基于BIM的工程量计算与计价方法

付 欢， 史健勇， 王 凯

(1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240；2. 上海现代建筑设计(集团)有限公司， 上海 200041)

实现建设工程项目成本目标的关键是进行工程价格预算和工程造价管理。我国目前的工程预算现状是，造价人员根据二维图纸进行测量、计算和统计，浪费人力和时间；此外，造价管理在工程建设的过程中不连续，只有投资估算、施工图预算、结算价等阶段性工程价格备受关注；同时，工程信息的共享与协同难以实现，工程项目各利益相关方对信息的种类和格式需求不同，相互之间缺少有效沟通和及时协同，导致工程变更时，工程造价的预算不能及时修改，积累导致工程结算价与预算的偏差，最终造成工程项目成本目标控制失败。

建筑信息模型[1](Building Information Modeling，BIM)是一种应用于工程项目协同管理的数据化工具。它将工程项目中各参与方需要和产生的信息参数作为基础进行建模，携带信息属性的模型在工程项目策划、建设、运营维护的全生命周期中进行共享、传递和更新。BIM具有参数化、可视化、模拟化、可输出等特点，可极大程度提高协同及工作效率，并且BIM在建设工程中应用的时间越早、周期越长，携带的信息量越完整，工程效益越大。

工业基础类平台规范标准(Industry Foundation Class，IFC)是国际化的开放BIM标准，其规定了概念数据架构以及建筑信息模型数据交换的文件格式[2]。IFC大纲[3]涵盖了工程项目建设全生命周期中各个相关方所需要的各种信息的描述方法和定义规范，IFC大纲描述的信息对象既可以是真实的，如结构柱、工程桩；也可以是抽象的，如施工关系和施工过程等。

国内外诸多学者研究了BIM技术在工程算量和造价中的应用。张建平等[4]提出基于BIM技术的4D工程造价实时管理理论；黄华[5]提出利用API创建工程信息在各BIM软件传递的桥梁。叶术娟[6]从BIM的原理出发，研究在工程各阶段中BIM技术计价的应用方式。马智亮等[7]研究了IFC标准对构件属性的表达模型以及其与工程量清单的结合应用。

本文对比BIM技术与传统计价模式在工程量算量标准和计价方式的差异，建立基于IFC标准的工程量和造价信息BIM表达模型。通过案例验证由BIM设计模型计算得到工程量信息，添加价格信息得到造价管理模型的可行性，使得设计阶段使用的BIM模型不需要反复建模或借助软件平台，而直接通过IFC标准贯穿设计、造价和施工全过程的造价管理；同时本文采用的计价模式为企业定额计价模式，相比工程量清单计价模式更加适合于BIM技术。

1 传统计价模式在BIM环境中的适用性

1.1 项目划分方式和算量方式的对比

定额计价模式按照《全国统一建筑工程预算工程量计算规则》[8]进行工程量计算时，得到的结果不都是工程量的净量。清单计价模式按照《建设工程工程量清单计价规范》[9]统计各清单项的工程实体几何量。BIM技术以三维实体方式进行建模，建模单元是工程构件，常用构件在类型库中储存和复用，构件属性在模型项目中添加，因此构件作为工程量算量的基本单元在BIM应用中尤为重要。

BIM模型计算得到的工程量是以三维模型为基础的几何尺寸，计算结果首先按照不同构件实例进行统计，统计结果再按照不同的属性进行归并，最终生成计价阶段所需的工程量归并表，按照不同层级进行归并的方式使得工程计价过程更加灵活。建设方采用BIM设计模型得到各类构件的全部工程量信息，施工单位套用企业定额时，可以根据需求归并不同类别的工程量，这种“量价分离”的方式比清单计价模式中的“量价分离”方式更加彻底，中间不需要通过编制工程量清单表格来统一建设方和施工方的计价标准。

在进行工程量计算和造价计算时，不同工程阶段对于建模细度的要求不同，因此本文将BIM模型中的构件分成三类：建筑设计主体工程、细部工程和临时工程，每类工程中的构件类型如表1所示。

表1 BIM工程分类

主体工程构件的工程量可以在BIM模型中通过直接读取构件的几何信息得到。细部工程构件的工程量统计，是通过构件与其附属对象进行属性关联，将其并入到附属对象的类别中考虑，比如墙体保温层的工程量用外墙的表面积统计。表2以装饰抹灰和构造柱为例，给出了三种模式对于不同类型建筑细部及附属工程量的计算方式的对比。而对于建筑施工临时措施，例如脚手架，可以在设计模型中用实体构件临时表示，也可以通过关联墙构件的几何信息计算工程量；模板的价格信息可以关联到现浇混凝土构件的表面积属性中进行计算。

