周英男

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

在特大橋跨河連續(xù)梁施工過程中，物資種類眾多，物資成本投入是特大橋連續(xù)梁建設成本核算中的重要內容[1-3]，在其成本核算中所占比例較大，對特大橋跨河連續(xù)梁施工的物資成本進行有效控制是實現(xiàn)其成本控制的重要手段。

成本控制方面的研究較為成熟，楊儒君等[4]提出建立基于BIM技術的施工資源隱性成本控制模型，并通過GA算法實現(xiàn)該模型的求解，但該方法預測的施工資源隱性成本準確度不高，與實際成本預算存在較大偏差；王雁[5]針對地震災后民用建筑重建工程，在對施工成本進行問題分析的基礎上，依據(jù)施工各階段的成本數(shù)據(jù)信息，利用BIM技術建立其成本控制模型，實現(xiàn)成本控制，但該方法在對施工資源成本進行預測時準確度不高，且無法在規(guī)定施工周期完成施工任務。因此，文章提出特大橋跨河連續(xù)梁施工的物資成本控制模型，構建特大橋跨河連續(xù)梁BIM模型，解決施工成本控制精度低、施工進度滯后等問題，確保施工質量達到預期要求。

1 施工物資成本控制模型

1.1 特大橋跨河連續(xù)梁的施工方案

橋墩573#-577#連續(xù)梁跨越金堤河，主梁長度為208.5 m。574#墩大里程側承臺角距金堤河邊坡頂最小距離1.23 m，576#墩小里程側承臺角距金堤河邊坡頂最小距離4.9 m，該橋的總布置圖如圖1。

特大橋跨河連續(xù)梁懸臂法施工流程為：

跨金堤河連續(xù)箱梁采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法施工，連續(xù)梁0#塊、邊跨直線段采用支架法現(xiàn)澆[6]。懸澆段的、#塊外模板采用定型鋼模板，邊跨現(xiàn)澆段外模采用鋼板，0#塊、邊跨現(xiàn)澆段底模采用鋼板，懸澆段底模采用定型鋼模板，內模采用小塊組合鋼模板形式。懸灌段采用菱形掛籃施工，在0#塊上安裝掛籃主構架，按照順序施工懸澆段直至合攏段。合攏段施工時先合攏邊跨，然后進行連續(xù)梁縱向通長束張拉壓漿，完成體系轉換。

圖1 特大橋跨河連續(xù)梁的總布置圖

1.2 基于BIM的特大橋跨河連續(xù)梁全壽命周期施工物資成本控制模型

文章利用BIM技術實現(xiàn)特大橋跨河連續(xù)梁的全壽命周期施工成本控制，其成本控制模型結構如圖2。

特大橋跨河連續(xù)梁的施工成本控制模型結構主要包含以下三部分內容：

(1)數(shù)據(jù)層。該層為特大橋跨河連續(xù)梁的施工物資成本數(shù)據(jù)庫，特大橋跨河連續(xù)梁施工各周期內的成本數(shù)據(jù)均存儲在該數(shù)據(jù)庫中，成本數(shù)據(jù)中包括往期數(shù)據(jù)、現(xiàn)下施工成本數(shù)據(jù)[7]。各施工參與方均可通過該數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)物資成本數(shù)據(jù)的傳輸通信。

(2)模型層。該層由BIM設計模型、施工模型、運行維護模型組成。通過BIM模型可獲取特大橋跨河連續(xù)梁施工的物資單價信息、定額信息、設計屬性和工程量信息以及運算規(guī)則等方面的內容。

圖2 基于BIM的特大橋跨河連續(xù)梁全壽命周期施工物資成本控制模型結構

(3)功能層。施工成本控制包括兩方面，一方面為基于施工物資利用分進化算法實現(xiàn)確定性成本控制，另一方面為利用BIM的最后計劃者體系完成施工過程中的不確定成本控制。

1.3 特大橋跨河連續(xù)梁施工BIM模型

文章通過構建BIM模型實現(xiàn)特大橋跨河連續(xù)梁施工成本控制，將構建的各專業(yè)BIM模型進行整合，對設計中的不合理處進行修正，提高模型質量[8]，最后由各施工參與方共同審核各BIM模型，確定BIM模型。特大橋跨河連續(xù)梁的BIM模型構建流程如圖3所示。

