基于BIM的施工项目进度风险预警研究

基于BIM的施工项目进度风险预警研究

作者：樊玉智

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第22期

【摘要】本文在对建设项目进度风险分析及 BIM 技术特点分析研究的基础上，提出了基于 BIM 技术的建设项目进度风险分析模型（BIM-CPSRA）。重点研究内容如下：首先分析了建设项目进度风险分析的现存问题，指出建设项目进度风险分析的需求，并探讨了 BIM 技术对建设项目进度风险分析的适用性；其次，在分析基于 BIM 技术实现建设项目进度风险分析的两种方式的基础上，指出利用已有成熟的进度管理软件的间接方式是目前最可行的方式，再在结合 BIM 技术现有能力和案例推理方法的基础上，构建了基于 BIM 技术的建设项目进度风险分析模型框架，并对模型中的两个关键问题：进度计划的自动生成与基于 BIM 和模拟法的进度风险分析进行了深入研究；最后，构建了基于 BIM 的建设项目进度风险分析模型实施的总体架构，提出模型应用的环境及应用对策。

【关键词】建设项目；风险分析；建筑信息建模；工业基础类

如何解决好建筑业施工过程中的进度的风险预警问题，对即将到来的未知风险进行风险预警并提出相应对策，这是我国建筑业施工过程中目前所面临的一大问题。自从 IBM 公司提出智慧地球和智慧城市的构想以来，世界各国建筑业对 BIM 的研究和发展更是大踏步进行着。BIM 技术在计划、设计、施工、运营过程中的应用也是在不断地发掘其潜能。我们应该改变原有的粗放式施工态度，在实现企业经济效益的同时，将更多的时间和资金投入到具有精确性、时效性、全面性的 BIM 技术中，以更高的质量评估施工过程中的工期风险。在这样的趋势下，将 BIM 技术的优势充分的发挥于风险的管控，有助于提高建筑业的抵御各种外界风险的能力。风险预警的质量将直接影响到施工企业的风险应对能力，决定着企业的工作能力和经济效益。

一、BIM应用于建设项目进度风险分析的适用性分析 （一） 建设项目进度风险分析现存问题及需求

1.研究针对分析方法存在的问题进行简要的论述，计算机信息技术和现代数学理论的迅猛发展，为建设项目风险理论技术的发展提供了强大的支持，促进了建设项目风险理论的深入研究和广泛应用。目前用于风险分析的方法很多，常用的有故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）、影响图技术、敏感性分析、概率分析法、计划评审技术、蒙特卡罗模拟法、模糊网络计划和贝叶斯理论分析技术等。采用风险分析方法进行工程建设的进度分析也是目前较为新兴的评价进度风险、且适用性相对较强的方法。当然，由于这种方法的可操作性问题，当前使用这种方式进行进度风险分析的案例不多。 2.实际应用中的问题

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在工程项目中，进度风险分析工作较为复杂，它不仅需要有专门的风险分析人员，而且需要有相关领域的专家，有时更需要投入大量的时间与金钱。但是在实际项目的建设过程中因为受到各种各样条件的制约，导致进度风险分析工作难以开展或风险分析产生的结果不够准确，难以满足实际需求。当前我国许多的工程和投资项目没有实行有效的风险分析和管理，致使其中相当一部分工程和投资项目由于风险的实际发生，遭受了巨额的损失，同时也会造成进度风险。工程项目中出现风险的原因是多方面的，如我国对风险管理的重视程度不够、从事风险分析的专家不多、为进行风险分析工作投入的资金有限、风险分析人员水平有限等等，但是不容忽视的是制约风险分析实际应用的一个重要方面就是风险分析模型技术的现状。如上所述，可以用于风险分析的方法有很多，但是这些方法本身尚存在一定的局限性。基于风险分析的进度风险管理力度相应也会出现能力不足的局面。 （二）建设项目进度风险分析的实际需求

