Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов календарного планирования в строительстве 13
1.1. Автоматизированные методики и системы календарного планирования 13
1.2. Модели календарного планирования на базе BIM 15
1.3. Планирование рабочих пространств 18
1.4. Модели и методы оптимизации календарного плана строительства 26
Выводы по главе 1 36
Глава 2. Основные методологические подходы к автоматизации календарного планирования 38
2.1. Основные понятия управления строительными проектами 38
2.2. Постановка задачи оптимизации календарного плана проекта 43
2.3. Теория генетических алгоритмов 46
2.4. Система автоматизированного проектирования (САПР) 49
2.5. Информационное моделирование зданий (BIM) 52
Выводы по главе 2 57
Глава 3. Разработка методики интегрированной автоматизации проектирования и календарного планирования в строительстве 58
3.1. Автоматизация создания 4D модели строительства 58
3.2. 4D Моделирование рабочих пространств 63
3.3. Оптимизация календарного плана проекта 69
3.3.1. Достижение требуемой продолжительности проекта 76
3.3.2. Минимизация стоимости проекта 78
3.3.3. Минимизация продолжительности проекта 79
3.3.4. Методика оптимизации календарного плана проекта на баз модифицированных генетических алгоритмов 80
Выводы по главе 3 91
Глава 4. Программная верификация и реализация методики интегрированной автоматизации проектирования и календарного планирования строительства 92
4.1. Компоненты разработанной программы оптимизации календарного плана 92
4.2. Верификация предлагаемой методики
4.2.1. Пример № 1 98
4.2.2. Пример № 2 99
4.2.3. Пример № 3 101
4.2.4. Пример № 4 103
4.2.5. Пример № 5 107
4.3. Практическая апробация разработанной методики 110
4.3.1. Информационное моделирование здания 110
4.3.2. Формирование подробных рабочих книг количественного анализа материалов и компонентов 111
4.3.3. Определение работ, последовательности, ресурсов, продолжительности и стоимости каждой работы
4.3.4. Расчет календарного плана проекта 113
4.3.5. Оптимизация календарного плана проекта 114
4.3.6. Симуляция проекта (4D модель проекта) 117
4.3.7. Визуализация рабочих пространств 118
4.4. Анализ результатов работы и перспективные направления дальнейших исследований 121
Выводы по главе 4 122
Заключение 124
Список использованной литературы 126
- Модели и методы оптимизации календарного плана строительства
- Система автоматизированного проектирования (САПР)
- Достижение требуемой продолжительности проекта
- Информационное моделирование здания
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интегрированная автоматизация проектирования предполагает использование принципов сквозного проектирования, когда ввод исходных данных осуществляется в начале процесса, а затем программные средства автоматизации проектирования взаимодействуют между собой, передавая и обрабатывая информацию. Качественно новый уровень автоматизации проектирования дает технология информационного моделирования, которая предполагает создание единой информационной модели строительного объекта и ее использование и развитие на различных стадиях проектирования, а также на этапах строительства и эксплуатации. Вопросы комплексного использования информационных ресурсов, объединения функциональных возможностей разных программных средств, создания информационных моделей различных процессов и объектов, развитие методов и алгоритмов обработки и представления информации широко обсуждаются научным сообществом. Данное исследование посвящено созданию методики интеграции программных средств с использованием информационной модели здания и разработанных алгоритмов календарного планирования для проектирования организации строительства и учета рабочих пространств для проекта производства работ.
Внимание к качеству, эффективности, оптимальности проекта в процессе проектирования организации строительства и производства работ оказывает решающее влияние на весь процесс реализации проекта. Одним из главных этапов организационно-технологического проектирования и производства работ является проектирование календарного плана строительного производства. Проектирование календарного плана включает в себя выбор технологии строительства, определение работ, оценку необходимых ресурсов, расчет длительностей работ и определение логической последовательности этих работ. Процесс автоматизации проектирования позволяет ускорить принятие решений, уменьшить количество вводимой информации и избежать ошибок, связанных с человеческим фактором. Одной из сторон автоматизации проектирования является выбор и разработка эффективных алгоритмов и программных средств решения прикладных задач.
