孫蘭蘭 田杰芳

(華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210)

0 引言

近年來(lái)，隨著建筑工業(yè)化技術(shù)水平的提升與相關(guān)政策的支持，裝配式建筑數(shù)量明顯增長(zhǎng)。裝配式建筑具有建造速度快、工地?fù)P塵小、人工需求量小等優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)界廣泛關(guān)注。然而，我國(guó)裝配式建筑起步較晚，目前仍處在探索階段。通過(guò)梳理相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，成本問(wèn)題在很大程度上制約著我國(guó)裝配式建筑的推廣與發(fā)展。為了進(jìn)一步豐富裝配式建筑成本研究體系，提高裝配式建筑成本數(shù)據(jù)獲取效率，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程信息的收集和整理，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)功能，構(gòu)建裝配式建筑成本預(yù)測(cè)模型，旨在提升裝配式建筑成本管理水平。

1 裝配式建筑成本概述

1.1 裝配式建筑的概念

裝配式建筑是建筑工業(yè)化的產(chǎn)物，是未來(lái)建造方式的重要發(fā)展方向。裝配式建筑是指將需要在工廠制作的全部或部分預(yù)制構(gòu)件(Precast Concrete，PC)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，以符合標(biāo)準(zhǔn)的施工方式予以可靠連接，能夠達(dá)到相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)類房屋建筑。

基于裝配式建筑的概念可以看出，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑不同的是，裝配式建筑的大量預(yù)制部品部件是在工廠中完成生產(chǎn)再運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，大大節(jié)約了施工現(xiàn)場(chǎng)的人工費(fèi)、管理費(fèi)等，并且在工期方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于裝配式建筑需要在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工廠預(yù)制的部品部件進(jìn)行可靠連接，除了要嚴(yán)格把控預(yù)制構(gòu)件精確度，還要加強(qiáng)預(yù)制構(gòu)件在運(yùn)輸途中的保護(hù)。由此可見(jiàn)，裝配式建筑是先進(jìn)制造業(yè)與傳統(tǒng)建筑業(yè)交互融合的產(chǎn)物，是建筑信息化與建筑工業(yè)化深度融合的產(chǎn)物。

1.2 裝配式建筑成本構(gòu)成

雖然裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑施工方式區(qū)別較大，但成本構(gòu)成較為相似。裝配式建筑成本除了包括傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑成本，還增加了預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本、運(yùn)輸成本和裝配成本。其中，預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本包括人工費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)、材料費(fèi)、施工企業(yè)管理費(fèi)和利潤(rùn)、稅金等；運(yùn)輸成本主要包括預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸費(fèi)、二次搬運(yùn)費(fèi)和臨時(shí)存放費(fèi)等；裝配成本主要包括人工費(fèi)、機(jī)械使用費(fèi)、材料費(fèi)、模板及支架的安拆費(fèi)等。綜上所述，裝配式建筑成本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 裝配式建筑成本構(gòu)成

依據(jù)現(xiàn)行造價(jià)行業(yè)清單計(jì)價(jià)模式，按造價(jià)形式進(jìn)行劃分，裝配式建筑成本包括分部分項(xiàng)工程費(fèi)、措施項(xiàng)目費(fèi)、其他項(xiàng)目費(fèi)、規(guī)費(fèi)、稅金5個(gè)方面，如圖2所示。

圖2 按造價(jià)形式劃分的裝配式建筑成本

按費(fèi)用構(gòu)成要素劃分，裝配式建筑成本包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、施工機(jī)具使用費(fèi)、施工企業(yè)管理費(fèi)、施工企業(yè)利潤(rùn)、規(guī)費(fèi)和稅金7個(gè)方面，如圖3所示。

