BIM技术在煤矿工程施工进度监控系统中的应用

安 冬，裴 晓

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

在煤矿工程的施工过程中，需对整个工程的施工进程实施有效的监控与管理，以此保障煤矿工程的施工进度如期完成，同时有效降低成本，提高施工质量[1]。若施工进度延期，施工方易因赶进度导致工程质量的降低，对煤矿工程造成隐患。工程施工进度监控与管理的依据为施工进度规划，规划内容主要包括工程中各项工作的起始时间、结束时间与施工顺序等[2]。以施工进度规划为依据，在合同期内监控与管理现实施工进度，此即为工程施工进度监控。通常情况下，对施工进度产生干扰的关键因素有内部与外部两方面，其中内部因素重点为施工组织、设计方、业主方及工程手续等，外部因素重点为资源供应与自然因素等[3-4]。针对施工进度而言，相比外部因素内部因素更易控制，然而由于煤矿工程的复杂性及工程量较大等因素，对施工进度监控造成了一定的制约。为此，需通过科学合理的施工进度监控系统，实现对煤矿工程施工进度的有效监控，保障工程的工期、成本与质量[5]。

以往所运用的大部分施工进度监控系统或多或少都存在部分缺陷，如无法实现可视化监控、信息上报与循环周期较长、信息化程度较低等，监控效率与实际监控效果均有待提升[6]。BIM(建筑信息模型)内包括尺寸、材料、形状、型号与材质等完备的现实工程信息，其将三维数字技术作为基础，实现数字化呈现与工程有关的全部信息，属于一种能够融合工程项目所有关联信息的工程数学模型[7]。BIM技术的一体化特点，能够有效整合工程内全部施工人员，同时结合其可视化特点，有效融合工程施工规划和工程模型，通过可视化数据为监控管理者实时掌控工程施工进度提供便利，提升整个工程施工进度监管的效率[8]。

综合以上分析，本文设计BIM技术的煤矿工程施工进度监控系统，通过数据采集与处理，构建BIM实时模型，实现对煤矿工程施工进度的监控及监控结果的可视化呈现，便于管理者实时监控施工进度并及时做出调整，提高监控的效率与效果，为保证煤矿工程施工质量与工期提供帮助。

1 煤矿工程施工进度监控系统设计

1.1 整体架构设计

以监控信息可视化展现、施工现场数据自动化采集、信息有效集成与管理、施工进度和成本报告输出、施工进度实时监控等功能需求为目标，设计具有易维护、实用性、扩展性及规范性较高等特点的BIM技术煤矿工程施工进度监控系统[9]。该系统的整体架构主要包括数据采集层、数据处理层、BIM模型层及应用层4部分，整体架构设计如图1所示。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall architecture diagram of the system

(1)数据采集层。该层的主要功能是实时采集煤矿工程施工现场的相关数据信息，同时将所采集的数据信息传输至数据处理层。所采集的实时数据信息主要由深度图像与3D点云等构成，其中深度图像是在施工现场通过摄像测量技术拍摄所得，主要包含材料信息与构件形态信息等；3D点云是采用3D激光扫描仪对现场已完工部分3D坐标实施收集，并通过数据配准将各个测站所收集的数据集成后而获得的。

(2)数据处理层。此层的主要任务是接收并处理数据采集层所传输的实时数据信息，同时由其中提取出有价值信息实施对象匹配与识别，为BIM实时模型生成奠定基础。

(3)BIM模型层。此层属于整个系统的核心数据库，集成了煤矿工程施工过程动态监控所形成的海量有价值数据信息，有效集成并管理煤矿工程的规划与施工阶段的相关信息[10]，同时将施工进度监控所需的数据信息提供给应用层，帮助应用层内进度与成本监控模块功能实现。

(4)应用层。该层主要由进度监控模块、成本监控模块、可视化展现模块等构成，以BIM模型层所提供的信息为依据，实现系统功能，具有高扩展性，能够以实际煤矿工程监控所需为依据，增加基于BIM实时模型信息而实现的相应功能模块。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 硬件结构设计

系统的整体硬件结构由工作站、后台服务器等构成，如图2所示。其中，后台服务器包括进度监控Web服务器与数据库服务器各1台。各部分硬件的功能如下：①工作站。安装Navisworks软件，帮助系统实现可视化展示，煤矿工程施工进度监控人员经由工作站登录服务器后，开始监控施工进度。②进度监控Web服务器。其主要任务是实现进度监控的Web发布。③数据库服务器。该服务器主要由BIM模型、配置文件以及核心数据库等构成。其中，BIM模型即为煤矿工程不同子系统的BIM模型；配置文件即操作日志、数据库字符串及存储路径等信息；核心数据库主要由进度、单价、工程量及单位等信息构成。