1.2 非直接费等费用取价规则的对比

在定额计价模式中，间接费(规费和企业管理费)、利润和税金均由某个取费基数与政府规定的费率进行计算。在清单计价模式中，工程项目的利润、管理费、风险费和人工费、材料费、机械费一同并入项目的综合单价中考虑，充分体现了企业管理水平对工程费用的影响；规费和税费由直接费乘以相关费率得到，其中取费的费率也由国家和政府来制定。BIM技术不能完全确定税费，但为了体现人文关怀和环保意识，本文提倡将规费作为企业定额的一部分，由政府监管而非规定来约束企业对规费取值的合理性，将工程排污费、社会保障费、住房公积金、危险作业和意外保险作为企业竞争的因素之一。

2 IFC标准对工程量价信息的表达与企业定额编制

2.1 IFC标准对工程信息的表达方式

本文构建了基于BIM技术的工程成本预算及进度管理信息需求模型，其表达方式如图1所示。图1表明基于BIM技术的建筑工程成本预算及进度管理信息需求模型的建立需要借助统一的标准对建筑产品信息、构件信息、工程量信息、资源信息、综合单价信息、进度信息和企业定额进行关联。相关学者曾经研究过IFC表达形式[10]及基于工程量清单的BIM框架IFC表达形式[11, 12]，本文在此类研究的基础上，提出基于企业自主定额的工程量与造价的IFC表达形式。

图1 基于BIM技术的建筑工程成本预算及进度管理信息需求模型

在BIM模型中对构件的工程量进行统计，依赖于构件属性的添加和关联。在IFC的表达中，通过关系对象IfcRelDefinesByProperties将构件与构件的几何属性进行关联。与工程量相关的构件几何信息存储在构件的物理量属性IfcPhysicalQuantity的属性集中，用于描述构件的长度、体积、面积等，图2展示了在IFC文件中几何信息的存储模式，图2中#20102是某个梁构件的IFC语句，#20143，#20144，#20145是描述梁构件体积、长度和面积的属性信息。

图2 IFC对工程量表达的文本文件

工程价格和进度信息在IFC中也是通过关系对象与构件关联。成本值由IfcCostValue通过IfcAppliedValueRelationship关系定义到成本项IfcCostItem中，再通过IfcRelAssociates与构件关联。而施工过程根据工种分为不同工序，IFC中用IfcTask表达具体工序，一系列存在先后的施工工序在IFC中通过IfcRelSequence进行排列，再通过IfcRelAssignsTasks与构件对应。

基于BIM的建筑工程成本预算及进度管理的信息需求模型的完整IFC表达如图3。

2.2 BIM环境下企业自主定额模式研究

如上文所述，由BIM模型得到的工程量是基于构件的几何属性值，因此新的企业定额中的单价信息需要与工程量进行统一，必须满足一定的计算规则和格式。这里的BIM企业定额相当于独立于模型属性库的一个外部数据库。不同工程阶段对价格统计要求的精度不同，为了便于物料分析，企业定额应按照人工、材料、机械、管理费、利润、规费和风险费等不同费用类型进行分类，如表3[8]中的综合单价2；同时，不同施工工序所消耗的资源情况不同，分类统计成综合单价1，综合单价1在不同费用类型上的加合即为综合单价2。当不同构件的施工过程中需要同一种施工工序时，可以通过不同的编码与工程构件进行关联。最终，企业定额将构件人工费、构件材料费、构件机械费等费用类别进行统计，可生成构件的综合单价。企业定额的工程量计算方法采用了传统定额中的实体量计算，其同时采纳了清单模式中综合单价的分类方式，这种基于构件计算量价的方法充分发挥了BIM的优势。

图3 建筑工程成本预算信息需求模型及进度管理信息需求模型的完整IFC表达

表3 BIM企业定额模式(以异形柱的人工费为例)

在BIM造价应用推广初期，施工企业的企业定额是一个不断完善的过程。每个实际施工案例的预算和实际成本的差价，反馈到企业定额中，都将作为企业定额修改的依据。在BIM造价应用的后期阶段，企业定额相对稳定，施工企业将通过发展新的施工技术、增强管理和减少排污来提高市场综合竞争能力。

3 基于BIM的工程量计算和计价案例分析

3.1 BIM设计模型生成

本文选取上海某高层住宅作为案例，演示了从设计到施工管理过程中的BIM量价模型的应用情况。建模软件采用Revit Architecture 2015，相应的IFC文件通过Revit导出获得。