Существуют исследования, связанные с выбором метода автоматизации проектирования календарного плана проекта. Однако, многие из предложенных методов по-прежнему требуют большого количества ручного труда. Благодаря технологическому прогрессу и распространению технологии информационного моделирования зданий (BIM) появляются новые возможности для совершенствования процессов проектирования, например, технология 4D BIM (3D модель + время) позволяет связывать компоненты здания с календарным планом строительства и визуально отображать процесс строительства. Из-за сложного взаимодействия между традиционным программным обеспечением для планирования и программными комплексами BIM многие преимуществ BIM технологии, описанные в научной литературе, остаются невостребованными. Использование данных, хранящихся в информационной модели здания (BIM), их интеграция с данными уже реализованных проектов, использование программного обеспечения планирования, дальнейшее продвижение в области развития алгоритмов
автоматизации позволит сократить время, повысить качество процесса создания календарного плана проекта производства строительных работ.
В связи с требованиями выполнения проектов в более короткие сроки, подрядчики должны увеличивать объем работы в единицу времени, т.е. увеличивать ресурсы, используемые в работе, а также планировать больше работ, выполняемых одновременно. В результате, на строительных площадках могут возникать конфликты рабочих пространств.
Характеристики рабочих пространств (тип, размер, и местоположение) и работы, которые происходят в этих зонах активности, в процессе строительства изменяются во времени и перемещаются в трех измерениях. Без использования 4D моделирования конфликты рабочих пространств на строительной площадке обнаружить практически невозможно. Разработка модели визуализации работ проекта с 3D рабочими пространствами на основе информационной модели здания и учет параметра времени из календарного плана строительства, позволяет отслеживать выполнение работ и еще на этапе проектирования определять какие-либо конфликты между их рабочими пространствами.
Критерии «время» и «стоимость» выполнения проекта являются основными целями оптимизации проекта. Принимая во внимание, что каждая работа в проекте может осуществляться не только с привлечением различного количества определенных ресурсов, но и с выбором различных типов ресурсов, включая число работающих, оборудование, методы, и технологии строительного производства, для определения оптимальной стратегии выполнения строительных работ необходимо рассмотреть множество возможных альтернатив.
Большие возможности в оптимизации сложных многокритериальных задач имеют Эволюционные Алгоритмы (EA), особенно интересным является генетические алгоритмы (GA). Разработка новой методики на основе генетических алгоритмов может обеспечить приведение срока и стоимости проекта в соответствие с требуемыми значениями (контрактными, договорными или иными).
Степень разработанности. Проблеме развития автоматизации проектирования и решению задачи оптимизации календарного планирования в строительстве посвящены многочисленные работы российских и зарубежных исследователей.
Вопросам автоматизации процесса календарного плана посвящены труды Клименко А.Б., Сергеенкова О.А., Kataoka M., Kim H., Knig M., Mrkela A., Tauscher E., и др.
Вопросы планирования рабочих пространств отражены в работах Akinci B., Fischer M., Elmahdi A., Guo S.-J., Riley D. и др.
Вопросы оптимизации календарного плана строительства по критериям времени и стоимости выполнения проекта рассмотрены в трудах авторов: Антонова А.С., Воробович Н.П., Каширина И.Л., Кононенко И.В., Кремер О.Б., Мищенко В.Я. и др.
Анализ научных работ позволил установить отсутствие единой методики, способной сочетать в себе решение указанных задач, и позволяет преодолеть выделенные недостатки предыдущих методик. Это приводит к необходимости разработки методики интеграции программных средств с использованием 4D BIM
технологии при учете рабочих пространств и необходимости разработки алгоритмов оптимизации календарного плана проекта организации строительства.
