基于BIM的建筑工程全周期成本預(yù)測模型研究

豐 歡 （湖北鑫華源電力工程建設(shè)有限公司，湖北 黃岡 430070）

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和建筑工業(yè)化的發(fā)展，建筑信息模型和預(yù)制建筑隨著時間的需要而出現(xiàn)。BIM（建筑信息建模）近年來在建筑業(yè)獲得了一個新的概念。BIM是信息共享的核心，基于通信方便的原則，提高了項(xiàng)目的效率，降低了項(xiàng)目成本。預(yù)制建筑是將建筑工程預(yù)制完成后的構(gòu)件放入工廠，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場組裝，最終形成建筑結(jié)構(gòu)。建筑部件在工廠制造并運(yùn)到現(xiàn)場[1]。這種“生產(chǎn)-運(yùn)輸-安裝”的施工方式需要生產(chǎn)廠家與施工單位密切合作，而BIM 技術(shù)可以解決這一問題。BIM 技術(shù)于2003 年正式應(yīng)用于建筑業(yè)，并逐漸被建筑業(yè)所接受。在成本方面，目前中國使用的主要軟件有魯班、WANDA等。這些軟件不僅可以直接在軟件內(nèi)進(jìn)行三維手工建模，而且還支持由CAD 繪制的二維圖形導(dǎo)入功能。雖然BIM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于操作人員需要經(jīng)過培訓(xùn)，硬件和軟件的升級需要一定的成本，所以BIM技術(shù)的推廣并不令人滿意[2]。

雖然BIM技術(shù)在預(yù)制建筑中的應(yīng)用不是很廣泛，推廣阻力仍然相對較大，但BIM 的應(yīng)用在質(zhì)量、持續(xù)時間和成本方面都有了顯著改善。因此，本文以成本控制為核心，建立基于BIM 的全周期成本預(yù)測模型[3]。傳統(tǒng)的成本預(yù)測強(qiáng)調(diào)成本項(xiàng)目完成后的會計核算。但是，由于缺乏成本控制目標(biāo)，也沒有參考比較，因此錯過了項(xiàng)目成本控制的最優(yōu)周期。此外，管理者很難實(shí)時了解工程成本的實(shí)際情況，無法及時糾正工程成本的偏差。目前，經(jīng)常采用實(shí)證評價方法來預(yù)測建筑工程的成本。相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計和算法研究仍處于起步階段，導(dǎo)致精度低、性能差、難以控制不合理的施工成本。目前，建筑成本的成本預(yù)測和控制算法主要采用單因素灰色相關(guān)成本預(yù)測和平均互信息函數(shù)分析。在對建設(shè)項(xiàng)目的目標(biāo)成本與預(yù)算成本進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了項(xiàng)目成本的成本序列之間的線性關(guān)系，并采用時間序列分析算法實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目成本的成本預(yù)測和評價[4]。在現(xiàn)實(shí)過程中，建設(shè)項(xiàng)目的成本預(yù)算模型受到價格、稅收、利潤、建設(shè)單位的成本管理結(jié)構(gòu)、消耗品的實(shí)時市場價格等交叉因素的影響。傳統(tǒng)的單因素成本預(yù)測算法無法實(shí)現(xiàn)合理、準(zhǔn)確的項(xiàng)目成本預(yù)測，其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用受到限制[5]。

針對上述問題，提出了一種基于BIM 的建筑成本全周期成本預(yù)測模型的設(shè)計模型，并建立了建筑工程建設(shè)成本全周期成本預(yù)測的博弈模型。將工程質(zhì)量約束與成本約束相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)施工成本的平衡控制，采用BIM 設(shè)計施工成本的信息管理模型。采用全樣本回歸分析的方法，自適應(yīng)地優(yōu)化全周期成本預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)。結(jié)合最低成本和最佳質(zhì)量平衡的方法，實(shí)現(xiàn)了BIM 條件下施工成本的全周期成本預(yù)測。最后，對成本預(yù)測信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明本文設(shè)計的全周期成本預(yù)測模型具有優(yōu)越的性能。

