霍瑞琴

(甘谷縣水務局，甘肅 甘谷 741200)

建筑施工過程中，水電資源的應用可能消耗大量的能源。建筑工地內的電氣設備，從臨時電總斷路器開始，經臨時配電設施，控制建筑工地內的起重機、升降機、澆筑泵等大型用電設備，以及各工作點的空壓機、電鎬電鉆、電焊機等分布式用電設備；建筑工地內的用水系統(tǒng)，從臨時自來水接入設施開始，形成建筑物內的臨時用水管網。早期建筑工地內就近進行混凝土拌和，這一過程消耗大量的水電資源，但當前基本普及了混凝土集中拌和，因混凝土拌和產生的現(xiàn)場水電消耗得到有效降低。

常規(guī)管理模型下，建筑施工過程中的節(jié)能評估有兩種方法：其一是通過用電量涌水量直接引出經過模糊化的控制指標，即觀察用電量和用水量的實際發(fā)生值、環(huán)比變化量、人均值、施工分段均攤值等進行管理控制，結合現(xiàn)場接續(xù)管理、人事管理等構成分析指標；其二是采用點控方式，即對大型用電設備的開機時間、待機時間進行有效控制，減少無工作待機時間，提升其工作效率，對分布式用電加強走動式管理嚴控水電浪費現(xiàn)象。后者方式下，還有工地采用水電包干制度，在水電指標與分包合同之間形成結算機制，將水電節(jié)能控制管理引入到現(xiàn)場監(jiān)理索賠機制中。

本文研究設計一種建筑工地信息化管理體系中針對建筑工地管理信息系統(tǒng)(Building Information Modeling，BIM)的水電節(jié)能管理信息接口，設計管理模型實現(xiàn)對建筑工地水電應用節(jié)能領域的信息化管理。

1 建筑工地水電節(jié)能控制模型

水電節(jié)能控制的數(shù)據采集機制，僅依靠水電總表的管理體系難以實現(xiàn)，所以必須進行物聯(lián)網硬件升級，即對關鍵用電用水設備設置單獨的實時抄表電表水表系統(tǒng)，對各作業(yè)點的分布式用電用水過程設置單獨的實時抄表電表水表系統(tǒng)，形成圖1中的數(shù)據采集體系。

圖1 工地用水用電物聯(lián)網大數(shù)據系統(tǒng)示意圖

圖1中，水電節(jié)能數(shù)據庫的數(shù)據主要有5個核心來源，包括匯聚所有實時抄表電表數(shù)據的用電數(shù)據庫同步數(shù)據、匯聚所有實時抄表水表數(shù)據的用水數(shù)據庫同步數(shù)據、來自人員管理系統(tǒng)的人員分工數(shù)據、來自接續(xù)管理系統(tǒng)的工作量數(shù)據、來自設備定制化系統(tǒng)的用電設備與用水設備統(tǒng)計數(shù)據。在此基礎上，形成數(shù)據整合模式(見圖2)。

圖2 建筑施工水電節(jié)能綜合評估系統(tǒng)

圖2中，5個主要數(shù)據來源如前文圖1所示，利用該5組數(shù)據，可以進行以下3項數(shù)據匯總計算：?根據人員分工數(shù)據結合用電數(shù)據、用水數(shù)據可以算出每個工作人員所在工作地點的用水數(shù)據和用電數(shù)據，形成人員水電關系，該水電關系直接決定了施工團隊的水電節(jié)能控制能力；?根據設備定制化信息，可以計算出相關設備的水電消耗量數(shù)據，包括服務全工地的起重機、升降機、混凝土泵等設施的水電消耗量，以及各分布式設備的水電消耗量，特別可以實現(xiàn)分布在各施工點的設備水電消耗量比較；?根據接續(xù)關系，統(tǒng)計每個工作點的水電消耗量，統(tǒng)計每標段的實際水電消耗量。在此基礎上，如果每天進行一次數(shù)據采集，可以計算出每天每表的水電消耗量數(shù)據以及每天水電消耗量的變化情況，從而根據該核算機制和變化率獲得對應的水表電表數(shù)據的綜合評估值數(shù)據，根據上述三組評估值，可以獲得施工現(xiàn)場總水電節(jié)能評估值。

該計算方式可以同時支持前文分析的兩種水電節(jié)能控制管理過程，即在針對人員、設備、施工階段進行綜合立體的水電節(jié)能控制能力細化評價的同時，對走動式節(jié)能管理實現(xiàn)效能評估。

