基于BIM技術(shù)的水利管道工程成本核算方法研究

孫中晉

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心青島分中心，山東 青島 266100)

水利工程的建設(shè)一直以來都是我國民生工程的重要組成部分，大到南水北調(diào)、節(jié)水灌溉，小到居住供水，這些水利工程都是與群眾的利益密切相關(guān)的。在這些項(xiàng)目中管道工程的占比非常大，因此做好水利管道的成本造價(jià)控制，對于施工企業(yè)來說是自身經(jīng)營管理與持續(xù)發(fā)展的必然要求[1]。傳統(tǒng)的施工成本僅通過WBS單維度靜態(tài)核算，BIM技術(shù)發(fā)展起來后，能夠?qū)崿F(xiàn)工程信息的5D多維度建模過程。BIM(Building Information Modeling)就是建筑信息模型，能夠集成幾何模型信息、功能要求以及單元性能，其中的建筑信息模型數(shù)據(jù)庫包含了相似項(xiàng)目與擬建項(xiàng)目的所有信息，能夠?qū)崿F(xiàn)共享，不斷更新[2]，它在3D建模的基礎(chǔ)上，增加了時(shí)間和成本維度，在研究施工任務(wù)可行性的同時(shí)，根據(jù)人、機(jī)、料的體量合理安排施工計(jì)劃，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)構(gòu)件工程量信息，BIM技術(shù)與計(jì)價(jià)軟件相結(jié)合，能夠快速查詢?nèi)瞬臋C(jī)等資源需求量及成本情況，達(dá)到成本控制與核算的目的[3]。

1 基于BIM技術(shù)的水利管道工程成本核算方法研究

1.1 建立BIM模型

由于BIM模型具有良好的完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性和三維可視性，將其應(yīng)用在工程成本核算中能夠動(dòng)態(tài)地對工程進(jìn)行分析，提高成本核算的靈敏度。本文選擇的BIM建模軟件是Revit，該軟件擁有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，可以精確統(tǒng)計(jì)工程量，具有2D/3D視圖功能，能夠更加直觀地對建筑模型進(jìn)行全方位、多角度觀察，對施工方案進(jìn)行虛擬演示，造價(jià)人員更易理解，應(yīng)用漫游功能進(jìn)入較為復(fù)雜的區(qū)域，可視化更易理解，能夠幫助完成建模[4]。為了保證建模速度，根據(jù)BIM技術(shù)的虛擬施工，將三維模型置于虛擬環(huán)境中，制定施工組織方案，比較并選擇最優(yōu)施工方案，利用BIM技術(shù)生產(chǎn)3D動(dòng)畫制定應(yīng)急預(yù)案。這其中首先需要完善Revit的數(shù)據(jù)庫， Revit數(shù)據(jù)庫中主要包括CAD軟件圖紙以及計(jì)算結(jié)果、可視化-模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)、采購-產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、物料價(jià)格數(shù)據(jù)庫、明細(xì)清單、分類標(biāo)書、管理-合同管理、現(xiàn)場管理、施工質(zhì)量、成本、進(jìn)度控制、知識庫-BIM項(xiàng)目、法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范等[5]。在軟件中，需要通過圖紙的信息繪制水利管道工程的標(biāo)高、軸網(wǎng)等，BIM總體的建模流程如圖1所示。

圖1 BIM建模流程

在模型建立的過程中，離不開Revit族，其中包含較多的元件，能夠更加逼真的模擬施工流程。雖然Revit軟件中自帶族庫，但是目前該軟件主要應(yīng)用在建筑中，水利工程可用的模型比較少，需要根據(jù)不同的項(xiàng)目工程重新創(chuàng)建水利管道工程的族庫[6]。BIM最大的優(yōu)勢就是模型的動(dòng)態(tài)可視化，包含工程設(shè)計(jì)中的所有物理屬性數(shù)據(jù)信息，呈現(xiàn)給工作人員全方位的資料，能夠幫助設(shè)計(jì)人員更加直觀地對工程的設(shè)計(jì)信息、施工方案等進(jìn)行了解分析，實(shí)現(xiàn)建筑信息模型的眾多的參與方共享，發(fā)現(xiàn)局部的細(xì)小錯(cuò)誤，降低不必要誤差產(chǎn)生的幾率，在實(shí)際的施工過程中對于人員的調(diào)度等有總體的宏觀決策，為修改圖紙節(jié)省人工和時(shí)間[7]。因此，在BIM模型的建立過程中，需要堅(jiān)持真實(shí)的原則，按照實(shí)際情況在模型中反映所有的工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，尤其是項(xiàng)目體量大、工期長、構(gòu)建復(fù)雜多樣的工程，一定要慎重選擇建模流程和注意事項(xiàng)，增加模型精確程度。

