重大自然災(zāi)害中基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本控制算法

馬文姝

(吉林工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，吉林 四平 136001)

當(dāng)前隨著自然災(zāi)害發(fā)生頻率的增多，一些重大自然災(zāi)害的發(fā)生會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞影響。其中，自然災(zāi)害的發(fā)生對(duì)城市道路造成大規(guī)模損壞，急需對(duì)道路損毀的路面重新修整，BIM數(shù)據(jù)模型通過(guò)數(shù)字軟件對(duì)建筑工程項(xiàng)目不同信息實(shí)施集成分析，其對(duì)復(fù)雜環(huán)境下，道路重建造價(jià)成本的控制有極大幫助。實(shí)際的建筑過(guò)程中，各種外界原因會(huì)造成建筑工程造價(jià)成本預(yù)算過(guò)高，造成預(yù)算的作用無(wú)法體現(xiàn)，影響建筑的經(jīng)濟(jì)效益。胡曉娟[1]對(duì)保溫建筑的博弈平衡造價(jià)實(shí)施了控制仿真，對(duì)混凝土墻面進(jìn)行柔性造價(jià)與熱應(yīng)力梯度邊界數(shù)值模擬，獲取建筑造價(jià)成本與建筑生產(chǎn)效率的約束關(guān)系，該算法僅從理論計(jì)算建筑造價(jià)成本與建筑生產(chǎn)效率關(guān)系，未考慮外界因素的影響。傅為華[2]營(yíng)改增下基于BIM技術(shù)的工程造價(jià)管理研究根據(jù)施工過(guò)程中某階段的消耗成本，該算法對(duì)建筑工程造價(jià)成本控制精度低。為解決以上問(wèn)題，提出重大自然災(zāi)害中基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本控制算法，提升道路重建造價(jià)成本控制精度，提高建筑經(jīng)濟(jì)效益。

1 重大自然災(zāi)害中基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本控制算法

1.1 重大自然災(zāi)害類(lèi)型

我國(guó)重大自然災(zāi)害種類(lèi)較多，主要的幾種重大自然災(zāi)害類(lèi)型有洪澇災(zāi)害、地震、泥石流等。

(1)洪澇災(zāi)害。過(guò)度降雨、堤壩等水利設(shè)施崩潰等會(huì)形成洪澇災(zāi)害。當(dāng)前我國(guó)的洪澇災(zāi)害在東部區(qū)域中的七大江河及其支流中下游的發(fā)生概率較高，通常發(fā)生在降雨集中的梅雨天氣。洪澇災(zāi)害會(huì)淹沒(méi)房屋和群眾，使基礎(chǔ)道路設(shè)施被破壞，嚴(yán)重影響人們的出行安全和交通的順利運(yùn)行。

(2)地震。破壞性地震通常會(huì)形成瞬間突發(fā)型嚴(yán)重災(zāi)害。地震災(zāi)害具有突發(fā)性和難預(yù)見(jiàn)性，并且大部分重大地震災(zāi)害會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害，如泥石流和滑坡等。重大地震災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致道路出現(xiàn)大范圍斷裂、錯(cuò)位甚至崩塌，對(duì)道路造成的危害最為嚴(yán)重和直接。

(3)泥石流。泥石流發(fā)生具有較高的突發(fā)性，不容易被檢測(cè)，在形成時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量破壞性能量，大量泥沙和石塊堆積在道路中，嚴(yán)重影響交通的順利通行，并且還會(huì)破壞道路表面以及道路兩端基礎(chǔ)設(shè)施，通常會(huì)導(dǎo)致道路出現(xiàn)凹陷、裂縫等問(wèn)題。

1.2 重大災(zāi)害下道路主要破壞形式和原理

1.2.1 裂縫

重大災(zāi)害對(duì)道路形成的最直接破壞形式是裂縫，特別是地震災(zāi)害下道路容易產(chǎn)生裂縫，其中橫向裂縫包括荷載型裂縫和非荷載型裂縫，而泥石流、滑坡災(zāi)害下道路路面承載力和強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致道路路面出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂問(wèn)題，在泥石流和滑坡侵害下，道路裂縫向上擴(kuò)展，同時(shí)受到下層開(kāi)裂的影響，使得道路路面應(yīng)力集中并且出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂問(wèn)題。地震災(zāi)害下道路會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，而產(chǎn)生非荷載型裂縫問(wèn)題。而滑坡、泥石流、地震等災(zāi)害下道路容易出現(xiàn)荷載過(guò)高、承載力降低以及縱向應(yīng)力增強(qiáng)等問(wèn)題，進(jìn)而形成縱向裂縫。

