基于蟻群一BP混合模型的高速公路橋梁造價(jià)估算體系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U445.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.030

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0100-05

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與區(qū)域一體化進(jìn)程的不斷深入，高速路網(wǎng)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升居民生活水平等方面都至關(guān)重要。高速公路作為我國(guó)交通的大動(dòng)脈，受到國(guó)家的高度重視，所以在高速公路橋梁工程建設(shè)中對(duì)造價(jià)控制更加嚴(yán)格[1-3]。因此，探討和分析如何控制高速公路橋梁工程的造價(jià)，確保工程在預(yù)算控制下嚴(yán)謹(jǐn)執(zhí)行，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)公路橋梁事業(yè)的健康成長(zhǎng)具有重大意義。然而，造價(jià)管理與控制工作仍然存在一些不足之處，導(dǎo)致成本超出預(yù)算的情況頻出，降低了道路橋梁工程建設(shè)的效益[4-6]。當(dāng)前，傳統(tǒng)的估算方法往往難以適應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)需求，且預(yù)測(cè)精度有時(shí)無法滿足項(xiàng)目管理的需要。為了提升投資造價(jià)估算的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，迫切需要構(gòu)建一個(gè)符合現(xiàn)代工程特點(diǎn)的高速路網(wǎng)橋梁工程投資造價(jià)估算模型與指標(biāo)體系。因此本次研究旨在深入分析影響造價(jià)的關(guān)鍵因素，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一套科學(xué)、合理、可操作的投資造價(jià)估算模型與指標(biāo)體系。

1造價(jià)估算模型與指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1項(xiàng)目概況

研究項(xiàng)目位于H省的平原地區(qū)，地理位置為區(qū)域北部。這片區(qū)域以其遼闊的地勢(shì)而為人所知，是華北平原的一部分，為項(xiàng)目提供了良好的建設(shè)環(huán)境。研究主要選取2019一2022年間逐步成型的項(xiàng)目P2段高速公路路段作為研究主體。

P2段全段長(zhǎng)度為 12312m ，寬度為26.5m，面積統(tǒng)計(jì)為 。P2段內(nèi)包含小型橋梁19座，采用空心板橋設(shè)計(jì)中型橋梁25座，空心板橋和箱梁的混合設(shè)計(jì)；大型與特大型橋梁分別10座和2座，分別采用了箱梁、斜拉橋和T梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2造價(jià)估算模型的構(gòu)建

研究在構(gòu)建模型前首先分析模型影響因子。根據(jù)交通局提供的道路工程成本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來界定橋梁項(xiàng)目的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素，明確了2019版《道路工程估價(jià)參照》下橋梁品級(jí)與相應(yīng)參數(shù)的分類，整理了規(guī)定下的橋梁成本估價(jià)要素，并評(píng)估了每項(xiàng)元素的影響力，得到了如橫跨度、地基情況、墩高、橋臺(tái)及承臺(tái)等主導(dǎo)成本的因素，并利用專家調(diào)查縮減關(guān)鍵要素得到最終的關(guān)鍵影響因子關(guān)系如圖1所示。

在模型設(shè)計(jì)部分，研究以反向傳播（Backpropagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基本框架，并對(duì)模型進(jìn)行性能化改進(jìn)。

（1）對(duì)一系列樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分類，樣本代表了P2段上最常見的橋梁類型，包括空心板梁橋、箱梁橋和T梁橋。

（2）根據(jù)隨機(jī)抽取原則，按 3：1 的比例將各樣本數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集。為了去除各種影響因素的單位效應(yīng)，并且加速網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的速度，研究使用歸一化法對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行了處理。

此次處理將數(shù)值限制在[一1，1的范圍之內(nèi)，這使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練更為有效。

研究采用蟻群算法來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在優(yōu)化應(yīng)用中，為了避免模型陷入局部最優(yōu)，將螞蟻算法的局部信息素和全局信息素相結(jié)合，對(duì)信息素進(jìn)行全面更新。在局部更新中，通過子區(qū)間的信息素更新，減少容易造成算法停滯的大信息量區(qū)間被選中的概率，提升算法效率。更新公式如式（1）所示：

