各位很多都是老朋友的，我是清华大学土木工程系的张建平，去年在苏州早召开“的第二届国际数字城市大”会上我应大会的邀请作了一个报告，在那个报告里面我主要是汇报了我们“在十”五期间研究的成果，这是关于从宏观上介绍了建筑、施工企业信息化系统的框架、支撑技术以及实施的策略。今年又很荣幸地应大会的邀请再次向大家汇报我们近期研究的成果。今天我想具体介绍两个当前的新的信息技术。一个是4D技术的技术，还有一个是过程模拟的方法。在建筑施工管理中的应用。
我的题目是《基于4D技术技术和过程模拟的建筑施工优化及管理》。
首先我想汇报一下我们这项项目和课题研究的背景。大家众所周知，建筑、施工是一个高度复杂的动态的过程，施工的工序他以工期、成本、资源、场地之间都存在着复杂的动态的联系，而且具有相当的不确定性和随机性。目前传统的施工管理方法主要是用横道图、网络图表示施工进度计划，用直方图表示资源的计划，这是大家很熟悉的CTM技术等等。这些技术和方法他自己的特性所限，当前不能完全满足现代施工管理的要求，主要是从这么几个方面来看。第一个它难以准确地表达工程施工这个具有高度关联性的动态变化过程，也很难以形象地表达施工的进度和进度之间相互关联的一些复杂的关系。同时，也无法解决施工过程中的一些随机的问题，更难以处理施工过程中的一些突发事件。
第三方面，他也不能动态地优化分配所需要的各种资源，尤其是工作空间，也不能描述施工场地的使用和布置。所以科学、高效、合理的施工管理方法对于当前现代化的工程建设，尤其是对于大型复杂的构成建设具有重要的意义。
在这个意义主要是体现在如何综合地考虑施工过程中进度、资源、场地等因素之间的一个动态的复杂的关联关系。同时要想办法解决复杂施工过程中他的动态性、随机性和关联性的问题。一个重要的研究思路是什么呢？就是要想办法来对施工进度、成本、资源、质量、安全以及场地进行集成化而且是动态的管理。
要实现这么一个研究的思路和目标，首先要解决的就是实现施工全过程的信息集成和管理，这个信息的集成和管理关键也是首要要解决的的是信息交换的标准，来支持面向项目权声明期工程信息创建、管理和共享。
第二要建立一个随时间动态变化的信息模型，要在3D几何模型的基础上要附加时间的因素和各种我们所需要的一些工程的信息或者是属性。
第三条途径，要实现施工过程模拟，这个过程模拟和我们常说的只是从形式上反映它的一个施工建造过程不同，它的区别在什么地方呢？就是要想办法建立一个数理的逻辑模型，在这个模型中他要综合考虑施工过程中进度、资源、场地等因素之间的动态联系，力求解决相关的不确定性和随机性，进行施工过程的不仅要模拟而且要预测它的所有的一些行为和操作。
要实现这个目标，4D—CAD的技术和过程模拟理论方法，为实现这个目标提供了新的途径。当前也是一些国外研究的热点，清华大学我所领导的科研小组多年在4D—CAD的领域进行了一些卓有成效的一些研究，最近也推出了“基于IFC标准的建筑工程4D施工管理系统”，香港大学在施工过程的模拟领域这方面的研究也取得了长足的进展，推出了“基于离散事件模拟的施工优化系统”。
我要汇报的总体目标就是在现有的研究成果上开发一个集成的4D技术和过程模拟面向工程的施工管理系统。在这个系统中，要充分发挥4D技术和过程模拟的优势，弥补他相互之间的不足，来实现基础于过程模拟的基于4D技术的动态管理和施工的优化，为建筑施工探索了新的理论途径和方法。这项课题的来源是国家自然科学基金项目在研的基金项目，以
及清华大学和香港理工大学建设工程信息技术研究中心的基金项目。
下面我简单地介绍一下，4D—CAD技术相关的应用。4D—CAD在很多的学术会议上我都曾经给大家作过相关的介绍。他主要是基于4D模型的计算机辅助模型，4D模型在3D模型的基础上附加了时间的因素，时间作为另外一轴，来将模型的形成过程以动态的3D形式表现出来的一个图像化的模型。这项技术应用于土木工程的领域主要是以建筑物的3D模型为基础，以建筑的计划作为时间的因素，把工程的整个进展形象地展现出来，形成一个动态的建造过程的模拟。