1.2.2 變形

重大自然災(zāi)害下道路產(chǎn)生的破壞形式主要是沉陷和推擠，其中滑坡、泥石流以及地震災(zāi)害都會(huì)導(dǎo)致道路路面出現(xiàn)凹陷問(wèn)題而產(chǎn)生大幅度沉降現(xiàn)象，同時(shí)存在貫穿總體路面的結(jié)構(gòu)性損壞。

1.2.3 表面破壞

重大自然災(zāi)害會(huì)使得道路表面出現(xiàn)剝落、坑槽等損壞問(wèn)題。并且在地震等極限強(qiáng)度下對(duì)道路產(chǎn)生偏荷載作用，在該作用下使得道路基層失去抵抗拉應(yīng)力的能力，同時(shí)在開(kāi)裂出將拉應(yīng)力傳輸?shù)降缆繁砻鎸?，增?qiáng)道路損壞程度。

1.3 基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本初步控制

上述兩小節(jié)充分分析了不同重大災(zāi)害類(lèi)型對(duì)道路產(chǎn)生的影響，因此災(zāi)害道路重建工作具有重要的意義。而對(duì)道路進(jìn)行重建，合理控制道路重建造價(jià)成本，對(duì)于提高道路建設(shè)的效益具有重要意義。

控制道路重建造價(jià)成本時(shí)，采用BIM模型分析影響道路重建工程造價(jià)成本控制的主要因素[3]，包括材料的市場(chǎng)供需關(guān)系、道路工程重建所需的工程人力、設(shè)備資源以及材料的成本變化狀態(tài)觀測(cè)方程[4]，確定道路工程重建的造價(jià)控制閾值，采用該閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)道路工程重建造價(jià)成本的控制[4]，具體控制過(guò)程如下：

重大自然災(zāi)害發(fā)生后，采用BIM模型分析得出的道路工程重建中的造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)用表示，完成該道路工程重建的實(shí)際花費(fèi)為A(f)，預(yù)算單價(jià)用B(α)表示，預(yù)算的花費(fèi)誤差為P(o)，道路工程的全部開(kāi)支為M(Y)，將定額開(kāi)銷(xiāo)用Q表示，將對(duì)道路工程建設(shè)有益處的資金用Z表示，影響道路工程重建造價(jià)的主要因素為：

(1)

式中：工程重建的造價(jià)控制閾值用C(p)表示，道路工程重建造價(jià)過(guò)程的中的各項(xiàng)支出表示為k()，整個(gè)道路工程重建不同階段的支出演變規(guī)律用D*表示，建筑材料的價(jià)格變化用E(δ)表示[5]。設(shè)單個(gè)道路工程的施工時(shí)間為F，道路施工材料類(lèi)型用H(i)表示，工程施工風(fēng)險(xiǎn)為N(p)，道路工程中的施工材料與市場(chǎng)關(guān)系為[6]：

(2)

式中：施工材料的數(shù)量類(lèi)型變化指數(shù)用Ge表示，消耗的建筑材料的單價(jià)為F*(ε)，將道路工程重建造價(jià)控制的增值指標(biāo)用(pf)表示。將v(H)用于表示所有的成本，將道路工程重建的進(jìn)度與成本關(guān)系用D0表示，建筑施工材料的單價(jià)演化規(guī)律為[7]：

(3)

(4)

式中：成本核算權(quán)重為ξ″(e)，道路重建工程項(xiàng)目變更權(quán)限為KM，成本價(jià)格的財(cái)務(wù)監(jiān)督權(quán)重為(s)，項(xiàng)目施工的外界條件為N(d)。將道路重建工程全部的造價(jià)預(yù)算閾值設(shè)為Fx：

(5)

式中：XΦ為道路重建工程中不同階段的成本控制定值[9]，建筑材料的價(jià)格波動(dòng)曲線(xiàn)為r(w)，道路重建項(xiàng)目數(shù)量為W″。基于式(5)獲取的造價(jià)成本閾值和式(4)的道路重建工程人力、設(shè)備資源以及施工材料等成本的變化狀態(tài)方程，道路工程重建的初步造價(jià)控制為:

(6)

在上述造價(jià)成本初步控制的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)道路工程造價(jià)成本精確控制，應(yīng)在線(xiàn)評(píng)估原始狀態(tài)下不同項(xiàng)目的開(kāi)銷(xiāo)狀態(tài)[10]，且工程造價(jià)成本增長(zhǎng)指數(shù)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)指數(shù)分析的現(xiàn)象，則應(yīng)運(yùn)算出道路造價(jià)成本預(yù)算指數(shù)時(shí)間序列的非線(xiàn)性造價(jià)影響因子激活函數(shù)[11]，依據(jù)該函數(shù)評(píng)估道路重建工程預(yù)算增長(zhǎng)指數(shù)的波動(dòng)情況，在此集成上通過(guò)時(shí)間序列估計(jì)方法評(píng)估道路重建工程造價(jià)成本控制增長(zhǎng)指數(shù)時(shí)間序列。

