随着我国经济发展进入新常态, 建筑业也飞速发展、逐渐趋向稳步增长, 运用传统的工程管理技术已经很难适应当前信息化时代步伐。为满足经济新常态下施工企业发展需求, 进一步挖掘利润增长点, 运用BIM等先进技术提高成本控制水平是当前施工企业的重要课题。陈谦等^[1]根据建筑工程项目特点, 论述了BIM模型的应用对成本、进度管理水平及生产效率的影响程度。张连营等^[2]从理论层面上提出了基于BIM技术的建筑工程项目进度——成本协同管理模型的整体实施方案。张谦等^[3]针对建设项目成本数据的精确性以及成本管理的复杂性, 初步提出基于BIM技术的建设项目成本管理系统方案。BIM技术在工程项目管理中能够对各种信息集合汇总;在成本控制中实现对项目成本的严格把控, 对目标成本的确定起到指导作用。本文将BIM技术引入建设项目施工成本控制中, 初步构建基于BIM技术的成本控制体系, 以某市文化馆为例, 通过建立5D BIM模型, 设计成本监控、成本预警及成本预测的系统功能, 分析BIM模型在施工阶段成本控制的应用及成效。

BIM技术通过收集建筑工程的各种信息数据, 作为建立三维立体模型的根本, 结合计算机建模软件完成建筑模型的设计, 模型中的每个构件都具有各自的真实信息。具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性5大特点。

BIM技术应用:①三维几何建模 主要用于建立三维立体几何建筑模型, 尽可能地将模型构建的与实际构件相同或相似, 并作为以后BIM工作的基础。②虚拟施工 BIM技术虚拟施工在建立三维立体模型后, 首先设定一定的时间参数, 然后把建筑物在建造过程中的情形以动态方式反映出来, 可视化特点对于建设工程施工研究应用的前瞻性十分有利。BIM技术在应用的覆盖层面十分广泛, 对建设工程进行施工模拟需要多个程序配合使用, 各种信息相互连接。其中, Revit建模软件便是经常运用的BIM软件平台。③施工控制 利用BIM技术不仅能够实现对整个建筑施工的控制, 而且能在某一特定工程的施工阶段对某一施工节点较为准确地模拟现场施工情况, 从而实现建设工程的施工控制。④造价管理 BIM技术在造价管理中应用的主要内容是预算, 根据已完成的BIM模型, 所有材料构件信息均可获得, 对施工组织及工作安排可以随时展现, 建模过程中的清单量用于自动化算量, 准确率及速度均有较大幅度提升, 在BIM基础上创建的预算模型对造价预算的指导及辅助作用十分明显。⑤信息化平台 BIM技术为建筑工程信息集成处理提供了平台, 对传统项目工程工作模式提出了挑战, 对建筑工程信息化进展做出了贡献。

通过使用BIM技术能够容易地实现时间维度和工序维度的多算对比。将完成的BIM模型与时间维度结合起来, 给定每个构件具体时间信息, 就能够对比分析在某个时间段内发生的实际成本及计划成本, 直观地显示出该项目在本阶段的盈亏情况, 易于采取相应措施进行成本控制^[4]。将BIM模型与项目进度计划结合, 通过对某一特定工作做出的成本对比, 能够对该工作的成本运行情况及时做出反应, 采取相应措施进行处理, 以此实现建设工程成本的精细化管理^[5]。同时在建模过程中, 尽量将各维度信息多做对比, 找出共性特征, 将具有代表性的成本数据以单元样板形式保存, 并为企业在未来项目施工定额的成本控制中提供依据, 加强重复利用的实用性。

在现场施工过程中, 利用BIM技术精确的自动化算量功能, 能够方便快捷地统计每个阶段的工程量, 从而更加合理准确地分配资源, 对工作段上各种要素安排计划进行审核, 避免不必要浪费;项目施工时经常发生设计变更现象, BIM技术参数化特性可以及时调整WBS任务分工, 对进度安排进行重新调整制定, 同时对资源消耗计划进行相应变动, 避免机械的非正常工作时间以及材料浪费;通过BIM三维立体模型的构建, 关联进度及成本, 容易准确统计各部件的消耗、每个工作资源的耗费以及每个区域资源的布置, 并且资源消耗过程可以随时监控, 便于准确快速地补充资源缺乏区域。

在施工准备阶段要进行施工方案设计, 在工程项目施工过程中, 应逐次对施工方案进行优化。通过BIM技术三维建模, 可对工程项目进行虚拟施工, 通过虚拟手段建立模型, 解决可能在施工过程中出现的各种问题, 提前决策和预防, 尽量减少返工、碰撞、超支, 从而做到工程项目成本控制。施工现场安全是工程项目建设的重中之重。在正式施工前, 通过三维建模对存在危险及安全隐患的地方进行改正和标记, 在实际施工时做好防护, 同时利用三维模型对工人进行指导教育。另外, 可以依据模型对施工现场的安全系统及防护措施做出改进和优化。

