基于BIM的水利工程施工進度實時監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

陳 釗，趙夢玲

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，水利工程在全國范圍內(nèi)迅速發(fā)展。所謂的水利工程是指用于控制與調(diào)配水資源的、以優(yōu)化水循環(huán)而修建的工程項目[1-2]。水利工程也可以簡稱為水工程。城市進程的加速對水資源具有一定的破壞性，因而興修水利工程對于緩解水資源的短缺具有一定的幫助作用[3]。水利工程不僅可以增強城市的服務(wù)能力，解決城市建設(shè)中管線設(shè)定的問題，還可以降低城市水資源污染，提升城市形象。在城市水利工程施工過程中，常采用水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)對施工中的工程項目展開施工管理。該系統(tǒng)在使用中，系統(tǒng)的實時監(jiān)測效果較差。因而，引用BIM技術(shù)對原有系統(tǒng)進行部分功能的優(yōu)化，設(shè)計基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)。

BIM全稱為建筑信息模型，是一種使用計算機應(yīng)用程序?qū)ㄖ归_控制并設(shè)定建筑信息模型的技術(shù)。通過此技術(shù)可對施工項目進行事先設(shè)定，并根據(jù)設(shè)定結(jié)果對使用過程展開控制[4-5]。將此技術(shù)應(yīng)用于此次系統(tǒng)設(shè)計中，對原有系統(tǒng)中的不足之處進行處理。為確保文中設(shè)計系統(tǒng)可有效提升原有系統(tǒng)的功能性，在文中系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束后，設(shè)定系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，獲取系統(tǒng)的設(shè)計效果。

1 基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

在此次設(shè)計中，主要以軟件模塊設(shè)計為主。為保證BIM技術(shù)可在此系統(tǒng)中正常應(yīng)用，對原有系統(tǒng)中的中央控制芯片部分進行替換設(shè)計，使其在承受優(yōu)化后的監(jiān)測系統(tǒng)時能夠流暢運行，避免出現(xiàn)因硬件性能不足而影響監(jiān)測結(jié)果的情況發(fā)生。圖1為替換后的控制芯片。

圖1 替換后的控制芯片

硬件設(shè)計主要以監(jiān)測設(shè)備為主，為提升系統(tǒng)對工程監(jiān)測的實時性，設(shè)定系統(tǒng)的實時處理器采用TMS320處理器[6-7]。該處理器為實時監(jiān)測系統(tǒng)的核心，將其與外部串聯(lián)設(shè)備相連，實現(xiàn)對工程項目中數(shù)據(jù)處理與工程項目進度狀態(tài)與質(zhì)量的識別。在該處理器中，設(shè)定工程項目進度采集模塊以及實時數(shù)據(jù)傳輸模塊,輔助完成系統(tǒng)對水利工程施工中的工程數(shù)據(jù)獲取。上述設(shè)定芯片采用第二代高性能信息實時處理結(jié)構(gòu)的DSP內(nèi)核[8]，提高對系統(tǒng)中指令的執(zhí)行與處理，縮短系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算步驟，節(jié)約系統(tǒng)的運行時間。針對施工過程中的進程數(shù)據(jù)采集工作，在此次系統(tǒng)設(shè)計中使用具有監(jiān)測能力的單片機完成，單片機參數(shù)具體見表1。

表1 監(jiān)測單片機參數(shù)設(shè)定

使用單片機對水利工程中的施工數(shù)據(jù)進行采集，并將單片機與上述設(shè)定處理器相連。將處理器引用至原有系統(tǒng)硬件框架中，為保證系統(tǒng)中的其他設(shè)備可正常運行，設(shè)定系統(tǒng)框架中的計算機設(shè)備優(yōu)化參數(shù)，見表2。

表2 系統(tǒng)硬件優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，完成系統(tǒng)硬件框架中其他設(shè)備的優(yōu)化，將設(shè)計芯片安裝至優(yōu)化后的框架中。至此，完成水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計。將此系統(tǒng)硬件構(gòu)建作為設(shè)計系統(tǒng)的軟件模塊開發(fā)平臺。