Научно-техническая гипотеза состоит в предположении возможности повышения эффективности информационного моделирования интегрированной автоматизации проектирования и календарного планирования в строительстве в части автоматизации создания 4D модели проекта, оптимизации стоимости и срока выполнения проекта на основе генетических алгоритмов (GA).
Цели и задачи.
Целью диссертационной работы является разработка методики информационного моделирования интегрированной автоматизации проектирования и календарного планирования в строительстве.
В соответствии с целью исследования в рамках работы решаются следующие задачи:
анализ научных работ в области автоматизации проектирования и оптимизации на основе генетических алгоритмов, при разработке календарного плана проекта строительства 4D BIM; анализ систем классификации и методов представления различных типов
рабочих пространств на строительной площадке; разработка методики интеграции средств автоматизации проектирования и
календарного планирования в строительстве; разработка методики оптимизации календарного плана проекта строительства на основе генетических алгоритмов с учетом информационного моделирования и визуализации рабочих пространств для анализа их конфликтов; верификация предлагаемой методики GA на основе сравнения с другими
примерами из прошлых научных исследований; практическая апробация предложенных решений; формулировка перспективных направлений исследования. Объектом исследования являются процессы и практические результаты информационного моделирования здания для разработки и оптимизации календарного плана строительства.
Предметом исследования выступает интегрированная автоматизация разработки и оптимизации календарного плана строительства на основе информационного моделирования зданий (BIM) и генетических алгоритмов (GА).
Научная новизна диссертации заключается в развитии информационного моделирования интегрированной автоматизации проектирования и календарного планирования в строительстве за счет использования BIM и генетических алгоритмов путем создания:
методики интеграции данных информационной модели здания, базы данных аналогичных проектов и данных рабочих пространств для автоматизированного формирования параметров календарного плана производства работ; методики оптимизации календарного плана производства работ с точки зрения стоимости и срока выполнения проекта, основанной на разработанной модификации генетических алгоритмов;
информационной модели строительных работ с отображением рабочих пространств и определением их конфликтов в 4D BIM.
Личный вклад автора диссертации. Разработка, исследование и верификация вышеуказанных методик и моделей были проведены лично автором.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке методик, моделей и программы для повышения эффективности интегрированной автоматизации проектирования и оптимизации календарного плана строительства с использованием BIM и генетических алгоритмов.
Методология и методы диссертационного исследования основана на анализе работ отечественных и зарубежных ученых и практиков в области информационного моделирования зданий (BIM) для проектирования календарного плана строительства и организации производства работ строительства. Для исследования использовались основные положения теории построения САПР, теория информационного моделирования зданий (BIM), методы интеграции программных продуктов и информационных систем, теория и методология управления проектами, эволюционные методы решения задач оптимизации, в частности генетические алгоритмы. Проведены исследования с целью верификации и доказательства эффективности предложенной модификации генетических алгоритмов. Созданы программные модули, демонстрирующие реализацию предложенных методик.
На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну и практическую значимость диссертационного исследования.
Степень достоверности полученных результатов подтверждена:
использованием сертифицированных и верифицированных программных продуктов;
сравнением полученных результатов с данными других исследований.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на:
VII Международной научно-практической конференции «Управление жизненным циклом объекта недвижимости: технология, экспертиза, экономика» (Москва, МГСУ, 2015г.);
Международной научной конференции «ICCBE : 2014 XII International Conference on Civil and Building Engineering» (London, 2014);
Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2014г.);
Международном семинаре « Building Information Modeling (BIM) – обмен данными с помощью IFC » (Москва, МГСУ, 2013г.).
Результаты работы прошли опытное внедрение в деятельность Общества с ограниченной ответственностью «ЭнергоМонтаж».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в семи научных работах. Четыре работы опубликованы в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК Министерства образования и науки российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Работа
изложена на 139 страницах машинописного текста, включающего 49 рисунков, 20 таблицы, 123 наименований литературных источников.