圖3 按費(fèi)用構(gòu)成要素劃分的裝配式建筑成本

2 BIM技術(shù)概述

2.1 BIM技術(shù)概念

2002年，Autodesk公司提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的概念。BIM技術(shù)的核心是利用數(shù)字化信息技術(shù)建立可視化三維模型，對(duì)建筑工程實(shí)際情況進(jìn)行模擬，并建立信息共享、協(xié)同辦公的管理平臺(tái)。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)的內(nèi)涵不斷豐富。例如，BIM 5D技術(shù)在三維模型的基礎(chǔ)上增加了項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)與工程進(jìn)度預(yù)算整合功能，不僅方便實(shí)時(shí)查看工程信息，而且實(shí)現(xiàn)了工程費(fèi)用的實(shí)時(shí)查看，極大地提升了工程建設(shè)成本控制水平。

目前，BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛?；贐IM技術(shù)，可以將二維建筑圖樣轉(zhuǎn)化為三維建筑模型，有效避免管線碰撞等建筑設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。此外，在構(gòu)件預(yù)制與裝配過(guò)程中引入企業(yè)資源計(jì)劃 (EPR)管理系統(tǒng)，基于BIM 5D技術(shù)可以在線查看工程進(jìn)度和成本。由此可見(jiàn)，將信息化應(yīng)用于建筑業(yè)是大勢(shì)所趨，而B(niǎo)IM技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)信息化的有效工具。

2.2 BIM技術(shù)的應(yīng)用

在裝配式建筑成本管理中，首先，基于建筑圖樣，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模；其次，收集和整理預(yù)算工程量信息，并進(jìn)行分類整合；最后，利用計(jì)價(jià)軟件，結(jié)合影響材料/設(shè)備的價(jià)格信息，得到裝配式建筑預(yù)算成本。基于BIM技術(shù)的裝配式建筑預(yù)算成本信息獲取流程如圖4所示。

圖4 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑預(yù)算成本信息獲取流程

由圖4可以看出，裝配式建筑成本信息獲取流程較為煩瑣，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，基于此，本文提出利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑成本預(yù)測(cè)方法

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)制的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛的模型之一。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將收集到的樣本數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，經(jīng)過(guò)隱含層的計(jì)算與反饋，最終得到輸出層數(shù)據(jù)。若得出的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的數(shù)值相差較小，則直接輸出數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果；若得出的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相差較大，則繼續(xù)反饋學(xué)習(xí)，直至得出的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值較為接近。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差反向傳播訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，其算法被稱為BP算法。BP算法是以網(wǎng)絡(luò)誤差平方為目標(biāo)函數(shù)，采用梯度下降法計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值，即網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出值和期望輸出值的誤差均方差為最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般包含三層信息，即輸入層、中間層和輸出層。輸入層信息的數(shù)量與精準(zhǔn)度在很大程度上對(duì)模型是否適用具有決定性影響，中間層也被稱為隱含層，是學(xué)習(xí)的過(guò)程，主要對(duì)輸入層信息進(jìn)行學(xué)習(xí)和處理。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型除了包含正向輸入與輸出過(guò)程，還包括誤差的反向?qū)W習(xí)處理過(guò)程。具體而言，輸出值與給定值之間的差異即為誤差值，利用誤差值作為輸入層數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隱含層得到輸出層數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)層層優(yōu)化與修正，最終使誤差值符合指定精度要求。由此可見(jiàn)，誤差反向?qū)W習(xí)過(guò)程能夠?yàn)橛?jì)算精度提供保障。

4 裝配式建筑成本預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

4.1 樣本與指標(biāo)選取

本文選取9棟已竣工的裝配式建筑住宅作為訓(xùn)練樣本。為了避免地區(qū)特性等因素對(duì)建筑成本模型的影響，選定樣本為同一時(shí)期、同一地點(diǎn)，且9棟裝配式建筑相似性較高，理論上不會(huì)對(duì)模型精度產(chǎn)生負(fù)向影響。