2 建筑工程全周期成本的效益數(shù)量和成本參數(shù)模型

2.1 建筑成本全周期成本的定量評價參數(shù)模型

為了設(shè)計BIM 條件下的建筑成本全周期成本預(yù)測模型，需要結(jié)合定量評價參數(shù)和成本參數(shù)的優(yōu)化方法，構(gòu)建建筑成本全周期成本預(yù)測的效益量化模型。在合同總成本的限制下，給出了建設(shè)成本全周期成本預(yù)測的定量評價參數(shù)，包括現(xiàn)金儲備水平、融資金額、杠桿率、利潤等。采用描述性統(tǒng)計分析方法，構(gòu)建了建筑成本全周期成本預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)如下。

當(dāng)資本結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)合調(diào)控時，成本數(shù)量的最優(yōu)決策函數(shù)如下[6]。

在建筑工程企業(yè)資本結(jié)構(gòu)的最優(yōu)調(diào)控下，建筑工程建設(shè)成本成本預(yù)測的定量博弈函數(shù)描述如下。

定量平衡博弈控制下的成本、建筑材料成本和人工成本均用上述表達(dá)式表示。結(jié)合融資調(diào)整方法，得到施工控制的杠桿率調(diào)整水平函數(shù)如下。

在BIM條件下，采用DCC-mvgarch模型構(gòu)建了施工成本的全周期成本定量評價參數(shù)模型，為施工成本的全周期控制提供了原始參數(shù)的輸入依據(jù)[7]。

2.2 工程成本預(yù)測面板數(shù)據(jù)的定量遞歸分析

通過對BIM 下項(xiàng)目成本全周期成本控制面板數(shù)據(jù)進(jìn)行定量遞歸分析，結(jié)合建筑企業(yè)內(nèi)部資產(chǎn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行利潤調(diào)整和成本預(yù)測。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計回歸分析結(jié)果表示如下。

通過求解工程成本總成本量化控制序列的分布S，求出最大特征值λ，得到了工程成本成本預(yù)測的博弈模型。模型的定義如下。

采用定量回歸分析方法和全樣本回歸分析方法，對全周期成本預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，結(jié)合了最低成本和最佳質(zhì)量平衡的方法。對成本函數(shù)進(jìn)行了全局優(yōu)化，并采用Simunic 模型進(jìn)行了成本約束[8]，成本預(yù)測的成本函數(shù)表示如下。

3 成本預(yù)測模型優(yōu)化

3.1 全周期成本預(yù)測

采用BIM 技術(shù)設(shè)計了施工成本的信息管理模型，并采用全樣本回歸分析的方法對全周期成本預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了自適應(yīng)優(yōu)化。選取投資水平和建設(shè)成本作為約束本體參數(shù)，采用效益最優(yōu)約束法得到成本預(yù)測的模糊成本函數(shù)如下。

其中，λwηw+μw(1-ηw)可以理解為建筑成本全周期成本預(yù)測的適應(yīng)度函數(shù)、模糊成本預(yù)測方法、成本最小法和質(zhì)量最佳平衡的解釋和控制變量。實(shí)現(xiàn)BIM 下施工成本全周期成本預(yù)測，控制優(yōu)化功能如下。

結(jié)合最低成本和最佳質(zhì)量平衡的方法，實(shí)現(xiàn)了BIM 條件下施工成本的全周期成本預(yù)測。選擇投資水平作為因變量，以實(shí)證評價和結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測為基礎(chǔ)，得到項(xiàng)目成本預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)建筑信息管理下預(yù)制建筑工程造價預(yù)測的最優(yōu)決策博弈模型，表示為式（16）。

該模型構(gòu)建了建筑信息管理下預(yù)制建筑成本的效益和參數(shù)控制模型，并在效益協(xié)調(diào)機(jī)制下進(jìn)行了成本控制和建筑成本的預(yù)測和評價。

3.2 建設(shè)項(xiàng)目成本預(yù)測信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

