安 冬，裴 曉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

在煤礦工程的施工過程中，需對整個工程的施工進程實施有效的監(jiān)控與管理，以此保障煤礦工程的施工進度如期完成，同時有效降低成本，提高施工質(zhì)量[1]。若施工進度延期，施工方易因趕進度導(dǎo)致工程質(zhì)量的降低，對煤礦工程造成隱患。工程施工進度監(jiān)控與管理的依據(jù)為施工進度規(guī)劃，規(guī)劃內(nèi)容主要包括工程中各項工作的起始時間、結(jié)束時間與施工順序等[2]。以施工進度規(guī)劃為依據(jù)，在合同期內(nèi)監(jiān)控與管理現(xiàn)實施工進度，此即為工程施工進度監(jiān)控。通常情況下，對施工進度產(chǎn)生干擾的關(guān)鍵因素有內(nèi)部與外部兩方面，其中內(nèi)部因素重點為施工組織、設(shè)計方、業(yè)主方及工程手續(xù)等，外部因素重點為資源供應(yīng)與自然因素等[3-4]。針對施工進度而言，相比外部因素內(nèi)部因素更易控制，然而由于煤礦工程的復(fù)雜性及工程量較大等因素，對施工進度監(jiān)控造成了一定的制約。為此，需通過科學(xué)合理的施工進度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦工程施工進度的有效監(jiān)控，保障工程的工期、成本與質(zhì)量[5]。

以往所運用的大部分施工進度監(jiān)控系統(tǒng)或多或少都存在部分缺陷，如無法實現(xiàn)可視化監(jiān)控、信息上報與循環(huán)周期較長、信息化程度較低等，監(jiān)控效率與實際監(jiān)控效果均有待提升[6]。BIM(建筑信息模型)內(nèi)包括尺寸、材料、形狀、型號與材質(zhì)等完備的現(xiàn)實工程信息，其將三維數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)字化呈現(xiàn)與工程有關(guān)的全部信息，屬于一種能夠融合工程項目所有關(guān)聯(lián)信息的工程數(shù)學(xué)模型[7]。BIM技術(shù)的一體化特點，能夠有效整合工程內(nèi)全部施工人員，同時結(jié)合其可視化特點，有效融合工程施工規(guī)劃和工程模型，通過可視化數(shù)據(jù)為監(jiān)控管理者實時掌控工程施工進度提供便利，提升整個工程施工進度監(jiān)管的效率[8]。

綜合以上分析，本文設(shè)計BIM技術(shù)的煤礦工程施工進度監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集與處理，構(gòu)建BIM實時模型，實現(xiàn)對煤礦工程施工進度的監(jiān)控及監(jiān)控結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，便于管理者實時監(jiān)控施工進度并及時做出調(diào)整，提高監(jiān)控的效率與效果，為保證煤礦工程施工質(zhì)量與工期提供幫助。

1 煤礦工程施工進度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)設(shè)計

以監(jiān)控信息可視化展現(xiàn)、施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動化采集、信息有效集成與管理、施工進度和成本報告輸出、施工進度實時監(jiān)控等功能需求為目標(biāo)，設(shè)計具有易維護、實用性、擴展性及規(guī)范性較高等特點的BIM技術(shù)煤礦工程施工進度監(jiān)控系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、BIM模型層及應(yīng)用層4部分，整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture diagram of the system

(1)數(shù)據(jù)采集層。該層的主要功能是實時采集煤礦工程施工現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時將所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)處理層。所采集的實時數(shù)據(jù)信息主要由深度圖像與3D點云等構(gòu)成，其中深度圖像是在施工現(xiàn)場通過攝像測量技術(shù)拍攝所得，主要包含材料信息與構(gòu)件形態(tài)信息等；3D點云是采用3D激光掃描儀對現(xiàn)場已完工部分3D坐標(biāo)實施收集，并通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)將各個測站所收集的數(shù)據(jù)集成后而獲得的。

(2)數(shù)據(jù)處理層。此層的主要任務(wù)是接收并處理數(shù)據(jù)采集層所傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)信息，同時由其中提取出有價值信息實施對象匹配與識別，為BIM實時模型生成奠定基礎(chǔ)。

(3)BIM模型層。此層屬于整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫，集成了煤礦工程施工過程動態(tài)監(jiān)控所形成的海量有價值數(shù)據(jù)信息，有效集成并管理煤礦工程的規(guī)劃與施工階段的相關(guān)信息[10]，同時將施工進度監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)信息提供給應(yīng)用層，幫助應(yīng)用層內(nèi)進度與成本監(jiān)控模塊功能實現(xiàn)。

