基于BIM與精益建造的工程進度管理研究*

黃恒振

(1.西南交通大學經濟管理學院，四川 成都 610031；2.四川建筑職業技術學院工程管理系，四川 德陽 61800)

基于BIM與精益建造的工程進度管理研究*

黃恒振1，2

(1.西南交通大學經濟管理學院，四川 成都 610031；2.四川建筑職業技術學院工程管理系，四川 德陽 61800)

難以編制高質量的進度計劃、無法保證穩定的工程進度流程以及難以實現進度與質量及成本的綜合平衡是當前進度管理中存在的主要問題。BIM和精益建造的集成應用有助于改善工程進度管理存在的問題，提升工程進度管理的績效。在分析BIM和精益建造應用于進度管理的優勢與不足的基礎上，提出二者集成的具體路徑，并構建基于BIM和精益建造的工程進度管理模型。

BIM；精益建造；進度管理；集成

0 引言

傳統工程進度管理在制訂切實可行的進度計劃、確保穩定的施工流程等方面存在不足，從而導致進度延誤等問題層出不窮。為實現高質量的進度管理，有學者嘗試將BIM技術應用于工程進度管理，如何清華等構建了基于BIM的可視化、多目標協同的進度管理系統，并分析了不同層面進度計劃的管理流程[1]；朱佳佳等將BIM應用到進度計劃管理系統，提出利用BIM團隊協同管理實現進度目標的思路[2]；紀凡榮等從可視化的角度，探討基于BIM的進度計劃編制原則、管理組織和相關數據收集技術[3]；趙斌等論證了基于BIM和4D技術的工程進度管理的優越性和可行性[4]；王雪青等建立了基于BIM的實時施工模型，將4D模擬拓展到施工階段，實現對工程管理的動態跟蹤[5]。還有學者應用精益建造的理論、方法和工具來提升工程進度管理的質量和效率，如鄧斌等將精益建造的重要工具——精益生產系統(LPS)應用于項目計劃管理和控制[6]；韓雷杰等從精益建造的角度出發，探討建造工作流的構成形式及影響工作流穩定性的因素，從而為確保工程進度穩定性提供了實證證據[7]。

作為解決工程進度管理問題的新技術，BIM和精益建造各有其獨特的優勢，然而同時也存在不足。那么能否充分發揮BIM和精益建造的優勢，規避其不足，從集成的視角加以應用，是一個值得探討的問題。

1 當前工程進度管理存在的問題

工程進度管理主要包括進度計劃的編制和進度計劃的實施控制等工作，其主要目標在于確保進度計劃切實可行、按計劃實現工程進度目標以及確保進度與質量及成本的協同。當前工程進度管理主要存在以下問題：

(1)難以編制出高質量的工程進度計劃。編制工程進度計劃的傳統做法是首先根據圖樣計算各分部分項工程的工程量；其次，根據定額計算所需工日、機械臺班等基礎數據；再次，依據擬采取的施工方案和資源情況確定各分部分項工程所需時間；最后，綜合考慮工期要求和施工組織形式等因素確定工程進度計劃。在工程進度管理中，科學合理的進度計劃是做好進度管理的前提，而工程進度計劃編制的任何環節出現問題，都可能使得最終的計劃脫離實際。從工程實踐的角度看，工程進度計劃缺乏可操作性的原因在于：

1)按圖計算工程量可能存在計算錯誤，特別是不同專業圖樣相互沖突或圖樣存在錯誤時，容易導致計算工程量出現誤差，并給后續環節帶來不利影響。

2)資源需求和供應的估算多基于經驗的估計而非精確的計算，使得對分部分項工程所需時間的估計不準確。

3)進度計劃編制者較少考慮實施者的意見，同時也缺乏與業主、設計單位等相關方的溝通，影響進度計劃的可實施性。

4)缺乏對進度計劃可能存在缺陷的合理調整，主要是采取事后補救的方式，而一旦出現超出預期估計的情形，將使得進度計劃變得不可行。

(2)無法保證穩定的工程進度流程。按照正常流程，進度計劃編制完成后，施工單位按照計劃要求施工。然而大部分情況下工程實際進度往往滯后于工程計劃進度，其原因在于：

1)在編制進度計劃時只考慮能否滿足業主或合同的工期要求，未能充分考慮進度計劃的編制與進度計劃實施之間的銜接問題。

2)進度計劃編制不科學，或編制的進度計劃存在錯誤，使得無法按計劃實施。

3)進度計劃實施過程中，資源調配、人員組織等方面存在不足，影響工程進度。

4)施工過程中受到環境或相關單位的干擾，無法按照進度計劃施工。

5)實施過程中碰到不可預見的技術問題，需要制訂解決方案，消耗了正常施工時間。

(3)難以實現工程進度與質量及成本的綜合平衡。在工程建設過程中，進度并非是唯一的目標，普遍認為應該在諸多目標中進行權衡，從而實現整體最優。然而，在工程實踐中，施工單位往往過度關注工程進度目標能否實現，而忽略了工程質量或成本問題，例如為滿足施工所需，資源庫存過多而導致成本增加，或者因追求較快的施工進度而影響工程質量等。

