基于BIM技術(shù)的項目模塊化建模與控制指標計算方法

黃子強，周雨薇，張光林

（1、中穗豐華建設(shè)咨詢有限公司 廣州 510620；2、廣州理工學(xué)院 廣州 510540）

0 引言

在“十三五”時期，建筑信息模型（BIM）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋了工程設(shè)計、生產(chǎn)和施工。在住建部發(fā)布的政策中多次提到了BIM，并強調(diào)了推進BIM技術(shù)在建設(shè)項目全生命周期中的集成與深入應(yīng)用。在工程造價專業(yè)中，與傳統(tǒng)的算量方式相比，BIM 算量技術(shù)具有高計算效率、高精確度、便于協(xié)同工作和交流等優(yōu)勢。

在實踐工作中，許多大型工程項目往往存在工作量大、管理易失控等問題。如果將項目按區(qū)域、專業(yè)劃分為不同的的模塊，將會大大降低管理難度，進而提高管理效率，整個過程將會簡單化。本文基于BIM建模技術(shù)，研究了項目進行模塊化劃分以后的模型建立方法，在此基礎(chǔ)上提出了項目相關(guān)控制指標的計算和分析方法。

1 項目模塊化的劃分及研究對象選取

1.1 模塊化管理的作用

模塊是指可以通過與其他相同類型的子系統(tǒng)按照特定規(guī)則相互聯(lián)系而構(gòu)成更復(fù)雜的系統(tǒng)。根據(jù)著名經(jīng)濟學(xué)教授青木昌彥的定義，模塊化是指具有半自律性的子系統(tǒng)通過與其他同樣類型的子系統(tǒng)根據(jù)一定規(guī)則相互聯(lián)系而組成的更復(fù)雜系統(tǒng)［1］。

模塊的分解與集成屬于模塊化管理的重要工作之一，并對模塊的功能水平和模塊化管理的效果起著決定性作用［2］。在建設(shè)工程項目中，我們將其視為按照特定的模塊系統(tǒng)。在系統(tǒng)的運行管理過程中，如果能夠降低集成的成本，那么系統(tǒng)的效率就會相對更高。

1.2 項目模塊分解

對一個項目進行模塊分解的首要步驟是進行EBS（Enterprise Breakdown Structure）分解，然后在此基礎(chǔ)上進行WBS（Work Breakdown Structure）分解，最后以WBS 為基礎(chǔ)進行項目的管理工作［3］。工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解的過程一般包括以下步驟：首先是對工程的功能面進行分解，將其分解為各個單項工程，并對各功能面進行要素的分解；然后是在按要素分解的基礎(chǔ)上，進一步分解各自的子要素，并將其分解為分部工程和分項工程。通過這樣的分解過程，可以將整個工程項目系統(tǒng)分解為逐漸細化的模塊，便于進行管理和控制。分解實例如圖1所示。

圖1 項目EBS分解示例Fig.1 Example of Project EBS Decomposition

1.3 編碼體系的設(shè)定

對于本項目，采用施工內(nèi)容的模塊化作為基礎(chǔ)，并根據(jù)《建設(shè)工程工程量清單計價規(guī)范：GB 50500—2013》對模型實體構(gòu)件進行編碼，這樣可以方便進行造價管理。例如，對于現(xiàn)澆混凝土獨立基礎(chǔ)，其模型屬性的項目編碼可以為010501003001。另外，如果將模塊設(shè)定為企業(yè)成本信息庫對應(yīng)，也可以采用企業(yè)內(nèi)部成本信息編碼。這樣的編碼方法可以幫助項目團隊更好地識別和管理各個構(gòu)件，并與成本信息進行對應(yīng)。