圖3 特大橋跨河連續(xù)梁的BIM模型

1.4 施工物資確定成本控制模型

以工程在預定施工周期內圓滿竣工為首要目標，通過獲取施工成本最小化的物資分配結果，構建物資確定性成本控制模型[9]。建立模型需設定以下條件：

條件1：在施工時，各施工階段、施工工序所需物資用量額度相同，并對施工物資可使用時間進行預先設定。

條件2：特大橋跨河連續(xù)梁開始施工后，各工序按計劃穩(wěn)定執(zhí)行，無停工狀況。

條件3：上下工序連續(xù)執(zhí)行，后續(xù)階段需在上一工序執(zhí)行完畢后方可繼續(xù)。

按照上述條件，將施工工序實際起始時間作為模型的約束條件進行描述。

設工序為j，上一工序為j-1，則施工項目的實際施工起始時間為：

TRj∈int+,j=1,2,3,…n

(1)

該時間為整數(shù)，且大于0。以0為起始端，連續(xù)梁施工周期表示為TR0=0。當前一工序施工結束后方可對下一工序進行施工，表示為：

TRj-1+Hj-1≤ERj

(2)

式中：施工周期為Hj，該工序提前執(zhí)行時的起始日為ERj。特大橋跨河連續(xù)梁施工工序實際起始時間約束條件描述為：

ERj≤TRj≤LRj

(3)

式中：該工序可允許的最遲施工日為LRj。

在上述約束條件約束下，構建施工物資確定成本控制模型，獲得最優(yōu)物資分配策略。

施工各物資需求量可通過施工物資成本進行描述。設xn為日物資需求量標準差，最優(yōu)物資分配策略即當xn取最小值時的分配方案。xn可通過下式進行描述：

(4)

特大橋跨河連續(xù)梁施工時，各施工物資分配的不均衡性的極小值表示為minW，文章以此為優(yōu)化目標，實現(xiàn)施工物資確定性成本最小化。

(5)

式中：λn為各施工物資的權重系數(shù)，可通過模糊層次分析法、專業(yè)人士評分法確定。

由此完成施工物資確定成本控制模型。

1.5 施工物資確定成本控制模型求解

差分進化算法適用于連續(xù)不間斷問題的計算，因此文章利用差分進化算法對特大橋跨河連續(xù)梁施工的物資成本控制模型進行求解，獲取確定物資成本的最小值，實現(xiàn)最佳特大橋跨河連續(xù)梁施工確定物資成本控制。文章在應用該算法進行求解時，需將施工工序進行連續(xù)性轉換[10-11]，即將一個施工工序定義為一個染色體，依據(jù)其序號及編碼數(shù)量，按從小到大順序對其進行排列。

1.5.1 變異操作

為了使成本控制模型求解出的最佳個體具備完整信息，提高進化率，進行變異操作。對種群進行初始化，N為候選個體(施工工序)的種群規(guī)模，G為施工工序的向量轉換維度。對種群中的不同施工工序向量進行篩選，獲得變異個體。變異操作可通過下式進行描述[12]：

(6)

其中：i=1,2…N，縮小因子表示為H；rand為區(qū)間[0,1]的任意值；r1、r2、r3的取值范圍為[1,N]，且r1≠r2≠r3；Xbest(t)為此刻的最佳個體。

1.5.2 交叉操作

該步驟是通過對變異個體、初始個體含有的信息進行互換，產生新候選個體。新候選個體中同時包括變異、初始個體的部分信息，交叉操作可用下式進行描述：

(7)

其中：i=1,2,…N；j=1,2,…G；交叉概率表示為Cr；rand(G)的取值區(qū)間為[1,G]，且為整數(shù)。

1.5.3 選擇操作

對初始個體及備選個體的適應度值進行求解[13]，選擇最佳適應度值作為目標函數(shù)，并作為后代個體，從而實現(xiàn)種群的迭代遺傳，具體可通過下式進行表達：

(8)