1.2 成本預(yù)測

BIM模型主要是依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)，因此在預(yù)測過程中也離不開相關(guān)的技術(shù)[8]。在成本預(yù)測中，人、料、機(jī)價(jià)格的預(yù)測占據(jù)著主體地位，成本預(yù)測主要包括價(jià)格信息采集和樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練2個(gè)步驟。數(shù)據(jù)采集主要是從BIM數(shù)據(jù)庫中獲取，工程材料、設(shè)備和人工的價(jià)格數(shù)據(jù)信息采集是價(jià)格預(yù)測的基礎(chǔ)，依靠BIM數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，使信息采集變得更加簡便，節(jié)省了時(shí)間和人力。BIM并不是一個(gè)簡簡單單的三維模型，其中蘊(yùn)含的資料存儲功能保證了工程資料的完整性。從最簡單的數(shù)據(jù)形式，到模擬施工的進(jìn)度情況，貫穿了項(xiàng)目的整個(gè)周期，并能夠?qū)崟r(shí)更新進(jìn)度，保證資料的時(shí)效性[9]。將這些資料完成實(shí)時(shí)的共享，使不同的參與方通過相同的平臺獲得同步信息，減少了中間傳遞的誤差，保證人、料、機(jī)的單價(jià)數(shù)據(jù)一致，能夠作為輸入輸出樣本應(yīng)用在成本預(yù)測的過程中。通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練，對未來一段時(shí)間內(nèi)的各種成本走勢進(jìn)行合理預(yù)估。

分析整理采集的價(jià)格作為預(yù)測樣本，但是由于施工過程存在一些不確定因素，導(dǎo)致項(xiàng)目的直接成本會隨時(shí)間延長而增加，尤其是大型復(fù)雜工程[10]。有的復(fù)雜工程建設(shè)周期可能會達(dá)到幾年，這種情況下傳統(tǒng)的WBS靜態(tài)預(yù)測的結(jié)果靈敏度較低，無法適應(yīng)材料價(jià)格浮動(dòng)帶來的變化，因此需要參照工程進(jìn)度實(shí)況來對成本進(jìn)行預(yù)測。本文進(jìn)行價(jià)格預(yù)測需要利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]，根據(jù)編制的程序語言和命令算法進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿了大腦神經(jīng)，在預(yù)測時(shí)能夠根據(jù)實(shí)際需要制定合適的輸入數(shù)量，選取連接值和閾值，通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到預(yù)測輸出[12]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入層可以表示為：

X=(x1，x2，…，xi，…xn)T

(1)

輸出層可以表示為：

Y=(y1，y2，…，yi，…yn)T

(2)

輸入層、隱含層與輸出層之間存在權(quán)值矩陣與關(guān)系函數(shù)，權(quán)值矩陣會通過實(shí)際的運(yùn)算情況自動(dòng)調(diào)整。關(guān)系函數(shù)主要分為3類：傳遞函數(shù)、訓(xùn)練函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。本文中根據(jù)實(shí)際情況需要，選擇Sigmoid雙極性作為傳遞函數(shù)。輸入層為搜集到的價(jià)格信息，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后能夠作為輸入樣本，輸出層為預(yù)測的結(jié)果，隱含層包含了函數(shù)計(jì)算，在輸入層與輸出層之間建立非線性關(guān)系[13]，將輸出值與期望的輸出值進(jìn)行對比，根據(jù)差值大小來修改隱含層中的連接權(quán)值，使差值逐漸減小，直至差值保證在允許的范圍之內(nèi)，這樣才算成熟的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。最后根據(jù)成本預(yù)測的需要，輸入預(yù)測價(jià)格，經(jīng)過成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，計(jì)算出未來成本的價(jià)格趨勢，獲取到未來某一點(diǎn)的價(jià)格，進(jìn)行統(tǒng)一處理[14]：

