Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
VAK Russia 2.1.14
UDC 69.05
During the development of construction organization projects, engineers encounter the issue of data fragmentation: information regarding construction volumes, schedules, and resources is often located in incompatible formats and distinct software environments. This hinders the accurate estimation of machinery and equipment requirements, resulting in planning errors. The objective of this study is to develop a methodology for the automated generation of a construction machinery requirement list, integrating data from the Building Information Model (BIM), construction network schedules, and external databases. The study relies on the principle of decomposing the organizational and technological model into independent clusters. To link geometric model elements with external catalogs, a system of composite synchronization keys is proposed. Visual programming (VP) scripts were utilized as the primary tool for data processing and list generation. Validation of the methodology on the case study of the GSOTU named after M.D. Millionshchikov (Grozny) building complex confirmed the viability of the approach. The algorithm successfully consolidated data regarding the equipment utilized. The automated generation of the list took an average of 3 minutes. The proposed approach addresses the issue of data inconsistency and "loss" during calculations. The methodology significantly reduces the workload of the construction organization engineer and improves the accuracy of planning for construction site resource provisioning.
construction organization, construction organization project, Building Information Model, schedule of machinery requirements, visual programming, automated calculation
Введение
При разработке ПОС большая роль отводится составлению ведомости машин и механизмов [1]. С другой стороны, при организационно-технологическом моделировании очень часто сталкиваются массивы данных различных форматов [2]. Это обстоятельство приводит к необходимости формирования особого подхода к структурированию информации, а также дисциплины ее редактирования.
Концепция разделения организационно-технологической модели на массивы данных в рамках разработки цифрового ПОС предложена в работе [3]. Особенностью концепции применительно к вопросу расчета ведомости машин и механизмов является выделение кластера данных ресурсной технологической модели (РТМ). Она вбирает в себя цифровую строительную модель (ЦСМ), календарно-сетевой график (КСГ) и различные базы данных (БД).
Раскрывая тему расчета количества используемой техники и оснастки, особенно примечательно исследования [4, 5]. В них предложена концепция «словарей» в качестве системы взаимосвязанных данных типов работ и соответствующих типов механизмов для этих работ. Данная концепция схожа с концепцией использования шаблонов процессов (process template) [6, 7].
Другой аспект структурирования данных – использование БД, которые могут использоваться для целей систематизации исходной информации при оптимизации мер обеспечения безопасности [8, 9, 10], оптимизации логистики [11, 12, 13] и прочих задач.
В исследовании [14] раскрывается концепция «CoSIM» (Construction Site Information Model). В данной концепции информационная модель строительной площадки представлена отдельной средой моделирования. В исследовании отмечается роль использования компонентов организации строительной площадки, а также наполнение этих компонентов необходимой информацией для задач оптимизации пространственного положения и т.д.
При рассмотрении научных работ выявлены следующие проблемные места в вопросе автоматизированного составления ведомости машин и механизмов:
- отсутствуют предложения по решению вопросов несостыковки, разности представления и координации исходных данных для расчета;
- отсутствует описание принципов использования различных сред для задач расчета;
- отсутствует описание механизмов извлечения и преобразования данных.
Целью исследования является составление методики, включающей следующие аспекты для решения задачи расчета ведомости машин и механизмов:
- описание принципов структурирования данных различных сред проектирования;
- описание ролей элементов организационно-технологической модели ПОС, а также форм представления данных;
- описание механизмов расчета с приведением комплексных схем применения.
Материалы и методы
Принципы структурирования данных
В основе предлагаемой методики лежит принцип разделения организационно-технологической модели на независимые, но взаимосвязанные кластеры данных, функционирующие в различных программных средах. Для реализации автоматизированного расчета потребности в машинах и механизмах была разработана структура, включающая цифровую информационную модель организации строительных работ (ЦИМ ОСР), систему внешних баз данных (БД) и расчетные модули на базе электронных таблиц (ЭТ).
Компоненты конструкций ЦИМ ОСР будут иметь следующий набор свойств:
- Трудоемкость строительно-монтажных работ (СМР). Предполагается автоматизированное заполнение параметра на основе весогабаритных характеристик через внешние механизмы;
- Ключ синхронизации комплекта техники для связи с БД. Предполагается ручное заполнение с использованием механизмов умного выбора элементов в среде ЦИМ;
- Количество комплектов. Так же, предполагается ручное заполнение по такому же принципу;
- Длительность СМР. Предполагается автоматизированное заполнение через внешние механизмы путем выполнения стандартных математических выражений расчета длительности;
- Структура декомпозиции работ (СДР). Предполагается ручное заполнение (если необходимая структура не была выполнена в сводной проектной модели).