1.4 標準模塊的選取原則

在進行項目標準模塊的選取時，應(yīng)遵循以下原則：

⑴標準模塊具備獨立的設(shè)計性和操作性，能夠單獨使用且不受其他模塊的影響。同時，標準模塊還應(yīng)具備可擴展性的；

⑵標準模塊應(yīng)具備靈活性，便于根據(jù)工程項目的具體需要進行修改或拓展；

⑶在選擇標準模塊時，需要根據(jù)工程項目的具體特征和要求來進行選取。模塊的大小應(yīng)該合理，并且可以根據(jù)實際情況選擇合適的分界線位置，如后澆帶、變形縫等，以便于模塊之間的銜接和協(xié)調(diào)。

2 基于標準模塊的BIM4D模型研究

2.1 標準模塊BIM模型的建立方法

本項目選取的3個方案研究旨在探索標準模塊的BIM 模型建立方法。通過使用Revit 軟件、廣聯(lián)達GTJ圖形算量軟件和Dynamo 參數(shù)化軟件進行建模，可以實現(xiàn)樁、柱、梁、墻、承臺、樓板、門和窗等各類構(gòu)件的參數(shù)化建模和批量數(shù)據(jù)處理。使用Dynamo 軟件與Revit 軟件相結(jié)合可以極大地提高建模工作效率。

2.2 標準模塊的BIM4D模型建立方法

2.2.1 標準模塊4D模擬對象的選擇

根據(jù)項目的施工組織設(shè)計方案和受限條件，對所選取的標準模塊進行了施工對象和施工任務(wù)的劃分。根據(jù)施工對象的不同，可以將其劃分為建筑單體和施工場地兩個部分［4］。建筑單體可以進一步劃分為分部分項工程項目和措施項目。在施工任務(wù)方面，可以根據(jù)施工進度計劃將其劃分為各個具體的工作內(nèi)容。具體的劃分視項目的特點和要求而定［5］，詳見圖2所示。

圖2 標準模塊的4D模擬對象劃分Fig.2 4D Simulation Object Division of Standard Modules

2.2.2 標準模塊BIM4D模型的構(gòu)建方法

在完成了標準模塊的4D 模擬對象劃分后，根據(jù)施工時間相關(guān)數(shù)據(jù)利用Project 軟件輸入數(shù)據(jù)來形成施工進度計劃橫道圖。在軟件中計算出該模塊施工過程中的人力、材料、機械等各種資源的消耗量。接下來，通過使用Navisworks 軟件來創(chuàng)建標準模塊的BIM4D 模型。首先從Revit 軟件中導(dǎo)出/*.nwc、/*.nwf或/*.fbx 格式的文件，并將對應(yīng)格式的文件導(dǎo)入到Navisworks軟件中；利用管理集檢查構(gòu)件是否完整，若不完整則需進行修改完善；使用TimeLiner 導(dǎo)入Project 文件，并與相關(guān)構(gòu)件綁定關(guān)聯(lián)，最終輸出BIM4D 模型。具體步驟如下：Revit?視圖可見性?顯示所有構(gòu)件?附加模塊?Addin 選擇導(dǎo)出Navisworks?導(dǎo)出nfc或nwc?導(dǎo)如Navisworks?管理集查看構(gòu)件?使用TimeLiner?導(dǎo)入Project 文件?進度與構(gòu)件綁定?輸出成果。

3 標準模塊及類似模塊的指標計算方法

3.1 人工消耗量指標

本研究在借鑒《廣東省房屋建筑與裝飾工程定額2018》（上冊）的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑工程預(yù)算定額的特點，推導(dǎo)出了表1 所示的建筑工程中矩形柱所消耗材料和人工的基本數(shù)據(jù)［6］。

表1 混凝土柱預(yù)算定額Tab.1 Budget Quota of Concrete Columns

3.1.1 根據(jù)定額進行用工量推導(dǎo)

按照定額得到基本人工費為1 181 元/10 m3，按照廣東省建筑工程稅費最新規(guī)定，規(guī)費費率2.9%、稅金稅率按3.527%、企業(yè)管理費的費率為23.75%，以結(jié)構(gòu)柱澆筑混凝土這道工序為例，區(qū)分普工和技工，假設(shè)技工所占比例按70%考慮，承擔(dān)對應(yīng)施工任務(wù)的單位技工費為400元，普工費為350元。