建设项目生产周期长、工作量大、涉及面广、包含众多参与方的复杂活动的特点决定了其进度风险分析工作非常复杂，需要风险分析人员及时全面地充分了解整个项目的具体情况，运用高效的风险分析方法进行进度风险分析，并根据分析的结果制定相应风险防范措施。当前信息技术的飞速发展推动了建筑业数字化、信息化进程，也为建设项目进度风险分析提出了新的需求。现阶段我国建筑业整体的发展状况还很不平衡，虽然设计院的发展较为领先，已经普遍实现了计算机绘图，但也只是把计算机作为绘图的辅助手段，校核和审批图纸等工作还在用传统手段，信息化程度仍然比较低；大部分工程施工单位的信息化程度就更低，有的甚至还停留在手工画、写的阶段，这样落后的方式使得一个大规模的工程项目就会积累数量庞大的图纸和文件，要理解这些图纸文件资料就需要耗费大量时间和精力，且容易产生纰漏误差，最终效果很不理想。因此实现项目设计、施工等所有信息资源共享，快速进行图纸文档资料的分类、组织、归档、查询以及检索，使风险分析人员方便快捷地全面了解整个项目情况，包括项目范围、设计草图、资源信息、场地情况和施工进度等，已成为亟待解决的问题。建设项目中的所有风险都可能是进度风险因为它们直接或间接与进度相关。工程建设项目因为多种原因产生了工程风险，其结果必然会对施工及相关过程造成影响，进而影响工程进度，形成进度风险。 二、建设项目进度风险分析中 BIM 技术的适用性 （一） BIM 技术的概念及特点

BIM 技术有时也被称为虚拟设计和施工（virtual design and construction，简称VDC）。即在实际建造一个建筑前先虚拟地建造一个建筑，可以解决潜在的问题、模拟和分析潜在的影响。综合上述理解和定义可知，BIM 技术是一个基于 3D 的面向应用对象的工程数据库技术，它一般具有以下特点：（1）BIM 可以包含整个建设项目从设计、建造到运营的全生命周期的所有信息（2）可以支持建设项目的协同建设（3）组成 BIM的所有建筑物构件都是参数化定义的而且是互动的，不仅可以进行即时的 2D 参数显示和编辑，更可以进行即时的 3D 的参数显示和编辑，并且只要绘制出项目的二维图形就可以直接生成相应的三维模型（4）BIM 涉及的信息是可计算的，并强调信息的完全数字化（5）BIM 具有完整的非图形数据报告方式等。

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（二）BIM 应用于建设项目进度风险分析的可行性

面对建设项目进度风险分析的新需求，通过对 BIM 技术的深入分析，可以得出：将 BIM 技术应用于建设项目进度风险分析是可行的，主要理由如下：

（1）BIM 技术的一个明显优势就是包含了建设项目各种设计、管理和经济类数据信息，并且这些信息是可计算的，可以为建设项目进度风险管理提供全面实时、准确的数据支持，而且 BIM 技术是三维数字可视化技术，风险分析人员利用 BIM 相关的各种软件工具，可以方便地查看、穿越模型，促进与项目各参与方的沟通和交流，使得他们能够更加直观高效地全面理解项目信息，快速识别项目的进度风险因素，提高风险分析的效率。

（2）BIM 技术的参数化设计理念，为建设项目进度计划的自动生成提供了可能，基于该功能进行风险分析是非常方便的。整个过程采用同一个 IFC 数据源，进度风险分析可直接利用 3D 模型中的信息，生成建设项目的进度计划，从而避免大量数据的重复性输入，将管理者从读图建模工作中解放出来，极大地提高工作效率。

（3）可以直观表达建筑构件与项目进度之间的关系，由于 BIM 数据模型中各阶段的信息高度关联，各个阶段的数据结果不再是一次性的静态输出，这使得整个风险管理流程不再是单向的，同时当建筑设计局部或进度参数发生更改时，下阶段信息只需与此关联的局部信息进行更改即可，无需将全部信息重新生成，从而可以提高工作效率。