Для обеспечения возможности расчета и синхронизации данных стоит предпринять использование следующих приемов:
- Рассмотрение машин и механизмов в составе комплектов, а также отдельно. Данный прием обеспечит возможность учета для компонентов конструкций в среде ЦИМ ОСР всех задействованных машин и механизмов, которые работают в технологической взаимосвязи;
- Использование БД шаблонов. Данный прием обеспечит возможность контролировать использование одних и тех же типов техники для нескольких работ одного вида, а также позволит быстрее и эффективнее находить требуемые наборы машин и механизмов для использования;
- Формирование КСГ на основе модели ЦИМ ОСР. Данный прием обеспечит последовательность в учете данных;
- Использования ключа синхронизации. Данный прием обеспечит решение проблем несостыковок и упущения данных для задач расчета машин и механизмов;
- Использование формы ЭТ для расчета машин и механизмов, которые не моделируются в ЦИМ ОСП и для которых нету компонентов конструкций в ЦИМ ОСР и позиций в КСГ (или есть только позиции в КСГ).
С позиции применения вышеупомянутых приемов важно привести два возможных случая учета данных об использовании машин и механизмов:
- Машины и механизмы, которые прописаны в атрибутах элементов ЦИМ ОСР;
- Машины и механизмы, для которых не выделены элементы в ЦИМ ОСР и позиции в КСГ.
Исходя из вышеописанных положений, следует выделить следующие формы ЭТ для фиксирования данных:
- БД шаблонов машин и механизмов, а также их комплектов;
- ЭТ машин и механизмов, подбираемых исходя из практического опыта;
- ЭТ ведомости потребности машин и механизмов по временным периодам.
Роли элементов и формы представления данных
Данные в ЦИМ ОСР связываются с БД шаблонов машин и механизмов через составной ключ синхронизации. Последний, в свою очередь, будет учитывать следующий набор информации:
- Тип механизма для выполнения конструкций на захватке (атрибут, характеризующий ключ-код комплекта или отдельно задействованной техники);
- Пространственное положение механизма (атрибут, характеризующий позицию в виде порядкового значения пространственного положения одного и того же комплекта или отдельного механизма);
- Выделение механизма среди других механизмов того же типа (атрибут, характеризующий марку внутри проекта в виде порядкового значения одного комплекта или механизма относительно других комплектов того же типа).
Ключ синхронизации заполняется по ходу подбора механизмов применительно к различным видам работ. Так, обеспечивается полноценная идентификация механизма без опасений дублирования и упущения в подсчете.
Помимо ключа синхронизации также необходимо, чтобы в ЦИМ ОСР присутствовал параметр количества типов. Это обеспечит возможность учета нескольких групп или единиц однотипной техники.
В БД шаблонов машин и механизмов минимально необходимо присутствие следующих атрибутов (Таблица 1):
- ключ-код комплекта или отдельно задействованной техники для синхронизации с ЦИМ ОСР;
- наименование и модель техники для идентификации;
- количество техники внутри комплекта (если речь не идет об отдельно задействованном механизме).
Таблица 1
Форма представления данных БД шаблонов машин и мехнизмов
|
Ключ |
Наименование |
Модель |
Кол-во |
|
06-01 |
Автобетононасос |
CIFA K48L XRZ |
1 |
|
06-02 |
Автобетононасос |
АБН 75/33 |
1 |
В ЭТ машин и механизмов, подбираемых вручную исходя из практического опыта, минимально необходимо присутствие атрибутов наименования и модели строительной техники, а также количество по установленным для расчета периодам (Таблица 2).
Таблица 2
Форма представления данных ЭТ ручного заполнения
|
Идентификация |
Кол-во по периодам |
Обоснование |
|||||
|
Наименование |
Модель |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Комплекс работ |
Специализация |
|
Кран автомобильный |
КС-3577-4 |
1 |
1 |
Грузоподъемные |
Подача |
||
|
Кран автомобильный |
КС-3575А |
1 |
1 |
Грузоподъемные |
Подача |
||
По такой же форме будет строиться ЭТ ведомости потребности машин и механизмов с разницей в том, что здесь будут собираться данные из всех вышеописанных источников. Сбор данных будет обеспечиваться с использованием внешнего механизма расчета.
Механизмы расчета
В качестве механизма расчета будет выступать средства визуального программирования (ВП). Существует множество исследований, подтверждающих преимущество использования скриптов ВП для проведения нестандартных расчетов. Главное преимущество, подобных систем заключается в гибкости и способности адаптироваться под нужды нестандартных проектных задач.
Перед запуском скрипта должны предварительно выполняться шаги в следующей последовательности (Рисунок 1).
Рис 1. Схема выполнения подготовительных действий для создания ведомости потребности машин и механизмов
Принцип работы скрипта будет заключаться в автоматизированном выполнении следующих действий (Рисунок 2).
