基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺

周 昊

（吉林建筑科技學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引 言

機(jī)電工程包括電氣、通風(fēng)、給排水管道和設(shè)備等安裝與調(diào)試。在機(jī)電工程施工過程中，某些部件需要通電、通氣進(jìn)行調(diào)試；且在焊接管道時(shí)，對施工人員的技術(shù)水平要求較高[1-2]。機(jī)電工程是復(fù)雜的集成系統(tǒng)，其在施工過程中存在的不確定性因素較多，常常會導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生，給施工方帶來不可預(yù)估的損失，甚至嚴(yán)重危害國家公共安全。因此對機(jī)電施工過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警意義重大?，F(xiàn)在已有學(xué)者設(shè)計(jì)機(jī)電施工過程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺，如蘭峰濤等人[3]設(shè)計(jì)的施工過程管理平臺，該平臺通過采集機(jī)電施工過程中的參數(shù)，構(gòu)建BIM模型，再利用安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制實(shí)現(xiàn)機(jī)電工程施工中的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。但該平臺對運(yùn)行環(huán)境要求較高，因此適用性不佳。于用慶等人[4]設(shè)計(jì)定位與施工人員安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺，該平臺著重于對機(jī)電工程施工人員進(jìn)行定位和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，其研究角度過小，因此應(yīng)用效果也不佳。BIM技術(shù)是數(shù)據(jù)化管理工具，可通過其構(gòu)建可視化工程模型[5]，為用戶實(shí)時(shí)提供工程施工進(jìn)展。本文以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺，為機(jī)電工程施工安全提供保障。

1 機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺

1.1 平臺總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)“層次”思想，設(shè)計(jì)機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺，該平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺由數(shù)據(jù)采集層、通信傳輸層、分析處理層和輸出表示層組成。在數(shù)據(jù)采集層內(nèi)，將機(jī)電工程施工信息、監(jiān)測信息、設(shè)計(jì)信息、施工環(huán)境信息存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)；通信傳輸層將數(shù)據(jù)庫內(nèi)機(jī)電施工相關(guān)信息經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和WSN管理協(xié)議、無線傳感通信協(xié)議發(fā)送到用戶服務(wù)器內(nèi)，用戶服務(wù)器再將機(jī)電施工相關(guān)信息分別發(fā)送到分析處理層內(nèi)和BIM可視化展示層內(nèi)，利用分析處理層內(nèi)的基于頻繁項(xiàng)集合Apriori算法的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法輸出機(jī)電施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果后，傳輸?shù)捷敵霰硎緦拥念A(yù)警中心內(nèi)。輸出表示層利用接收到的機(jī)電施工相關(guān)信息及BIM可視化展示模塊構(gòu)建機(jī)電施工可視化模型，并利用預(yù)警中心模塊為用戶呈現(xiàn)機(jī)電施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果。

1.2 機(jī)電設(shè)備BIM模型構(gòu)建方法

利用BIM技術(shù)構(gòu)建機(jī)電工程施工三維模型，構(gòu)建過程如圖2所示。

圖2 機(jī)電設(shè)備BIM模型構(gòu)建過程示意圖

在利用BIM技術(shù)構(gòu)建機(jī)電設(shè)備BIM模型時(shí)，先構(gòu)建機(jī)電工程施工對象，并構(gòu)建其對應(yīng)的族庫，如依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備分布結(jié)構(gòu)、給排水結(jié)構(gòu)等建立對應(yīng)的族庫后[6]，通過調(diào)用建筑和結(jié)構(gòu)族庫生成初始的電氣施工環(huán)境BIM模型，再依據(jù)給排水、暖通、電氣等上游信息建立專業(yè)的電氣施工BIM模型，并結(jié)合初始的電氣施工環(huán)境BIM模型，生成最終的電氣施工綜合模型。

1.3 基于頻繁項(xiàng)集與Apriori算法的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺利用分析處理層實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，其過程如下：