其中：i=1,2,…N。

采用改進差分進化算法求解最優(yōu)物資成本的步驟如圖4所示。

圖4 改進差分進化算法的最優(yōu)物資成本求解流程

1.6 基于BIM的最后計劃者體系控制不確定性成本

最后計劃者體系是指在施工項目執(zhí)行前需對其工作流程、多級交互等進行預先規(guī)劃，使各項條件均滿足要求，最大程度地減少干擾因素對施工項目的影響[14]。各方施工負責人根據(jù)其具體施工進展繕制施工計劃，并對施工執(zhí)行情況進行監(jiān)督與跟蹤，實現(xiàn)施工過程的統(tǒng)籌部署，經個人或小組決議后執(zhí)行具體施工任務，最后計劃者體系控制不確定性成本通過BIM技術實現(xiàn)。采用BIM-4D可對施工過程進行模擬[15]，并以動畫方式進行可視化呈現(xiàn)，最大化減少施工過程中的不確定性因素。利用BIM技術的“碰撞檢測”性可有效降低重復施工風險，使施工過程更加高效，減少施工過程的不確定成本。

2 實驗分析

以該特大橋跨河連續(xù)梁施工項目為研究對象，該連續(xù)梁施工總周期為10個月，采用本文方法對物資成本進行有效控制，驗證本文方法的成本控制效果。 采用本文方法構建特大橋跨河連續(xù)梁的BIM模型，其三維效果圖如圖5所示。

圖5 特大橋跨河連續(xù)梁的BIM模型

依據(jù)實際工程進度、物資成本確定其實際進度-成本曲線，采用本文方法對不同施工進度下的各物資成本進行控制，控制后的成本曲線與實際施工成本預算曲線進行對比，結果如圖6所示。

圖6 本文方法的成本控制效果分析

分析圖6可知，當采用本文方法進行成本控制后，各施工周期的物資成本均有所降低，特別是在施工的第2月、第6月，施工物資成本降低幅度較大。

在對特大橋跨河連續(xù)梁進行施工時，施工各階段制定的計劃施工物資預算成本，標記為A，實際已完成工序的物資成本標記為B，通過上述物資成本可對施工進度信息進行判斷，當成本B>成本A時，表明特大橋跨河連續(xù)梁的施工進度快于計劃進度。反之則說明實際施工進度比計劃進度滯后。根據(jù)特大橋跨河連續(xù)梁施工總周期內的成本A、成本B的變化情況，分析其施工進度信息，并與文獻[4]、文獻[5]方法獲得的進度信息進行對比，結果如圖7所示。

圖7 施工進度分析

分析圖7可知，本文方法在1月-5月、7月-9月時成本B均高于成本A，說明在此階段的施工進度均快于計劃進度，5月-7月的施工進度低于計劃進度，最終在施工總周期內完成施工任務。文獻[4]方法的成本B始終低于成本A，且偏差逐漸偏大，說明文獻[4]方法的工程進度低于計劃進度，無法在計劃施工周期內完成施工任務。文獻[5]方法同樣存在施工進度較慢的問題。由此可說明本文方法可有效提升施工進度。

接近度反映的是二者之間的一致性程度，二者間偏差越小，接近度越高。通過分析本文方法在成本、進度、質量方面與計劃預算的接近度驗證成本控制有效性，實驗結果如圖8所示。

圖8 施工過程各接近度指標分析

分析圖8可知，本方法在對特大橋跨河連續(xù)梁施工進行物資成本控制后，成本、進度、施工質量接近度可達到92.5%、97%、98.5%，說明本文方法可將物資成本控制在預算的92.5%，可節(jié)省成本7.5%，施工效率可提升3%，施工質量基本可達到預期效果。實驗結果表明，本方法可有效控制物資成本，施工進度滿足計劃要求，并保證施工質量。

3 結論

以某特大橋跨河連續(xù)梁施工項目為研究對象，在該特大橋的連續(xù)梁施工過程中，對其施工物資成本進行控制，通過分析物資成本、進度、施工質量的接近度指標分析物資成本控制的有效性，可節(jié)省7.5%的物資成本預算，施工效率提升3%，施工質量達到預期要求。