Рис. 2. Схема работы скрипта по созданию ведомости потребности машин и механизмов
Результаты
Для анализа эффективности предлагаемой методики использован объект «Строительство комплекса зданий Грозненского государственного нефтяного технического университета им. акад. М.Д. Миллионщикова (3-й пусковой комплекс – Строительство общежитий и учебно-лабораторных блоков), пр. Х. Исаева, 100, г. Грозный, Чеченская Республика».
Для объекта была выполнена вся последовательность предварительных шагов для работы скрипта. Тестирование ограничивалось работами по устройству железобетонных конструкций. Заполнение информации о подобранных машинах и механизмах производилось с использованием инструментов ЦИМ. Подсчет трудоемкости и длительности работ производился за счет использования скриптов ВП. Данные о длительности работ были экспортированы в среду КСП, где разрабатывался КСГ с определением сроков выполнения СМР. В дальнейшем данные о сроках были возвращены в модель с помощью скрипта ВП.
В последнюю очередь был запущен скрипт создания ведомости машин и механизмов, в результате чего было сформирована ЭТ (Таблица 3).
Таблица 3
Ведомость потребности машин и механимзмов, полученная приментильно к комплексу работ по устройству железобетонных конструкций
|
№ |
Наименование оборудования |
Кол-во по периодам* |
Обоснование |
||||
|
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Комплекс работ |
Специализация |
||
|
1 |
Кран башенный |
1 |
Грузоподъемные работы |
Подача материалов |
|||
|
2 |
Автобетононасос |
1 |
Бетонные работы |
Бетонные работы |
|||
|
3 |
Автобетоносмеситель |
3 |
Транспортные работы |
Бетонные работы |
|||
|
4 |
Кран автомобильный |
1 |
Грузоподъемные работы |
Подача материалов |
|||
(*) Периоды, выделенные при разработке скрипта, были выбраны по 180 дней (полугодия), что актуально для большинства проектов. В данном случае заполнились данные только для первого периода, так как длительность работ по устройству железобетонных конструкций составила 64 дня.
Использование скриптов ВП заняло в среднем 3 минуты при различных периодах запуска.
Обсуждение
Эффективность автоматизации и гибкость подхода
Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность применения скриптов ВП для задач организационного-технологического моделирования. Время обработки массива данных, составившее в среднем 3 минуты, несопоставимо меньше трудозатрат, требуемых для ручного подсчета ресурсов на аналогичном объеме работ. Это подтверждает выдвинутую гипотезу о том, что автоматизация рутинных расчетов позволяет инженеру ПОС сосредоточиться на оптимизации решений, а не на техническом подсчете.
Решение проблемы фрагментации данных
Во введении отмечалась проблема отсутствия механизмов для решения вопросов несостыковки и координации исходных данных. Разработанный метод использования составного ключа синхронизации показал себя как действенный инструмент преодоления этого барьера.
Ключ позволил связать среду ЦИМ с средой БД. Это развивает идеи, заложенные в исследованиях, где предлагалась концепция «словарей». Однако, в отличие от простых справочников, предложенная методика обеспечивает двустороннюю связь: изменения сроков в модели автоматически пересчитывают потребность в ресурсах через внешнюю базу.
Ограничения исследования
Несмотря на успешную апробацию, методика имеет ряд ограничений.
Во-первых, точность автоматического расчета напрямую зависит от корректности заполнения ключей синхронизации на подготовительном этапе. Человеческий фактор при назначении ключей сохраняется, хотя и минимизируется за счет использования шаблонов.
Во-вторых, в рамках тестирования был рассмотрен фиксированный период планирования (180 дней). Для проектов с высокой динамикой работ и частой сменой захваток может потребоваться более дробная дискретизация времени (недели или декады), что потребует доработки скрипта.
Практическая значимость
Предложенная методика решает прикладную задачу исключения ошибок в процессе подсчета. Как показал эксперимент, система автоматически подсчитала необходимое количество техники для бетонных работ, основываясь на данных шаблона. Это гарантирует, что ведомость потребности будет полным и обоснованным документом, пригодным для бюджетного планирования и логистики.
Заключение
В рамках проведенного исследования были получены следующие основные результаты:
- Разработана комплексная методика, позволяющая объединить разрозненные источники данных (ЦИМ, КСГ и внешние БД) в единую систему для автоматизированного расчета потребности в строительной технике.
- Решена проблема несогласованности данных. Предложенный принцип структурирования через составные ключи синхронизации и использование внешних шаблонов (БД) позволил корректно учитывать как атрибутивные данные элементов ЦИМ, так и эмпирически назначаемые ресурсы, избегая дублирования и потери информации.
