施工图设计阶段BIM模型的工程算量问题
施工图设计阶段BIM模型的工程算量问题发布时间：2016年04月06日 来源:建筑经济
摘要：研究显示从BIM应用于建筑工程算量的角度，建立工程算量模式评价标准；采用归类分析、实例验证及比较分析等方法，证明在施工图设计阶段合理使用BIM软件建模，可以直接、快速、精确地计算大多数工程计量项目的工程量。
引言BIM是建设项目物理和功能特性的数字表达，拥有庞大的资源数据库。根据BIM理念，包括造价咨询人员在内的项目团队成员共享一个BIM模型。若造价人员能直接利用BIM模型并自动提取工程量，则算量效率和质量都将比基于CAD或其他平台开发的算量软件有大幅度提升。关于利用BIM模型进行工程算量问题，业内大体有两种观点：一种观点认为可将BIM模型文件导出到外部算量软件，利用外部软件进行算量；另一种认为BIM模型可直接作为算量平台，实现自动化精确的工程算量。就实践而言，目前已有软件企业研发出数据接口，将BIM模型导出到现行的计量软件中进行工程算量，但其准确性和可靠性有待检验。亦有开发符合国内计量规则的BIM算量插件，但所涉构件范围较窄，仅限于混凝土结构构件。在BIM模型内直接进行工程算量的可能性问题，还没有得到相对全面的实证支持。本文预设的工程算量模式是设计人员将BIM模型深化到施工图设计阶段，工程造价人员利用BIM模型提取工程量。在此模式下，以《房屋建筑与装饰工程工程量计算规则》（GB50845-2013）为计量标准，采用归类分析、实例验证、比较分析等方法，证明合理使用BIM软件建模，可以直接、快速、精确地计算出大多数工程计量项目的工程量，并同步调整设计变更后的工程量，且无需借助外部软件进行工程算量。该算量模式在复杂形体工程算量中更具优势。本文采用具有代表性的BIM软件AutodeskRevit2015版（以下简称Revit）作为验证软件。因篇幅有限，选取相对机电和钢结构工程而言比较复杂的建筑和混凝土结构作为划分和测试对象。2 工程算量模式2.1工程算量模式评价标准评价工程算量模式的标准应包括建筑构件几何对象的计算能力、计算质量、计算效率以及附带几何对象属性能力等标准。由于现代工程设计存在很多不规则或复杂的几何形体，计算能力应体现在计算任意几何形体的能力。为了准确估算工程造价，还需要衡量工程算量的准确性和详细程度，在此将其定义为计算质量，例如在幕墙工程中，计算质量不仅体现在计算幕墙总体工程量上，还应同时统计出幕墙所用不同规格嵌板和框材数量，为准确估算幕墙价格提供基础。考虑到工程变更要求，工程量计算效率不但要考虑初次计算所消耗的时间，还应考虑工程变更调整工程量所耗费时间，这两部分相加的总时间就是效率指标。附带几何对象的属性能力反映能载有几何维度信息以外更多信息的能力，可以为工程造价管理提供更多有价值信息，例如通过设置阶段化（Phase）属性来定义项目建设进程，在后期发生变更时，造价人员可以此来确定变更后的调整工程量。而工程算量模式在相当程度上决定了上述算量指标的高低。2.2工程算量模式的特点目前，国内工程算量模式多是依据CAD平台开发的算量软件来实现。然而，不论是基于二维CAD或是基于三维CAD软件进行的工程算量，其共同前提都必须要重新建立模型。虽然这些软件都具有对CAD设计文件的识别能力，可以提高计算效率，但是识别预设了很多苛刻条件，若要符合工程计量规范的规定，则需经过很多人工调整。此外，由于设计文件与算量文件不能关联，任何设计上的变更都需要手工录入和调整，这显然会影响工程算量的质量和效率。另外，从目前基于CAD平台的算量软件应用情况来看，这些软件对不规则或复杂的几何形体计算能力比较弱，甚至无法计算（如对曲面形体只能采用近似计算方法）。相较于CAD算量软件，BIM型软件在工程述算量方面具有显著优势。BIM通过建立3D关联数据库，可以准确、快速计算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向对象的参数化建模方法，利用模型的参数化特点，在表单域（Field）设置所需条件对构件的工程信息进行筛选，并利用软件自带表单统计功能（Schedule）完成相关构件的工程量统计。