1.4 基于等效近似的線(xiàn)性模型的造價(jià)成本控制方法

采用成本控制經(jīng)濟(jì)指數(shù)的相空間重構(gòu)措施[12]，得到的道路重建造價(jià)預(yù)算增長(zhǎng)指數(shù)的相空間重構(gòu)向量軌跡矩陣為：

(7)

式中：m為嵌入維數(shù)，將材料價(jià)格采集值用g表示，D為時(shí)間序列周期，塑造道路重建工程造價(jià)預(yù)算估計(jì)模型時(shí)[13]，分解L=U×S×C奇異值過(guò)程中運(yùn)用的手段是單因素灰色關(guān)聯(lián)，S和C均為矩陣L的奇異值，分解后的U和C均為正交矩陣，矩陣C為：

C=(c1,c2,…,cn)。

(8)

c為矩陣中的常數(shù)，在道路重建造價(jià)成本控制過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些冗余信息[14]，對(duì)冗余信息的過(guò)濾滿(mǎn)足：

S=diag(σ1,σ2,…,σn),σ1≥σ2…≥σn≥0。

(9)

式中：σ為冗余信息，S為過(guò)濾后的信息，根據(jù)相空間重構(gòu)軌跡矩陣L的嵌入維數(shù)m，獲取影響道路重建造價(jià)成本控制的所有影響因素為N×m的矩陣X為：

(10)

本文通過(guò)設(shè)置一個(gè)預(yù)估器來(lái)計(jì)算X，計(jì)算過(guò)程為：

φxi+1≈Xφxi。

(11)

(12)

(13)

式中：Fv和Fv分別為道路重建造價(jià)的最優(yōu)和最劣經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)上述算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)道路重造工程造價(jià)成本的精密設(shè)計(jì)，提升道路重造工程的造價(jià)成本控制精度。

2 模型檢驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)為證明本文算法的有效性需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在MATLAB6.5環(huán)境下構(gòu)建的道路重建工程造價(jià)成本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 不同算法的造價(jià)成本控制效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)分別采用本文的算法、基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法以及基于博弈平衡的道路造價(jià)成本控制算法進(jìn)行道路造價(jià)成本控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較三種算法的道路工程造價(jià)成本控制響應(yīng)性和均方根誤差，來(lái)比較三種算法的造價(jià)成本控制效果，算法的控制響應(yīng)性對(duì)比結(jié)果和均方根誤差對(duì)比結(jié)果分別用圖1和圖2表示，且在比較算法的造價(jià)成本控制均方根誤差時(shí)，將基于博弈平衡的道路造價(jià)成本控制算法與該三種算法同時(shí)比較。分析圖1可以看出，從算法的響應(yīng)性可以看出，本文算法對(duì)道路重建造價(jià)成本控制的控制響應(yīng)性隨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加而增加，當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增加到一定程度時(shí)本文算法的控制響應(yīng)不變且控制響應(yīng)性與給定的控制閾值幾乎完全重合，基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法和基于博弈平衡的道路成本控制算法的控制響應(yīng)性隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷提升，算法的響應(yīng)性開(kāi)始提升，當(dāng)提升到30%以及25%左右時(shí)其響應(yīng)性就不再提升，因此說(shuō)明本文算法的道路重建成本控制響應(yīng)性強(qiáng)。

分析圖2可以看出，三種算法在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同的情況下對(duì)造價(jià)成本控制的均方根誤差均不相同，分析基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法的均方根誤差曲線(xiàn)可知，該算法隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加算法的均方根誤差逐漸增加，當(dāng)實(shí)驗(yàn)增加到100時(shí)，其均方根誤差達(dá)到25%；而基于博弈平衡的道路造價(jià)成本控制算法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少時(shí)，其均方根誤差就很大，其均方根誤差變化范圍在20%到25%之間；而本文算法的整體均方根誤差都在5%以下，因此可以說(shuō)明，本文算法的均方根誤差小，算法對(duì)造價(jià)成本預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度高。

圖1 三種算法的控制響應(yīng)性對(duì)比結(jié)果圖

圖2 三種算法的造價(jià)成本控制均方根誤差對(duì)比圖

3.2 不同算法的造價(jià)成本控制可靠度

為驗(yàn)證本文算法對(duì)道路重建造價(jià)成本控制結(jié)果的可靠度，采用本文算法、基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法和基于博弈平衡的道路造價(jià)成本控制算法分別對(duì)某道路重建工程進(jìn)行造價(jià)成本控制，實(shí)驗(yàn)將該重建路段平均劃分為10段，記錄三種算法對(duì)不同路段準(zhǔn)確的造價(jià)成本控制所需時(shí)間并將該結(jié)果如表1表示。

