基于BIM的水利工程施工进度实时监测系统优化设计

陈 钊，赵梦玲

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

0 引 言

随着我国城市建设的快速发展，水利工程在全国范围内迅速发展。所谓的水利工程是指用于控制与调配水资源的、以优化水循环而修建的工程项目[1-2]。水利工程也可以简称为水工程。城市进程的加速对水资源具有一定的破坏性，因而兴修水利工程对于缓解水资源的短缺具有一定的帮助作用[3]。水利工程不仅可以增强城市的服务能力，解决城市建设中管线设定的问题，还可以降低城市水资源污染，提升城市形象。在城市水利工程施工过程中，常采用水利工程施工进度与质量实时监测系统对施工中的工程项目展开施工管理。该系统在使用中，系统的实时监测效果较差。因而，引用BIM技术对原有系统进行部分功能的优化，设计基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统。

BIM全称为建筑信息模型，是一种使用计算机应用程序对建筑展开控制并设定建筑信息模型的技术。通过此技术可对施工项目进行事先设定，并根据设定结果对使用过程展开控制[4-5]。将此技术应用于此次系统设计中，对原有系统中的不足之处进行处理。为确保文中设计系统可有效提升原有系统的功能性，在文中系统设计结束后，设定系统测试环节，获取系统的设计效果。

1 基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统硬件设计

在此次设计中，主要以软件模块设计为主。为保证BIM技术可在此系统中正常应用，对原有系统中的中央控制芯片部分进行替换设计，使其在承受优化后的监测系统时能够流畅运行，避免出现因硬件性能不足而影响监测结果的情况发生。图1为替换后的控制芯片。

图1 替换后的控制芯片

硬件设计主要以监测设备为主，为提升系统对工程监测的实时性，设定系统的实时处理器采用TMS320处理器[6-7]。该处理器为实时监测系统的核心，将其与外部串联设备相连，实现对工程项目中数据处理与工程项目进度状态与质量的识别。在该处理器中，设定工程项目进度采集模块以及实时数据传输模块,辅助完成系统对水利工程施工中的工程数据获取。上述设定芯片采用第二代高性能信息实时处理结构的DSP内核[8]，提高对系统中指令的执行与处理，缩短系统数据计算步骤，节约系统的运行时间。针对施工过程中的进程数据采集工作，在此次系统设计中使用具有监测能力的单片机完成，单片机参数具体见表1。

表1 监测单片机参数设定

使用单片机对水利工程中的施工数据进行采集，并将单片机与上述设定处理器相连。将处理器引用至原有系统硬件框架中，为保证系统中的其他设备可正常运行，设定系统框架中的计算机设备优化参数，见表2。

表2 系统硬件优化参数

根据上述参数，完成系统硬件框架中其他设备的优化，将设计芯片安装至优化后的框架中。至此，完成水利工程施工进度与质量实时监测系统硬件设计。将此系统硬件构建作为设计系统的软件模块开发平台。

2 基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统软件设计

BIM 模型信息以数据库的方式进行存储，具有良好的存储能力和灵活性。BIM 模型集成的信息是动态的，需随项目进展不断更新。数据库的存储方式只需更新变动部分的数据，不需要对整个模型重新存储，大大地提高信息转换与共享的效率，提供更好的交互协同能力，减少错误。 BIM 的特性优势包括两个方面：①解决建设项目生命周期信息的集成问题；②高效建设生命周期信息共享。

针对原有系统实时性较差的问题，设计水利工程施工进度与质量实时监测系统软件，创建BIM实时模型。模型构建过程见图2。

图2 监测系统的BIM实时模型创建过程

在建模过程中，精配准为：

(1)

粗配准为：

(2)

素养考查分析：该题为理科数学选择题第7题，从知识与技能层面来看，综合考查了学生对几何图形与其三视图之间的对应关系、立体图的平面展开图等知识，以及几何直观与空间想象能力．为了求出最短路径的长度，学生首先要根据圆柱体三视图的长、宽等特征进行空间直观想象，画出该圆柱体的直观图，然后画出圆柱的平面展开图，并确定点A和点B的位置，再利用两点之间线段最短的原理求出最短路径的长度，经过计算可得最短路径的长度为 ，该题主要考查的素养为直观想象．

根据上述过程，完成BIM的建模部分。系统的软件设计主要以系统硬件的承载能力作为基础，以保证设计完成的系统具有稳定性。

2.1 引用BIM完成水利工程施工进度管理模块设计

此次设计中，在原有的软件框架中增加水利工程施工进度管理模块，实现对水利工程施工进度的管理。在此模块中，引用BIM1.0关系数据库[11-12]实现对设计系统的项目管理、计划管理、过程管理以及成果管理的数据存储。设定该数据库的内容见表3。