在全局更新中，則主要通過全局搜索來減少已選擇路徑的信息素，最優(yōu)更新如式（2）所示：

式中： ——螞蟻在路徑循環(huán)中留下大的信息量。

計(jì)算公式如式（3）所示：

在螞蟻算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上，研究不采用傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單層模型，而是采用復(fù)式模型提升本構(gòu)模型性能。經(jīng)典BP模型網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要包含輸入層、隱含層、輸出層3個(gè)部分，分別負(fù)責(zé)信號(hào)的輸入、信號(hào)的處理、信號(hào)的輸出[8-10]。但在本次研究的改進(jìn)過程中，增加隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，并增加隱含層的層數(shù)以更好地捕捉非線性映射關(guān)系。輸入節(jié)點(diǎn) n 和輸出節(jié)點(diǎn) m 之間存在強(qiáng)非線性映射關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)從 n 維空間映射到 m 維空間。復(fù)式優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

假設(shè) n 是輸入層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量， h 是隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量， m 是輸出層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。則模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換函數(shù)表方程如式（4）所示。

其中，隱藏層的激活函數(shù)設(shè)置為雙正切函數(shù)，如式（5）所示。

式中： x —輸入信號(hào)；

1 輸入信號(hào)的正負(fù)指數(shù)差；

一 輸入信號(hào)的正負(fù)指數(shù)和。

輸出層的激活函數(shù)為對(duì)數(shù)激活函數(shù)，如式（6）所示。

式中：1+e^-x"一 一輸入信號(hào)負(fù)指數(shù)。

在原有的BP算法中，權(quán)值更新公式如式（7）。

式中： ——學(xué)習(xí)率；

——誤差函數(shù)。

該方法存在一個(gè)問題，即如果梯度值變化較大，可能會(huì)導(dǎo)致權(quán)值更新步長(zhǎng)過大，無法收斂到最優(yōu)點(diǎn)。因此，研究利用動(dòng)量法改進(jìn)更新策略，如式（8）所示。

式中： α 一 動(dòng)量參數(shù)； ———上一次權(quán)值更新的值。

通過 α 的調(diào)節(jié)影響權(quán)值更新步長(zhǎng)，提升模型效果。

1.3造價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

高速公路項(xiàng)目因多參與者、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)、難施工及延時(shí)特性，導(dǎo)致其資金投入龐大、管理復(fù)雜，形成了全程嚴(yán)控的投資成本模式。因此在評(píng)估高速公路上橋梁建設(shè)造價(jià)時(shí)，需要搭建一個(gè)全面且系統(tǒng)的造價(jià)指標(biāo)體系。在選取指標(biāo)時(shí)，原則為指標(biāo)要具有代表性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、執(zhí)行便利性和多元性，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行細(xì)分。指標(biāo)分類涉及技術(shù)、工程量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和權(quán)重比例等多個(gè)維度：設(shè)計(jì)上的技術(shù)指標(biāo)專注于橋梁建設(shè)的規(guī)范條件和詳細(xì)參數(shù)；工程量指標(biāo)集中在實(shí)際物質(zhì)消耗和作業(yè)量的測(cè)算；主材消耗量指標(biāo)與分部工程量指標(biāo)按式（9）計(jì)算：

式中： ——主材消耗量指標(biāo)；

G'- 分部工程量指標(biāo)；

Z ——主材消耗量；

一 分部工程量；

G ——工程總量。

而經(jīng)濟(jì)指標(biāo)著眼于將材料和勞務(wù)的量化表現(xiàn)轉(zhuǎn)換為貨幣價(jià)值，確保不同項(xiàng)目成本的可比性。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)按式（10）計(jì)算：

式中： —項(xiàng)目造價(jià)。

造價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

在橋梁工程成本控制實(shí)踐中，關(guān)鍵物料的用量管理成為削減開支的有效途徑。材質(zhì)成本在總花費(fèi)中占據(jù)重大比例，這一消耗數(shù)據(jù)直接映射了項(xiàng)目的財(cái)務(wù)特性。權(quán)重指數(shù)的計(jì)算反映了在總成本構(gòu)成中各項(xiàng)內(nèi)容的相對(duì)重要性，對(duì)整體造價(jià)核算具有積極的指導(dǎo)作用。