Содержание диссертации соответствует п.п. 1, 3, 4, 6 Паспорта специальности 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (строительство) и п.п. 4, 11 Паспорта специальности 05.02.22 – Организация производства (строительство).
Модели и методы оптимизации календарного плана строительства
В последние годы активно исследуются модели на основе BIM [4, 12, 13, 48, 74, 80, 84, 86, 90, 100, 106, 107], которые уже доказали свои преимущества по сравнению с прошлыми инструментами для поддержки планирования строительного производства.
Некоторые попытки автоматизировать процесс генерации планов строительства на базе BIM для сокращения трудоемкости задачи были описаны в литературе. В работе [106] продемонстрирована возможность использования информации о количестве элементов здания, хранящейся в BIM, для генерации длительности работ, используя нормы выработки.
В работе [106] предложен визуальный график для извлечения информации о проектах и передачи их в программу планирования. 3D-модель проекта создана с использованием Revit. Извлечение, организация, последовательность и передача элементов проекта в программное обеспечение планирования выполняется во время пошагового руководства в 3D-модели. Во время пошагового руководства, пользователь может выбрать элемент здания, указав на его. Эта возможность позволяет пользователю выбирать элементы перед выполнением операции передачи информации в программу планирования. Однако приложение ограничивается только определением последовательности работ и навигацией внутри модели здания. Кроме того, для некоторых пользователей с помощью мыши и клавиатуры может быть трудным осуществление выбора.
В работе [71] разработана концепция использования простых 3D моделей для создания количества объектов, плана и 4D визуализации, создавая структуру процесса планирования с использованием интерпретируемых шаблонов системы.
В работе [104] предложена компьютерная система, чтобы полуавтоматически создавать календарные планы на основе данных, извлеченных из файлов с помощью Industry Foundation Classes (IFC) стандарта.
В работе [89] была предложена модель проекта информации (PIM) для создания календарных планов строительства. PIM состоит из технологии, норм, ресурсов, компонентов конструкции и работ. Технология содержит данные о том, как строятся различные компоненты конструкции. Нормы являются элементами, которые поставляют информацию о том, как долго занимает процесс построения компонентов. Затем технология и нормы подключаются к ресурсам. Ресурсы являются элементами, которые разделены на оборудование, инструменты, материалы, транспорт и человеческие ресурсы. Чтобы создать календарный план строительства, планировщик должен импортировать 3D BIM в PIM. Затем PIM оценивает 3D модель и извлекает технологический процесс. Согласно этой методике, информация о нормах, ресурсах, поддерживающих работах, извлекаются из PIM. Полученная модель - статическая и зависит от данных строительной компании, поэтому ее использование на практике затрудняется.
В работе [64] представлены некоторые расширения к исследованию [104], чтобы иметь возможность считать больше элементов в процессе планирования. Автоматическое разбиение работ позволяет пользователю определить простым способом работы, которые частично параллельны во времени. Иерархическая структура работ обеспечивает правильную обработку на различных уровнях детализации в одном графике. Тем не менее, необходимо дальнейшее исследование, чтобы интегрировать информацию об объемах работ. Помимо этого, требуется хранение всех данных только в одной модели.
В работе [90] использовался Navisworks Autodesk, чтобы продемонстрировать 4D визуализацию планирования. Одним из самых больших преимуществ программного обеспечения Navisworks является то, что оно может принимать большинство 3D-моделей. После того, как и модель и календарный план проекта оказываются в среде Navisworks, отдельные работы привязываются сразу к набору элементов в модели. Если десять колонн относятся к одной работе, то есть они строятся в то же время, то эти колонны сгруппированы в модели для формирования набора, а работа назначается к набору.