需要说明的是4D模型它绝不仅仅是一种可视化的媒介，也就是我们常说的3D的形象进度，他绝对不仅仅是这样的一个理解。而是能够对整个形象的进度可以进行优化和控制。 4D技术是96年由美国史丹福他们提出来的，10年期间包括史丹福和英国、芬兰的国家开展了一系列的研究，现在也列入了我们建筑领域信息化和计算机应用的一个重要的学科研究方向。我们清华大学我所领导的科研小组从91年开始就展开了这方面的研究，近10多年来，我 在理论上不断地深入，在技术上不断地丰富，在系统上不断地完善，已经推出过5个版本的4D施工管理系统，最新的系统是我们去年推出的一个4D网络版。在这个版本上我们主要是基于“十五”专项课题的研究，主要是引入了建筑业国际标准IFC，建立了基于IFC4D施工管理扩展模型，他将将筑物和3D模型与施工计划相链接，同时与施工的资源场地的布置信息集成一体，实现了基于网络环境的施工进度，人力、材料、设备、成本和场地布置的4D动态集成管理，以及施工过程的4D可视化模拟。
在这个系统中我们除了常规的一些用户的管理，还有模型的建立，WBS和进度计划的创建，以及自动创建4D模型，关键是为我们的施工管理提供了4D的进度管理、4D过程模拟和4D动态管理和4D的施工场地管理等功能。
在这个系统中我们除了常规的一些用户的管理，还有模型的建立，WBS和进度计划的创建，以及自动创建4D模型，关键是为我们的施工管理提供了4D的进度管理、4D过程模拟和4D动态管理和4D的施工场地管理等功能。
这项研究刚才说的是“十五”的课题研究，我们主要是和北京城建总公司和广源达科技开发公司一起开发了这个成果，在06年的1月20号已经通过了建设部组织的专家验收，在06年11月3号通过了教育部组织的专家鉴定，评价是“系统的研制成功和实际应用属国内首创，填补了国内空白，达到了国际先进水平。”这项研究和系统先后在北京和香港十几个实际的工程中运用，目前的最新颁布除了运用于国家的体育场工程之外，目前还在青岛跨海大桥的工程上进行实际的应用。这个系统主要的功能和特点，一个是他提供了IFC文件解释器和IFC标准数据接口引擎，可以支持设计和施工阶段与其他应用系统之间的信息交换和共享。第二个是他提供了基于网络的4D可视化工作平台，可以支持在项目中各个管理部门和多参与方的信息交换，实现了4D的施工管理和网络化。在系统中他可以读取其他的CAD系统输出的IFC文件或者直接导入其他声称的3D模型。还可以系统缄默工具在AutoCAD中建模，为3D建模提供了有效的方法，这是AutoCAD的模型创建，这是可以引入IFC数据建模，这是可以导入其他的3D设计结果。我们是用CATIA的系统导入的。 这个系统中还具有工程施工段的划分，WBS创建的功能，实现了WBS与微软的Project的相互链接，提出系统的WBS的编辑器和工序的模板可以完成WBS和进度计划的创建，大家提高了工作效率。同时可以将WBS的节点与相应的3D构建实体相链接，自动生成工程的4D模型，并且与资源信息和其他的工程属性相集成，形成多维的信息管理。现在大家看到的是国家体育场的建立计划，以及我们在建立的相关的4D模型和在这个模型里面我们可以添加你所需要的任何的工程属性。 对日常的管理我们提供了4D的管理，我们可以通过Project或者是4D界面对施工进度进行调整和控制，实现了进度的动态管理，而且在管理当中我们提供了任意WBS节点或者是任意选择3D施工段，或者是任意3D构建的工程信息的实时查询，以及多套施工方案的对比、分析，以及计划与实际进度的追踪和分析功能。
这是我们在管理过程中可以在模型上选择任何的单元构建然后进行显示，也可以选择任
意的节点和构建施工段进行施工信息的查询，真正地做到了图和数他的一体化。
下一个功能4D进度的动态模拟，这个模拟可以以天、周、月为时间单位，而且可以按照不同的时间间隔对施工的进度进行正序的模拟或者是逆序的模拟，形象地反映整个施工的进度。现在看到的是国家体育场的钢筋混凝土的看台的施工模拟和钢结构的部分模拟情况。 在这个模拟过程中我们可以显示当前的状态信息显示，大家可以看到在这个图形的下方以列表的方式同步显示当前施工状态的详细信息，这都是动态的进行显示。