2 基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

BIM 模型信息以數(shù)據(jù)庫的方式進行存儲，具有良好的存儲能力和靈活性。BIM 模型集成的信息是動態(tài)的，需隨項目進展不斷更新。數(shù)據(jù)庫的存儲方式只需更新變動部分的數(shù)據(jù)，不需要對整個模型重新存儲，大大地提高信息轉(zhuǎn)換與共享的效率，提供更好的交互協(xié)同能力，減少錯誤。 BIM 的特性優(yōu)勢包括兩個方面：①解決建設(shè)項目生命周期信息的集成問題；②高效建設(shè)生命周期信息共享。

針對原有系統(tǒng)實時性較差的問題，設(shè)計水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件，創(chuàng)建BIM實時模型。模型構(gòu)建過程見圖2。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的BIM實時模型創(chuàng)建過程

在建模過程中，精配準為：

(1)

粗配準為：

(2)

素養(yǎng)考查分析：該題為理科數(shù)學(xué)選擇題第7題，從知識與技能層面來看，綜合考查了學(xué)生對幾何圖形與其三視圖之間的對應(yīng)關(guān)系、立體圖的平面展開圖等知識，以及幾何直觀與空間想象能力．為了求出最短路徑的長度，學(xué)生首先要根據(jù)圓柱體三視圖的長、寬等特征進行空間直觀想象，畫出該圓柱體的直觀圖，然后畫出圓柱的平面展開圖，并確定點A和點B的位置，再利用兩點之間線段最短的原理求出最短路徑的長度，經(jīng)過計算可得最短路徑的長度為 ，該題主要考查的素養(yǎng)為直觀想象．

根據(jù)上述過程，完成BIM的建模部分。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要以系統(tǒng)硬件的承載能力作為基礎(chǔ)，以保證設(shè)計完成的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

2.1 引用BIM完成水利工程施工進度管理模塊設(shè)計

此次設(shè)計中，在原有的軟件框架中增加水利工程施工進度管理模塊，實現(xiàn)對水利工程施工進度的管理。在此模塊中，引用BIM1.0關(guān)系數(shù)據(jù)庫[11-12]實現(xiàn)對設(shè)計系統(tǒng)的項目管理、計劃管理、過程管理以及成果管理的數(shù)據(jù)存儲。設(shè)定該數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容見表3。

表3 施工進度管理數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

將表3作為進度管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[13]完成對施工進度的管理。設(shè)定硬件設(shè)備采集到的施工信息為A,根據(jù)施工進程的權(quán)重α，計算得出施工加權(quán)和χ，則有：

(3)

設(shè)定施工中預(yù)先設(shè)定的某一環(huán)節(jié)為b，得出預(yù)先設(shè)定的加權(quán)和β為：

(4)

通過上述公式，可求預(yù)先設(shè)定的工程進度與實際的施工狀態(tài)。將上述兩公式的計算結(jié)果進行比較，可知目前施工狀態(tài)進程，并對當(dāng)前施工進度展開監(jiān)管。

2.2 水利工程施工質(zhì)量監(jiān)測

完成水利工程的施工進度實時監(jiān)測后，對水利工程施工質(zhì)量展開監(jiān)測。為保證工程項目質(zhì)量監(jiān)測具有一定的標準作為基礎(chǔ)，設(shè)定施工材料的質(zhì)量標準見表4。

表4 水利工程施工標準

opt(a(Q,T))

(5)

為提升上述函數(shù)計算結(jié)果的精度，設(shè)定施工進程轉(zhuǎn)變公式如下：

T(O,t+1)=T(O,t)+ΔT(O,t)

(6)

式中：Q為施工質(zhì)量；T為施工進程；t為水利工程施工工期；O為施工區(qū)號[14-15]。

設(shè)定此公式約束條件為：

R(o,i,t)=0

(7)

設(shè)定單片機采集到的數(shù)據(jù)Qa、Qamin、Qamax為施工質(zhì)量的容許區(qū)間。使用上述公式得出施工質(zhì)量的計算結(jié)果，并保證其在上述設(shè)定的容許區(qū)間內(nèi)。

將上述兩部分進行整合，實現(xiàn)施工進度與質(zhì)量的實時監(jiān)測。考慮到施工現(xiàn)場的作業(yè)要求，施工單元的狀態(tài)呈現(xiàn)出啟動、停止、循環(huán)。由此得出施工進程與質(zhì)量的變換公式為：

Tw(m,n)=Tv(m,n)+ΔTy(m,n)

(8)