В работе [74] представлен подход, для назначения шаблонов процесса и определения их взаимозависимости автоматически. Представленный метод моделировал процессы строительных работ как шаблоны процесса и использовал их на основе связи с данными BIM для обработки различных сценариев. Не смотря на преимущества предлагаемой модели, необходимо указать более гибкие шаблоны. Например, могут быть приняты во внимание пространственные отношения и другие свойства информационных моделей зданий. Кроме того, требуется автоматическое определение и назначение шаблонов.
В работе [73] создана основа, используемая для автоматического создания календарного плана из BIM модели. Эта система ориентирована на обмен данными с использованием ifcXML. Предлагаемый процесс разделяется на пять этапов: 1) получение конструкции BIM; 2) разбор данных BIM; 3) трансформация анализируемых данных в данные для работ; 4) создание календарного плана; 5) очищение процесса. Хотя предлагаемая методика способна быстро создавать календарные планы строительства, наблюдается несколько ограничений. Создание календарного плана строительства ограничено количеством основных строительных компонентов. Также методика страдает от ограничения самого формата ifcXML. Модели, которые были протестированы с применением данной методики, являются простыми BIM-объектами с ограниченным количеством деталей.
Система автоматизированного проектирования (САПР)
Строительная отрасль является более сложной, чем в другие отрасли за счет ее уникального характера (каждый проект является единственный в своем роде), вовлечения в процесс множества противоречивых сторон. Строительные проекты ограничены по параметрам времени, денег и качества, эти проекты имеют высокий риск. Управление строительными проектами заключается в разработке плана и мониторинга его продвижения. План составляется для: определения работ, которые нужны для достижения результата проекта, выбора людей и оборудования, которые нужны для исполнения этих работ, определения времени, которое эти люди и оборудование будут заняты работой [83, 94, 108].
Время, стоимость, качество называется проектным треугольником, потому что при внесении изменений в один из этих элементов меняются два других (рисунок 2.1).
Проектный треугольник Если строительные компании не используют технику управления проектами, то это приводит к значительным срывам сроков, превышению бюджета, низкому качеству и не достижению запланированных результатов [23, 25].
Управление строительным проектом на всем протяжении предполагает выполнение основных процессов (рисунок 2.2). На этапе инициирования проекта происходит его определение, т.е. инициирование проекта – это выбор и обоснование его необходимости. Второй этап включает планирование проекта, т.е. определение наилучшего способа действий для достижения поставленных целей. Третий и четвёртый этапы включают в себя процессы выполнения и контроля проекта. Завершающий этап – закрытие проекта [32].
Планирование производится в течение всего срока реализации проекта. В начале жизненного цикла проекта обычно разрабатывается предварительный план, т.е. первое приближение к решению вопроса о том, что потребуется выполнить при реализации проекта. Формальное и детальное планирование проекта начинается после принятия решения о его открытии [72].
«Планирование представляет собой систематизированное решение задач, направленное на достижение поставленной цели. На этапе планирования определяются все необходимые параметры реализации проекта (задачи, бюджет и сроки проекта), в том числе продолжительность его выполнения в целом и отдельных частей (подпроектов), потребность в финансовых, материальных и трудовых ресурсах» [29].
Различают несколько уровней планов: стратегические планы, предтендерные планы, краткосрочные планы строительства, долгосрочные планы строительства и др [60]. Все эти планы разрабатываются путем выполнения четырех основных этапов:
Календарное планирование является одной из первоочередных, наиболее сложных, трудоемких и ответственных задач управления в строительстве. Качество календарных планов непосредственно влияет на важнейшие показатели и результаты деятельности строительной организации. Этим определяются высокие требования к моделям и методам календарного планирования. [3].
Причиной развития методов календарного планирования является возрастание сложности проектов и появление необходимости повышения эффективности их осуществления [33]. Создание точного календарного плана повышает вероятность успеха выполнения проекта с точки зрения его предопределенных продолжительности и стоимости [30]. Календарный план может разделиться на четыре вида планов в зависимости от решаемых задач и вида документации, куда они входят [14] (рисунок 2.5). Сводный календарный план определяет очередность возведения объектов, т.е. сроки начала и окончания каждого объекта, продолжительность подготовительного периода и всего строительства в целом.