2 建筑施工水電節(jié)能評估方式的細化設計

2.1 數(shù)據分攤算法

除總表外，對每個有實時抄表功能的分電表構建一個類模型P(t,p,e,s)，其中：t為發(fā)生數(shù)據的日期數(shù)據、p為該電表控制區(qū)域內的工作人員數(shù)量及其工號對應關系、e為該電表控制區(qū)域內的設備數(shù)量及其管理序列號對應的設備類型及其他參數(shù)、s為該電表控制區(qū)域與相關時間點對應的施工標段。針對水表實時抄表數(shù)據建立的類模型W(t,p,e,s)相關參數(shù)意義與電表類模型一致。

那么，針對該類模型可以通過不同的數(shù)據累加及均分模式實現(xiàn)對應數(shù)據的采集。如針對特定時間點的電表實時抄表數(shù)據累加均分算法如下：

(1)

式中Pp,Pe,Ps——針對電表控制區(qū)域內的人員用電量、設備用電量、工序標段用電量數(shù)據；

Ubound(*)——大數(shù)據分析平臺內置的數(shù)列最大下標數(shù)取出函數(shù)。

針對用水數(shù)據的Wp、We、Ws數(shù)據提取方式同式(1)。

通過該均攤算法，可以得到建筑施工項目內的人員、設備、工序的用電用水情況，如果進行細化分析，可以將累加的時間段定位每天為1個周期，那么上述計算中得到的Pp、Pe、Ps和Wp、We、Ws均為圖2中的核算值，其差值如下：

(2)

式中 符號含義同式(1)。

2.2 線性模糊矩陣相交算法

傳統(tǒng)的模糊矩陣算法是將核算值和變化率分別構建區(qū)間，對兩組區(qū)間之間的交叉值構建不同反饋策略。在此算法的基礎上，引入矩陣乘法概念，使核算值與變化率的每個發(fā)生值均實現(xiàn)不同的策略反饋，即構成線性模糊矩陣相交算法。

以該研究中對6個核算值和6個變化率值的模糊處理目標為例，因為核算值與變化率之間的值域范圍和量綱不同，使用minmax算法對其進行線性重投影計算，使其值域范圍重投影到[0,1]區(qū)間，且其歷史最大值為1，歷史最小值為0，同時使其量綱歸一化。設輸入值為xi，序列為X，則有

(3)

因為序列內所有相關值均持續(xù)生成，可能出現(xiàn)之前計算的值域區(qū)間[min(X)、max(X)]并不能包含實時生成的輸入值xi以的情況，所以針對每個輸入值xi需要對當前緩存的min(X)、max(X)進行調整，調整算法如下：

(4)

式中 符號含義同式(3)。

此時針對前文提供的6個核算值Pp、Pe、Ps、Wp、We、Ws分別進行minmax計算，對6個變化率值ΔPp、ΔPe、ΔPs、ΔWp、ΔWe、ΔWs分別進行minmax計算，可以得出對應的線性模糊矩陣相交值：

(5)

式中 符號含義同前。

2.3 因子加權融合算法

在該整合評估系統(tǒng)中，采用上述數(shù)據分攤算法和線性模糊矩陣相交算法后，得到了6個模糊評價值，因為模糊評價值為兩個[0,1]區(qū)間上的重投影數(shù)據的乘積，所以其理論最大值域空間也為[0,1]區(qū)間，對該6個數(shù)據進行加權融合，將水電數(shù)據整合在一起，得到分別針對員工p、設備e、工序s的水電綜合加權結果：

(6)

式中λ、γ——加權因子，用于控制該模型對水及電用量的側重程度；

其他符號含義同前。

針對特定的員工p、設備e、工序s可以給出時間點上的詳細評價數(shù)據，而針對長時間段的統(tǒng)計，在式(6)的基礎上沿時間線進行等權累加，同時根據員工p、設備e、工序s的總數(shù)量進行二次等權累加，得到∑p,∑e,∑s，受篇幅限制，該公式不再展開。進而使用二次加權算法，對最終得到的∑p,∑e,∑s進行二次加權累加整合，得到下式：

C=δ1·p+δ2·e+δ3·s,δ1+δ2+δ3=1

(7)

式中C——該建筑施工項目的整體水電節(jié)能評估參數(shù)；

δ1、δ2、δ3——加權系數(shù)。

因為2次加權累加中的加權系數(shù)之和均為1，同時2次等權累加過程中控制均值系數(shù)與因子數(shù)相同，構成算數(shù)平均數(shù)模式，所以，該加權融合過程中所有數(shù)據的值域范圍并未發(fā)生變化，依然保持在[0,1]范圍內。但為了避免不可預見問題導致的數(shù)據值域偏移，執(zhí)照式(3)、式(4)，對每次產生的C值進行二次minmax重投影計算，使其最終輸出值域范圍嚴格控制在[0,1]區(qū)間上。

