陳富平，王 楠

(1. 吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114；2. 西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 引言

裝配式建筑形式在施工過(guò)程中不易受到來(lái)自室外環(huán)境的影響，所以可以有效提高建筑的安全可靠性，從而縮短建筑工期[1]。但是裝配式建筑在建造時(shí)由于信息的分散、預(yù)制構(gòu)件繁雜以及項(xiàng)目方式多樣的原因，導(dǎo)致裝配式建筑在進(jìn)行全生命周期管理時(shí)存在問(wèn)題[2]。如何有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑全生命周期能耗成本的控制，成為建筑領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[3]提出水利工程施工成本動(dòng)態(tài)控制方法，該方法首先創(chuàng)建動(dòng)態(tài)控制模型，依靠歷史數(shù)據(jù)獲取施工項(xiàng)目成本的屬性重要度，構(gòu)建施工成本控制系統(tǒng)；基于構(gòu)建的控制系統(tǒng)對(duì)施工項(xiàng)目中的各項(xiàng)成本控制指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，獲取成本指標(biāo)的相應(yīng)控制策略；最后利用該項(xiàng)策略，完成對(duì)施工項(xiàng)目成本的增量控制。該方法未能在成本增量控制前對(duì)施工過(guò)程中的增量成本進(jìn)行分析，導(dǎo)致該控制方法的可靠性低。文獻(xiàn)[4]提出基于ABC-LS-SVM的工程項(xiàng)目成本估算與控制模型。該方法首先基于成本的影響因素，創(chuàng)建ABC-LS-SVM的成本估算模型；再以該模型為基礎(chǔ)，利用人工蜂群算法對(duì)模型中的核心參數(shù)進(jìn)行獲?。蛔詈蠡讷@取的參數(shù)完成對(duì)項(xiàng)目成本的增量控制。該方法在創(chuàng)建成本估算模型時(shí)存在偏差，所以該方法的控制效果差。除了上述方法之外，還有學(xué)者提出了全生命周期視角下復(fù)雜產(chǎn)品成本控制方法。該方法首先創(chuàng)建了全生命周期成本控制模型，并詳細(xì)規(guī)劃了該模型的各個(gè)組成部分，分析各部分的內(nèi)在關(guān)系及基本功能；再基于管理層對(duì)于成本增量控制管理的需求，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型；最后基于優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目成本的優(yōu)化控制。該方法在分析成本增量管理時(shí)存在一定的問(wèn)題，所以該方法在成本控制時(shí)的能耗較大。

為解決上述裝配式建筑成本增量控制方法存在的問(wèn)題，提出裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制方法。

2 裝配式建筑增量成本分析

2.1 裝配式建筑流程

裝配式建筑施工流程如圖1所示。

依據(jù)圖1可知，裝配式建筑在進(jìn)行施工過(guò)程中比傳統(tǒng)施工流程多出構(gòu)件生產(chǎn)以及運(yùn)輸?shù)妊b配過(guò)程[5]。施工項(xiàng)目的增加，無(wú)形中會(huì)使項(xiàng)目的管理難度增大，裝配式建筑的成本、效益也會(huì)隨之改變[6]。

圖1 裝配式建筑施工流程圖

2.2 裝配式建筑特點(diǎn)

1)生產(chǎn)工廠化

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件可在工廠中直接參與建筑設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工廠與設(shè)計(jì)者進(jìn)行有效溝通可以保障預(yù)制構(gòu)件的高效生產(chǎn)，提高施工效率。

2)裝修一體化

建筑在施工過(guò)程中，樓板、內(nèi)外墻以及衛(wèi)生間等部分可直接在工廠中進(jìn)行生產(chǎn)，并能夠同時(shí)進(jìn)行通電、排水等工程，從而縮減工期，提高建筑效率。

3)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

裝配式建筑具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化特性，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)能夠決定裝配項(xiàng)目的工期、成本，還能夠在設(shè)計(jì)前對(duì)構(gòu)件連接、構(gòu)件拆分等影響因素進(jìn)行充分考量，從而構(gòu)建一體化協(xié)調(diào)原則，優(yōu)化裝配種類，獲取最佳方案。