Объектный календарный план определяет очередность и сроки выполнения каждого вида работ на конкретном объекте с начала его возведения до сдачи в эксплуатацию. Обычно такой план имеет разбивку по месяцам или дням в зависимости от величины и сложности объекта.
Рабочие календарные планы (наиболее распространенный вид календарного планирования) - это элемент оперативного планирования, которое должно вестись постоянно в течение всего периода строительства. Часовые календарные планы используются в технологических картах и картах трудовых процессов для, например, формирования оптимальной загрузки трудовых ресурсов.
Microsoft Project и Primavera – известные программы для планирования строительства. Эти программы обладают схожим функционалом и используют классические инструменты планирования, такие как метод критического пути и диаграмма Ганта [16]. Однако, эти инструменты не дают возможности увидеть, как работы проекта будут выполняться и какие результаты будут получены.
Реализация работ проекта требует разнообразных ресурсов (люди, машины и т.п.). Выбор методов производства работ и определение ресурсов является наиболее важной частью планирования, они существенно влияют на выбор решений по календарному планированию. При оценке длительности работы, а также для оценки стоимости работы используется информация о требуемых типах ресурсов и их количестве.
У многих запланированных работ имеются альтернативные способы их реализации (рисунок 2.6). Комбинация различных возможных способов выполнения работ генерирует множество альтернативных календарных планов проекта со своими продолжительностями и стоимостями. Определение наилучшей комбинации способов выполнения строительных работ является сложной задачей.
Задача заключается в том, чтобы найти такую наилучшую комбинацию способов выполнения строительных работ, при которой календарное план проекта достигает оптимальной продолжительности и стоимости, т.е. требуется оптимизация проекта по критериям времени и стоимости его осуществления с учетом заданных альтернативных вариантов выполнения работ или их комплексов (рисунок 2.7).
Достижение требуемой продолжительности проекта
Существует потребность в формировании как можно более коротких календарных планов проектов (ускорение времени выполнения проекта). Следовательно, генеральные подрядчики вынуждены увеличивать объем выполненной работы в единицу времени за счет увеличения ресурсов для выполнения работ и за счет планирования большего количества работ, выполняемых одновременно. При этом на многих строительных площадках существует весьма ограниченное пространство для выполнения работ. Увеличение интенсивности строительства может привести к конфликтам рабочих пространств, в которых требования пространства для одной работы пересекаются с требованиями пространства для других видов деятельности. Календарный план работ допускает параллельное ведение различных работ, но не рассматривает рабочие зоны строительного производства, что может вызывать пересечение рабочих пространств. Необходимо заранее отслеживать возникающую проблему, чтобы повысить безопасность строительных работ, снизить конфликты среди работников, уменьшить время простоя, улучшить качество работ, а также уменьшить отклонение от плана осуществления проекта.
В последние годы исследователи проявляют большой интерес к задаче планирования рабочих пространств. Однако, многие из них только рассматривали потребности рабочих пространств только в качестве входных данных работ и задавали их вручную. Такая работа с рабочими пространствами может быть очень тяжелой и сложной задачей с точки зрения подготовки данных. В других исследованиях, больше внимания уделялось моделированию рабочих пространств, чтобы автоматизировать процесс определения рабочих пространств. Еще одним направлением исследований стала разработка механизма учета пространственных требований в существующих методах планирования в целях реализации 4D-среды для визуализации и управления проектом. Однако, разработки велись на основе геометрической информации, импортированной из не-BIM среды.