进行BIM三维建模后, 要多次对模型进行施工过程的模拟分析。对施工项目造价进行分析, 对材料库存进行清零生产, 严格把控施工材料的领取, 争取达到最优的材料使用, 获得最大效益;将工序信息关联后, 分析工序特点, 将BIM模型建立到5D阶段, 集成成本信息, 并进行成本监控、成本预警及成本预测;对资源使用情况进行模拟分析, 合理优化资金的使用计划, 对于在项目前期设定一个合理的成本目标值十分有利^[6], 同样能够更合理地对成本进行控制。

基于BIM技术的施工项目成本控制体系在建立时通过三维建模关联进度信息和成本信息以后, 形成5D BIM模型, 生成底层数据库。然后通过模型的数据支撑, 实现系统模型的功能部分:成本监控、成本预警及成本预测。再结合某市文化馆项目的实际情况, 利用挣值法分析成本控制的具体情况。

在进行模型构建时, 通常的等式关系是5D=3D实体+时间 (time) +成本 (cost) 。本质上3D模型是5D模型建立的基础, 主要区别是后者赋予每个图元更多的信息, 关联了时间和成本2个维度。在实际构建时, 3D模型是构建5D模型必不可少的部分, 如果建立5D模型前已有构建完成的3D实体模型, 并不需要重复建模, 可以在此模型基础上继续完成进度信息与成本信息关联, 即可完成5D模型构建。

构建5D模型一般有2种不同的设计方案:①在软件中直接进行设计, 每个构件的尺寸、空间及材料信息直接输入, 形成三维立体模型。在建立过程中对进度和成本信息进行关联, 以此完成的5D模型在前期建立时能够避免很多可能存在的人为失误, 是较常用的建模方式。②在获得项目的二维图纸后, 将其导入到BIM软件中, 然后对项目构件添加空间信息等, 形成初步3D实体模型, 获取进度及成本信息后, 在3D模型上将其关联, 最终形成5D BIM模型。这种方法较为繁琐, 在建立过程中难以避免一些人为失误。

某市文化馆项目, 地上主体结构为剧场与主楼文化馆, 其中剧场为框架结构, 主楼文化馆为框架-剪力墙结构。剧场地下1层, 地上4层, 室内外高差0.150m。地下1层层高4.420m, 地上首层层高5.800m, 2, 3层层高3.900m, 4层层高4.030m, 结构总高度为17.650m。主楼文化馆地下1层, 地上9层, 室内外高差0.150m。地下1层层高4.420m, 地上1, 2层层高5.100m, 3～7层层高4.800m, 8, 9层层高4.200m, 结构总高度为39.750m, 建筑物总高度为45.950m。该文化馆采用第2种建模方式, 建立完成的3D模型如图1所示。

对完成的3D模型进行成本与信息关联是实现5D BIM的关键, 通常这项工作由WBS工作进行逐级分解实现, WBS总是处于计划过程的中心, 也是制定进度计划、资源需求、成本预算、风险管理计划和采购计划等的重要基础。WBS分解到底层单元时, 各工作的进展情况也能够随之得到, 以此达到进度信息与成本信息的关联。比较常用的是工程量清单计价模式, 应用到文化馆项目中, 通过工程量清单计价完成WBS工作分解, 由此建立准确的进度信息与成本信息关联, 最终实现5D的建立。

在进度关联图中, 能够直观地了解施工过程中各项工序的建造情况, 各工序的任务状态、前置任务、计划开始与计划结束时间、实际开始与实际结束时间等都能直接获取, 通过进度施工模拟能够对某一特定工序的实际施工过程进行研究, 便于分析该工序在整体进度安排中的实际情况, 方便做出相应调整^[7]。

将完整的施工进度计划关联后, 形成的完整进度关联模型便可用于分析整体进度安排是否合理。完整的施工模拟能够将项目从开始到结束的整个过程形象地表现出来, 发现设计方案中的不合理之处, 需要改进的地方做出修改, 完整的进度关联如图2所示。

进度信息和成本信息关联后, 各分部分项工程的清单量与计价费用都在软件中编制, 对项目进行单体汇总, 自动匹配到模型中, 完成数据导入工作。

5D BIM模型可以反映项目建设过程中的成本信息, 项目的建设计划成本与实际成本走势可以直观地在模型中显示, 便于直接进行分析对比, 成本差值同样能够在图中展示, 需要调整的部分一目了然, 成本关联如图3所示。

通过三维模型建立最终的5D BIM模型, 需要在其本身基础上辅助以时间维度和成本维度, 这往往是完成本项工作的障碍。只有将各工作进行分解联系, 最终将进度和成本的相关信息融合到三维模型中完成5D BIM模型的建立。

建立三维模型后, 必须设置相应的施工数据, 对模型中每个构件、每个单元都赋予相应的信息, 在Revit软件中实现数据搭接, 重点是对施工数据的精确收集及准确录入, 这是一个相对耗费时间和精力的过程^[8]。 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, 利用模型参数化特点, 在表单域设置所需条件, 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完成相关构件的工程量统计。通过运用导入工程量清单计价模式, 及时有效地变更调整模型的计价信息。模型具备空间等信息后, 在进度计划中设置既定的工程项目具体起止时间及各工作的时间信息, 成本费用下工程量清单与综合单价等信息, 每个构件便拥有了自身的特定意义, 相互结合对三维模型完成“升级”, 形成5D BIM模型, 如图4所示。