4)施工裝配化

裝配式預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，需使用連接技術(shù)對(duì)其進(jìn)行機(jī)械吊裝，從而形成房屋建筑，該項(xiàng)舉措不僅能夠簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)工作時(shí)長(zhǎng)，還可將人工作業(yè)轉(zhuǎn)化為機(jī)械作業(yè)，降低人工成本，提高效率。

2.3 增量成本分析

2.3.1 預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸增量成本

裝配式建筑形式較現(xiàn)澆筑建筑形式來(lái)看，多了預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸項(xiàng)目，運(yùn)輸成本成為整個(gè)施工過(guò)程建筑成本的重要組成部分。裝配式建筑在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸時(shí)，增量成本是由裝車費(fèi)用、現(xiàn)場(chǎng)卸車費(fèi)用、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸成本構(gòu)成的[7]。設(shè)定裝配式建筑的裝車費(fèi)用為Czci，施工現(xiàn)場(chǎng)卸車費(fèi)用為Cxci，運(yùn)輸費(fèi)用為Cysi，對(duì)整個(gè)預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的增量成本進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下式所示

(1)

2.3.2 預(yù)制構(gòu)件安裝增量成本

裝配式建筑在預(yù)制構(gòu)件的安裝階段產(chǎn)生的增量成本主要包括機(jī)械、人工、企業(yè)管理以及材料等花費(fèi)。設(shè)定機(jī)械費(fèi)用為Cjx，人工花銷為Crg，企業(yè)管理花費(fèi)為Cqg，材料花費(fèi)為Ccl。

1)機(jī)械費(fèi)用

裝配式建筑在進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件安裝過(guò)程中，會(huì)使用大型的吊裝設(shè)備，吊裝設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用。但是裝配式建筑相比傳統(tǒng)建筑形式，縮減了混凝土泵送機(jī)等小型的施工機(jī)械，導(dǎo)致該項(xiàng)費(fèi)用為負(fù)增量情況，該項(xiàng)費(fèi)用用Cjx標(biāo)記。

2)人工費(fèi)用

由于裝配式建筑沒(méi)有傳統(tǒng)澆筑工作，人員數(shù)量較少，機(jī)械工作效率較高，因此裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的人工能耗低，人工花費(fèi)為負(fù)增量Crg。

3)企業(yè)管理費(fèi)用

由于裝配式建筑中人工較少，所以企業(yè)管理費(fèi)用隨著人工費(fèi)用的縮減而減少，該項(xiàng)費(fèi)用以人工費(fèi)用作為計(jì)費(fèi)基數(shù)，為負(fù)增量成本。

將裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的人工費(fèi)用標(biāo)記成Pzp，傳統(tǒng)澆筑式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)人工費(fèi)用標(biāo)記成Pct，建筑的企業(yè)管理費(fèi)用標(biāo)記成Pgl，計(jì)算裝配式建筑企業(yè)管理成本的負(fù)增量Cqg，計(jì)算結(jié)果如下式所示

(2)

4)材料費(fèi)用

該項(xiàng)費(fèi)用分為預(yù)制部分材料以及現(xiàn)澆筑部分材料兩部分。設(shè)定預(yù)制構(gòu)件的購(gòu)置費(fèi)為Cyzf，現(xiàn)場(chǎng)所需的材料消耗量為Cxc，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件的使用費(fèi)用為Clj?；谏鲜鲈O(shè)定值對(duì)預(yù)制構(gòu)件安裝階段的材料增量Ccl進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下式所示

Ccl=Cyzf+Cxc+Clj

(3)