Рабочее пространство является зоной, где осуществляется строительная работа. В предыдущих исследованиях первоначально был рассмотрен тип рабочего пространства, который принимает во внимание пространство, связанное с технологической зоной. Предлагаемая модель обеспечивает генерацию различных типов рабочих пространств. В данном исследовании рабочие пространства разделяются на следующие категории: 1) для людей: это рабочее пространство, необходимое для рабочих, чтобы безопасно и продуктивно строить компоненты здания. Такое пространство позволит уменьшить потери производительности труда и минимизировать несчастные случаи. 2) для оборудования: это рабочее пространство, предназначенное для безопасного маневрирования технического оборудования. 3) вспомогательные пространства: это рабочие пространства, необходимые для хранения материалов, передачи материалов и перемещения рабочих из одной зоны в другую. 4) зоны техники безопасности: это зоны, которые позволяют обеспечить безопасное расстояние между двумя рабочими зонами для предотвращения несчастных случаев, таких как столкновения между ресурсами и травмы от падающих предметов.
Рабочие пространства имеют три измерения, причем размеры этих пространств изменяются со временем, а сами пространства меняют свое местоположение. Следовательно, существует потребность в том, чтобы контролировать эти рабочие пространства в трехмерном визуальном режиме и во времени, чтобы определить конфликты рабочих пространств.
Генерация рабочих пространств подразделяется на два уровня: формирование рабочих пространств и распределение рабочих пространств. Формирование рабочих пространств - процесс создания формы и размеров рабочих пространств. Распределение рабочих пространств - определение местоположения рабочих пространств.
Данная модель предлагает использование двух форм рабочих пространств, как показано на рисунке 3.4. Подходящая форма рабочего пространства выбирается для работы в соответствии с типом связанных компонентов здания.
Форма рабочего пространства "1" предлагается для определения рабочей зоны вокруг компонента здания, например, для колонн. Также эта форма используется в качестве рабочей зоны, которая требуется под или над компонентом здания, например, для перекрытий.
Информационное моделирование здания
Однако, для задач определения стоимости для заданного времени, решение, полученное по разработанному алгоритму (66 дней при стоимости 227500) лучше, чем решение, полученное в работе [95] (66 дней при стоимости 236500).
Еще одно важное сравнение относится к параметрам генетических алгоритмов. В работе [95] количество популяций составляет 200, а число поколений равно 1000. В работе [122] количество популяций составляет 500, а число поколений равно 100. В данной работе, количество популяций составляет 100, а число поколений равно 50. Другими словами, число популяций и поколений предлагаемой методики меньше, чем в других моделях, а это означает, что предлагаемая методик ускоренного генетического алгоритма может уменьшить время вычислений.
Проект состоит из 18 работ и является базовым примером, используемым в нескольких предыдущих исследованиях. Первоначально он был расчитан в работе [59], а затем был использован в ряде других исследований [53, 65, 120, 121]. Таким образом, проект является приемлемым примером для сравнения данного исследования с результатами аналогичных исследований.
Исходные данные проекта показаны в таблице 4.6. Пример решен с использованием эволюционных алгоритмов.
Путем сравнения с результатами, полученными в работах [59, 65], для работ первоначально был установлен вариант их наименьшей стоимости. Общая прямая стоимость проекта в этом случае равна $99740, а продолжительность проекта составляет 169 дней. Если ежедневно учитывать косвенные стоимости 200 единиц стоимости в единицу времени, то общая стоимость проекта становится равной $133540. Цель расчета состояла в том, чтобы найти минимальную стоимость для крайнего срока реализации проекта равного 110 дней. Результат расчета по предлагаемой методики показал, что минимальная стоимость так же, как и в предыдущих работах, равна $128270. Результат в расчете по предлагаемому алгоритму был получен быстрее, чем в других исследованиях, которые использовали число популяций равное 100 и число поколений равное 1000.