式中：Tw、Tv分別為工程的啟動與停止時間；m、n為工程段編號。

由此得出監(jiān)測目標函數(shù)為：

opt(a(Qw,Tv))

(9)

通過此目標函數(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)展開計算，所得結(jié)果為施工的進度與對應(yīng)的施工質(zhì)量。將此部分與上述設(shè)定模塊相連，并引入原有的系統(tǒng)軟件模塊中，將其與本文中設(shè)計的硬件設(shè)備相連。至此，基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計完成。

3 實 驗

上文中分別完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，為保證本文中設(shè)計的基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)具有實時監(jiān)控功能，特設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，以獲取文中設(shè)計系統(tǒng)的性能特點。

3.1 實驗準備

在此次實驗中，為保證對文中設(shè)計系統(tǒng)研究的全面性與可靠性，通過與原有系統(tǒng)對比的形式完成實驗過程。針對原有監(jiān)測系統(tǒng)的不足，設(shè)定此次實驗中的對比對象為施工質(zhì)量狀態(tài)反饋結(jié)果，通過反饋結(jié)果的差異，得出原有系統(tǒng)與文中設(shè)計系統(tǒng)的區(qū)別。為保證實驗過程中原有監(jiān)測系統(tǒng)與文中設(shè)計的基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)可同時操作，設(shè)定實驗硬件平臺見圖3。

圖3 實驗平臺結(jié)構(gòu)

此次實驗平臺基于BIM建模進行，在設(shè)定中包含PC機一臺，工程施工數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)處理平臺以及電源。其中，PC機與數(shù)據(jù)采集平臺采用通信總線展開連接，設(shè)備與設(shè)備之間采用RS232串口線連接，電源采用供電雙絞線連接。實驗平臺軟件部分采用高精度中央控制器展開處理。將設(shè)備與軟件部分相連接，完成實驗平臺的設(shè)計。并將其應(yīng)用于此次實驗中，作為原有監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)。

在此次實驗過程中，選定某水利施工項目作為實驗對象。設(shè)定在此水利施工項目中，具有10個子工程，每一子工程的施工質(zhì)量不一。將工程質(zhì)量作為實驗樣本，采用原有系統(tǒng)與設(shè)計系統(tǒng)對子工程的工程質(zhì)量等級進行監(jiān)測，并與實驗樣本展開對比，得出實驗結(jié)果。設(shè)定質(zhì)量等級為3種，分別為I、II、III。見表5。

表5 實驗樣本

使用上述實驗樣本完成此次實驗過程，并將獲取到的實驗結(jié)果進行分析。

3.2 實驗結(jié)果分析

采用基于BIM的水利工程施工進度實時監(jiān)測系統(tǒng)對樣本監(jiān)測的時間進行優(yōu)化。見表6。

通過表6可知，設(shè)計系統(tǒng)對施工質(zhì)量的監(jiān)測時間少于原有系統(tǒng)。通過與實驗樣本對比可知，設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與實驗樣本大致相同，原有系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與實驗樣本相差較大，且原有系統(tǒng)與設(shè)計系統(tǒng)相比，設(shè)計系統(tǒng)在對施工質(zhì)量進行監(jiān)測時效率更高，基本能夠達到實時監(jiān)測。由此可知，基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)更加適用于復(fù)雜的水利工程施工過程中。采用設(shè)計系統(tǒng)，可有效提升水利工程施工部門對施工進度與質(zhì)量的實時監(jiān)測能力，保證施工結(jié)果的質(zhì)量與施工速度符合國內(nèi)相關(guān)標準。

表6 對監(jiān)測時間優(yōu)化的實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代化建筑技術(shù)的不斷進步，水利工程的建筑規(guī)模不斷增加，為提升對水利工程的監(jiān)管，設(shè)計基于BIM的水利工程施工進度與質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過系統(tǒng)測試可知，該系統(tǒng)的監(jiān)測性能優(yōu)于原有系統(tǒng)。但該系統(tǒng)的設(shè)計過程存在一定的不足：①該系統(tǒng)僅對原有系統(tǒng)的不足展開設(shè)計，無法系統(tǒng)地全部使用性能；②此次研究由于篇幅限制，未對系統(tǒng)中的計算過程展開詳盡的解釋。因此在今后的使用過程中，若系統(tǒng)出現(xiàn)計算錯誤，應(yīng)及時對模塊展開優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的計算精度。