（4）在进行设计或施工过程中，如果基于 BIM 的建筑模型数据发生了改变，则所有相关的建筑部分将自动得到更新，这种自动更新的功能对风险分析和风险预警系统的设计是非常有益的。基于上述理由，可以认为BIM技术是适用于进行建设项目的进度风险分析的。 （5）工程施工过程中，加大建筑资源的使用量会进一步增加工程的施工强度。施工强度的增加则可能造成工程进度被拉长，并造成资源使用引起的进度风险。基于BIM模型建立的想相关设计以及管理模块，能够实现对资源的管理，有效控制其进度风险在可控范围内。 （三）BIM 应用于建设项目进度风险分析的优势

由于 BIM 技术所具有的强大优势，将 BIM 技术应用于建设项目进度风险分析具有以下显著优势：

（1）提高风险分析的效率 时效性是建设项目风险管理的一个非常重要的要求，BIM 技术的出现正好可以满足这个要求，弥补传统建设项目风险管理模式的不足。作为一个包含建设项目所有信息的工程数据库，BIM 可以为建设项目施工和使用阶段的各种决策提供全面、准确的数据支持，使项目管理人员可以方便快捷地随时提取所需的建设项目各种相关信息，及时注意发生的情况，了解其对建设项目目标的影响，适时进行监控，实现建设项目风险与进度风险管理的信息化和实时化，有利于提高建设项目的风险与进度风险管理的效率，确保建设项目的建设进度，使建设项目尽早发挥其社会经济效益。

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（2）增强专业人员之间的协同合作 目前建筑业的过程和供应链是非常不条理的，一个建设项目被分成若干个阶段且由不同的团队执行，即使在同一个阶段不同的活动也是由不同的单位执行，这些单位实际上相互之间并不负有责任。这样团队之间很缺乏交流，信息的交换保持在最小程度，从而导致项目信息流失，项目信息是不精确的且有时信息不是即时的，严重影响项目的管理效率，可能造成项目风险与风险进度问题。BIM 允许整个项目团队在一个共同的模型下工作，因而信息交流更便捷且信息是即时的。并且可视化模拟的功能使得各团队之间的沟通交流更加生动直接易于理解，避免了单一的口头或书面沟通方式沟通不畅、信息缺失、容易产生理解上的错误等问题，各专业团队之间能更好地协同合作，也有利于及时发现项目存在的风险以及进度风险问题，并对其进行及时解决。

（3）可视化模拟和管理 BIM 作为集成了工程建设项目所有相关信息的工程数据模型，它可以同步提供关于建设项目质量、进度、成本、工程量等施工过程中所需要的各种信息，而且可以实现整个施工周期的可视化模拟和可视化管理，通过对建设项目的 4D 模拟过程，可以帮助项目管理人员直观评估进度计划，不断改进完善进度计划，选择最优施工组织计划方案，避免进入实际施工阶段后才发现问题而进行临时更改导致工期延长、工程造价激增等情况，减少实际进度风险与进度风险。

三、基于 BIM 的施工进度风险预警模型 （一）预警模型框架构建 1. 预警模型的功能需求

通过对国内外施工进度风险预警领域发展现状和问题的研究，对现有基于 BIM的建筑结构设计、进度管理和 4D 预警等系列软件，将风险管理和 BIM 研究领域进行交叉论证，本文提出了施工进度风险预警模型的功能结构。 2 预警模型总体框架

基于 BIM 的施工进度风险预警模型是以 BIM 构建为信息基础、BIM 案例库为数据来源、应用合理的风险分析方法，对项目进度进行动态、可视的风险预测，从而优化项目的风险管理方法，指导施工管理人员进行有效的资源配置。本文在从现有 BIM 技术的软件发展水平出发，采取 IFC 信息互用标准，分别应用 CBR 基于案例的推理和蒙特卡洛模拟的方法识别与分析与进度有关的风险因素，将旧有的风险预警方法与 BIM 技术巧妙融合，构建了基于 BIM 的施工进度风险预警模型。 （1）知识库管理

在收集大量已完工程的全寿命周期资料的基础上，项目管理者将各不同类型（如：不同规模大小、合同内容、土木工程结构特性、建筑类型）的建设项目，以 IFC 数据标准储存于 BIM 案例库中，并对案例库进行日常的运行与维护：如记录施工项目信息、更新项目数据、添