下一个功能4D进度的动态模拟，这个模拟可以以天、周、月为时间单位，而且可以按照不同的时间间隔对施工的进度进行正序的模拟或者是逆序的模拟，形象地反映整个施工的进度。现在看到的是国家体育场的钢筋混凝土的看台的施工模拟和钢结构的部分模拟情况。 在这个模拟过程中我们可以显示当前的状态信息显示，大家可以看到在这个图形的下方以列表的方式同步显示当前施工状态的详细信息，这都是动态的进行显示。
另外一个重要的功能，我们提供了4D动态的资源管理，这个管理里面，我们提供了个可以设置多套定额的一个资源模板，在这个模板里面可以自动地计算任意WBS节点和任意的3D施工段和构建的构成量以及相应的施工进度的人力、材料、机械的消耗量和预算成本，可以进行公正量的完成情况、资源计划和实际消耗多方面的统计分析。
最后，还有一个重要的功能，就是4D场地的管理，施工现场的管理可以进行3D的场地布置，而且这些所有的布置我们定义了它施工设施的4D的属性，你点击任意的施工的设施实体，可以查询它相关的属性，可以进行冲突检查，把场地布置形成了4D的管理。
我们开发了一个OpenGL图形平台，提供了视图变换、图形控制和4D和3D显示效果和运行数据的一个瓶颈。这是整个的模拟，这包括了整个施工进度和场地布置的所有模拟的情况。
我汇报的第三方面主要是对过程模拟理论和方法，所谓的模拟是指设计一个现实的或者虚拟系统的模型。并且在这个模型上进行实验的过程。
模拟的目的是了解系统的行为或者是评估系统运行的策略，为了了解系统运作的过程，并且在作分析之前要预先设定一些符合某种数学形式和逻辑关系的一个前提和假设，这个前提和假设通常称之为模式，如果模式关系比较简单，系统可以用数学分析的方法进行求他的答案，这个过程我们称之为解析法。实际上各种系统的组成相当复杂，无法利用简单的解析法直接获得结果，所以需要在计算机上建立这些系统的署理逻辑模型，通过仿真的过程实验这个方法来获得最终的结果。这是他的模式。
过程模拟分成两类，一个是连续的模拟，系统的状态变量随时间连续地变化，通常表现为一个有时间变量的函数。还有一个是离散事件的模拟，系统状态的变量在有限的时间离散点上产生瞬间变化。这种状态参数发生的突然变化被称之为事件。
例如施工过程中的模拟，其中每一个工序的开始、中断、恢复和完成都伴随着系统的某些参数的状态的变化，比如施工对象的变化、资源的占有和释放，都可以看成一个事件。 离散事件的模拟在计算机上面实现起来并不困难，只需要按照时间的顺序推算各个时间点的系统的状态变化，就可以模拟他的实际过程。所以离散事件在施工管理中应用比较广泛。 施工过程的模拟从73年提出来了，这么多年也推出了一些相关的理论和系统，在理论和方法上有一些图过，但是在实际的应用效果上不尽人意。主要的原因是这个系统的使用建模的过程比较困难，使用比较复杂。模拟的结果不易分析和整理，很难提供有用的信息。目前研究者主要工作是简化建模的过程加强模拟系统的表达和表现这个方面。
例如施工过程中的模拟，其中每一个工序的开始、中断、恢复和完成都伴随着系统的某些参数的状态的变化，比如施工对象的变化、资源的占有和释放，都可以看成一个事件。 离散事件的模拟在计算机上面实现起来并不困难，只需要按照时间的顺序推算各个时间点的系统的状态变化，就可以模拟他的实际过程。所以离散事件在施工管理中应用比较广泛。 施工过程的模拟从73年提出来了，这么多年也推出了一些相关的理论和系统，在理论和方法上有一些图过，但是在实际的应用效果上不尽人意。主要的原因是这个系统的使用建模的过程比较困难，使用比较复杂。模拟的结果不易分析和整理，很难提供有用的信息。目前研究者主要工作是简化建模的过程加强模拟系统的表达和表现这个方面。
实际上这个系统是香港理工大学的陆博士提出来的，他主要是做了在模拟计算流程的优化和施工场地信息和资源移动方面作了大量的工作，同时可以控制复杂的施工过程，而且进行施工过程的动态的显示。
这是SDESA模型，主要是对模拟对象的一个抽象描述，也是模拟的一个基础，他完成的模型是由施工过程定义、场地布置信息定义、控制变量和资源属性三部分组成。这个过程我就不详细地给大家展开说了。
我们相关的论文上都有详细的描述。
这是场地，这是控制变量和资源属性的一些定义和描述。建立了这个模型了以后，我们对这个模拟的流程进行了设定，大家可以看到就是它整个的模拟的流程。在这个流程中一个