3 該模型的建筑工程管理信息化應用

3.1 該模型在BIM系統(tǒng)中的應用場景

該模型在建筑工程管理信息化系統(tǒng)中有3個主要應用方向：

a.確定基層施工團隊的水電節(jié)能意識，可支持將水電節(jié)能數(shù)據應用到基層施工團隊的績效及監(jiān)理索賠中。

b.設備定制化系統(tǒng)中，可以較為直接獲得對應設備的實際用電、用水數(shù)據，為后續(xù)的設備節(jié)能管理提供數(shù)據支撐，對提升設備管理能力有積極意義。針對管理人員對相關設備的走動式管理能力的評估，可以對其工作績效帶來直接數(shù)據支持。

c.確定每道工序、每個施工標段的具體水電節(jié)能表現(xiàn)，中間數(shù)據還可以提供每工序每標段的實際用電累計和實際用水累計值。在高層建筑施工中，可以實現(xiàn)對每層施工的水電節(jié)能控制能力進行數(shù)據控制，對每層的模具部分、鋼筋籠部分、澆筑部分、幕墻部分、砌墻部分、內裝部分、外裝部分、永久水電設備安裝部分等具體工序進行逐一比較。一方面找到每工序施工水電節(jié)能管理的差異性，同時根據員工組成變化、設備臺班變化等相關信息，發(fā)現(xiàn)影響水電節(jié)能管理的直接因素且提供數(shù)據審計證據。該計算成果可對建筑施工項目的項目主要負責人的績效提供數(shù)據支持。在人員績效方面，該模型可以對建筑施工項目從基層施工人員到現(xiàn)場管理人員再到項目負責人提供全面績效數(shù)據支持。在建筑施工后續(xù)決算及管理復盤中，也可以提供足夠充分的數(shù)據。

3.2 該模型實際應用效果調研

在一建筑施工項目中，自2020年10月1日起引入該評價系統(tǒng)，與引入該系統(tǒng)之前比較，單位工程量的用電量下降17.2%，單位工程量的用水量下降31.5%，取得了一定的水電節(jié)能成效。但為了充分反映該系統(tǒng)應用前后各層級員工的水電節(jié)能意識變化情況，該研究進行了一次調查。

該調查涉及長期合作的基層施工人員155人，現(xiàn)場管理人員36人，項目負責人18人，行政人員25人，該四類人群對應用該系統(tǒng)前后的水電節(jié)能意識均作出主觀評價，分別給出滿分10分、最低0分的評價結果，統(tǒng)計結果見表1。

表1 水電節(jié)能意識調查結果

表1中，使用均值±標準差的方式進行數(shù)據統(tǒng)計，使用SPSS數(shù)據分析軟件對雙變量t校驗結果進行數(shù)據比較，讀取比較結果中VALUE值作為t值，當t<10.000時認為存在統(tǒng)計學差異，讀取比較結果中的LOG值作為p值，當p<<0.05時認為統(tǒng)計數(shù)據處于置信空間內，具有統(tǒng)計學意義。綜合分析上述統(tǒng)計結果，發(fā)現(xiàn)基層施工人員的評價結果提升21.27%，現(xiàn)場管理人員的評價結果提升62.09%，項目負責人的評價結果提升36.49%，行政人員的評價結果提升19.96%?？梢哉J為各崗位工作人員均認同使用該系統(tǒng)后的建筑施工項目水電節(jié)能工作均有提升。

4 結 語

通過針對每個用電用水設備設置獨立的具有實時抄表功能的電表和水表，并對其采集到的實時水電用量數(shù)據進行分別統(tǒng)計形成分區(qū)域的用電量用水量數(shù)據，結合BIM系統(tǒng)中的人員管理子系統(tǒng)、設備定制化子系統(tǒng)、工序接續(xù)管理子系統(tǒng)的相關數(shù)據，將上述用電量用水量數(shù)據分攤到上述子系統(tǒng)數(shù)據中去，同時采用線性模糊矩陣交叉算法算出針對人員、設備、工序的水電節(jié)能評估值，進而對其進行4層加權分析，最終得到水電節(jié)能評價總體結果。該模式可以實現(xiàn)對建筑項目施工過程中的全員績效數(shù)據支持，也可提供足夠豐富的審計數(shù)據支持。該評估方法可以得到充分豐富的建筑施工水電節(jié)能數(shù)據，符合當前建筑施工管理信息系統(tǒng)的大數(shù)據支持需求，是日后建筑項目施工節(jié)能管理的重要發(fā)展方向。