2 BIM與精益建造的應用分析和集成的具體途徑

工程進度管理中存在諸多問題，歸根結底是技術問題與組織問題，而通過BIM技術與精益建造的集成，有可能在某種程度上可以消除這些問題，提升工程進度管理的績效。

2.1 BIM與精益建造在工程進度管理中的應用：優勢與不足

(1)BIM應用于工程進度管理的優勢在于：

1)BIM使得扁平化的組織結構成為可能，從而為進度計劃編制和實施過程中的各參與單位的組織協同提供了基礎。

2)基于BIM平臺構建的各類模型，可以為進度計劃的編制和實施準備良好條件。借助BIM的數據模型，有助于整合專業圖樣，確保圖樣沖突不出現，結合算量軟件，能夠精確計算工程量；基于BIM建立的資源模型，有助于實現資源需求的精確估計，確保資源需求與進度計劃之間的匹配；利用BIM建立的4D虛擬施工模型，不僅可以提前發現技術圖樣和進度計劃中可能存在的問題，而且通過調整模型，可以降低存在技術問題的可能性，同時還可以實現工程進度的動態跟蹤。

(2)BIM存在的不足之處：

1)工程實際進度除了與計劃有關之外，還受到環境和資源供應等的約束，BIM無法為進度計劃的實施提供一個良好的施工環境及滿足進度需求的資源管理。

2)BIM的4D虛擬施工和實時施工模擬主要側重于進度計劃的技術層面，即提前發現可能存在的問題并通過技術方案加以解決。然而，進度計劃的實施還涉及更為復雜和更為微觀的組織管理問題，BIM的組織協同無法將計劃實施者納入其中。此外BIM技術盡管能夠動態跟蹤進度，卻無法靈活處理進度計劃實施過程中的突發事項。

精益建造應用于工程進度管理的優勢在于擁有諸多能夠加強工程進度控制的管理工具，例如LPS有助于自下而上建立涵蓋從主計劃、前瞻計劃到周計劃的多級進度計劃系統，使得工程進度計劃既具有指導性，同時又兼具實施性；又如準時制在較大程度上能夠保證進度計劃實施過程中的資源供應，保障進度流程的穩定性，為實際進度與計劃進度的一致提供條件。然而，精益建造本身卻無法預判技術文件和進度計劃中本身可能存在的問題，而只能通過精益管理盡量減少工作流程的干擾，從而避免陷入頻繁糾偏的困擾之中。

綜合來看，BIM和精益建造在工程進度管理中的角色并非是相互排斥，而是相互補充的：BIM長于工程進度管理的技術方面，而精益建造長于工程進度管理的組織方面，通過技術與組織的結合，能夠為工程進度管理目標的實現提供有力保障。

2.2 BIM與精益建造集成的具體路徑

BIM主要技術功能與精益建造基本原則之間的交互分析表明，二者存在集成的可能性[8]，且能夠帶來項目層面和行業層面的優勢[9]。BIM與精益建造集成的技術路線主要包括以下幾種：第一種技術路線是將BIM和精益建造共同納入一個更廣泛的分析框架之中，二者作為統一模式下的獨立又關聯的兩個部分協同發揮作用，例如徐升奇等以集成交付模式作為載體，探討精益建造與BIM的集成問題[10]；第二種技術路線是以精益建造作為載體，將BIM技術整合其中，例如包劍劍等從精益設計、精益采購和施工建造等方面分析了基于BIM的精益建造實施模式[11]；第三種技術路線是以BIM為載體吸收精益建造的原理和工具；第四種技術路線是將BIM與精益建造置于同等地位，考察二者的集成問題，如包劍劍等從設計與施工的整合、材料設備的采購與供應集成，以及工程交付與運營方面探討二者的協同應用機制[12]。