表3 施工进度管理数据库内容

将表3作为进度管理的数据基础，使用神经网络算法[13]完成对施工进度的管理。设定硬件设备采集到的施工信息为A,根据施工进程的权重α，计算得出施工加权和χ，则有：

(3)

设定施工中预先设定的某一环节为b，得出预先设定的加权和β为：

(4)

通过上述公式，可求预先设定的工程进度与实际的施工状态。将上述两公式的计算结果进行比较，可知目前施工状态进程，并对当前施工进度展开监管。

2.2 水利工程施工质量监测

完成水利工程的施工进度实时监测后，对水利工程施工质量展开监测。为保证工程项目质量监测具有一定的标准作为基础，设定施工材料的质量标准见表4。

表4 水利工程施工标准

opt(a(Q,T))

(5)

为提升上述函数计算结果的精度，设定施工进程转变公式如下：

T(O,t+1)=T(O,t)+ΔT(O,t)

(6)

式中：Q为施工质量；T为施工进程；t为水利工程施工工期；O为施工区号[14-15]。

设定此公式约束条件为：

R(o,i,t)=0

(7)

设定单片机采集到的数据Qa、Qamin、Qamax为施工质量的容许区间。使用上述公式得出施工质量的计算结果，并保证其在上述设定的容许区间内。

将上述两部分进行整合，实现施工进度与质量的实时监测。考虑到施工现场的作业要求，施工单元的状态呈现出启动、停止、循环。由此得出施工进程与质量的变换公式为：

Tw(m,n)=Tv(m,n)+ΔTy(m,n)

(8)

式中：Tw、Tv分别为工程的启动与停止时间；m、n为工程段编号。

由此得出监测目标函数为：

opt(a(Qw,Tv))

(9)

通过此目标函数，对采集到的数据展开计算，所得结果为施工的进度与对应的施工质量。将此部分与上述设定模块相连，并引入原有的系统软件模块中，将其与本文中设计的硬件设备相连。至此，基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统设计完成。

3 实 验

上文中分别完成了系统的硬件设计与软件设计，为保证本文中设计的基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统具有实时监控功能，特设计实验环节，以获取文中设计系统的性能特点。

3.1 实验准备

在此次实验中，为保证对文中设计系统研究的全面性与可靠性，通过与原有系统对比的形式完成实验过程。针对原有监测系统的不足，设定此次实验中的对比对象为施工质量状态反馈结果，通过反馈结果的差异，得出原有系统与文中设计系统的区别。为保证实验过程中原有监测系统与文中设计的基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统可同时操作，设定实验硬件平台见图3。

图3 实验平台结构

此次实验平台基于BIM建模进行，在设定中包含PC机一台，工程施工数据采集平台、数据处理平台以及电源。其中，PC机与数据采集平台采用通信总线展开连接，设备与设备之间采用RS232串口线连接，电源采用供电双绞线连接。实验平台软件部分采用高精度中央控制器展开处理。将设备与软件部分相连接，完成实验平台的设计。并将其应用于此次实验中，作为原有监测系统与设计监测系统的运行基础。

在此次实验过程中，选定某水利施工项目作为实验对象。设定在此水利施工项目中，具有10个子工程，每一子工程的施工质量不一。将工程质量作为实验样本，采用原有系统与设计系统对子工程的工程质量等级进行监测，并与实验样本展开对比，得出实验结果。设定质量等级为3种，分别为I、II、III。见表5。

表5 实验样本

使用上述实验样本完成此次实验过程，并将获取到的实验结果进行分析。

3.2 实验结果分析

采用基于BIM的水利工程施工进度实时监测系统对样本监测的时间进行优化。见表6。

通过表6可知，设计系统对施工质量的监测时间少于原有系统。通过与实验样本对比可知，设计系统监测结果与实验样本大致相同，原有系统的监测结果与实验样本相差较大，且原有系统与设计系统相比，设计系统在对施工质量进行监测时效率更高，基本能够达到实时监测。由此可知，基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统更加适用于复杂的水利工程施工过程中。采用设计系统，可有效提升水利工程施工部门对施工进度与质量的实时监测能力，保证施工结果的质量与施工速度符合国内相关标准。

表6 对监测时间优化的实验结果

4 结 语

随着现代化建筑技术的不断进步，水利工程的建筑规模不断增加，为提升对水利工程的监管，设计基于BIM的水利工程施工进度与质量实时监测系统。通过系统测试可知，该系统的监测性能优于原有系统。但该系统的设计过程存在一定的不足：①该系统仅对原有系统的不足展开设计，无法系统地全部使用性能；②此次研究由于篇幅限制，未对系统中的计算过程展开详尽的解释。因此在今后的使用过程中，若系统出现计算错误，应及时对模块展开优化，以保证系统的计算精度。