- Доказана эффективность автоматизации. Апробация методики на объекте строительства комплекса общежитий ГГНТУ показала, что использование алгоритмов визуального программирования сокращает время формирования ведомости до 3 минут, обеспечивая при этом высокую точность расчетов и возможность оперативной корректировки данных при изменении сроков строительства.
- Практическая применимость. Предложенные формы представления данных и алгоритмы являются универсальными и могут быть адаптированы для различных типов строительных работ, что делает методику пригодной для внедрения в реальные процессы проектирования организации строительства (ПОС).
1. MDS 12-46.2008 Metodicheskie rekomendacii po razrabotke i oformleniyu proekta organizacii stroitel'stva, proekta organizacii rabot po snosu (demontazhu), proekta proizvodstva rabot / ZAO "CNIIOMTP". - M.: OAO "CPP", 2009 god.
2. Aliev, S. A. Sovremennye normativno-tehnicheskie trebovaniya pri razrabotke stroitel'noy cifrovoy informacionnoy modeli / S. A. Aliev, I. S. A. Murtazaev, M. A. El'murzaev // Innovacii v stroitel'stve - 2023 : Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, Bryansk, 06–08 aprelya 2023 goda / Redakcionnaya kollegiya: N.P. Lukutcova [i dr.]. – Bryansk: [b.i.], 2023. – S. 93-98. – EDN WDBQJZ.
3. Razrabotka nauchno-obosnovannyh trebovaniy k razrabotke proektov organizacii stroitel'stva (POS) s ispol'zovaniem tehnologiy informacionnogo modelirovaniya [Tekst]: otchet o NIR (zaklyuch.) Kniga 1: ruk. K.Yu. Kuznecov; ispoln.: O.O. Kubanskaya [i dr.]. - UDK 083.74; Reg. № NIOKTR AAAA-A20-120052690038-2; Reg. № IKBIRS.
4. Karakozova I. V. ISPOL'ZOVANIE «SLOVAREY» DLYa PLANIROVANIYa VREMENI RABOTY STROITEL'NYH MAShIN //BIM-modelirovanie v zadachah stroitel'stva i arhitektury. – 2022. – S. 71-76.
5. Karakozova I. V., Pavlov A. S. Sozdanie setevoy modeli na osnove universal'noy posledovatel'nosti stroitel'nyh rabot //Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie. – 2020. – №. 3. – S. 1-16. DOI: https://doi.org/10.22227/2305-5502.2020.3.1; EDN: https://elibrary.ru/YNRMMQ
6. Organizaciya BIM 5D s Revit i Navisworks / Dokladchiki: Aleksandr Popov, direktor po cifrovym tehnologiyam, Severin Development / Autodesk Russian. - 1 fayl (29 min 31 sek). - URL:https://youtu.be/MsDwI8ZSThY. Autodesk University Russia 2019. Moskva, 2-3 oktyabrya 2019. - Izobrazhenie : elektronnoe.
7. Melzner J., Hanff J. Automatic generation of 4D-schedules for reliable construction management //Fortschritt Berichte Vdi Zeitschriften. – 2017. – T. 223. – S. 112-124. DOI: https://doi.org/10.24928/JC3-2017/0223
8. Pham K. T. et al. 4D-BIM-based workspace planning for temporary safety facilities in construction SMEs //International journal of environmental research and public health. – 2020. – T. 17. – №. 10. – S. 3403. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph17103403; EDN: https://elibrary.ru/AAJSYB
9. Azhar S., Behringer A. A BIM-based approach for communicating and implementing a construction site safety plan //Proc., 49th ASC Annual International Conference Proceedings. – 2013.
10. Sulankivi K. et al. 4D-BIM for construction safety planning //Proceedings of W099-special track 18th CIB world building congress. – 2010. – T. 2010. – S. 117-128.
11. Skjelbred S., Fossheim M. E., Drevland F. Comparing different approaches to site organization and logistics: multiple case studies //23rd Annual Conference of the International Group for Lean Construction. – Perth : Australia, 2015. – S. 13-22.
12. Bortolini R., Shigaki J. S. I., Formoso C. T. Site logistics planning and control using 4D modeling: a study in a lean car factory building site //23rd Annual Conference of the International Group for Lean Construction. – Perth, Australia, 2015. – T. 55. – №. 51. – S. 361-370.
13. Cheng J. C. P., Kumar S. A BIM-based framework for material logistics planning //23rd Annual Conference of the International Group for Lean Construction. – 2015. – S. 33-42.
14. Trani M. L. et al. Construction site BIM requirements //Proceedings 30th Annual Association of Researchers in Construction Management Conference, ARCOM. – 2014. – T. 2014. – S. 663-672.
