基于BIM的水利工程成本預(yù)測分析

王春偉，王永明，張 勇，孫玉慧

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080))

0 引 言

水利工程項目設(shè)計選型獨特，結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜多變，受環(huán)境影響因素大，尤其設(shè)計階段質(zhì)量難以控制，設(shè)計圖紙信息量繁多，且工作人員協(xié)同困難。據(jù)研究表明，設(shè)計階段對成本的影響可達75%以上，成本預(yù)測作為成本控制的第一步，發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

與傳統(tǒng)的2D圖紙相比，BIM為建筑生命周期的所有階段提供了更逼真和更豐富的模型。BIM是工程項目設(shè)施的實體和功能特征的數(shù)字表達,可以大大降低獲取內(nèi)部空間信息的成本，突破僅能展示建筑物外表模型的局限性[1]。特別是，BIM提供了幾何上精確的3D表示，并能夠?qū)傩院蛿?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到模型中的不同組件和對象。由于BIM技術(shù)提供了可視化，協(xié)調(diào)，模擬和優(yōu)化功能，因此可以使用具有BIM技術(shù)的各種軟件來實現(xiàn)建筑的自動化，智能設(shè)計和分析[2]。

1 BIM成本預(yù)測流程

BIM技術(shù)具有較高的共享性和協(xié)同性，建筑各單位中的各類重要數(shù)據(jù)隨水利項目的增多而增多，數(shù)據(jù)作為企業(yè)管理重要資源，需要用信息化手段對數(shù)據(jù)進行管理，利用BIM技術(shù)云平臺管理，構(gòu)建一個基于Cloud-BIM的數(shù)據(jù)管理平臺，通過移動客戶端，計算機客戶端，website將數(shù)據(jù)同步更新到云計算，促進信息共享，實現(xiàn)多參與方共同合作。除此之外，BIM可以實現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)交互。通過IFC/DWG/DXT/FBX等交互性格式文件以及廣聯(lián)達研發(fā)的GFC插件實現(xiàn)Revit、Navisworks、廣聯(lián)達BIM5D等工具間的數(shù)據(jù)交互[3]。具體預(yù)測流程如圖1所示。

1.1 BIM模型建立

BIM建模階段主要通過Revit軟件進行，Revit所建立參數(shù)模型中包括了個專業(yè)各構(gòu)件的參數(shù)化信息，參數(shù)包括構(gòu)件尺寸信息、類型、材質(zhì)和能耗信息。

使用相關(guān)的基于BIM信息的建筑設(shè)計軟件，根據(jù)給定項目的相關(guān)物理和幾何信息建立3D建筑信息模型提取工程量信息，主要通過Revit軟件參照CAD圖紙構(gòu)建水利信息模型，并按順序繪制基礎(chǔ)底板，閘墩，擋土墻，消力池，工作橋，混凝土刺墻和其他構(gòu)件，并輸入材料，尺寸，坡比和其他屬性，最后導(dǎo)出工程量信息[4]。

1.2 設(shè)計優(yōu)化

應(yīng)用BIM技術(shù)，在設(shè)計階段可以及早發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，能夠促進項目順利開展。文章主要應(yīng)用Navisworks2019進行模型構(gòu)建之間的碰撞檢查。首先將Revit模型導(dǎo)入Navisworks，通過外部工具Navisworks Switch back2019將Revit模型與導(dǎo)入Navisworks中的模型進行關(guān)聯(lián)，Navisworks修改后的模型會在Revit軟件中自動更新，優(yōu)化后的模型會自動顯示在Revit軟件中，根據(jù)自己的需要將模型的實物工程(如混凝土擋土墻的體積及其混凝土強度)進行統(tǒng)計并導(dǎo)出格式和工程量表格[6-7]。

1.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛用于各種行業(yè)中，它可以做擬合回歸問題，也可以做分類問題，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層、輸出層組成，每一層包含若干個神經(jīng)元。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則為調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏值，使網(wǎng)絡(luò)的均方差最小、性能最好。

構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分為以下幾個步驟：

1)確定輸入和輸出層，輸入層和輸出層各數(shù)根據(jù)實情情況確定，分別用x和y表示，輸入量為X=(x1，x2，……xi，……，xn)T，輸出向量為Y=(y1，y2，……，yi，……，yn)T。Xn表示輸入層中價格樣本數(shù)據(jù)，Yn表示輸出層的預(yù)測值，即最終獲得的成本預(yù)測值。

2)隱含層數(shù)及權(quán)值的選定。用矩陣V=(v1，v2，……，vj，……，vm)T表示輸入層和隱含層之間的權(quán)值，用矩陣W=(w1，w2，……，wk，……，wn)T調(diào)試隱含層和輸出層之間的權(quán)值。在第一次正向傳播過程中，初始權(quán)值由系統(tǒng)隨機分配，并根據(jù)誤差反向自我調(diào)整權(quán)值直至在期望誤差之內(nèi)。文章選用雙層隱含層進行預(yù)測計算。