而且，BIM模型能实现即时算量，即设计完成或修改，算量随之完成或修改。随着工程推进、项目参与者信息量的增加，最初的要求会发生调整和改变，工程变更必然发生，BIM模型算量的即时性大幅度减少变更算量的响应时间，提高工程算量效率。3 BIM模型内的工程算量建筑构造形式千差万别，难以用归纳法对每个具体项目进行验证。本文采用归类方法进行实例验证，即对造价划分的某一类项目做典型实例计算测试，据此推论此类项目的计算效果。在选择测试项目之前，需要先行建立BIM分类和造价分类的对应关系，这是因为，BIM的构件划分思路与国内现行施工图设计阶段的工程造价划分并不一致，前者是按建筑构造功能性单元划分，后者则以建筑施工工种或工作来划分项目，两种分类体系并非简单的一一对应关系，见图1。http://www.chinabim.com/upload/resources/image/2016/04/05/10977_500x500.jpg图1清单计价与Revit软件构件和项目分类对应关系3.1土石方工程利用BIM模型可以直接进行土石方工程算量。对于平整场地的工程量，可以根据模型中建筑物首层面积计算。挖土方量和回填土量按结构基础的体积、所占面积以及所处的层高进行工程算量。造价人员在表单属性中设定计算公式可提取所需工程量信息。例如，利用BIM模型计算某一建筑物中条形基础的挖基槽土方量，已知挖土深度为1.15m。按照国内工程计量规范中的计算方法，在BIM模型的表单属性中设置项目参数和计算公式，使用表单直接统计出建筑物挖基槽土方总量。3.2基础BIM自带表单功能可以自动统计出基础的工程量，也可以通过属性窗口获取任意位置的基础工程量。大多类型的基础都可按特定的基础族模板建模，若某些特殊基础没有特定的建模方式，可利用软件的基本工具（如梁、板、柱等）变通建模，但需改变这些构件的类别属性，以便与其源建筑类型的元素相区分，利于工程量的数据统计。3.3混凝土构件BIM软件能够精确计算混凝土梁、板、柱和墙的工程量且与国内工程计量规范基本一致。对单个混凝土构件，BIM能直接根据表单得出相应工程量。但对混凝土板和墙进行算量时，其预留孔洞所占体积均被扣除。当梁、板、柱发生交接时，国内计量规范规定三者的扣减优先序为柱＞梁＞板（“＞”表示优先于），即交接处工程量部分，优先计算柱工程量，其次为梁，最后为板工程量。使用BIM软件内修改工具中的连接（Join）命令，根据构件类型修正构件位置并通过连接优先序扣减实体交接处重复工程量，优先保留主构件的工程量，将次构件的统计参数修正为扣减后的精确数据，避免了构件工程量统计的虚增或减少。图2为一梁、板、柱交接处的节点图，使用连接命令设置后自动生成的梁、板、柱体积分别为：0.192m3、0.307m3、0.320m3，即实现了柱＞梁＞板的扣减顺序。http://www.chinabim.com/upload/resources/image/2016/04/05/10978_500x500.jpg图2某梁板柱交接处节点图及楼板工程量3.4混凝土模板混凝土模板虽然为非实体工程项目，但却是重要的计量项目。现行BIM并没有设置混凝土模板建模专用工具，采用一般建模工具虽然可建立模板模型，但需要耗费大量的时间，因此需要其它途径来提高模板建模效率。可以通过编程BIM软件插件解决快速建立模板模型问题，这样就可以在软件内自动提取模板工程量，达到像前述构件在BIM软件内一样的算量效果。3.5钢筋BIM结构设计软件提供了用于为混凝土柱、梁、墙、基础和结构楼板中的钢筋建模的工具，可以调入钢筋系统族或创建新的族来选择钢筋类型。计算钢筋质量所需要的长度都是按照考虑钢筋量度差值的精确长度。图3为部分构件内部钢筋布置图，这一部分的钢筋算量，不仅能计算出不同类型的钢筋总长度，还能通过设置分区（Partition）得出不同区域的钢筋工程量。