基于建筑信息模型技術(shù)的水電建筑施工節(jié)能模式評估方法

霍瑞琴

(甘谷縣水務(wù)局，甘肅 甘谷 741200)

建筑施工過程中，水電資源的應(yīng)用可能消耗大量的能源。建筑工地內(nèi)的電氣設(shè)備，從臨時電總斷路器開始，經(jīng)臨時配電設(shè)施，控制建筑工地內(nèi)的起重機、升降機、澆筑泵等大型用電設(shè)備，以及各工作點的空壓機、電鎬電鉆、電焊機等分布式用電設(shè)備；建筑工地內(nèi)的用水系統(tǒng)，從臨時自來水接入設(shè)施開始，形成建筑物內(nèi)的臨時用水管網(wǎng)。早期建筑工地內(nèi)就近進行混凝土拌和，這一過程消耗大量的水電資源，但當(dāng)前基本普及了混凝土集中拌和，因混凝土拌和產(chǎn)生的現(xiàn)場水電消耗得到有效降低。

常規(guī)管理模型下，建筑施工過程中的節(jié)能評估有兩種方法：其一是通過用電量涌水量直接引出經(jīng)過模糊化的控制指標(biāo)，即觀察用電量和用水量的實際發(fā)生值、環(huán)比變化量、人均值、施工分段均攤值等進行管理控制，結(jié)合現(xiàn)場接續(xù)管理、人事管理等構(gòu)成分析指標(biāo)；其二是采用點控方式，即對大型用電設(shè)備的開機時間、待機時間進行有效控制，減少無工作待機時間，提升其工作效率，對分布式用電加強走動式管理嚴(yán)控水電浪費現(xiàn)象。后者方式下，還有工地采用水電包干制度，在水電指標(biāo)與分包合同之間形成結(jié)算機制，將水電節(jié)能控制管理引入到現(xiàn)場監(jiān)理索賠機制中。

本文研究設(shè)計一種建筑工地信息化管理體系中針對建筑工地管理信息系統(tǒng)(Building Information Modeling，BIM)的水電節(jié)能管理信息接口，設(shè)計管理模型實現(xiàn)對建筑工地水電應(yīng)用節(jié)能領(lǐng)域的信息化管理。

1 建筑工地水電節(jié)能控制模型

水電節(jié)能控制的數(shù)據(jù)采集機制，僅依靠水電總表的管理體系難以實現(xiàn)，所以必須進行物聯(lián)網(wǎng)硬件升級，即對關(guān)鍵用電用水設(shè)備設(shè)置單獨的實時抄表電表水表系統(tǒng)，對各作業(yè)點的分布式用電用水過程設(shè)置單獨的實時抄表電表水表系統(tǒng)，形成圖1中的數(shù)據(jù)采集體系。

圖1 工地用水用電物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)示意圖

圖1中，水電節(jié)能數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)主要有5個核心來源，包括匯聚所有實時抄表電表數(shù)據(jù)的用電數(shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)、匯聚所有實時抄表水表數(shù)據(jù)的用水?dāng)?shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)、來自人員管理系統(tǒng)的人員分工數(shù)據(jù)、來自接續(xù)管理系統(tǒng)的工作量數(shù)據(jù)、來自設(shè)備定制化系統(tǒng)的用電設(shè)備與用水設(shè)備統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，形成數(shù)據(jù)整合模式(見圖2)。

圖2 建筑施工水電節(jié)能綜合評估系統(tǒng)