以上四種集成技術路線均有各自的適用范圍。對于工程進度管理而言，考慮到當前存在的問題、工程進度管理的階段性以及BIM與精益建造的優勢不足，本文認為從總體上說宜采用第四種技術路線，即將二者看作平等的問題解決工具，但同時注意區分不同階段二者所扮演的角色和發揮的作用：

(1)從角色角度看，BIM主要提供技術基礎，精益建造則提供組織化的手段和工具，二者是一種相互配合的關系。

(2)從工程進度管理的階段性角度看，編制進度計劃階段，BIM通過可視化、數據模型和模擬，確保制訂計劃基礎數據的科學性，精益建造則通過LPS等工具確保進度計劃的可操作性，此階段以BIM技術為主。而在進度計劃實施階段，BIM重在虛擬施工和實時監控，而精益建造則通過精益采購、準時制等工具確保工程按進度計劃進行，此階段以精益建造為主。

3 基于BIM和精益建造的工程進度管理模型

基于上述分析，本文構建了基于BIM和精益建造的工程進度管理模型，見圖1。本模型以BIM和精益建造為基礎，其中BIM主要提供技術支持，利用BIM平臺提供的模型和工具，從技術層面將計劃編制與計劃實施整合起來，突出模擬二者之間的溝通者角色；精益建造則提供組織保障，借助LPS、準時制等工具，從組織和實踐層面將進度計劃和進度控制整合，強調同步反饋在確保進度目標中的關鍵作用。

圖1 基于BIM和精益建造的工程進度管理模型

與傳統模型不同，本模型將進度管理劃分為計劃編制、模擬和計劃實施三個有機聯系的環節，其核心是技術與組織下的計劃編制與模擬、模擬與計劃實施構成的兩個閉環回路，此閉環回路反映的是進度管理過程中的虛擬與現實之間的不斷反饋迭代的過程。第一個閉環回路由計劃編制與模擬構成，借助于BIM平臺編制出進度計劃后，利用BIM技術的可視化虛擬施工對其科學性和操作性進行評估，然后根據評估結果對計劃進行優化。由于進度計劃具有層次性，因此該閉環回路是由若干層面的更微觀的反饋過程構成的。第二個閉環回路由模擬與計劃實施構成，進度計劃在實施前，還需要根據施工環境、資源條件等要素進行施工模擬，以指導計劃的實施；計劃的實施情況反饋至BIM平臺，以便后續計劃的順利實施。

具體到操作層面，本模型則由多方參與分層優化的進度計劃編制模型、實時模擬與動態反饋的進度控制模型兩個子模型構成。

3.1 多方參與分層優化的進度計劃編制模型

進度計劃的編制需要有力的組織保障。基于BIM構建施工方與工程各參與方的組織協同平臺，確保進度管理中相關問題的充分高效溝通和解決，并在進度計劃編制過程中起統籌指導作用，同時在精益建造方式生產理念指導下，施工方內部成立由計劃編制人員和工程實施人員組成的編制團隊，以確保指定的進度計劃充分考慮設計和施工環境中的各種影響因素。在多組織協同平臺和多元編制團隊背景下，進度計劃的編制過程見圖2。

圖2 多方參與分層優化進度計劃編制模型

首先，以設計圖為主要依據，利用BIM平臺提取各類數據模型。其次，對模型進行沖突分析，若模型間存在沖突，則通過BIM平臺與業主及設計方溝通，施工方提出沖突解決建議供參考，或是業主及設計方提供解決方案，并征求施工方意見，以消解設計圖中存在的沖突。若是模型間沒有沖突，或是沖突業已解決，則可應用BIM進行三維算量，計算工程各分部分項工程的工程量。再次，結合業主要求和合同約定，設計并論證施工方案，并多方案比選。最后，在此基礎上確定主進度計劃。

根據精益建造中的LPS原理，結合工程特征及施工規律，將主進度計劃分解細化為階段計劃(里程碑計劃)、前瞻計劃和周計劃，按照逆向順序進行進度計劃的模擬優化。首先，對周計劃進行模擬，根據模擬結果進行評估，在征求施工人員意見、判斷資源現狀和未來供應情況等基礎上，對周計劃進行優化。其次，考慮工程實施的復雜性，可能存在多輪計劃與模擬之間的評估優化過程。前瞻計劃和階段計劃的評估優化過程則與周計劃類似，但由于涉及面更廣，其優化難度更為復雜。最后，基于階段計劃模擬優化的結果，從宏觀層面對總進度計劃進行優化。