3.6楼梯在BIM模型内，能直接计算出楼梯的实际踏步高度、深度和踏面数量，还能得出混凝土楼梯的体积。对于楼梯栏杆的算量，可以按照设计图示尺寸对栏杆族进行编辑，进而通过表单统计出栏杆长度。经测试，采用BIM内部增强性插件（BuildingbookExtension）来提取楼梯工程量，得到的数据及信息更符合实际需求。3.7墙体通过设置，BIM可以精确计算墙体面积和体积。墙体有多种建模方式。一种是在已知结构构件位置和尺寸的情况下，以墙体实际设计尺寸进行建模，将墙体与结构构件边界线对齐，但这种方式有悖常规建筑设计顺序，并且建模效率很低，出现误差的机率较大。另一种方式是直接将墙体设置到楼层建筑或结构标高处，如同结构构件“嵌入”到墙体内，这样可大幅度提升建模速度，见图4（左）。前者在实际建模中少见。后者需要通过设置才能计算墙体准确的工程量。可通过“连接”命令，实现墙体对这些构件工程量的扣减。图4（右）为墙体内部放置柱、梁构件的节点图，不做任何处理时，墙体的体积为1.160m³，将梁、柱与墙体通过连接命令进行设置后，墙体的体积变为0.653m³，为准确的墙体体积。
对于嵌入墙体的过梁，可通过共享的嵌入族（NestedFamily）的形式将其绑定在门、窗族上方，再将门、窗族载入项目并放置在相应墙体内，此时的墙体工程量就会自动扣除过梁体积，且过梁的体积也能单独计算出来。此外，若墙体在施工过程中发生改变，还可利用阶段（Phase）参数，得出工程变更后的墙体工程量，为施工阶段造价管理带来方便。将建立的模型设置不同阶段，若需删除某一部位的墙体，选中该墙体并在属性窗口中设置其拆除的阶段，如阶段3，因BIM自带表单功能与阶段化属性相关联，在表单中选择阶段3，此时统计的工程量不包含删除墙体的体积。3.8门窗工程从BIM模型中可以提取门窗工程量和其他门窗构件的附带信息，包括各种型号的门窗数量、尺寸规格、板框材面积、门窗所在墙体的厚度、楼层位置以及其它造价管理和估价所需信息（如供应商等）。此外还可以自动统计出门窗五金配件的数量等详细信息。以门上执手为例，在BIM模型中分别建立门和门执手两个族文件，将门执手以共享的嵌入族的方式加载到门族中，门执手即可以单独调取的族形式出现，利用软件自带的表单统计功能，就可得到门执手的相应数量及信息。3.9幕墙无论是对普通的平面幕墙还是曲面幕墙的工程量计算，BIM都达到了精确程度，并且还能自动统计出幕墙嵌板（Panel）和框材（Mullion）的数量。在BIM建模时，可以通过预置的幕墙系统族或通过自适应族（AdaptiveFamilies）与概念体量（ConceptualMassing）结合，创建出任意形状的幕墙。在概念体量建模环境下，创建幕墙结构的整体形状，可根据幕墙的单元类型使用自适应族创建不同单元板块族文件，每个单元板块都能通过其内置的参数自动驱动尺寸变化，软件能自动计算出单元板块的变化数值并调整其形状及小大。也可将体量与幕墙系统族结合，创建幕墙嵌板和框材。模型建立后，再利用表单统计功能自动计算出其相应工程量。3.10装饰工程同样，BIM模型也能自动计算出装饰部分的工程量。BIM有多种饰面构造和材料设置方法，可通过涂刷方式（Paint），或在楼板和墙体等系统族的核心层（Coreboundary）上直接添加饰面构造层，还可以单独建立饰面构造层。前两种方法计算的工程量不准确，如在楼板核心层上设置构造层，构造层的面积与结构楼板面积相同，显然没有扣除楼板上墙体所占的面积。为使装饰工程量计算接近实际施工，可用基于面（Facebased）的模板族单独建立饰面层，这种建模方法可以解决模型自身不能为梁、柱覆盖面层的问题，同时通过材料表单（Materialtakeoff）提取准确的工程量。对室内装饰工程量来说，将表单关键词（Schedulekey）与房间布置插件（RoombookExtension）配合使用，可以迅速准确出计算装饰工程量。其计算结果可导入到Excel中，便于造价人员使用。