(4)應(yīng)用層。該層主要由進度監(jiān)控模塊、成本監(jiān)控模塊、可視化展現(xiàn)模塊等構(gòu)成，以BIM模型層所提供的信息為依據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，具有高擴展性，能夠以實際煤礦工程監(jiān)控所需為依據(jù)，增加基于BIM實時模型信息而實現(xiàn)的相應(yīng)功能模塊。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)由工作站、后臺服務(wù)器等構(gòu)成，如圖2所示。其中，后臺服務(wù)器包括進度監(jiān)控Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器各1臺。各部分硬件的功能如下：①工作站。安裝Navisworks軟件，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)可視化展示，煤礦工程施工進度監(jiān)控人員經(jīng)由工作站登錄服務(wù)器后，開始監(jiān)控施工進度。②進度監(jiān)控Web服務(wù)器。其主要任務(wù)是實現(xiàn)進度監(jiān)控的Web發(fā)布。③數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。該服務(wù)器主要由BIM模型、配置文件以及核心數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。其中，BIM模型即為煤礦工程不同子系統(tǒng)的BIM模型；配置文件即操作日志、數(shù)據(jù)庫字符串及存儲路徑等信息；核心數(shù)據(jù)庫主要由進度、單價、工程量及單位等信息構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall hardware structure diagram of the system

1.2.2 進度監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用層內(nèi)的進度監(jiān)控與成本監(jiān)控模塊屬于該層內(nèi)的關(guān)鍵模塊，二者的主要任務(wù)是監(jiān)控煤礦工程施工進度與成本，并將所得監(jiān)控報告輸出，向煤礦工程相關(guān)監(jiān)管人員提供決策信息[11]。由于二者的結(jié)構(gòu)相似，故以進度監(jiān)控模塊為例，設(shè)計其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 進度監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of progress monitoring module

進度監(jiān)控模塊主要由信息導(dǎo)入、運算設(shè)置、工程量運算和輸出、參數(shù)運算和輸出等單元構(gòu)成，各單元功能描述為：①信息導(dǎo)入單元。此單元的主要功能是導(dǎo)入煤礦工程施工進度監(jiān)控所需的BIM信息，將相關(guān)數(shù)據(jù)提供給參數(shù)運算[12]。②運算設(shè)置單元。該單元的任務(wù)是設(shè)置運算項目、規(guī)則及價格，其中運算項目的設(shè)置需以贏得值法的運算需求為依據(jù)，而運算規(guī)則與價格的設(shè)置需以運算項目為依據(jù)。③工程量運算和輸出單元。以所設(shè)置的運算規(guī)則為前提，運算工程量并生成工程量報告，以設(shè)置的運算項目為依據(jù)，輸出所生成的工程量報告。④參數(shù)運算和輸出單元。運用以產(chǎn)品為基礎(chǔ)的計價法，以所得工程量與單價為依據(jù)，運算出贏得值參數(shù)與指標(biāo)值，獲得進度監(jiān)控報告并輸出。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流設(shè)計情況如圖4所示。將現(xiàn)場采集的深度圖像與3D點云數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后作為系統(tǒng)進度監(jiān)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫；定期對數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)實施維護，并定期導(dǎo)出施工進度報告，經(jīng)由用戶向Navisworks軟件內(nèi)導(dǎo)入施工進度報告與BIM實時模型，實施煤礦工程施工進度監(jiān)控報告的可視化展示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計Fig.4 System data flow design diagram

1.3.2 BIM實時模型構(gòu)建過程設(shè)計

BIM實時模型的構(gòu)建過程如圖5所示。

圖5 BIM實時模型構(gòu)建過程Fig.5 BIM real-time model construction process diagram

BIM實時模型運用數(shù)據(jù)庫的方式儲存信息，其特點為靈活性高、存儲性能較好。其所存儲的信息屬于動態(tài)信息，能夠伴隨工程施工進展而持續(xù)更新[13-14]。此種存儲方式在更新數(shù)據(jù)時，無需將BIM模型內(nèi)的全部信息重新存儲，僅需針對局部變化數(shù)據(jù)實施更新即可，如此可將其共享及轉(zhuǎn)化信息的速率大幅度提升，實現(xiàn)煤礦工程施工生命周期的信息共享及集成[15]。

BIM實時模型是基于激光掃描3D點云自動識別3D CAD構(gòu)建方法實現(xiàn)構(gòu)建的。通過3D激光掃描儀采集現(xiàn)場完工部分3D坐標(biāo)，并將相應(yīng)點手動輸入，轉(zhuǎn)化參數(shù)化的BIM模型為3D CAD模型；在激光掃描儀坐標(biāo)系內(nèi)對此模型先后實施粗配準(zhǔn)與精配準(zhǔn)，同時運算出可匹配掃描點云的該模型點云，經(jīng)匹配運算兩點云識別構(gòu)建對象，精對準(zhǔn)所識別構(gòu)建后，獲取到該模型構(gòu)建的現(xiàn)實方向與位置；所識別出構(gòu)建就是煤礦工程施工現(xiàn)場已完工部分構(gòu)件，以所獲取的現(xiàn)實方向與位置為依據(jù)，變換BIM模型構(gòu)件，獲得BIM實時模型構(gòu)件，完成BIM實時模型的構(gòu)建。另外，在構(gòu)建過程中，所需的精配準(zhǔn)運算式為：