图2 系统整体硬件结构Fig.2 Overall hardware structure diagram of the system

1.2.2 进度监控模块结构设计

系统应用层内的进度监控与成本监控模块属于该层内的关键模块，二者的主要任务是监控煤矿工程施工进度与成本，并将所得监控报告输出，向煤矿工程相关监管人员提供决策信息[11]。由于二者的结构相似，故以进度监控模块为例，设计其整体结构如图3所示。

图3 进度监控模块结构Fig.3 Structure diagram of progress monitoring module

进度监控模块主要由信息导入、运算设置、工程量运算和输出、参数运算和输出等单元构成，各单元功能描述为：①信息导入单元。此单元的主要功能是导入煤矿工程施工进度监控所需的BIM信息，将相关数据提供给参数运算[12]。②运算设置单元。该单元的任务是设置运算项目、规则及价格，其中运算项目的设置需以赢得值法的运算需求为依据，而运算规则与价格的设置需以运算项目为依据。③工程量运算和输出单元。以所设置的运算规则为前提，运算工程量并生成工程量报告，以设置的运算项目为依据，输出所生成的工程量报告。④参数运算和输出单元。运用以产品为基础的计价法，以所得工程量与单价为依据，运算出赢得值参数与指标值，获得进度监控报告并输出。

1.3 系统软件设计

1.3.1 系统数据流设计

监控系统的数据流设计情况如图4所示。将现场采集的深度图像与3D点云数据一次性导入，经数据处理后作为系统进度监控的基础数据存储到数据库；定期对数据库内数据实施维护，并定期导出施工进度报告，经由用户向Navisworks软件内导入施工进度报告与BIM实时模型，实施煤矿工程施工进度监控报告的可视化展示。

图4 系统数据流设计Fig.4 System data flow design diagram

1.3.2 BIM实时模型构建过程设计

BIM实时模型的构建过程如图5所示。

图5 BIM实时模型构建过程Fig.5 BIM real-time model construction process diagram

BIM实时模型运用数据库的方式储存信息，其特点为灵活性高、存储性能较好。其所存储的信息属于动态信息，能够伴随工程施工进展而持续更新[13-14]。此种存储方式在更新数据时，无需将BIM模型内的全部信息重新存储，仅需针对局部变化数据实施更新即可，如此可将其共享及转化信息的速率大幅度提升，实现煤矿工程施工生命周期的信息共享及集成[15]。

BIM实时模型是基于激光扫描3D点云自动识别3D CAD构建方法实现构建的。通过3D激光扫描仪采集现场完工部分3D坐标，并将相应点手动输入，转化参数化的BIM模型为3D CAD模型；在激光扫描仪坐标系内对此模型先后实施粗配准与精配准，同时运算出可匹配扫描点云的该模型点云，经匹配运算两点云识别构建对象，精对准所识别构建后，获取到该模型构建的现实方向与位置；所识别出构建就是煤矿工程施工现场已完工部分构件，以所获取的现实方向与位置为依据，变换BIM模型构件，获得BIM实时模型构件，完成BIM实时模型的构建。另外，在构建过程中，所需的精配准运算式为：

(1)

粗配准运算式为：

(2)

1.3.3 进度偏差分析方法

选取赢得值法对施工进度与成本偏差实施分析，该方法属于一种常用的联合监测施工成本与进度的方法。该方法包含3个基本参数与4个评价指标，其中3个参数分别为已完工工作的现实费用(ACWP)与预计费用(BCWP)、规划工作的预计费用(BCWS)；4个指标分别为进度与费用绩效指数(SPI与CPI)、进度与费用偏差(SV与CV)。

(1)ACWP参数的运算公式为：

ACWP=P1×a

(3)

式中，P1为已完工工作量；a为现实单价。

(2)BCWP参数的运算公式为：

BCWP=P1×b

(4)

式中，b为预计单价。

(3)BCWS参数的运算公式为：

BCWS=P2×b

(5)

式中，P2为规划工作量。

(4)SPI指标的运算公式为：

SPI=BCWP/BCWS

(6)

当SPI>1时，说明现实施工进度超出规划施工进度；反之，则说明现实施工进度延后于规划施工进度。

(5)CPI指标的运算公式为：

CPI=BCWP/ACWP

(7)

若CPI>1，则说明现实施工费用比预计费用低；反之，则说明现实施工费用比预计费用高。

(6)SV指标的运算公式为：

SV=BCWP-BCWS

(8)

当SV的值为正数时，则说明现实施工进度比规划施工进度快；反之，则说明现实施工进度比规划进度慢。

(7)CV指标的运算公式为：

CV=BCWP-ACWP

(9)

当CV的值为正数时，说明现实施工费用未高出预计费用；反之，则说明现实施工费用已高出预计费用。通过赢得值法的以上参数与指标，能够有效分析出施工进度与成本偏差，掌握煤矿工程的施工进度成本情况与趋势，实现对煤矿工程施工进度的有效监控。