建模过程中，构件的几何属性将被自动录入在Revit模型中的类型属性表中，表中的数据也可以手动添加或修改标识名称。以案例中的一个常规墙构件为例，其几何属性显示在类型属性表中如图4所示。将BIM模型输出成IFC格式的文件，在IFC的查看器中查看到该墙构件的几何属性如图5所示。

图4 Revit中某常规墙几何属性

图5 IFC文件中某常规墙几何属性

由图4和图5对比可知，将Revit模型导出成IFC文件的格式后，构件的几何属性不改变并且不丢失。

完成BIM设计模型的建模，通过自主编程从IFC文件中读取工程量信息，并将工程量结果输出成Excel表格，墙构件输出的结果部分如表4所示。

表4 编程输出的墙工程量表局部

3.2 BIM造价模型生成

BIM造价模型的生成依赖于企业自主定额数据库，企业定额可以显示企业的施工技术和市场竞争力，属于施工单位的机密性文件，除审计阶段外不需要将定额表的具体内容公开。建设方或咨询方将BIM设计模型、工程量输出表及相关说明提供给施工方，施工方利用企业定额库中的构件资源、单价与构件工程量表格编码对应进行计算。本案例通过自主编程计算构件的价格输出表，墙构件造价如表5所示。基于构件单元计算得到的

价格可以按照楼层、工序及其他方式进行归并，得到能够用于不同计价阶段所需要的结果，按照楼层的输出结果局部如表6所示。

为了将价格信息返回到模型中， 先采用自主开发的程序在IFC文件中添加价格计算结果。例如将表5中每面墙的人工费、材料费、机械费和总价信息，用C#语言编写程序，通过构件的IFC代码匹配到图2所示的IFC语句中，得到携带价格信息的模型如图6所示。

表5 墙构件价格输出表(部分) 元

图6 IFC文件中构件的造价属性

再将IFC文件读入到BIM设计模型中，得到基于设计模型的BIM造价模型。由于Revit软件直接读取IFC格式文件时会丢失价格信息，本案例通过二次开发的插件将IFC构件价格信息添加到Revit模型中，得到可以在Revit中显示的BIM造价模型，如图7。随着BIM软件对IFC支持程度的不断提高，直接获取IFC中的量价信息将逐步实现。

3.3 BIM造价管理模型的生成

将按楼层或者施工工序输出的价格信息匹配到构件中，对施工的流程进行价格控制。这个过程需要BIM的施工模拟软件配合实现，案例中选择Autodesk公司的Navisworks软件进行施工模拟。案例将工程段划分成一个楼层，实际的模拟情况应该根据造价管理要求的精度来划分施工段。案例中简化每个楼层构件的施工工序为支模版、扎钢筋和浇注混凝土。在Navisworks软件中导入包含价格信息的Excel施工进度表，生成施工进度甘特图(图8)。在BIM模拟软件中得到的构件-施工工序-价格相互关联的模型，即为BIM造价管理模型。

图7 BIM造价模型中构件的造价属性(以12层某面墙为例)/mm

图8 施工进度甘特图

在应用BIM施工模拟进行造价控制时，工程前期进度和预算与实际情况对比，可作为后续进度、价格调整的依据；当施工段的进度和价格趋于稳定后，将施工工序的划分范围扩大，以节省在进度和成本控制中投入的时间。施工造价控制模型不但可以用于某个工程，并且能够将工程的信息记录在企业定额表中，对后续的工程起到指导性的意义。

4 结论与展望

4.1 成果与结论

本文的主要成果和结论如下：

(1)对现行传统的定额和工程量清单两种计价模式进行了对比分析，提出了BIM环境下的工程算量、计价方法的新思路。

(2)通过采用国际通用标准IFC的量价表达模式，得到基于IFC的BIM工程量价计算框架结构体系及其属性信息表达方式。

(3)通过案例研究，演示基于BIM的建筑工程量算量、计价和管理模型及其实施路径的实现过程，验证思路的可行性。

4.2 后续研究展望

(1)对钢筋构件的考虑

本文考虑的工程构件实体工程量中没有包含对钢筋混凝土构件中钢筋的实体计算。相关学者曾尝试将BIM设计模型导入到SAP 2000等国内常用结构分析软件中[13,14]，进行分析并返回结果。但是这种方法的实现有一定的难度，可以作为后续研究的一个方向。

(2)对施工工序的统一编码

文中提及将施工工序和构件进行编码，并在企业定额中设置了编号，但由于每个企业的施工工序可能千差万别，因此该编码很难由政府进行统一。因此，研究BIM构件、施工工序和其他相关描述的编码体系有待深化。

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