(1)

粗配準(zhǔn)運算式為：

(2)

1.3.3 進度偏差分析方法

選取贏得值法對施工進度與成本偏差實施分析，該方法屬于一種常用的聯(lián)合監(jiān)測施工成本與進度的方法。該方法包含3個基本參數(shù)與4個評價指標(biāo)，其中3個參數(shù)分別為已完工工作的現(xiàn)實費用(ACWP)與預(yù)計費用(BCWP)、規(guī)劃工作的預(yù)計費用(BCWS)；4個指標(biāo)分別為進度與費用績效指數(shù)(SPI與CPI)、進度與費用偏差(SV與CV)。

(1)ACWP參數(shù)的運算公式為：

ACWP=P1×a

(3)

式中，P1為已完工工作量；a為現(xiàn)實單價。

(2)BCWP參數(shù)的運算公式為：

BCWP=P1×b

(4)

式中，b為預(yù)計單價。

(3)BCWS參數(shù)的運算公式為：

BCWS=P2×b

(5)

式中，P2為規(guī)劃工作量。

(4)SPI指標(biāo)的運算公式為：

SPI=BCWP/BCWS

(6)

當(dāng)SPI>1時，說明現(xiàn)實施工進度超出規(guī)劃施工進度；反之，則說明現(xiàn)實施工進度延后于規(guī)劃施工進度。

(5)CPI指標(biāo)的運算公式為：

CPI=BCWP/ACWP

(7)

若CPI>1，則說明現(xiàn)實施工費用比預(yù)計費用低；反之，則說明現(xiàn)實施工費用比預(yù)計費用高。

(6)SV指標(biāo)的運算公式為：

SV=BCWP-BCWS

(8)

當(dāng)SV的值為正數(shù)時，則說明現(xiàn)實施工進度比規(guī)劃施工進度快；反之，則說明現(xiàn)實施工進度比規(guī)劃進度慢。

(7)CV指標(biāo)的運算公式為：

CV=BCWP-ACWP

(9)

當(dāng)CV的值為正數(shù)時，說明現(xiàn)實施工費用未高出預(yù)計費用；反之，則說明現(xiàn)實施工費用已高出預(yù)計費用。通過贏得值法的以上參數(shù)與指標(biāo)，能夠有效分析出施工進度與成本偏差，掌握煤礦工程的施工進度成本情況與趨勢，實現(xiàn)對煤礦工程施工進度的有效監(jiān)控。

2 應(yīng)用實例分析

以某煤礦企業(yè)的在施工工程為例，運用本文系統(tǒng)對此工程施工進度實施監(jiān)控，檢驗本文系統(tǒng)的監(jiān)控結(jié)果與實際應(yīng)用效果，檢驗本文系統(tǒng)的性能。實驗工程為礦井工程，選取該工程內(nèi)的A、B兩項工作項目實施進度監(jiān)控。實驗工程的施工現(xiàn)場進度監(jiān)控效果如圖6所示。

圖6 實驗煤礦工程施工現(xiàn)場進度監(jiān)控Fig.6 Monitoring construction site progress of experimental coal mine engineering

運用本文系統(tǒng)對實驗煤礦工程的A、B兩個項目10 d的施工進度與成本實施監(jiān)控，其中A、B兩個工作項目中各自包含10個工作階段，所得監(jiān)控結(jié)果見表1。由表1得出，從施工進度監(jiān)控結(jié)果分析，實驗煤礦工程A項目的A1—A5階段現(xiàn)實施工進度與規(guī)劃施工進度相符，未出現(xiàn)延后問題，A8、A7、A6、A9階段的現(xiàn)實施工進度延后問題相對較嚴(yán)重，A10階段的現(xiàn)實施工進度稍有延后；B項目B1、B2、B9、B10階段現(xiàn)實施工進度與規(guī)劃施工進度相符，無延后問題，而B6、B7、B5階段現(xiàn)實施工進度延后較多，B3、B4、B8階段現(xiàn)實施工進度稍有延后。從施工成本監(jiān)控結(jié)果分析，A項目僅A1階段的現(xiàn)實施工費用與預(yù)計費用相符，其余各階段的現(xiàn)實施工費用均高于預(yù)計費用；B項目的B1、B2階段現(xiàn)實施工費用未超出預(yù)計費用，其他階段均超出預(yù)計費用。