圖2中，5個主要數(shù)據(jù)來源如前文圖1所示，利用該5組數(shù)據(jù)，可以進行以下3項數(shù)據(jù)匯總計算：?根據(jù)人員分工數(shù)據(jù)結(jié)合用電數(shù)據(jù)、用水?dāng)?shù)據(jù)可以算出每個工作人員所在工作地點的用水?dāng)?shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)，形成人員水電關(guān)系，該水電關(guān)系直接決定了施工團隊的水電節(jié)能控制能力；?根據(jù)設(shè)備定制化信息，可以計算出相關(guān)設(shè)備的水電消耗量數(shù)據(jù)，包括服務(wù)全工地的起重機、升降機、混凝土泵等設(shè)施的水電消耗量，以及各分布式設(shè)備的水電消耗量，特別可以實現(xiàn)分布在各施工點的設(shè)備水電消耗量比較；?根據(jù)接續(xù)關(guān)系，統(tǒng)計每個工作點的水電消耗量，統(tǒng)計每標(biāo)段的實際水電消耗量。在此基礎(chǔ)上，如果每天進行一次數(shù)據(jù)采集，可以計算出每天每表的水電消耗量數(shù)據(jù)以及每天水電消耗量的變化情況，從而根據(jù)該核算機制和變化率獲得對應(yīng)的水表電表數(shù)據(jù)的綜合評估值數(shù)據(jù)，根據(jù)上述三組評估值，可以獲得施工現(xiàn)場總水電節(jié)能評估值。

該計算方式可以同時支持前文分析的兩種水電節(jié)能控制管理過程，即在針對人員、設(shè)備、施工階段進行綜合立體的水電節(jié)能控制能力細化評價的同時，對走動式節(jié)能管理實現(xiàn)效能評估。

2 建筑施工水電節(jié)能評估方式的細化設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)分?jǐn)偹惴?/h3>

除總表外，對每個有實時抄表功能的分電表構(gòu)建一個類模型P(t,p,e,s)，其中：t為發(fā)生數(shù)據(jù)的日期數(shù)據(jù)、p為該電表控制區(qū)域內(nèi)的工作人員數(shù)量及其工號對應(yīng)關(guān)系、e為該電表控制區(qū)域內(nèi)的設(shè)備數(shù)量及其管理序列號對應(yīng)的設(shè)備類型及其他參數(shù)、s為該電表控制區(qū)域與相關(guān)時間點對應(yīng)的施工標(biāo)段。針對水表實時抄表數(shù)據(jù)建立的類模型W(t,p,e,s)相關(guān)參數(shù)意義與電表類模型一致。

那么，針對該類模型可以通過不同的數(shù)據(jù)累加及均分模式實現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。如針對特定時間點的電表實時抄表數(shù)據(jù)累加均分算法如下：

(1)

式中Pp,Pe,Ps——針對電表控制區(qū)域內(nèi)的人員用電量、設(shè)備用電量、工序標(biāo)段用電量數(shù)據(jù)；

Ubound(*)——大數(shù)據(jù)分析平臺內(nèi)置的數(shù)列最大下標(biāo)數(shù)取出函數(shù)。

針對用水?dāng)?shù)據(jù)的Wp、We、Ws數(shù)據(jù)提取方式同式(1)。

通過該均攤算法，可以得到建筑施工項目內(nèi)的人員、設(shè)備、工序的用電用水情況，如果進行細化分析，可以將累加的時間段定位每天為1個周期，那么上述計算中得到的Pp、Pe、Ps和Wp、We、Ws均為圖2中的核算值，其差值如下：

(2)

式中 符號含義同式(1)。

2.2 線性模糊矩陣相交算法

傳統(tǒng)的模糊矩陣算法是將核算值和變化率分別構(gòu)建區(qū)間，對兩組區(qū)間之間的交叉值構(gòu)建不同反饋策略。在此算法的基礎(chǔ)上，引入矩陣乘法概念，使核算值與變化率的每個發(fā)生值均實現(xiàn)不同的策略反饋，即構(gòu)成線性模糊矩陣相交算法。

以該研究中對6個核算值和6個變化率值的模糊處理目標(biāo)為例，因為核算值與變化率之間的值域范圍和量綱不同，使用minmax算法對其進行線性重投影計算，使其值域范圍重投影到[0,1]區(qū)間，且其歷史最大值為1，歷史最小值為0，同時使其量綱歸一化。設(shè)輸入值為xi，序列為X，則有

(3)