1.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測步驟

1.4.1 數(shù)據(jù)收集

文章中所收集的數(shù)據(jù)來自于廣材助手及BIM數(shù)據(jù)庫，廣材助手是建筑工程造價行業(yè)材料價格查詢網(wǎng)站，該網(wǎng)站上能夠提供建筑所需材料的價格信息，并且能夠在線提供常用材料每天的市場價格行情和走勢，數(shù)據(jù)來源真實可靠，BIM數(shù)據(jù)庫將以往做過的項目信息收集在BIM的數(shù)據(jù)庫中，里面存儲了各類項目基本信息以及材料價格，為相關(guān)從業(yè)者提供了精確地人材機價格信息。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

1.4.3 預(yù)測模型的參數(shù)值

2 案例分析

選取某市水閘工程作為本項目的研究對象，采用Autodesk公司的Revit2019作為BIM建模軟件進行算量，采用編程的方法利用MATLAB2021a作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具，針對設(shè)計階段的混凝土擋土墻為目標進行分析，首先對水閘工程進行建模。

將建好的模型導(dǎo)入Navisworks中進行碰撞檢查，通過Revit軟件的外部工具Navisworks Switch back2019命令自動將優(yōu)化后的模型更新在Revit建模軟件。

通過Revit自帶的明細表導(dǎo)出C25混凝土擋土墻工程量，Revit中工程量明細會自動隨構(gòu)建的更改自動更新，并能隨時查看。表1是C25混凝土擋土墻的工程量。

表1 C25混凝土擋土墻明細表

由以上明細表可得到C25混凝土擋土墻的工程量為497.28m3，由于項目在實際施工過程中存在建設(shè)周期，相應(yīng)的人材機價格會隨市場環(huán)境變化而變化，造價控制難度增高，為了避免價格波動對成本的影響，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，文章選取C25混凝土材料單價為例進行價格預(yù)測，通過BIM數(shù)據(jù)庫及廣材網(wǎng)信息價數(shù)據(jù)庫，收集過去兩年來的每個月的材料單價作為樣本數(shù)據(jù)庫，如表2所示。通過MATLAB軟件模擬運算實現(xiàn)成本預(yù)測。

表2 過去兩年C25混凝土市場信息價

將收集到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，如表3所示。

表3 混凝土信息價歸一化結(jié)果

構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用前六個月的價格作為輸入向量預(yù)測第七個月的價格，由于目標輸出只有一個單價，因此確定輸出層為1，輸入層為6，根據(jù)以往經(jīng)驗將隱含層設(shè)置兩層，根據(jù)經(jīng)驗公式，第一層隱含層神經(jīng)元個數(shù)為10，第二層為9，選用sigmoid雙極性函數(shù)作為傳遞函數(shù)，梯度下降函數(shù)traingdx作為訓(xùn)練函數(shù)，確定newff函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型。確定輸入矩陣為A=[1 0.927 0.771 0.610 0.512 0.561;0.927 0.771 0.610 0.512 0.561 0.463;……0.156 0.098 0.049 0 0.098 0.195]，期望矩陣B=[0.463,0.415,0.366,……,0.171]。通過MATALB編程軟件，進行模擬訓(xùn)練，得到擬合曲線以及結(jié)果如圖所示預(yù)測值與實際值基本重合(圖2)，根據(jù)表4得到相對誤差值，可以看出相對誤差<0.01，說明模型預(yù)測效果很好，根據(jù)圖3得到確定系數(shù)R為0.99905，說明相關(guān)性高，模型穩(wěn)定性好。

表4 相對誤差計算

根據(jù)以上訓(xùn)練效果，說明設(shè)置雙隱含層效果很好，得到最終成熟的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過編程運行得到下個月的單價預(yù)測值為427元，將BIM所導(dǎo)的混凝土擋土墻的工程量與預(yù)測單價相乘，得到總造價為212338.56元。本案例以C25混凝土擋土墻實物工程為例，對預(yù)測總價進行分析，直接成本費的其他費用預(yù)測與C25混凝土擋土墻預(yù)測流程相似，由于研究受限，文章不作分析。

3 結(jié) 語

在水利工程設(shè)計階段合理使用BIM技術(shù)能夠提高水利項目管理水平，文章著重分析了設(shè)計階段利用BIM技術(shù)進行成本預(yù)測的優(yōu)勢，結(jié)合實際案例，運用Revit核心建模軟件，建立三維模型，基于Navisworks軟件平臺進行了模型優(yōu)化，考慮到時間成本的問題，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測人材機單價，實現(xiàn)水利項目的動態(tài)預(yù)測，使成本信息更加及時、準確。

通過BIM技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一系列實驗流程操作后，離預(yù)期目標十分接近，能有效幫助設(shè)計單位進行優(yōu)化設(shè)計，BIM技術(shù)雖然交互性很好，但由于一些BIM軟件在互導(dǎo)過程中由于某些特殊情況造成數(shù)據(jù)丟失，這個時候需要人為檢查，重新建模，因此仍需要深入研究，因BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BIM技術(shù)的連通并不是很好，若能將兩者通過接口結(jié)合，則會大大提高BIM技術(shù)在成本預(yù)測方面的效率。