依據(jù)9棟裝配式建筑實(shí)際建設(shè)情況，選取對(duì)建筑成本影響較大的因素。鑒于樣本選取的特殊性，不需要考慮地域、建筑用途、裝修、材料價(jià)格、項(xiàng)目管理水平及現(xiàn)場(chǎng)條件的影響，指標(biāo)選取較為便利。對(duì)獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到9棟裝配式建筑工程特征指標(biāo)值，見(jiàn)表1。

表1 9棟裝配式建筑工程特征指標(biāo)值

4.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成本預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)，首先，對(duì)表1中的特征指標(biāo)進(jìn)行量化；其次，使用PyCharm創(chuàng)建工程造價(jià)預(yù)測(cè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；再次，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；最后，將量化結(jié)果導(dǎo)入已構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)合工程實(shí)際情況可知，輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為7，隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3。

在建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后，需要設(shè)置學(xué)習(xí)率與訓(xùn)練次數(shù)。如果樣本數(shù)據(jù)差異性較大，在訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)帶來(lái)梯度爆炸問(wèn)題，因此，需要調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率。結(jié)合工程實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)調(diào)試，學(xué)習(xí)率取值為在10-9～10-8較為合適。如果訓(xùn)練次數(shù)過(guò)小會(huì)影響結(jié)果精度，訓(xùn)練次數(shù)過(guò)大會(huì)引起誤差反饋的結(jié)果震蕩。結(jié)合工程實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)調(diào)試，確定訓(xùn)練次數(shù)為29。綜上所述，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建流程如圖6所示。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建流程

基于上述流程建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，將訓(xùn)練及預(yù)測(cè)樣本的工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，并按照上述調(diào)試結(jié)果將各層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、學(xué)習(xí)率與訓(xùn)練次數(shù)等信息輸入模型，最后對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

4.3 模型仿真分析

為了驗(yàn)證基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑成本預(yù)測(cè)模型的適用性，選取本地區(qū)4個(gè)已經(jīng)竣工的裝配式建筑工程為研究樣本。樣本數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，地區(qū)與建設(shè)條件較為相似。運(yùn)用上述流程進(jìn)行樣本成本預(yù)測(cè)，樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差對(duì)比結(jié)果

由表2可知，單方造價(jià)預(yù)測(cè)值與單方造價(jià)實(shí)際值的最大誤差值為196.42元/m2，在可以接受范圍內(nèi)，最小誤差值為27.94/m2，較為接近實(shí)際值。相對(duì)誤差的最大值為9.63%，位于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)值較為準(zhǔn)確，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

經(jīng)過(guò)上述驗(yàn)證可知，該模型擬合較好，具有一定的適用性。結(jié)合相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果可知，該試驗(yàn)預(yù)測(cè)模型具有一定的穩(wěn)定性且在時(shí)效上具有一定優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成本預(yù)測(cè)模型在一定程度上可以推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展進(jìn)程。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)梳理和分析相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，裝配式建筑成本比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑成本高20%～30%，成本問(wèn)題在很大程度上制約了裝配式建筑的發(fā)展，因此，對(duì)裝配式建筑成本進(jìn)行研究十分必要。目前，裝配式建筑成本數(shù)據(jù)獲取效率較低。為了解決這一問(wèn)題，本文構(gòu)建了裝配式建筑成本預(yù)測(cè)模型，以更加便捷地獲取裝配式建筑成本信息。

首先，利用BIM技術(shù)解決復(fù)雜工程數(shù)據(jù)收集與處理問(wèn)題；其次，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立裝配式建筑成本預(yù)測(cè)模型。實(shí)例證明，該模型對(duì)于裝配式建筑成本預(yù)測(cè)具有良好的適用性，且信息獲取效率較高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是，由于不同工程項(xiàng)目的施工要求和環(huán)境條件等有所差別，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也存在一定差異。今后，隨著裝配式建筑項(xiàng)目日益增多，設(shè)計(jì)、施工規(guī)范越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化，裝配式建筑成本預(yù)測(cè)結(jié)果將更為精準(zhǔn)。