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加新的项目案例、查询和检索工程案例、删除项目及项目信息等操作。由于各类工程施工均处于已完成状态，因此影响施工进度的风险因素是已记录、可检索的数据。 （2）风险因素识别

应用基于案例推理的方法进行施工项目进度风险因素的识别，在案例推理的 4R 循环过程中（案例检索、案例重用、案例的修改和调整、案例学习，英文表示为 Retrieve，Reuse，Revise，Retain），关键应用一种基于距离的相似性案例检索 Retrieve 方法--最近相邻法，在 BIM 案例库中找到与待识别案例最相似的案例。通过比较待识别在建案例与源案例的欧氏距离，并在操作过程中借鉴已完案例在施工过程中的进度影响因素，人工地对进度影响因素进行适当调整，得到新案例进度风险因素集，将风险因素分类。 （3）创建 BIM 模型

项目设计团队应用基于 BIM 的建筑设计类软件（如Revit、ArchiCAD、）构建项目的实体 BIM 模型。本文研究的是建设项目施工过程中对于施工进度风险的预警。因此，在设计团队所完成的建筑 BIM实体的基础上，风险管理者可以根据 BIM 几何模型参数化建模方法，应用 IFC 的表达功能，在建筑物的各 BIM 构件上赋予构建如施工材料材质、工序、施工工艺、成本等与进度风险因素有关的数据信息。最后，通过 IFC 的过程关联规则，建立 3D 构建实体与构建属性类型之间的相互关联。 （4）进度风险评价

利用功能强大的工期进度管理类软件（如 P3、MS Project）设计出基于 PERT 技术建立施工工序流程，生成进度计划横道图，并应用蒙特卡洛模拟的方法对施工进度进行风险评价。对进度计划横道图上的施工工序的进度进行分析时，以工序为研究对象，根据各工序的进度影响因素，确定各工序的进度的概率-时间分布。在多次仿真后，叠加各工序的进度，从而得到总工期的进度概率-时间分布曲线，以进行进度风险预警。模拟时，充分利用随机试验方法，在施工项目尚未进行之前，以进度计划为基础对施工总进度函数进行模拟，仿真模拟实际工程的运行情况。

（5）预警结果产生过程

对过程（3）、（4）中产生的进度风险分析结果，建立施工进度风险预警系统，并借助 4D 进度模拟类软件 API 平台（如 AutodestNavisworks）实现进度预警的 4D 可视化过程。目前 Revit 和 Navisworks 之间已经实现了信息的单项互用，由于 Navisworks 软件强大的构建渲染功能，风险管理者可以以建筑构件为单位，对施工进度风险进行不同颜色的渲染，从而实现不同等级风险警戒的表示。系统以 IFC 工业基础类为标准，实现不同 BIM 软件之间信息、数据的共享。

3 预警模型的逻辑构架

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模型层是整个 BIM 风险预警模型的核心部分，分为实体建模、进度管理、3D模拟、资源属性等模块，各模块以 IFC 标准，实现各模块之间的互联，并通过 IFC标准将模块与 BIM 数据库连接起来，完成信息的查询、修改、更新等操作过程。各模块的终极目标是为了进行施工项目进度风险预警系统。BIM 模型功能实现阶段的信息互用方法如图。

基于 BIM 的参数化表达，风险预警模型的应用层将实体模型导入动态分析软件如 Navisworks 中，应用 Navisworks 软件的 Timeliner 时间轴功能和渲染功能可以实现 4D 动态监控和进度预警。最高层为使用层的项目参与者，各参与者无需像以往的模式从上游参与者获取项目信息，他们可以直接在 BIM 数据库层提取所需信息。同时，各参与者可以明确各自对项目进度的要求因素，并将这些信息直接记录在 BIM 数据库中，达到各参与者的协同作业。 （二）关键技术分析