經(jīng)過模型計算得出本項目標準模塊結(jié)構(gòu)柱施工混凝土工程量為825 m3，該工程屬于一類建筑工程，假設(shè)完成該結(jié)構(gòu)柱混凝土澆筑施工任務(wù)的技工數(shù)為X，普工的數(shù)量為Y，根據(jù)上述條件：

通過二元一次方程的求解，得出Y≈98，X≈229

3.1.2 根據(jù)信息價進行用工量推導(dǎo)

在相關(guān)網(wǎng)站上獲取人工工日信息價，假設(shè)信息價是250 元/工日，根據(jù)定額人工費是1 181 元/10 m3，設(shè)人工費為X，人工信息價為Y，澆筑每m3混凝土所需人工工日數(shù)為Z，得出：

由模型統(tǒng)計得出，標準模塊混凝土澆筑總量為825 m3，按照預(yù)計工期，混凝土澆筑需要在一天之內(nèi)完成，因此得出下列關(guān)系：

以上兩種方法得出的結(jié)論經(jīng)施工單位驗證均較合理。

3.2 機械臺班消耗量指標

首先需要計算各個模塊施工單日所需的材料類型以及對應(yīng)的需求量，然后計算運輸這些材料所需的機械設(shè)備量。

機械設(shè)備指標研究流程步驟：先截取某區(qū)域?qū)嶓w并計算其體積，再通過“消耗量”（預(yù)算定額）換算成材料消耗量，并考慮工期，預(yù)計完成工程每天所需的材料種類和需求量，最后再計算出每天總消耗量和查詢現(xiàn)場施工中運輸方案的選擇，收集該方案所用運輸設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，審核該運輸方案能否滿足實際施工所需。

3.3 材料消耗量指標

根據(jù)本研究，標準模塊的材料消耗指標計算方法可歸納為面積換算法、體積換算法和實體模型計算法3種，現(xiàn)以鋼筋材料的消耗量計算為例進行說明。

⑴首先由GTJ 土建算量模型得出標準模塊的鋼筋工程量，除以標準模塊的平面面積得出單方鋼筋含量，建立數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

式中：N為類似模塊的鋼筋消耗量；f1為標準模塊每平方米混凝土中鋼筋的含量（t/m2）。

⑵由GTJ 土建算量模型得出標準模塊的鋼筋工程量，再通過模型中的鋼筋重量與鋼筋混凝土構(gòu)件的體積數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)關(guān)系，計算式為：

式中：N為類似模塊的鋼筋消耗量；f2=T/V；T為標準工程鋼筋的含量（t）；V=∑（各鋼筋混凝土構(gòu)件的體積）。

⑶在BIM 模型中對各構(gòu)件設(shè)置計算公式，以結(jié)構(gòu)柱為例。將混凝土消耗量與造價成本、工期指標、人工指標進行關(guān)聯(lián)并建立數(shù)學(xué)式，在實例參數(shù)中對所需數(shù)據(jù)進行賦值計算，并基于Revit軟件的明細表統(tǒng)計功能得出對應(yīng)指標。

3.4 空間指標

本研究所涉及的空間指標主要包括施工平面圖布置指標、施工工作面指標，施工材料堆放指標、施工材料及設(shè)輸相關(guān)指標、施工過程建筑的凈空高度指標。

以施工工作面指標的計算為例，具體計算過程如下：截取某施工區(qū)域?qū)嶓w并計算體積?通過消耗量換算該區(qū)域?qū)?yīng)人工工日數(shù)?結(jié)合進度計劃計算該區(qū)域每日所需工人數(shù)?查詢規(guī)范中的工作面指標（人/m2）并進行對比?得出合理的工作面指標。