5D BIM模型建立后对系统功能模块进行设计, 结合传统成本控制中的挣得值分析法进行计算分析, 对模型的应用起到了较大作用。通过5D BIM模型能够获得很多需要的数据, 建设前期可通过模型读取计划工作预算费用 (BCWS) 并对项目成本进行预算, 获取过程十分容易, 模型也更加形象直观;随着项目各项工作的开展, 在项目建设中期各工作的实际费用可通过统计实际数字得到已完工作实际费用 (ACWP) , 通过计算便能得到已完工作预算费用 (BCWP) 。几个数据相比较, 可以得到成本偏差 (CV) 、进度偏差 (SV) 、进度绩效指标 (SPI) 、成本绩效指标 (CPI) 等指标, 用于分析项目的进度快慢及成本偏差等, 对产生的偏差进行系统分析, 根据分析结果采用相应的措施进行纠偏。通过对模型的研究及获取数据的分析, 计算相应的指标数据, 系统功能模块设计即可完成, 即实现广联达BIM 5D软件以下系统功能:成本监控、成本预警及成本预测。

4.1 成本监控

1) 计算基本参数

通过对5D BIM模型的研究查询, 结合挣得值分析法需要, 计算获得用于分析进度及成本情况的基本数据:BCWP, ACWP, BCWS。如2017年4月BCWP=349.672 9万元, ACWP=360.521 2万元, BCWS=321.917 2万元。

2) 计算评价指标

根据获取到的数据, 对工程项目进行进一步分析对比, 通过挣得值的3个基本参数计算4个评价指标:CV, SV, CPI, SPI。

根据成本分析曲线, CV=BCWP-ACWP=-10.848 3万元, SV=BCWP-BCWS=27.755 7万元, $C{\rm P}{\rm I}=\frac{BCW{\rm P}}{ACW{\rm P}}=$0.97, $S{\rm P}{\rm I}=\frac{BCW{\rm P}}{BCWS}=$1.09。

3) 分析数据

比较挣得值分析法基本参数之间的关系或评价指标的大小, 从而确定各项工作的费用是否超支或节支, 进度是否提前或延误, 并有针对性地采取应对措施 (见表1) 。

4.2 成本预警

通过挣得值分析指标得到的成本偏差能够对工程项目进行过程中成本的发展趋势进行严格监控, 明确成本偏差出现的时间及时关注。由于成本偏差是客观存在的, 判断成本偏差在达到何种临界值时需要做出调整。仅依靠成本监控功能显然是无法满足的, 这就需要建立一个能够将成本偏差量化的指标进行判断, 以此来分析当成本偏差出现时, 作为成本管理人员是否需要及时做出调整, 做出何种调整。

通过挣得值法继续分析, 建立工程项目的成本预警功能, 以便及时提醒成本管理人员做出反应。在该功能实现过程中, 将CPI值划分为5个等级, 相应的偏差值由高到低设置为:高偏差、较高偏差、中度偏差、较低偏差和低偏差, 每个偏差等级都对应各自颜色的预警信号, 以便在发生偏差时能够一目了然地对偏差等级做出划分, 建设项目成本偏差预警区间如表2所示。

根据计算得出CPI=0.97, 可知项目成本预警级别为低偏差, 预警信号为绿色。

4.3 成本预测

当工程项目成本偏差值达到设定值时, 成本绩效指标也就达到了某个预警区间, 作为管理人员在发现这种情况后应及时采取措施进行纠偏, 同时, 还要根据收集的数据对成本发展趋势做出分析及预测, 以便对项目资源分配及资金使用起到积极的指导作用。

采用挣得值法对成本、进度进行偏差分析, 根据分析结果找出造成偏差的因素, 对因素进行影响程度计算的同时能够对项目成本的趋势进行预测, 预测项目结束时的进度、成本情况。BAC为项目完工预算, EAC为预测的项目完工估算, ACV为预测项目完工时的费用偏差, 三者之间存在以下等式关系:

$ACV=BAC-EAC(1)$

通过对项目完工时的成本预测, 能够更好地安排资源及资金, 做出合理的资源分配方案和资金计划, 有利于进行项目的成本控制。

图5所示为成本预测曲线, 可以看出在第10周检查时, 成本偏差出现预警, 应当及时找到导致成本偏差的原因。为防止成本偏差继续扩大, 需要及时做出调整, 提高工作效率, 减少工期成本。

本文将BIM技术引入到建设工程的成本控制中, 着重研究其在施工阶段的应用, 结合某市文化馆项目的工程实例, 构建基于BIM技术的施工成本控制系统模型, 从成本监控、成本预警及成本预测3个功能部分设计系统功能模型, 为BIM技术在成本控制中的应用提供参考。