基于建筑工程造價預(yù)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)行了建筑成本全周期成本預(yù)測模型的軟件開發(fā)設(shè)計，并將上述控制算法編寫在程序加載模塊的實(shí)現(xiàn)算法中。首先，對施工成本精度規(guī)劃的整個設(shè)計框架進(jìn)行了分析，分析并介紹了功能模塊組件，并采用EPC 分析技術(shù)對施工成本的全周期成本傳輸信息進(jìn)行了處理。在Linux 運(yùn)行模型下，進(jìn)行了建設(shè)成本全周期成本預(yù)測模型的嵌入式模塊調(diào)度和交叉編譯設(shè)計。自助裝載機(jī)采用交叉編制法作為施工成本的全周期控制。交叉編譯環(huán)境用于輸出建設(shè)項(xiàng)目全周期施工成本的成本規(guī)劃結(jié)果，并進(jìn)行人機(jī)交互操作。在嵌入式Linux 的開發(fā)環(huán)境中構(gòu)建了建設(shè)成本全周期成本預(yù)測模型的軟件開發(fā)環(huán)境，并在移植后配置了內(nèi)核。在LabWindows/CVI 平臺上，對建筑成本的全周期成本預(yù)測模型進(jìn)行了硬件移植。VisualDSP++用于在本地數(shù)據(jù)庫中調(diào)度建設(shè)成本的整個周期成本信息。在引導(dǎo)目錄下，生成施工成本全周期成本預(yù)測的編制軟件，并對施工成本全周期成本進(jìn)行總線傳輸和交叉編制控制，通過對AD 信息進(jìn)行抽樣來進(jìn)行預(yù)測。提高了施工成本預(yù)測的穩(wěn)定性。通過調(diào)試成本預(yù)測模型，并在Linux2.6.32內(nèi)核環(huán)境下配置目標(biāo)文件，實(shí)現(xiàn)了成本預(yù)測模型的優(yōu)化設(shè)計。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該方法在實(shí)現(xiàn)建筑工程施工成本全周期成本預(yù)測中的應(yīng)用性能，本文進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)由Matlab7設(shè)計，并結(jié)合SPSS14.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行成本預(yù)測和統(tǒng)計分析。建筑設(shè)施的相關(guān)約束系數(shù)為0.29，信貸基金的約束構(gòu)成因素為0.072。根據(jù)“建設(shè)項(xiàng)目預(yù)算定額”，獲得基于BIM 的裝配建設(shè)成本。預(yù)測參數(shù)設(shè)計如表1所示。

表1 建筑成本預(yù)測的貢獻(xiàn)權(quán)重

表2 工程成本控制的約束條件

根據(jù)上述模擬環(huán)境和參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了建筑工程的全周期成本預(yù)測仿真。效率接近程度，采用本文的方法和傳統(tǒng)的方法對工程成本預(yù)測的質(zhì)量接近度和成本接近度進(jìn)行了檢驗(yàn)。計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目成本預(yù)測的博弈關(guān)系

從圖1 可以看出，該方法具有良好的成本、效率、工程質(zhì)量之間的收斂性和良好的博弈平衡。工程建設(shè)的質(zhì)量水平和效率水平較高，單位成本較低。傳統(tǒng)的算法需要多步迭代來降低成本，并偏離了成本的動態(tài)控制精度。這是因?yàn)椴捎梅侄位貧w分析的方法構(gòu)建了一個具有質(zhì)量-效率-成本控制的多參數(shù)約束的成本控制模型，保證了建筑工程在整個周期內(nèi)的成本控制能力。對不同工程成本預(yù)測方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試，預(yù)測誤差的比較結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，該方法的誤差較小，全局平衡性較好。

圖2 成本預(yù)測性能的比較

5 結(jié)論

本文提出了一種基于BIM 的建筑成本全周期成本預(yù)測模型的設(shè)計模型，并構(gòu)建了建筑工程施工成本全周期成本預(yù)測的博弈模型。將工程質(zhì)量約束與成本約束相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)施工成本的平衡控制，采用BIM 設(shè)計施工成本的信息管理模型。采用全樣本回歸分析的方法，自適應(yīng)地優(yōu)化全周期成本預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)。結(jié)合最低成本和最佳質(zhì)量平衡的方法，實(shí)現(xiàn)了BIM 條件下施工成本的全周期成本預(yù)測。研究表明，該方法具有良好的平衡性、低預(yù)測誤差和較強(qiáng)的博弈平衡能力。該方法在工程成本預(yù)測中具有良好的應(yīng)用價值。