因為序列內(nèi)所有相關(guān)值均持續(xù)生成，可能出現(xiàn)之前計算的值域區(qū)間[min(X)、max(X)]并不能包含實時生成的輸入值xi以的情況，所以針對每個輸入值xi需要對當(dāng)前緩存的min(X)、max(X)進行調(diào)整，調(diào)整算法如下：

(4)

式中 符號含義同式(3)。

此時針對前文提供的6個核算值Pp、Pe、Ps、Wp、We、Ws分別進行minmax計算，對6個變化率值ΔPp、ΔPe、ΔPs、ΔWp、ΔWe、ΔWs分別進行minmax計算，可以得出對應(yīng)的線性模糊矩陣相交值：

(5)

式中 符號含義同前。

2.3 因子加權(quán)融合算法

在該整合評估系統(tǒng)中，采用上述數(shù)據(jù)分?jǐn)偹惴ê途€性模糊矩陣相交算法后，得到了6個模糊評價值，因為模糊評價值為兩個[0,1]區(qū)間上的重投影數(shù)據(jù)的乘積，所以其理論最大值域空間也為[0,1]區(qū)間，對該6個數(shù)據(jù)進行加權(quán)融合，將水電數(shù)據(jù)整合在一起，得到分別針對員工p、設(shè)備e、工序s的水電綜合加權(quán)結(jié)果：

(6)

式中λ、γ——加權(quán)因子，用于控制該模型對水及電用量的側(cè)重程度；

其他符號含義同前。

針對特定的員工p、設(shè)備e、工序s可以給出時間點上的詳細評價數(shù)據(jù)，而針對長時間段的統(tǒng)計，在式(6)的基礎(chǔ)上沿時間線進行等權(quán)累加，同時根據(jù)員工p、設(shè)備e、工序s的總數(shù)量進行二次等權(quán)累加，得到∑p,∑e,∑s，受篇幅限制，該公式不再展開。進而使用二次加權(quán)算法，對最終得到的∑p,∑e,∑s進行二次加權(quán)累加整合，得到下式：

C=δ1·p+δ2·e+δ3·s,δ1+δ2+δ3=1

(7)

式中C——該建筑施工項目的整體水電節(jié)能評估參數(shù)；

δ1、δ2、δ3——加權(quán)系數(shù)。

因為2次加權(quán)累加中的加權(quán)系數(shù)之和均為1，同時2次等權(quán)累加過程中控制均值系數(shù)與因子數(shù)相同，構(gòu)成算數(shù)平均數(shù)模式，所以，該加權(quán)融合過程中所有數(shù)據(jù)的值域范圍并未發(fā)生變化，依然保持在[0,1]范圍內(nèi)。但為了避免不可預(yù)見問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)值域偏移，執(zhí)照式(3)、式(4)，對每次產(chǎn)生的C值進行二次minmax重投影計算，使其最終輸出值域范圍嚴(yán)格控制在[0,1]區(qū)間上。

3 該模型的建筑工程管理信息化應(yīng)用

3.1 該模型在BIM系統(tǒng)中的應(yīng)用場景

該模型在建筑工程管理信息化系統(tǒng)中有3個主要應(yīng)用方向：

a.確定基層施工團隊的水電節(jié)能意識，可支持將水電節(jié)能數(shù)據(jù)應(yīng)用到基層施工團隊的績效及監(jiān)理索賠中。

b.設(shè)備定制化系統(tǒng)中，可以較為直接獲得對應(yīng)設(shè)備的實際用電、用水?dāng)?shù)據(jù)，為后續(xù)的設(shè)備節(jié)能管理提供數(shù)據(jù)支撐，對提升設(shè)備管理能力有積極意義。針對管理人員對相關(guān)設(shè)備的走動式管理能力的評估，可以對其工作績效帶來直接數(shù)據(jù)支持。