3.5 進度指標

在本研究中，將基于標準模塊的工序，進一步探討所有工序與BIM模型之間的聯(lián)系［7］。通過在BIM模型中標注和關(guān)聯(lián)相應(yīng)的構(gòu)件信息，可以更好地管理和調(diào)整施工過程。通過確定一般持續(xù)時間和最短持續(xù)時間參數(shù)，可以有效地安排施工計劃，并進行時間上的優(yōu)化與控制。這將有助于提高工程項目的效率和質(zhì)量。獲取工序持續(xù)時間最快捷的方法是借助計算，并通過對現(xiàn)實情況的思考來防止因盲目搶工而造成施工的資源流失。計算方法有兩種［8］：

3.5.1 經(jīng)驗估算法

本方法只適合于采用新工藝、新材料和新工法等工序，根據(jù)已有的施工案例進行計算。在缺乏可靠的計算公式前提下，可適時采用三時估計法，計算方法如下：

式中：T為總時間；a為樂觀時間；b為最可能時間；c為悲觀時間。

3.5.2 定額計算法

本方法依據(jù)行業(yè)或者企業(yè)制定的定額，再利用以下公式計算持續(xù)時間：

式中：T為總時間；Q為項目總工程量；R為勞動力或機械數(shù)量的分配；S為單位時間內(nèi)產(chǎn)量定額；C為單位時間的工作班數(shù)量；H為時間配額。

標準模塊進度計劃的生成。進度信息的制定可以通過Primavera P6項目管理軟件實現(xiàn)，并導(dǎo)出MPP、CSV等格式文件，用作導(dǎo)入Navisworks平臺。

4 非標準模塊的指標計算方法

4.1 非標準模塊的分類

根據(jù)所研究工程項目的施工分區(qū)分塊圖，可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的差異來區(qū)分標準模塊和非標準模塊。如果某個模塊在局部存在異形構(gòu)件，并且與標準模塊相比在施工工藝上存在差異，那么該模塊可以劃分為一種非標準模塊［9-11］。

4.2 非標準模塊的折算方法

非標準模塊指標計算方法可分為實體模型估算法、控制變量法，其中控制變量法也可直接根據(jù)施工圖紙進行估算。

4.2.1 實體模型估算法

此方法適用于非標準模塊與標準模塊相比差異不大的情況。在基于Revit 和Dynamo 軟件所建的標準模塊模型的基礎(chǔ)上，調(diào)整模型存在差異的部位，快速生成非標準模塊的模型，能較高效地得出非標模塊的各資源消耗指標。

4.2.2 控制變量法

控制變量法適用于各種情況下的非標準模塊指標計算。首先，分析非標準模塊與標準模塊相比，對各項指標影響的變量因素。需要區(qū)分不同情況下這些變量因素是針對整個模塊還是某個具體構(gòu)件的。然后，計算出標準模塊與非標準模塊的控制系數(shù)，通過以下公式計算可得到目標模塊的相關(guān)指標。

式中：ai為非標準模塊與標準模塊的控制系數(shù)；V1、V2分別為非標模塊和標準模塊的變量；C1、C2分別為標準模塊和非標準模塊的計算指標。

5 總結(jié)

經(jīng)過多個工程案例的實際應(yīng)用，證明了本研究提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)項目模塊的快速建模。通過根據(jù)標準模塊的造價和進度等指標，可以高效化地推導(dǎo)出類似模塊和非標準模塊的各類指標，包括人工消耗量指標、機械臺班消耗量指標、材料消耗量指標、空間指標、進度指標。尤其對于大型工程項目的管理工作，這種標準模塊化方法可以簡化流程并提高效率。通過使用Revit 軟件、廣聯(lián)達GTJ 圖形算量軟件和Dynamo 參數(shù)化軟件這三種方法來進行BIM 模型的建立，并解決樁、柱、梁、墻、承臺、樓板、門和窗等各類構(gòu)件的參數(shù)化建模和批量數(shù)據(jù)處理。在本研究基礎(chǔ)上，還可以進一步開展多模塊平行施工和單模塊多專業(yè)穿插流水施工的受限分析研究。通過將研究成果推廣到相似工程的管理工作中，能夠提前推算出較準確的項目總工期及各項指標，幫助決策者和管理者更好地實現(xiàn)項目建設(shè)的目標，并減少不必要的成本和風(fēng)險。