1.基于 IFC 的进度风险信息储存和表达建设项目在施工过程中涉及到来自于业主、勘察单位、规划设计单位、政府、监理单位、金融机构等众多部门的海量信息。信息的结构复杂，形式各异，随着信息社会的到来，人们逐渐意识由信息割裂所导致的建筑业\"分离\"现象使得建筑业效率低下，研究指出：在其他非农业生产指数却提高了 100%的背景下，美国建筑业生产效率指数却下降了 20%。

数据是一切分析统计类工作的基础，如何将各种风险分析数据（例如，用于风险模拟的概率分布函数）存储到 BIM 中是非常重要的一个关键问题，直接决定后续风险分析模型研究工作的正常开展。为了整合不同参与方所提供的信息，保证不同专业、不同软件之间的信息能够共享和互用，让 A/E/C 阶段协同应用于进度风险的预警中，使风险预警标准化、系统化，本文应用 IAI 组织所提出的 IFC工基础类模型数据标准进行各组织对进度风险的储存和表达。 本文就 IFC 标准的功能架构，以及如何在 BIM 模型中定义和表达风险因素进行详细介绍，为基于 BIM 的进度风险预警打下基础。 （1） IFC 标准的框架体系

IFC 标准的扩展和开发遵循一个提供了模块化组建的 IFC 模型架构，基于严格的引用原理，构架为模型组建的发展提供了一个模块化的体系，IFC 框架分为 4 个层次：资源层、核心层、交互层、支配层。各层级之间的相互关系和信息传递运作机理如图。 （2） IFC 对建筑构建实体的几何表示

从本节开始，将说明 IFC 标准对施工进度风险预警相关信息的表达方法。在IFC 标准中，IfcRoot 抽象了所有可独立进行数据交换的实体，它包括实体所需的基本信息如 Global ID（全局唯一标识）。有三种来源于 IfcRoot 的实体类型在于 IFC 模型标准中，构成了建筑业的 IFC 框架，包括：事物实体 IfcObject、属性实体 IfcPropertyDefinition 和关系实体 IfcRelationship。其中的属性实IfcPropertyDefinition 为 IFC 标准提供了信息扩展的预警，使在 IFC 标准中不仅

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以描述实体属性，还为用户提供了自定义的属性扩展渠道随着版本的不断更新细化，在 IFC2X 系列版本中，通过几个层级的分类，属于 IfcObject 用IfcBuildingElement 可以表示所有类型的建筑实体，包括梁、板柱、门、窗、楼梯、屋顶等所有与施工进度有关的实体构建。建筑实体的层次图如图。

使用来源于在 IFC 标准中的 IfcProduct 属性为模块载体，用户可以表示 BIM软件中的建筑构建的物理属性信息，使构建对象的每个叶节点都有基于 IFC 标准的表现形式，应用 IfcProduct 对工程项目的物理类数据进行抽象定义。 结语：

本文的研究成果可以归纳为以下 3 个方面：

（1）通过文献的综述和对比分析等方法，在把握现有施工进度管理软件的基础上，结合国内外施工风险与 BIM 领域各自文献的研究，发现了将建筑信息模型应用于施工进度风险预警的优势所在，阐述了本文研究方向的可行性，拓展了 BIM的应用领域以及施工进度风险管理方式。

（2）建立了基于 IFC 标准的建筑进度分析设计信息模型。该模型全面地表达了建筑构件进度预警管理阶段所需的信息，是具有一般性的建筑进度管理信息模型。结果表明：IFC 标准总体上可以实现对建筑进度管理相关信息的表达，但该标准对于我国施工进度管理过程中的一些属性尚无定义，还有待完善。

（3）设计了广义的进度风险预警模型的工作流程和逻辑框架，从工作流程中具体总结为：知识库管理、风险因素识别、进度风险评价、进度预警过程这 4 大方面，IFC 数据标准对施工进度预警过程中的四大方面均能够表达和满足。 参考文献：

[1]郭恒安. 浅谈海外建筑市场风险[J].科技资讯， 2010， 20： 223-224. [2]陈立文. 项目投资风险分析理论与方法[M]. 北京：机械工业出版社， 2013. [3]郑瑶， 周秀娜. 地铁及地下工程领域风险管理现状分析与展望[J]. 建筑， 2010， 2： 27-31.