除上述四種預(yù)制構(gòu)件安裝增量成本，裝配式建筑施工中還存在一定的規(guī)費(fèi)。規(guī)費(fèi)同上述企業(yè)管理費(fèi)用相同，都是依據(jù)人工費(fèi)用作為該項(xiàng)費(fèi)用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，為負(fù)增量成本。設(shè)定建筑企業(yè)管理規(guī)費(fèi)為Pgf，則規(guī)費(fèi)的負(fù)增量成本如下式所示

(4)

至此，設(shè)定裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件安裝過(guò)程產(chǎn)生的階段增量成本為Caz，通過(guò)計(jì)算，獲取裝配式建筑的構(gòu)件增量成本，計(jì)算結(jié)果如下式所示

(5)

式中，裝配式建筑的增量成本為Cgj。

3 增量成本控制

3.1 預(yù)測(cè)施工成本

基于BIM模型，利用灰色系統(tǒng)理論對(duì)裝配式建筑施工過(guò)程中的施工成本進(jìn)行預(yù)算，采集施工現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，生成成本相關(guān)數(shù)據(jù)代入BIM模型中，預(yù)測(cè)該次項(xiàng)目的施工成本[8]。

構(gòu)建灰色系統(tǒng)模型時(shí)，需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的整體協(xié)調(diào)功能以及動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行量化處理。設(shè)定成本信息系統(tǒng)的時(shí)間序列為X(0)，獲取過(guò)程如下式所示

X(0)={X(0)(P)}，P=1，2，…，m

(6)

式中，常數(shù)標(biāo)記為P，且常數(shù)最大值為m。將獲取的時(shí)間序列進(jìn)行多次累加處理，獲取新的序列X(1)，結(jié)果如下式所示

(7)

(8)

式中，預(yù)測(cè)模型為GM(1，1)，映射的空間軌跡矩陣標(biāo)記成dt形式，空間維數(shù)為dx(1)，灰度為a，作用量為u。將a設(shè)定為a=[a，u]T=(GTG)-1，獲取預(yù)測(cè)模型微分方程，并通過(guò)u，a對(duì)其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，取得累加的數(shù)列預(yù)測(cè)模型(1)=(K+1)，將采集的施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)放入模型中進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)施工成本。

設(shè)定成本預(yù)算增長(zhǎng)矩陣為G，空間矩陣為Xn，對(duì)累加預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下式所示

(9)

(10)

式中，預(yù)測(cè)誤差為e(k)，誤差均值為e，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為n，誤差關(guān)聯(lián)度為e(j)。根據(jù)上述的模型預(yù)測(cè)方差測(cè)試結(jié)果，設(shè)定施工過(guò)程中原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為S1，預(yù)測(cè)誤差為S2。對(duì)裝配式建筑的施工成本均值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)算結(jié)果如下式所示

(11)

式中，原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與預(yù)測(cè)誤差的方差比標(biāo)記成M，誤差概率為ω。

3.2 增量成本控制

依據(jù)上述獲取的預(yù)測(cè)成本值，利用粗糙集理論構(gòu)建控制成本動(dòng)態(tài)模型，獲取各項(xiàng)成本之間的關(guān)系[9]。再依據(jù)辨識(shí)矩陣，對(duì)裝配式建筑施工過(guò)程的成本指標(biāo)關(guān)系進(jìn)行排序，獲取各項(xiàng)成本與總成本之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則；最后通過(guò)關(guān)聯(lián)策略，對(duì)模型進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑全生命周期能耗的成本增量控制。

首先基于BIM技術(shù)，構(gòu)建裝配式建筑全生命周期的能耗成本控制動(dòng)態(tài)模型，構(gòu)建過(guò)程如下式所示

(12)

式中，工程成本的傳達(dá)系統(tǒng)為U，采集數(shù)據(jù)的非空數(shù)據(jù)集合為A，集合屬性為V，數(shù)據(jù)信息函數(shù)為f。設(shè)定在數(shù)據(jù)信息函數(shù)f中，U滿足U=A∈C∈D，C和D分別為采集數(shù)據(jù)的條件屬性與決策屬性。過(guò)程中，總成本控制集隨著各個(gè)成本控制子集的增加而增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)量化后可轉(zhuǎn)換為M=n×n形式的辨識(shí)矩陣，通過(guò)計(jì)算后可獲取裝配式建筑各項(xiàng)成本指標(biāo)的相對(duì)重要度，過(guò)程如下式所示：