模拟流程的原则就是对流动实体的队列进行处理，他们处理的原则是先到先服务，也设定了它的结束条件，同时可以对资源和实体的移动进行控制和处理。
这就是SDESA系统的模块，从中我们可以看到他有离散事件的分析模块，结果分析的模块，还有模型的建立和动态显示等等这些关键的模块组成。 下面就是模型的建立、场地信息的处理，过程的模拟，结果的分析以及施工动态的显示。在这个SDESA的功能里面，它主要是综合考虑了施工过程中工序过程中的复杂动态关系和各种不确定性和随机性，能够考虑了资源利用和场地条件方面的一些限制，能够实施了施工过程的模拟和预测，能够得出工序、工期、人力资源和场地资源的一些占用情况，可以建立不同的施工方案，而且对方案进行优化和比较，这个系统在香港多个实际工程以及国家体育场的钢结构吊装方案进行了试用，取得了显著的成果。
基于这两项技术的集成所建立的施工管理系统，这两个系统和技术，他各有优点，我们也有相应的不足进行了比较，经过比较我们进行了过程的模拟和集成。4D管理和过程模拟的集成，我们首先还是在4D管理系统中建立整个Project进度计划，然后对大量的、正常的、有规范的任务我们仍然用Project来处理，对于复杂的任务我们用SDESA进行模拟。然后把SDESA的模拟结果再输入到4D系统里面调整他Project的计划。 这是整个系统集成的架构。
基于这两项技术的集成所建立的施工管理系统，这两个系统和技术，他各有优点，我们也有相应的不足进行了比较，经过比较我们进行了过程的模拟和集成。4D管理和过程模拟的集成，我们首先还是在4D管理系统中建立整个Project进度计划，然后对大量的、正常的、有规范的任务我们仍然用Project来处理，对于复杂的任务我们用SDESA进行模拟。然后把SDESA的模拟结果再输入到4D系统里面调整他Project的计划。 这是整个系统集成的架构。
通过集成我们大家可以看到，在SDESA这个系统中，我们可以直接读取CAD的模型数据，进行信息的共享和交换以后，再到SDESA系统里面进行处理，再回到4D系统里面进行展示。这是我们在4D环境中进行过程模拟的动态模拟，原来它的模拟是用很简单的线条进行模拟，现在我们经过实体的模拟。
这个是系统的整个应用流程，我们很好地把它集成起来了。
下面我们看到一个案例的应用，这也是我汇报的第五个方面，这是在香港的后海湾的一个高架桥的工程中进行应用的，这个工程的场地紧缺，工程也很大，我们利用SDESA和集成的系统对于这个方面在工程中进行了实际的应用。首先我们在CAD系统里面建立了Project的计划，然后在4D系统中实现了整个高架桥他的桥跨吊装施工的可视化的模拟过程。在这个模拟过程中，我们把对这个过程中需要进入深入分析的任务提取出来，交到SDESA模型里面进行模拟，模拟了结果以后，我们再要传我们的4D系统里面，然后进行4D计划的调整和4D的模拟。这就是我们整个模拟的情况。大家可以看到，这个模拟和我们原来4D的模拟是完全按照进度、时间的序在模拟的。我们现在的模拟是通过了SDESA的优化、分析、考虑了他资源的占有，包括场地的布置占有，这是最后的模拟情况。
我们把这个动态的模拟可以分解一下，大约分成了几个主要的，这是整个的模拟情况，这 在一个工程中的实际应用。同时我们在模拟的情况下还可以改变它的资源，你把拖车的资源或者是位置进行修改，另外把相关的一些流动的资源、人工的资源也进行一些修改，修改以后马上动态的模拟4D的模拟也得到了更新，最后也是得到了更新。这个模拟整个的科学性、准确性得到了优化，得到了综合的分析和考虑。这个模拟也在国家体育场中钢结构吊装的部分也得到了成功的应用。 最后来看一下我们这项研究，应该说这两项新技术的集成，主要是基于过程模拟的4D动态的管理和资源的优化，这项研究确实为提高施工信息化管理水平探索了一个新的途径和方法。系统实际的应用也验证了它的可行性。下一步研究主要是基于过程模拟4D的虚拟施工，这项研究现在已经成功地在“十一五”的一个项目中申报成功，得到了一个专项。另外我们还要对4D技术的施工安全分析和预测，这一项课题我们现在正在申报，也是“十一五”的课题，渴望能够得到资助。
这就是我今天汇报的结果。谢谢各位！
这就是我今天汇报的结果。谢谢各位！