表1 三種算法的造價(jià)成本耗時(shí)(s)

分析表1可以看出，本文算法對(duì)不同重建路段的造價(jià)成本控制時(shí)間變化范圍在1.5 s至2.3 s之間，波動(dòng)較小，算法的穩(wěn)定性強(qiáng)；基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法的造價(jià)成本控制時(shí)間波動(dòng)范圍為5.8 s至7.3 s，該算法的最低控制時(shí)間高于本文算法最高控制時(shí)間5 s，說(shuō)明本文算法對(duì)道路重建造價(jià)成本控制的效率高。

2.3 不同算法的評(píng)價(jià)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，采用專(zhuān)家評(píng)估方法對(duì)本文算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，專(zhuān)家評(píng)估角度包括算法造價(jià)成本預(yù)測(cè)效果、算法運(yùn)行耗時(shí)以及算法穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)對(duì)本文算法、基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法以及基于博弈平衡的道路成本控制算法實(shí)施評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2、表3和表4所示。

表2 本文算法的專(zhuān)家評(píng)價(jià)打分結(jié)果(滿(mǎn)分為10分)

分析表2數(shù)據(jù)可以看出，專(zhuān)家對(duì)本文算法的評(píng)價(jià)結(jié)果較高，從專(zhuān)家對(duì)本文算法的造價(jià)成本預(yù)測(cè)效果可以看出，各位專(zhuān)家對(duì)造價(jià)成本控制效果的評(píng)分均高于9.4分，且平均得分也有9.43分，該結(jié)果表明本文算法對(duì)道路重建造價(jià)成本的控制效果佳；同樣分析算法的運(yùn)行耗時(shí)和穩(wěn)定性得分可以看出，本文算法的平均評(píng)價(jià)得分幾乎接近滿(mǎn)分10分，本文算法的綜合平均得分是(9.43+9.8+9.66)/3=9.63分，綜合結(jié)果說(shuō)明本文算法的造價(jià)成本控制過(guò)程效果較好。

表3 基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法的 專(zhuān)家評(píng)價(jià)打分結(jié)果(滿(mǎn)分為10分)

分析表3基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法的專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該算法的最高評(píng)價(jià)得分為6.0，整體的評(píng)價(jià)得分處于中間水平，得到的造價(jià)成本預(yù)測(cè)效果、算法穩(wěn)定性以及運(yùn)行耗時(shí)的平均得分均低于5.0分，說(shuō)明該算法的道路重建造價(jià)成本控制能力一般。

表4 基于博弈平衡的道路成本控制算法的 專(zhuān)家評(píng)價(jià)打分結(jié)果(滿(mǎn)分為10分)

分析表4數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，該算法的專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果最差，從算法的造價(jià)成本預(yù)測(cè)效果評(píng)價(jià)得分可以看出，各位專(zhuān)家對(duì)該算法的造價(jià)成本控制效果均不滿(mǎn)意，給出的平均得分僅有3.33分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文算法的得分；且該算法的運(yùn)行耗時(shí)是三種算法中用時(shí)最長(zhǎng)的，專(zhuān)家得分僅有2.86分，說(shuō)明該算法對(duì)道路重建造價(jià)成本控制的能力最差。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，本文重大災(zāi)害中基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本控制算法的造價(jià)成本控制效果、造價(jià)成本預(yù)測(cè)可靠度以及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果均較為優(yōu)秀。

4 結(jié) 論

本文提出的重大自然災(zāi)害中基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本控制算法，采用基于BIM模型的道路重建造價(jià)成本初步控制方法對(duì)重大災(zāi)害中道路重建造價(jià)成本進(jìn)行初步控制，再采用基于等效近似的線(xiàn)性模型的造價(jià)成本控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路造價(jià)成本的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法的整體均方根誤差變化范圍均在5%以下，而基于掙值分析的道路造價(jià)成本控制算法和基于博弈平衡的道路成本控制算法的成本控制均方根誤差隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加顯著提升，最高均方根誤差會(huì)達(dá)到25%，說(shuō)明本文算法的造價(jià)成本控制準(zhǔn)確率高；從三種算法的專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，本文算法的造價(jià)成本預(yù)測(cè)效果、算法運(yùn)行耗時(shí)以及穩(wěn)定性得分分別為9.43分、9.8分和9.66分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩種算法的得分，綜合數(shù)據(jù)表明本文算法具有較高的道路重建造價(jià)成本控制性能。