Scheduling of repetitive Construction Projects: Multi-Objective Optimization Approach. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final Thesis Report.pdf Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تتميّز مشاريع التشييد بطبيعتها ببيئات يكتنفها قدر كبير من عدم اليقين. إذ إن الاضطرابات الناجمة عن تقلب ظروف الموقع، ومحدودية توافر الموارد، ومشكلات موثوقية المعدات، وتغيّر الأحوال الجوية، يمكن أن تؤثر بصورة كبيرة في أداء المشروع. وتظهر هذه الشكوك بصورة رئيسية خلال مرحلة التنفيذ، وقد تمتد آثارها إلى مختلف أنشطة المشروع، مما يؤدي إلى تأخر الجداول الزمنية وتجاوز التكاليف المقدّرة. وتزداد أهمية هذه الشكوك في مشاريع التشييد التكرارية، مثل الجسور والطرق السريعة وشبكات خطوط الأنابيب، حيث تقوم فرق عمل متخصصة بتنفيذ مهام متشابهة بشكل متسلسل عبر وحدات متعددة. وفي مثل هذه الحالات، فإن ضرورة استمرارية الطواقم تعني أن الاضطرابات التي تؤثر في وحدة واحدة قد تمتد آثارها إلى الوحدات والأنشطة اللاحقة، مما يضاعف أثرها الكلي على مدة المشروع وتكلفته. وعلى الرغم من تنامي الأبحاث المتعلقة بجدولة مشاريع التشييد التكرارية، فإن النماذج السائدة لا تزال تعتمد في الغالب على افتراضات حتمية أو على تمثيلات مبسطة لعدم اليقين. ويحد هذا القصور من قدرتها على تمثيل الاضطرابات التي تحدث في مرحلة التنفيذ داخل وحدات النشاط، وكذلك انتقال آثارها عبر سير العمل التكراري بصورة دقيقة. إضافة إلى ذلك، فإن استراتيجيات الإدارة التكيفية، مثل العمل الإضافي أو إعادة توزيع الطواقم، غالباً ما تُعالج بصورة ضمنية فقط أو تقتصر على أساليب إعادة الجدولة التفاعلية بعد وقوع الاضطراب. ونتيجة لذلك، فإن منهجيات الجدولة الحالية لا تزال عاجزة عن تقديم دعم شامل لتقييم متانة جداول مشاريع التشييد التكرارية في ظل حالات عدم اليقين الواقعية أثناء التنفيذ. ولمعالجة هذه القصور، يقدّم هذا البحث إطاراً للتحسين العشوائي ثنائي المرحلة، صُمّم خصيصاً لجدولة مشاريع التشييد التكرارية ضمن منهجية خط التوازن (LOB). ففي المرحلة الأولى، تتم صياغة نموذج تحسين حتمي متعدد الأهداف من خلال إطار برمجة خطية صحيحة مختلطة (MILP). ويهدف هذا النموذج إلى تقليل كلٍّ من مدة المشروع والتكلفة الإجمالية، مع الالتزام بعلاقات الأسبقية، وقيود استمرارية الطواقم، ومتطلبات الموارد. وقد استُخدمت طريقة القيد المعزّز-إبسيلون (AUGMECON2) لاشتقاق مجموعة من الجداول الأساسية المثلى باريتو، التي توضّح المفاضلة الحتمية بين الزمن والتكلفة، حيث تتراوح مدة المشروع تقريباً بين 107 و143 يوماً، بينما تتراوح التكلفة الإجمالية بين 1.46 و1.51 مليون دولار. وفي المرحلة الثانية، تُقيَّم هذه الجداول الأساسية في ظل عدم اليقين التنفيذي باستخدام محاكاة مونت كارلو، مدعومةً بأسلوب التقريب بمتوسط العينة (SAA). وفي هذه المرحلة، تُنمذج الاضطرابات داخل الوحدة بصورة احتمالية من حيث احتمال وقوعها وتوقيت حدوثها وشدّتها، مع تضمين استراتيجيات المعالجة مثل العمل الإضافي وإعادة توزيع الطواقم لمحاكاة الاستجابات الإدارية الواقعية لهذه الاضطرابات. وقد تم اختبار هذا الإطار من خلال دراسات حالة لمشاريع إنشاء الجسور والطرق السريعة، بما يتيح تقييم أداء الجداول الزمنية في ظل عدم اليقين. وتشير النتائج إلى أن الجداول الحتمية المثلى قد تُظهر مخرجات مختلفة بشكل ملحوظ عند أخذ حالات عدم اليقين التنفيذية في الحسبان. فعند التقييم العشوائي، ترتفع المدة المتوقعة للمشروع إلى نحو 128–163 يوماً، بينما ترتفع التكلفة الإجمالية المتوقعة إلى نحو 1.485–1.537 مليون دولار. فعلى سبيل المثال، ينتقل حل الحد الأدنى للتكلفة من مدة حتمية تبلغ 142.90 يوماً إلى مدة متوقعة تقارب 163.2 يوماً، مع ارتفاع التكلفة من نحو 1.46 مليون دولار إلى 1.48 مليون دولار. وبالمثل، فإن الجداول التي تُحسَّن على أساس تقليل المدة تتعرض في المتوسط لتأخيرات تتجاوز 20 يوماً، مع احتمالات مرتفعة لتجاوز الجدول الزمني والتكلفة. كما أن الجداول التي تعطي الأولوية لتقليص المدة غالباً ما تُظهر درجة أعلى من الهشاشة أمام الاضطرابات، في حين أن الجداول التي تركّز على الكفاءة التكلفية تُظهر مرونة أكبر بفضل ما تتمتع به من فسحة زمنية أوسع. كما تُظهر تحليلات الحساسية أن زيادة احتمال الاضطراب وشدّته ترتبط بزيادات كبيرة في مدة المشروع المتوقعة وتكاليفه. وخلاصة القول، فإن الإطار المقترح يوفّر منهجية منهجية لتقييم متانة جداول مشاريع التشييد التكرارية، بما يسهم في نهاية المطاف في دعم عمليات اتخاذ القرار بصورة أكثر وعياً في بيئات إدارة التشييد التي تتسم بعدم اليقين.