С использованием каждого алгоритма проводились по двадцать испытаний. Процент успеха представляет отношение испытаний с достижением целевого значения 110 дней к общему числу испытаний. Как показано в таблице 4.7, предлагаемый алгоритм GA превзошел подавляющее большинство других алгоритмов, за исключением SFL. По сравнению с процентом успеха исходного GA (0%) процент успеха, предлагаемого GA составляет 80%. Стоимость проекта достигла своего минимального значения $161,270. Среднее время обработки составило 5 секунд, что меньше чем в других алгоритмах. В то время как алгоритмы PSO и ACO смогли добиться успеха с вероятностью 60% и 20%, средняя общая стоимость для двадцати испытаний была больше, чем предлагаемого алгоритма.
В работе [120] для решения задачи оптимизации использовался муравьиный алгоритм (ACS). Косвенные расходы были установлены на уровне $1500. Таблица 4.8 показывает сравнение результатов, полученных с применением генетического алгоритма (GA) используемого в работе [121], предлагаемого алгоритма (GA ) и муравьиного алгоритма, который использован в работе [120].
Как показано в таблице 4.8, предлагаемый алгоритм GA и ACS превзошли GA. Решение, полученное предлагаемым алгоритмом (GA ) - 110 дней и $271270, находится вне диапазона решений, полученных с использованием ACS, и оно лучшее чем 110 дней и $271320. Кроме того, число поколений GA модели меньше чем число поколений модели GA и модели ACS.
Результаты включают в себя 10 испытаний для каждого алгоритма. Проанализировав результаты, можно сделать вывод, что предлагаемый алгоритм (GA ) является лучшим алгоритмом, потому что он сходился к оптимальному решению в большинстве испытаний и имеет минимальное время процесса расчета, как показано в таблице 4.11.
Проект представляет собой восьмиэтажное здание коммерческого назначения в Каире, Египет. Площадь здания составляет примерно 900 квадратных метров. Дата начала проекта - 11.04.2012, дата окончания - 09.04.2013. Общая продолжительность проекта - 260 дней, общая стоимость строительства - 8192468 Египетских фунтов (EGP).
На этом этапе происходит процесс генерации единой базы данных о проекте. Данные включают в себя компоненты здания, используемые для строительства. Информация о компонентах должна содержать всю геометрию и все свойства реального объекта.
Данные из примера основаны на документах, которые были получены непосредственно из проектного офиса. С целью проверки предлагаемой модели, разработана информационная 3D-модель здания. Процесс проектирования 3D-BIM состоял из следующих шагов: 1) анализ чертежей проекта; 2) анализ спецификаций проекта; 3) моделирование здания. Чертежи проекта - это основные технические документы, по которым строят здания. Они включают в себя генеральный план, планы, разрезы и фасады. Спецификации проекта включают подробное описание всех технических требований, параметров строительства, а также элементов, чей монтаж будет осуществляться по мере возведения того или иного строительного объекта.
На основе чертежей и спецификаций данного примера, была создана информационная модель здания, которая включает в себя 3D модель и идентификационные параметры всех компонентов (элементов конструкций). К основным элементам (или частям) здания относятся фундаменты, колонны, перекрытия, стены, перегородки, лестницы, окна, двери, крыша, внутренняя отделка, и наружная отделка. Рисунок 4.6 изображает 3D BIM данного примера, которая организована и разработана на базе платформы Autodesk Revit.
На данном шаге построенная 3D модель здания экспортировалась в программу Autodesk Navisworks. Был сформирован список компонентов здания, проведена классификация компонентов здания и определены группы компонентов на основе иерархической структуры проекта, предложенной в второй главе. Для каждого отдельного компонента и групп компонентов, которые возводятся одновременно, был определен идентификационный код (ID).
В каталоге компонентов были объединены список компонентов здания и идентификационные коды компонентов. Затем был проведен автоматизированный расчет модели и параметров объекта для извлечения количества различных компонентов модели здания.
На рисунке 4.7 показана часть рабочей книги с указанием количества компонентов здания из рассматриваемого примера. Слева расположены данные групп компонентов здания и их соответствующие ID. Справа указаны элементы каждой группы и их расчетные площади и объемы.