进行布置，完成对工程量的测算，建立模型，方便对施工的具体用料情况进行精准把握。如图1、图2所示，将工程项目在BIM场布软件中建模，输出平面布置图和三维显示图。

图1 建筑施工现场平面布置图

图2 BIM施工现场三维布置图

将场布模型导入BIM5D中，并输出所需物资计划，实现对工程项目的精准化把握。

2.SLP方法分析

根据对现场实体考察，依据现场当前布置具体情况和结构收集相关资料，对所需的各种参数进行计算和测定，为方便研究，可将施工现场整体看成一个矩形结构，已知原始各设单位的具体情况和功能，从而得到初始施工现场现有的平面布置简化图，如图4所示。

图4 初始建筑施工现场平面布置简图

根据现场初始现场各施工单位的布置情况和内在联系，考虑各作业单位之间具体的物流关系，根据实际情况，绘制出施工现场在实际作业过程中各物流作业单位之间的流动关系，如图5所示。

对所关注的重点10个单位间的重点物流量进行考虑，根据BIM仿真软件的建模，得出各物流设施之间的物流量，并划分物流强度等级，如表4、5所示。

根据物流相关表和各单位之间的物流量，确定出各作业单位间的物流强度，如表6所示。

对整体进行综合考虑，以提升工程的整体效率和施工现场的安全环境出发，首先相近的作业单位之间必须确保工作流程的连续性、物料之间搬运的方便性以及对区域管理是否方便，在非物流因素考虑中此三个因素应首先做出考虑；其次必须对各作业单位之间的相互布置是否会存在安全和污染问题、是否存在噪音振动和烟尘的污染以及各作业单位之间的人员联系是否方便充分，通过前期分析和对专家进行咨询筛选出以下6个因素作为非物流因素进行评价，作为非物流相关因素，并进行分析，进行量化，如表7所示。并分析得到所有单位之间的相互关系影响因素分析表，如表8所示。

如表9所示，如果量化值相对较高，那么就表明这个单位与布置图对应的中心位置相对较近，如果分值相对较低，那么就表明这个单位处于相对边缘的位置。

3.仿真模型建立

仿真模型中，首先根据场地布置提出假设，不考虑各个加工单位的加工时间，设置各个加工单位的加工时间为默认值，假设塔吊作业区枢纽布置的位置是可以在中心区域内进行移动，设置了5个发生器，代表各个堆场，以及相应的暂存区，根据实际距离的不同更改发生器产生的实体速度，体现距离对实体之间的影响，插入4个处理器以及相应的暂存区，处理器对应各处加工棚，对处理器设置百分比输入，控制同时像下一工序和建筑垃圾输出模型，通过A连接，表示各实体之间的物流，放入4台叉车，Flexsim软件本身不能体现出距离对各实体之间的影响，但是插入运输工具后，可通过调整叉车的运输速度，考虑距离对整体模型的影响，用S连接叉车的输出输入端，代表之间的信息流，设置两个吸收器，分别代表建筑垃圾站和最后的施工输出区，首先根据初始布置方案进行建模，模型如图6所示。

图6 初始Flexsim模型图

4.仿真结果分析

根据表9对各作业单位综合关系排序所作出的调整对方案进行修改，重新布置模型，设置模型的参数，修改后的模型如图7所示。

图7 优化后Flexsim模型

设置仿真时间1h进行仿真，仿真前后数据对比如表10所示。

根据SLP调整方法最后生成优化后的现场物流设施，如图8所示。

图8 优化后建筑施工现场平面布置简图

通过Flexsim软件仿真对比后可以发现，在1h内各作业单位的输出量有了明显提高，在建筑工程项目中工期往往长达数年，由此可见良好的施工现场物流设施布置对整个工程的成本和效率有着极大的影响，良好的施工现场物流设施布置不单单能提高整体的物流运输效率，降低整体成本，还能起到使施工现场布置合理，因此施工现场的优化布置对工程项目整体效益存在这重要的影响。

四、结论

本文通过对实际施工案例进行分析，使用BIM技术和物流设施规划方法，验证了合理的施工现场布置可以起到降本增效的目的，具体结论如下：

（1）基于BIM与SLP相结合视角将SLP方法和BIM软件引用到建筑施工现场平面布置中，对现场进行仿真建模，通过构建建筑物的BIM模型提取建筑物的工程量数据，进而转换为准确的物流数据，精准地反映了各个施工单位之间的关系，结合施工现场平面布置的特点，运用SLP方法，验证了BIM与SLP在施工现场物流设施布置中结合使用可以起到提高施工效率、优化现场施工组织的优势。

（2）本研究可对施工现场各作业单位间的现状进行量化，使各作业单位之间的关系变得直观清晰，通过对物流因素和非物流因素的综合考虑，使施工现场平面布置更加规范合理。

（3）本研究通过运用物流设施规划仿真软件Flexsim进行方案对比分析，得出了优化后的施工现场布置与初始施工现场布置的量化对比结果，较传统的单单使用因素加权分析法相比，更具有说服性，数据对比更加直观，同时可以对比多个方案，避免因个人主观因素对施工现场平面布置做出影响。

良好的施工现场物流设施布置方案会对整体进程产生较大影响，本文借助案例将BIM技术和SLP系统布置方法相结合，得出了建筑施工现场布置的优化方案，并运用Flexsim软件验证了优化效果，为现阶段建筑业施工现场布置优化提供了较好的、实用性强的途径和方法，为建筑业实施施工现场精细化管理提供了有意义的参考。