English Abstract

Construction projects are fundamentally characterized by environments fraught with uncertainty. Disruptions stemming from fluctuating site conditions, limited resource availability, equipment reliability issues, and variable weather can profoundly impact project performance. These uncertainties predominantly manifest during the execution phase and can reverberate across various project activities, culminating in schedule delays and cost overruns. The significance of such uncertainties is amplified in repetitive construction projects such as bridges, highways, and pipeline systems, where specialized crews sequentially perform similar tasks across multiple units. In these scenarios, the necessity for crew continuity means that disruptions affecting a single unit can ripple through subsequent units and activities, thereby magnifying their overall impact on project duration and expenditure. Despite the growing body of research on repetitive construction scheduling, the predominant models are based on deterministic assumptions or simplified representations of uncertainty. This limitation hinders their capacity to accurately reflect execution-stage disruptions within activity units and the subsequent propagation through repetitive workflows. Furthermore, adaptive management strategies, such as overtime or crew reallocation, are frequently addressed only tacitly or limited to reactive rescheduling approaches. As a result, current scheduling methodologies fall short of providing comprehensive support for assessing the robustness of repetitive construction schedules amid real-world execution uncertainties. To rectify these shortcomings, the present research introduces a two-stage stochastic optimization framework tailored for repetitive construction scheduling within the Line-of-Balance (LOB) paradigm. In the initial stage, a deterministic multi-objective optimization model is formulated through a mixed-integer linear programming (MILP) framework. This model aims to minimize both project duration and total cost while adhering to precedence relationships, crew continuity constraints, and resource requirements. The augmented ε-constraint method (AUGMECON2) is utilized to derive a set of Pareto-optimal baseline schedules that delineate the deterministic time-cost balance, where project duration ranges from approximately 107 to 143 days and total cost varies between $1.46 million and $1.51 million. In the subsequent stage, these baseline schedules are evaluated for execution uncertainty using Monte Carlo simulation, complemented by Sample Average Approximation (SAA). Here, within-unit disruptions are probabilistically modeled for their likelihood, timing, and severity, incorporating recourse strategies such as overtime and crew reallocation to simulate realistic managerial responses to these disruptions. The framework is tested through case studies of bridge and highway construction, enabling an assessment of schedule performance under uncertainty. Findings indicate that deterministic optimal schedules can yield markedly different outcomes when execution uncertainties are factored in. Under stochastic evaluation, expected project duration increases to approximately 128–163 days, while expected total cost rises to about $1.485–$1.537 million. For instance, the minimum-cost solution shifts from a deterministic duration of 142.90 days to an expected duration of approximately 163.2 days, with cost increasing from about $1.46 million to $1.48 million. Similarly, duration-optimized schedules experience average delays exceeding 20 days, with high probabilities of schedule and cost overruns. Schedules that prioritize duration reduction often exhibit heightened vulnerability to disruptions, whereas those that focus on cost efficiency display greater resilience due to greater temporal flexibility. Sensitivity analyses further demonstrate that increases in the probability and severity of disruption are associated with significant increases in expected project duration and costs. In summary, the proposed framework offers a systematic methodology for evaluating the robustness of repetitive construction schedules, ultimately facilitating more informed decision-making processes within the uncertain realms of construction management.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Construction
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Thesis Advisor:	Ahmed Ghaithan,
Thesis Committee Members:	Laith Hadidi, Ibrahim Al Turki,
Depositing User:	EIMAN ABDELRAOUF (g202319610)
Date Deposited:	18 May 2026 11:38
Last Modified:	18 May 2026 11:38
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144329