3.2 實時模擬與動態反饋的進度控制模型

圖3 實時模擬與動態反饋的工作流程控制模型

進度計劃的實施過程受到諸多復雜因素的影響，確保穩定的工作進度流程的關鍵，一是能夠提前發現問題；二是及時應對突發情況。基于此構建實時模擬與動態反饋的進度控制模型，見圖3。本模型以周計劃為基本實施單元，由虛擬施工和現實施工兩條主線構成：其一是結合上期進度實施情況(若是第一周，則根據工作準備情況)，應用BIM進行持續的4D施工模擬，以此指導計劃的實施過程；其二是從計劃到精益采購與供應、精益施工到輸出進度績效。考慮工程建設的特征，精益采購與供應遵循有條件的準時制和低庫存原則，設定在復雜隨機環境下材料供應的時間延遲范圍，以滿足施工所需的低庫存，確保施工成本；精益施工則主要依據Koskela提出的精益建造三原則展開，即分別從轉化角度、流的角度和價值生成的角度來控制有增值的活動和過程，減少無增值的活動和過程[13]。精益采購和供應以及精益施工的應用，既有助于保證工程質量，同時也有助于節約成本，實現進度與質量及成本的最優化。

針對進度實施的核心環節，本模型設置兩條虛擬與現實的反饋路徑。一是針對精益采購與供應，應用虛擬施工結果指導精益采購和供應，并通過BIM對采購與供應情況進行實時監控，隨時將結果動態反饋到BIM的組織協同平臺中，根據實施情況選擇跨組織溝通或施工方內部協調方式，進而更新進度計劃，并對更新計劃進行虛擬施工。二是針對精益施工的反饋路徑，其具體過程與第一條反饋路徑類似。

4 結語

本文提出集成BIM與精益建造以解決工程進度管理中存在的問題、改善進度管理績效。與以往的工程進度管理模型不同，本文首先強調應用BIM技術從源頭上確保進度計劃的科學性，并充分溝通工程各參與方以及工程實施人員，確保進度計劃的操作性；其次，在計劃實施過程中強調虛擬施工與現實施工的動態反饋，對進度實施偏差及各類情況采取敏捷應對，同時通過精益建造原理和工具的應用，減少浪費，保障工程質量，實現工程進度目標的綜合平衡。當然本模型的實現還需要施工企業從組織和管理上做出變革，比如先期投入成本，加強企業信息化，搭建BIM技術平臺，使得本模型的應用在技術上成為可能，從企業層面積極推廣和應用精益建造的理論和工具，提升企業的組織能力。

[1]何清華，韓翔宇.基于BIM的進度管理系統框架構建和流程設計[J].項目管理技術，2011,9(9)：96-99.

[2]朱佳佳，談飛.BIM技術在項目進度管理系統中的應用[J].項目管理技術，2014,12(5)：38-42.

[3]紀凡榮，曲娣，尚方劍.BIM情景下的可視化工程進度管理研究[J].建筑經濟，2014,35(10)：40-43.

[4]趙彬，王友群，牛博生.基于BIM的4D虛擬建造技術在工程項目進度管理中的應用[J].建筑經濟，2011,32(9)：93-95.

[5]王雪青，張康照，謝銀.基于BIM實時施工模型的4D模擬[J].廣西大學學報：自然科學版，2012,37(4)：814-819.

[6]鄧斌，葉青.基于LPS的精益建造項目計劃管理和控制[J].施工技術，2014,43(15)：90-93.

[7]韓雷杰，韓美貴，仝澤強.精益建造工作流穩定性影響因素實證分析[J].工程管理學報，2014,28(2)：97-101.

[8]趙斌，牛博生，王友群.建筑業中精益建造與BIM技術的交互應用研究[J].工程管理學報，2011,25(5)：482-486.

[9]徐奇升，蘇振民，王先華.基于BIM的精益建造關鍵技術集成實現與優勢分析[J].科技管理研究，2012,32(7)：104-108.

[10]徐奇升，蘇振民，金少軍.IPD模式下精益建造關鍵技術與BIM的集成應用[J].建筑經濟，2012(5)：90-93.

[11]包劍劍，蘇振民，王先華.IPD模式下基于BIM的精益建造實施研究[J].科技管理研究，2013,33(3)：219-223.

[12]包劍劍，蘇振民，佘小頡.精益建造體系下BIM協同應用的機制及價值流[J].建筑經濟，2013(6)：94-97.

[13]Koskela L.Application of the new production philosophy to construction[J].Physics Letters B,1972,40(2):181-184.PMT

四川省教育廳人文社科一般項目(16SB0416)，四川建筑職業技術學院2013年度科研課題。

2016-04-05