4 BIM工程算量优势及问题与独立建模的算量软件相比，BIM在工程算量评价标准中显示出很多优势，但暂时还存在一些问题。在上述验证的项目中，同时采用国内主流算量软件进行相同项目的计算，并对两者进行简单指标评分比较（表1）。综合对比分析，利用施工图设计阶段BIM模型进行工程算量的优势主要体现在：1）计算能力强，BIM模型提供了建筑物的实际存在信息，能够对复杂项目的设计进行优化，可以快速提取任意几何形体的相应数据；2）计算质量好，可实现构件的精确算量，并能统计构件子项的相关数据，有助于准确估算工程造价；3）计算效率高，设计者对BIM模型深化设计，造价人员直接进行算量，可实现设计与算量的同步，并且能自动更新并统计变更部分的工程量；4）BIM附带几何对象的属性能力强，如通过设置阶段或分区等属性进行施工图设计进度管理，可确定不同时段或区域的已完工程量，有利于工程造价管理。BIM模型在工程算量方面存在的问题主要是：需求问题、构建方法、算量规则不一。由于BIM软件面向众多有着不同需求的使用者，若要满足所有使用者需求，则会导致软件庞大、运行困难。BIM软件商提供的一般是通用的平台软件，使用者可根据自身的需求通过编程插件解决专用需求问题。类似前述混凝土模板建模和工程量计算就是需求问题而不是技术问题，已有专业人员通过编程解决了混凝土建模问题。构建模型方法问题则比较复杂，不能通过技术解决。典型问题如，建筑师可以使用贯通多层的墙体建立外墙，建模速度快，视觉效果和图纸要求都能满足要求。然而，这对统计墙体工程量和进行造价管理带来困难，造价人员无法直接利用模型分层统计不同强度等级的墙体或为合同管理需要楼层墙体工程量。这类问题是因建模者和模型使用者目标不一所致，可以通过项目管理制度安排解决。在掌握BIM技术的基础上，模型使用者向建模者提出建模要求，建模者按照要求建立模型。对于算量规则不一问题，由于几何形体在BIM软件属性中显示的是其自然数量，与手工计算工程量年代制定的工程量计算规则肯定会有所不同，后者考虑到手工计算量的繁琐，简化了计算规则，遵循“细编粗算”原则，如规则对面积较小的洞口做不扣除的规定，对门窗洞口侧边的抹灰梁等亦不增加。但是，如果让BIM适应既有规则，会有“削足适履”效果，使BIM的价值降低。而现在让规则完全适应BIM，显然也不现实。解决问题的对策是改进现有规则，让规则具有适应不同要求的灵活性。5 结语在建筑工程施工图设计阶段合理使用BIM软件建模，可以直接、快速、精确地计算大多数工程计量项目的工程量，且无需借助其他外部算量软件。随着BIM技术的应用和推广，其在工程造价方面的优势也在扩大。造价人员需要与时俱进地学习和掌握BIM技术。同时，为了更好地利用BIM模型信息，造价人员应参与委托设计工作，制定BIM建模要求。此外，BIM对既有的工程计价规则提出了挑战，为充分利用BIM带来的工程量计算优势，需要同步改进既有计量规则。参考文献曹祥军.BIM技术在工程造价算量软件中的应用.科技学院学报，2014，34（9）：25-26.汪茵，高平，等.BIM在工程前期造价管理中的应用研究.建筑经济，2014（8）：64-67.韩学才.BIM在工程造价管理中的应用分析.施工技术，2014，43（18）：97-99.林韩涵，周红波，等.基于BIM设计软件的工程量计算实现方法研究.建筑经济，2015（4）：59-62.王艳艳，任宏.基于构件的工程量清单计价控制研究.建筑经济，2013（1）：36-39RICS Research team.How can Building Information Modeling support the new rules of measurement .London：RICS，2014.（作者：张春影高平汪茵东北财经大学投资工程管理学院，郑吉庄刘丹凤大连零点融垣工程造价咨询有限公司）
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