(13)

W=(ω1，ω2，…，ωn)

(14)

式中，獲取的重要性因素為W?；讷@取的成本指標(biāo)重要性因素，對(duì)成本屬性進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，約簡(jiǎn)掉系統(tǒng)中的冗余信息，減少模型噪聲[10]。設(shè)定相似空間，對(duì)獲取指標(biāo)的相似集進(jìn)行排序，利用粗糙集理論，獲取成本的關(guān)聯(lián)規(guī)則，結(jié)果如下式所示

(15)

式中，粗糙集簡(jiǎn)化形式為R，能耗成本的總集負(fù)域?yàn)镻POSR(D)，獲取的關(guān)聯(lián)規(guī)則為PPOSR-C(D)，決策規(guī)則為NNegR(X)。

最后基于上述計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述能耗成本增量控制方法的整體有效性，需要對(duì)此方法進(jìn)行測(cè)試。

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別采用裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制方法(方法1)、水利工程施工成本動(dòng)態(tài)控制方法研究(方法2)、基于ABC-LS-SVM的工程項(xiàng)目成本估算與控制模型(方法3)進(jìn)行測(cè)試；

1)在極端環(huán)境下，采用方法1、方法2以及方法3對(duì)裝配式建筑全生命周期能耗成本進(jìn)行增量控制，測(cè)試三種方法在不同極端環(huán)境下成本控制的可靠性，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，隨著裝配式建筑總成本的不斷增加，三種控制方法的成本增量均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。綜合圖2兩個(gè)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，方法1在進(jìn)行裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制時(shí)，控制方法的可靠性要高于方法2以及方法3。這主要是因?yàn)榉椒?在進(jìn)行成本增量控制前，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的增量成本進(jìn)行了全方位分析，所以在進(jìn)行增量控制時(shí)的可靠性更高。

圖2 不同方法的可靠性測(cè)試結(jié)果

2)在保障施工質(zhì)量的前提下，將裝配式建筑施工過(guò)程分為五個(gè)單位組，對(duì)方法1、方法2以及方法3在進(jìn)行能耗增量控制時(shí)的控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，在施工質(zhì)量得到保障的前提下，方法1進(jìn)行成本增量控制后有效地降低了建筑成本。方法2和方法2雖然也控制了成本增長(zhǎng)，但是控制程度較方法1來(lái)看，并不明顯。依據(jù)上述分析結(jié)果可知，方法1在進(jìn)行裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制時(shí)的控制效果更好。

圖3 不同方法的能耗成本增量控制結(jié)果

3)測(cè)試方法1、方法2以及方法3在控制過(guò)程中以及成本增量控制后的能耗消耗情況，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，方法1無(wú)論是成本控制過(guò)程中還是成本控制后，該方法的能量消耗情況均低于其它兩種方法。

圖4 不同方法能量消耗控制情況檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝配式建筑形式應(yīng)用范圍的不斷增加，如何有效的完成對(duì)裝配式建筑施工過(guò)程中的全生命周期能耗成本增量控制，成為人們急需解決的問(wèn)題之一。針對(duì)傳統(tǒng)能耗成本增量控制方法中存在的問(wèn)題，提出裝配式建筑全生命周期能耗成本增量控制方法。該方法首先對(duì)建筑施工過(guò)程中的增量成本進(jìn)行具體分析；再基于BIM模型構(gòu)建建筑的成本預(yù)測(cè)模型；最后通過(guò)關(guān)聯(lián)策略，對(duì)模型進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式建筑全生命周期能耗的成本增量控制。該方法由于在計(jì)算平均誤差時(shí)存在一定問(wèn)題，今后會(huì)針對(duì)該項(xiàng)缺陷對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化。