表1 A、B兩項目施工進度與成本監(jiān)控結(jié)果Tab.1 Monitoring results of construction progress and cost of project A and project B in this paper

綜合以上分析可知，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦工程不同項目各階段施工進度與成本的監(jiān)控，依據(jù)監(jiān)控結(jié)果獲得各項目不同階段的現(xiàn)實施工狀況與費用，為管理者及時做出施工進度與費用調(diào)整提供有效幫助。

通過本文系統(tǒng)針對A、B兩項目中施工進度延后問題較嚴(yán)重的幾個階段繼續(xù)實施監(jiān)控，所監(jiān)控階段包括A項目的A8、A7、A6、A9階段與B項目的B6、B7、B5階段。其中對A項目4個階段的監(jiān)控結(jié)果如圖7所示。對B項目3個階段的監(jiān)控結(jié)果如圖8所示。結(jié)合圖7與圖8能夠得知，A項目的A6、A7、A8、A9階段的規(guī)劃完成工作量為100%的時間依次為14、15、15、16 d，現(xiàn)實完成工作量達(dá)到100%的時間依次為15、17、18、17 d，4個階段的施工進度延后時間依次為1、2、3、1 d；B項目的B5、B6、B7階段的規(guī)劃完成工作量為100%的時間依次為16、13、15 d，現(xiàn)實完成工作量達(dá)到100%的時間依次為18、17、18 d，3個階段的施工進度延后時間依次為2、4、3 d。

圖7 對A項目進度延后階段的監(jiān)控結(jié)果Fig.7 Monitoring results of the delayed stage of project A

圖8 對B項目進度延后階段的監(jiān)控結(jié)果Fig.8 Monitoring results of the delayed stage of project B

繼續(xù)對現(xiàn)實施工進度與規(guī)劃施工進度統(tǒng)一的A、B項目各階段實施監(jiān)控，以A項目的A1階段為例，將本文系統(tǒng)監(jiān)控所得的此階段規(guī)劃施工進度與現(xiàn)實施工進度結(jié)果展現(xiàn)，如圖9所示。

分析圖9能夠得出，A項目A1階段的規(guī)劃施工時間為17 d，此階段的現(xiàn)實施工時間同樣為17 d，施工進度相符，且施工過程中的工作量進度也幾乎一致?？梢?，本文系統(tǒng)能夠針對不同進度的工作階段實施有效監(jiān)控。

圖9 現(xiàn)實與規(guī)劃施工進度統(tǒng)一階段的監(jiān)控結(jié)果展現(xiàn)Fig.9 Display of monitoring results at the unification stage of realistic and planned construction schedule

4 結(jié)論

煤礦工程施工進度的有效監(jiān)控是實施煤礦工程監(jiān)管的依據(jù)，是保障工程施工工期與質(zhì)量成本的關(guān)鍵。為此，本文針對一種BIM技術(shù)的煤礦工程施工進度監(jiān)控系統(tǒng)展開研究。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、BIM模型及應(yīng)用4個層級，通過結(jié)合攝像測量技術(shù)與激光3D掃描儀采集現(xiàn)場施工相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理與提取后，構(gòu)建BIM實時模型，運用所構(gòu)建BIM實時模型內(nèi)數(shù)據(jù)信息，實施相應(yīng)的運算后，實現(xiàn)對煤礦工程施工進度與成本的監(jiān)控。

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦工程中，對該工程內(nèi)A、B兩個項目的各階段施工進度與成本實施監(jiān)控，結(jié)果表明，現(xiàn)實施工費用與預(yù)計費用相符的為A1、B1、B2階段，其余階段的現(xiàn)實施工費用均比預(yù)計費用高；現(xiàn)實施工進度與規(guī)劃施工進度一致的為A項目的A1—A5階段及B項目的B1、B2、B9、B10階段，其中A1階段的現(xiàn)實施工天數(shù)和施工過程中的工作量進度均同規(guī)劃施工相符；現(xiàn)實施工進度延后現(xiàn)象嚴(yán)重的為A項目的A6—A9階段、B項目的B5—B7階段，其余階段稍有延后，其中，B6階段的現(xiàn)實施工進度比規(guī)劃施工進度延遲4 d，A8與B7階段的現(xiàn)實施工進度比規(guī)劃施工進度延遲3 d，為2個項目中施工進度延遲時間最長的3個階段?？梢?，本文系統(tǒng)可針對煤礦工程不同項目的各個階段施工進度與成本實施有效的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控所得結(jié)果分析各階段的現(xiàn)實施工狀況與費用，為工程管理者及時發(fā)現(xiàn)施工中的問題并做出相應(yīng)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。