（1）建立機(jī)電工程施工數(shù)據(jù)的頻繁項(xiàng)集，其過程為：掃描機(jī)電工程施工相關(guān)數(shù)據(jù)后[7-8]，設(shè)置項(xiàng)集最小支持度（施工風(fēng)險(xiǎn)閾值），將小于最小支持度的項(xiàng)集匯總生成新項(xiàng)集，標(biāo)記為L1；依據(jù)L1搜索其他項(xiàng)集，并將新搜索到的項(xiàng)集標(biāo)記為L2，依次循環(huán)后，直到所有符合條件的項(xiàng)集全部被找到，將其命名為k項(xiàng)集；然后對k項(xiàng)集進(jìn)行連接、剪枝處理得到機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)頻繁項(xiàng)集。

（2）獲得機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)頻繁項(xiàng)集后，依據(jù)最小支持度和最小置信度生成強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則[9]。機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)的條件概率計(jì)算公式如下：

式中：A、B分別表示兩個(gè)機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)集；support_count (A∪B)表示涵蓋A∪B關(guān)系的記錄數(shù)量；表示涵蓋A項(xiàng)集的數(shù)量。

（3）生成每個(gè)機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)集的非空子集，用φ表示，利用式（1）計(jì)算非空子集的條件概率，若條件概率大于最小置信度閾值[10]，則說明此時(shí)機(jī)電工程施工無風(fēng)險(xiǎn)，反之則說明機(jī)電施工工程存在風(fēng)險(xiǎn)，將該風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果發(fā)送到輸出表示層展示給用戶，實(shí)現(xiàn)機(jī)電工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某高層住宅電氣施工項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)對象，使用本文平臺對其電氣工程施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，分析本文方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1 平臺耦合度測試

平臺運(yùn)行環(huán)境影響其實(shí)際應(yīng)用性能，以平臺耦合度作為衡量指標(biāo)，測試本文平臺在Windows、Chrome OS和Linux運(yùn)行環(huán)境下，在不同并發(fā)用戶情況下，其耦合度變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 平臺耦合度測試結(jié)果

分析圖3可知，本文平臺在不同運(yùn)行環(huán)境下，其耦合度數(shù)值與并發(fā)用戶數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中本文平臺在Windows運(yùn)行環(huán)境下的耦合度數(shù)值最高，其次是Linux和Chrome OS。但本文系統(tǒng)在三種運(yùn)行環(huán)境下的耦合度數(shù)值下降幅度較為緩慢，在并發(fā)用戶數(shù)為300個(gè)時(shí)，本文系統(tǒng)在三種運(yùn)行環(huán)境下的耦合度值均高于0.95。上述結(jié)果說明：本文平臺在不同運(yùn)行環(huán)境下的耦合度均較高。

2.2 電氣施工BIM模型構(gòu)建

以該電氣工程某個(gè)施工段作為實(shí)驗(yàn)對象，使用本文方法構(gòu)建其電氣工程施工BIM模型，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電氣工程施工BIM模型

分析圖4可知，本文方法可有效構(gòu)建該電氣工程施工初始BIM模型；結(jié)合該初始模型，構(gòu)建其綜合模型，模型構(gòu)建效果較好。

2.3 電氣工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警測試

使用本文平臺預(yù)警該電氣工程施工風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)警結(jié)果見表1所列。

表1 電氣工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果

分析表1可知，從本文平臺對該電氣工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果來看，其可為用戶提供電氣工程施工日期、施工地點(diǎn)、當(dāng)前施工人員數(shù)量以及其施工是否存在風(fēng)險(xiǎn)。該結(jié)果表明：本文方法具備較好的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警效果，應(yīng)用效果較好。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)基于BIM技術(shù)的機(jī)電工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺，利用BIM技術(shù)建立機(jī)電工程施工模型，可更直觀地為用戶呈現(xiàn)當(dāng)前機(jī)電工程施工進(jìn)展，以及施工場景畫面。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，本文平臺具備較高的耦合度，并可有效地對機(jī)電施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。