2 应用实例分析

以某煤矿企业的在施工工程为例，运用本文系统对此工程施工进度实施监控，检验本文系统的监控结果与实际应用效果，检验本文系统的性能。实验工程为矿井工程，选取该工程内的A、B两项工作项目实施进度监控。实验工程的施工现场进度监控效果如图6所示。

图6 实验煤矿工程施工现场进度监控Fig.6 Monitoring construction site progress of experimental coal mine engineering

运用本文系统对实验煤矿工程的A、B两个项目10 d的施工进度与成本实施监控，其中A、B两个工作项目中各自包含10个工作阶段，所得监控结果见表1。由表1得出，从施工进度监控结果分析，实验煤矿工程A项目的A1—A5阶段现实施工进度与规划施工进度相符，未出现延后问题，A8、A7、A6、A9阶段的现实施工进度延后问题相对较严重，A10阶段的现实施工进度稍有延后；B项目B1、B2、B9、B10阶段现实施工进度与规划施工进度相符，无延后问题，而B6、B7、B5阶段现实施工进度延后较多，B3、B4、B8阶段现实施工进度稍有延后。从施工成本监控结果分析，A项目仅A1阶段的现实施工费用与预计费用相符，其余各阶段的现实施工费用均高于预计费用；B项目的B1、B2阶段现实施工费用未超出预计费用，其他阶段均超出预计费用。

表1 A、B两项目施工进度与成本监控结果Tab.1 Monitoring results of construction progress and cost of project A and project B in this paper

综合以上分析可知，本文系统能够实现对煤矿工程不同项目各阶段施工进度与成本的监控，依据监控结果获得各项目不同阶段的现实施工状况与费用，为管理者及时做出施工进度与费用调整提供有效帮助。

通过本文系统针对A、B两项目中施工进度延后问题较严重的几个阶段继续实施监控，所监控阶段包括A项目的A8、A7、A6、A9阶段与B项目的B6、B7、B5阶段。其中对A项目4个阶段的监控结果如图7所示。对B项目3个阶段的监控结果如图8所示。结合图7与图8能够得知，A项目的A6、A7、A8、A9阶段的规划完成工作量为100%的时间依次为14、15、15、16 d，现实完成工作量达到100%的时间依次为15、17、18、17 d，4个阶段的施工进度延后时间依次为1、2、3、1 d；B项目的B5、B6、B7阶段的规划完成工作量为100%的时间依次为16、13、15 d，现实完成工作量达到100%的时间依次为18、17、18 d，3个阶段的施工进度延后时间依次为2、4、3 d。

图7 对A项目进度延后阶段的监控结果Fig.7 Monitoring results of the delayed stage of project A

图8 对B项目进度延后阶段的监控结果Fig.8 Monitoring results of the delayed stage of project B

继续对现实施工进度与规划施工进度统一的A、B项目各阶段实施监控，以A项目的A1阶段为例，将本文系统监控所得的此阶段规划施工进度与现实施工进度结果展现，如图9所示。

分析图9能够得出，A项目A1阶段的规划施工时间为17 d，此阶段的现实施工时间同样为17 d，施工进度相符，且施工过程中的工作量进度也几乎一致。可见，本文系统能够针对不同进度的工作阶段实施有效监控。

图9 现实与规划施工进度统一阶段的监控结果展现Fig.9 Display of monitoring results at the unification stage of realistic and planned construction schedule

4 结论

煤矿工程施工进度的有效监控是实施煤矿工程监管的依据，是保障工程施工工期与质量成本的关键。为此，本文针对一种BIM技术的煤矿工程施工进度监控系统展开研究。该系统主要包括数据采集、数据处理、BIM模型及应用4个层级，通过结合摄像测量技术与激光3D扫描仪采集现场施工相关数据，经过处理与提取后，构建BIM实时模型，运用所构建BIM实时模型内数据信息，实施相应的运算后，实现对煤矿工程施工进度与成本的监控。

将本文系统应用于某煤矿工程中，对该工程内A、B两个项目的各阶段施工进度与成本实施监控，结果表明，现实施工费用与预计费用相符的为A1、B1、B2阶段，其余阶段的现实施工费用均比预计费用高；现实施工进度与规划施工进度一致的为A项目的A1—A5阶段及B项目的B1、B2、B9、B10阶段，其中A1阶段的现实施工天数和施工过程中的工作量进度均同规划施工相符；现实施工进度延后现象严重的为A项目的A6—A9阶段、B项目的B5—B7阶段，其余阶段稍有延后，其中，B6阶段的现实施工进度比规划施工进度延迟4 d，A8与B7阶段的现实施工进度比规划施工进度延迟3 d，为2个项目中施工进度延迟时间最长的3个阶段。可见，本文系统可针对煤矿工程不同项目的各个阶段施工进度与成本实施有效的监控，根据监控所得结果分析各阶段的现实施工状况与费用，为工程管理者及时发现施工中的问题并做出相应调整提供科学依据。