(3)

(4)

式中，n—輸入層層數(shù)；m—輸出層層數(shù)；M—隱含層層數(shù)；a—常數(shù)[15]。

上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)工程量的動(dòng)態(tài)查詢和成本預(yù)測，通過將BIM技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩者結(jié)合，協(xié)調(diào)運(yùn)用，對于成本的預(yù)算結(jié)果的準(zhǔn)確度優(yōu)勢顯著。

2 案例分析

為了對設(shè)計(jì)的水利管道成本核算方法可靠性進(jìn)行研究，在本章中需要結(jié)合實(shí)際的工程案例對本文的成本核算方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比。

2.1 工程概況

為了提升用水質(zhì)量，某小區(qū)擬啟動(dòng)自來水供水戶內(nèi)管網(wǎng)改造工程。該小區(qū)原來使用的供水管道為鍍鋅鋼管，強(qiáng)度好，耐溫耐壓，但是由于管道本身材質(zhì)容易腐蝕生銹的屬性，會對供水造成二次污染，造成水資源的浪費(fèi)。在本次水利管道工程改造中，使用給水塑料以及復(fù)合管材來代替鍍鋅鋼管，本次工程中主要包括舊管道拆除、水表更換、新管線鋪設(shè)和試壓供水。該小區(qū)水利管道改造一戶一表布局如圖3所示。

圖3 水利管道改造布局

基于上述工程的實(shí)際情況，分別使用本文設(shè)計(jì)的成本核算方法與傳統(tǒng)的核算方法進(jìn)行水利管道工程的成本核算，下面對各個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 工程參數(shù)設(shè)計(jì)

在工程施工過程中的規(guī)則材料以及人工價(jià)格參數(shù)見表1。

本文的核算方法是通過BIM平臺進(jìn)行虛擬施工，根據(jù)對工程實(shí)況進(jìn)行仿真，并按照制定的計(jì)劃進(jìn)度在平臺上進(jìn)行施工過程的模擬，尤其是對施工重點(diǎn)和難點(diǎn)的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證施工計(jì)劃的可行性。因?yàn)锽IM技術(shù)的數(shù)據(jù)信息整合功能非常強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)工程中各個(gè)參數(shù)的信息化，其成本核算界面如圖4所示。

在經(jīng)過一系列的前期準(zhǔn)備后，分別使用2種方法進(jìn)行成本核算，并將核算結(jié)果進(jìn)行比較。

表1 規(guī)則材料人工價(jià)格

圖4 BIM成本核算

2.3 結(jié)果對比與分析

經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)過程，分別得到本文的成本核算結(jié)果與傳統(tǒng)方法的成本核算結(jié)果見表2。

表2 成本核算結(jié)果對比 單位：萬元

從表2可以看出，本文核算方法中，總成本為56.69萬元，傳統(tǒng)方法核算的總成本為71.5萬元，本文方法有效節(jié)約了14.81萬元。綜合各個(gè)項(xiàng)目的成本來看，在人工費(fèi)用上的節(jié)約效果比較明顯，主要是因?yàn)樵贐IM模擬過程中，能夠有效協(xié)調(diào)總工程的調(diào)度和施工速度，避免了由于調(diào)度不合理而產(chǎn)生的返工、人員浪費(fèi)，進(jìn)而縮短工期，節(jié)約人工和材料費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了總體成本的降低。

3 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)水利管道工程成本核算的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于BIM技術(shù)的水利管道工程成本核算方法。方法中增加了時(shí)間和成本維度，建立BIM模型，通過結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有效預(yù)測工程施工中各種成本的材料走勢變化，能夠在Revit軟件中虛擬施工，從而發(fā)現(xiàn)圖紙中細(xì)小錯(cuò)誤和施工調(diào)度的不合理之處，在實(shí)際施工中進(jìn)行修改，以此來降低工程中的人、料、機(jī)成本。但是本文方法中的成本預(yù)測是根據(jù)錄入時(shí)間計(jì)算的，不是實(shí)際意義上的現(xiàn)場實(shí)際花費(fèi)，因此在后續(xù)研究中，需要考慮與財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，來完善此類問題。