c.確定每道工序、每個施工標(biāo)段的具體水電節(jié)能表現(xiàn)，中間數(shù)據(jù)還可以提供每工序每標(biāo)段的實際用電累計和實際用水累計值。在高層建筑施工中，可以實現(xiàn)對每層施工的水電節(jié)能控制能力進行數(shù)據(jù)控制，對每層的模具部分、鋼筋籠部分、澆筑部分、幕墻部分、砌墻部分、內(nèi)裝部分、外裝部分、永久水電設(shè)備安裝部分等具體工序進行逐一比較。一方面找到每工序施工水電節(jié)能管理的差異性，同時根據(jù)員工組成變化、設(shè)備臺班變化等相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)影響水電節(jié)能管理的直接因素且提供數(shù)據(jù)審計證據(jù)。該計算成果可對建筑施工項目的項目主要負(fù)責(zé)人的績效提供數(shù)據(jù)支持。在人員績效方面，該模型可以對建筑施工項目從基層施工人員到現(xiàn)場管理人員再到項目負(fù)責(zé)人提供全面績效數(shù)據(jù)支持。在建筑施工后續(xù)決算及管理復(fù)盤中，也可以提供足夠充分的數(shù)據(jù)。

3.2 該模型實際應(yīng)用效果調(diào)研

在一建筑施工項目中，自2020年10月1日起引入該評價系統(tǒng)，與引入該系統(tǒng)之前比較，單位工程量的用電量下降17.2%，單位工程量的用水量下降31.5%，取得了一定的水電節(jié)能成效。但為了充分反映該系統(tǒng)應(yīng)用前后各層級員工的水電節(jié)能意識變化情況，該研究進行了一次調(diào)查。

該調(diào)查涉及長期合作的基層施工人員155人，現(xiàn)場管理人員36人，項目負(fù)責(zé)人18人，行政人員25人，該四類人群對應(yīng)用該系統(tǒng)前后的水電節(jié)能意識均作出主觀評價，分別給出滿分10分、最低0分的評價結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 水電節(jié)能意識調(diào)查結(jié)果

表1中，使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對雙變量t校驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)比較，讀取比較結(jié)果中VALUE值作為t值，當(dāng)t<10.000時認(rèn)為存在統(tǒng)計學(xué)差異，讀取比較結(jié)果中的LOG值作為p值，當(dāng)p<<0.05時認(rèn)為統(tǒng)計數(shù)據(jù)處于置信空間內(nèi)，具有統(tǒng)計學(xué)意義。綜合分析上述統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基層施工人員的評價結(jié)果提升21.27%，現(xiàn)場管理人員的評價結(jié)果提升62.09%，項目負(fù)責(zé)人的評價結(jié)果提升36.49%，行政人員的評價結(jié)果提升19.96%?？梢哉J(rèn)為各崗位工作人員均認(rèn)同使用該系統(tǒng)后的建筑施工項目水電節(jié)能工作均有提升。

4 結(jié) 語

通過針對每個用電用水設(shè)備設(shè)置獨立的具有實時抄表功能的電表和水表，并對其采集到的實時水電用量數(shù)據(jù)進行分別統(tǒng)計形成分區(qū)域的用電量用水量數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM系統(tǒng)中的人員管理子系統(tǒng)、設(shè)備定制化子系統(tǒng)、工序接續(xù)管理子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將上述用電量用水量數(shù)據(jù)分?jǐn)偟缴鲜鲎酉到y(tǒng)數(shù)據(jù)中去，同時采用線性模糊矩陣交叉算法算出針對人員、設(shè)備、工序的水電節(jié)能評估值，進而對其進行4層加權(quán)分析，最終得到水電節(jié)能評價總體結(jié)果。該模式可以實現(xiàn)對建筑項目施工過程中的全員績效數(shù)據(jù)支持，也可提供足夠豐富的審計數(shù)據(jù)支持。該評估方法可以得到充分豐富的建筑施工水電節(jié)能數(shù)據(jù)，符合當(dāng)前建筑施工管理信息系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)支持需求，是日后建筑項目施工節(jié)能管理的重要發(fā)展方向。