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(xiàng)目設(shè)計(jì)選型獨(dú)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(jì)階段質(zhì)量難以控制，設(shè)計(jì)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(jì)階段對(duì)成本的影響可達(dá)75%以上，成本預(yù)測(cè)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(xiàng)目設(shè)施的實(shí)體和功能特征的數(shù)字表達(dá),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(duì)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(shí)現(xiàn)建筑的自動(dòng)化，智能設(shè)計(jì)和分析[2]。

1 BIM成本預(yù)測(cè)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(xiàng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，利用BIM技術(shù)云平臺(tái)管理，構(gòu)建一個(gè)基于Cloud-BIM的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過移動(dòng)客戶端，計(jì)算機(jī)客戶端，website將數(shù)據(jù)同步更新到云計(jì)算，促進(jìn)信息共享，實(shí)現(xiàn)多參與方共同合作。除此之外，BIM可以實(shí)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(dá)研發(fā)的GFC插件實(shí)現(xiàn)Revit、Navisworks、廣聯(lián)達(dá)BIM5D等工具間的數(shù)據(jù)交互[3]。具體預(yù)測(cè)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(jìn)行，Revit所建立參數(shù)模型中包括了個(gè)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(jì)軟件，根據(jù)給定項(xiàng)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(jì)優(yōu)化

應(yīng)用BIM技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段可以及早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理，能夠促進(jìn)項(xiàng)目順利開展。文章主要應(yīng)用Navisworks2019進(jìn)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，Navisworks修改后的模型會(huì)在Revit軟件中自動(dòng)更新，優(yōu)化后的模型會(huì)自動(dòng)顯示在Revit軟件中，根據(jù)自己的需要將模型的實(shí)物工程(如混凝土擋土墻的體積及其混凝土強(qiáng)度)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層、輸出層組成，每一層包含若干個(gè)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(gè)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(shí)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(jià)格樣本數(shù)據(jù)，Yn表示輸出層的預(yù)測(cè)值，即最終獲得的成本預(yù)測(cè)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(jī)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(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

1.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(kù)，廣材助手是建筑工程造價(jià)行業(yè)材料價(jià)格查詢網(wǎng)站，該網(wǎng)站上能夠提供建筑所需材料的價(jià)格信息，并且能夠在線提供常用材料每天的市場(chǎng)價(jià)格行情和走勢(shì)，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)將以往做過的項(xiàng)目信息收集在BIM的數(shù)據(jù)庫(kù)中，里面存儲(chǔ)了各類項(xiàng)目基本信息以及材料價(jià)格，為相關(guān)從業(yè)者提供了精確地人材機(jī)價(jià)格信息。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

1.4.3 預(yù)測(cè)模型的參數(shù)值

2 案例分析

選取某市水閘工程作為本項(xiàng)目的研究對(duì)象，采用Autodesk公司的Revit2019作為BIM建模軟件進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)階段的混凝土擋土墻為目標(biāo)進(jìn)行分析，首先對(duì)水閘工程進(jìn)行建模。

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

通過Revit自帶的明細(xì)表導(dǎo)出C25混凝土擋土墻工程量，Revit中工程量明細(xì)會(huì)自動(dòng)隨構(gòu)建的更改自動(dòng)更新，并能隨時(shí)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(xì)表

由以上明細(xì)表可得到C25混凝土擋土墻的工程量為497.28m3，由于項(xiàng)目在實(shí)際施工過程中存在建設(shè)周期，相應(yīng)的人材機(jī)價(jià)格會(huì)隨市場(chǎng)環(huán)境變化而變化，造價(jià)控制難度增高，為了避免價(jià)格波動(dòng)對(duì)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(jià)為例進(jìn)行價(jià)格預(yù)測(cè)，通過BIM數(shù)據(jù)庫(kù)及廣材網(wǎng)信息價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，收集過去兩年來的每個(gè)月的材料單價(jià)作為樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，如表2所示。通過MATLAB軟件模擬運(yùn)算實(shí)現(xiàn)成本預(yù)測(cè)。

表2 過去兩年C25混凝土市場(chǎng)信息價(jià)

將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如表3所示。

表3 混凝土信息價(jià)歸一化結(jié)果

構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用前六個(gè)月的價(jià)格作為輸入向量預(yù)測(cè)第七個(gè)月的價(jià)格，由于目標(biāo)輸出只有一個(gè)單價(jià)，因此確定輸出層為1，輸入層為6，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)將隱含層設(shè)置兩層，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，第一層隱含層神經(jīng)元個(gè)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(jìn)行模擬訓(xùn)練，得到擬合曲線以及結(jié)果如圖所示預(yù)測(cè)值與實(shí)際值基本重合(圖2)，根據(jù)表4得到相對(duì)誤差值，可以看出相對(duì)誤差<0.01，說明模型預(yù)測(cè)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(duì)誤差計(jì)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(yùn)行得到下個(gè)月的單價(jià)預(yù)測(cè)值為427元，將BIM所導(dǎo)的混凝土擋土墻的工程量與預(yù)測(cè)單價(jià)相乘，得到總造價(jià)為212338.56元。本案例以C25混凝土擋土墻實(shí)物工程為例，對(duì)預(yù)測(cè)總價(jià)進(jìn)行分析，直接成本費(fèi)的其他費(fèi)用預(yù)測(cè)與C25混凝土擋土墻預(yù)測(cè)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(jì)階段合理使用BIM技術(shù)能夠提高水利項(xiàng)目管理水平，文章著重分析了設(shè)計(jì)階段利用BIM技術(shù)進(jìn)行成本預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際案例，運(yùn)用Revit核心建模軟件，建立三維模型，基于Navisworks軟件平臺(tái)進(jìn)行了模型優(yōu)化，考慮到時(shí)間成本的問題，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)人材機(jī)單價(jià)，實(shí)現(xiàn)水利項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，使成本信息更加及時(shí)、準(zhǔn)確。

通過BIM技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一系列實(shí)驗(yàn)流程操作后，離預(yù)期目標(biāo)十分接近，能有效幫助設(shè)計(jì)單位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(gè)時(shí)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(huì)大大提高BIM技術(shù)在成本預(yù)測(cè)方面的效率。