2造價(jià)估算模型與指標(biāo)體系驗(yàn)證

2.1模型檢驗(yàn)一案例化檢驗(yàn)

通過對(duì)高速公路橋梁工程投資估算的多元線性回歸分析，篩選出了多個(gè)能夠顯著影響項(xiàng)目可行性的關(guān)鍵影響因素。各因素回歸結(jié)果如表2所示。

生直接作用。造價(jià)測(cè)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，從跨徑的角度來看，一般情況下，跨徑越大，單位面積所需的混凝土量和鋼筋量也越高，從而導(dǎo)致造價(jià)陡增。

跨徑 m的空心板橋梁，混凝土體積的需求從0.453 躍升至0.475 ，而鋼筋使用量則從71.25kg/m攀升至 。當(dāng)考慮至37m跨徑的T型梁時(shí)，混凝土體積更是增加至0.745 ，鋼筋使用量則顯著上升至139. ，這也隨之導(dǎo)致了主梁造價(jià)的顯著提升，即從1245.30元/m上漲至2501.85元/m。此外，不同類型的橋梁構(gòu)造（如空心板、T型梁、箱梁）之間的材料使用深度和方式也導(dǎo)致了成本的不同。特定材料消耗量的多寡，與橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性要求密不可分。隨機(jī)波動(dòng)的市場(chǎng)材料價(jià)格也顯著影響橋梁的單位建造費(fèi)用。材料價(jià)格的微小變動(dòng)，都在項(xiàng)目總成本上產(chǎn)生放大的效應(yīng)，這使得項(xiàng)目預(yù)算控制變得更加復(fù)雜，尤其是在大型橋梁項(xiàng)目中，常會(huì)出現(xiàn)因材料成本的波動(dòng)導(dǎo)致預(yù)算超支。因此，將材料單價(jià)囊括進(jìn)造價(jià)測(cè)算表，可以為調(diào)整投資策略、合理控制成本和提高項(xiàng)目管理效率提供實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的決策支持?？傊?，通過構(gòu)建的模型與指標(biāo)體系，可以對(duì)眾多影響造價(jià)的因素進(jìn)行量化管理，進(jìn)而協(xié)助工程投資決策者識(shí)別成本驅(qū)動(dòng)因素，制定更為合理的預(yù)算，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際應(yīng)用過程中，還必須綜合考慮當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件、資源可用性和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)狀況等外部因素，才能確保成本估算的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

3結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)估算模型，并構(gòu)建了一個(gè)全面的造價(jià)指標(biāo)體系，以有效預(yù)測(cè)和管理橋梁項(xiàng)目的總造價(jià)。結(jié)果顯示，改進(jìn)模型的決定系數(shù)和均方根誤差分別為0.99和31.25，以及0.98和37.47，證實(shí)了該模型的精準(zhǔn)度和優(yōu)越性。不同跨徑和橋梁類型的混凝土體積與鋼筋使用量呈現(xiàn)顯著差異。在跨徑 14m 變化至跨徑37m的T型梁結(jié)構(gòu)參數(shù)變化中，混凝土體積從 增加到 ，鋼筋使用量從 增至139. 。主梁建造費(fèi)用的差別也相當(dāng)明顯，跨徑17m的T型梁為1720.55元/ ，而跨徑更大的37m的T型梁主梁造價(jià)則高達(dá)2501.85元/m，說明跨徑和橋梁類型對(duì)于造價(jià)存在重大影響。由此可見，研究設(shè)計(jì)的模型能夠提供高精度的造價(jià)預(yù)估，該模型和指標(biāo)體系能指導(dǎo)實(shí)踐中合理選擇橋梁跨徑和類型，從而實(shí)現(xiàn)工程成本控制與設(shè)計(jì)優(yōu)化的雙重目標(biāo)。