在建筑工程施工圖設(shè)計階段合理使用BIM軟件建模，可以直接、快速、精確地計算大多數(shù)工程計量項(xiàng)目的工程量，且無需借助其他外部算量軟件。隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣，其在工程造價方面的優(yōu)勢也在擴(kuò)大。造價人員需要與時俱進(jìn)地學(xué)習(xí)和掌握BIM技術(shù)。同時，為了更好地利用BIM模型信息，造價人員應(yīng)參與委托設(shè)計工作，制定BIM建模要求。
摘要：研究顯示從BIM應(yīng)用于建筑工程算量的角度，建立工程算量模式評價標(biāo)準(zhǔn)；采用歸類分析、實(shí)例驗(yàn)證及比較分析等方法，證明在施工圖設(shè)計階段合理使用BIM軟件建模，可以直接、快速、精確地計算大多數(shù)工程計量項(xiàng)目的工程量。
1 引言
BIM是建設(shè)項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，擁有龐大的資源數(shù)據(jù)庫。根據(jù)BIM理念，包括造價咨詢?nèi)藛T在內(nèi)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員共享一個BIM模型。若造價人員能直接利用BIM模型并自動提取工程量，則算量效率和質(zhì)量都將比基于CAD或其他平臺開發(fā)的算量軟件有大幅度提升。關(guān)于利用BIM模型進(jìn)行工程算量問題，業(yè)內(nèi)大體有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為可將BIM模型文件導(dǎo)出到外部算量軟件，利用外部軟件進(jìn)行算量；另一種認(rèn)為BIM模型可直接作為算量平臺，實(shí)現(xiàn)自動化精確的工程算量。
就實(shí)踐而言，目前已有軟件企業(yè)研發(fā)出數(shù)據(jù)接口，將BIM模型導(dǎo)出到現(xiàn)行的計量軟件中進(jìn)行工程算量，但其準(zhǔn)確性和可靠性有待檢驗(yàn)。亦有開發(fā)符合國內(nèi)計量規(guī)則的BIM算量插件，但所涉構(gòu)件范圍較窄，僅限于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在BIM模型內(nèi)直接進(jìn)行工程算量的可能性問題，還沒有得到相對全面的實(shí)證支持。
本文預(yù)設(shè)的工程算量模式是設(shè)計人員將BIM模型深化到施工圖設(shè)計階段，工程造價人員利用BIM模型提取工程量。在此模式下，以《房屋建筑與裝飾工程工程量計算規(guī)則》（GB50845-2013）為計量標(biāo)準(zhǔn)，采用歸類分析、實(shí)例驗(yàn)證、比較分析等方法，證明合理使用BIM軟件建模，可以直接、快速、精確地計算出大多數(shù)工程計量項(xiàng)目的工程量，并同步調(diào)整設(shè)計變更后的工程量，且無需借助外部軟件進(jìn)行工程算量。該算量模式在復(fù)雜形體工程算量中更具優(yōu)勢。本文采用具有代表性的BIM軟件AutodeskRevit2015版（以下簡稱Revit）作為驗(yàn)證軟件。因篇幅有限，選取相對機(jī)電和鋼結(jié)構(gòu)工程而言比較復(fù)雜的建筑和混凝土結(jié)構(gòu)作為劃分和測試對象。
2 工程算量模式
2.1工程算量模式評價標(biāo)準(zhǔn)
評價工程算量模式的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括建筑構(gòu)件幾何對象的計算能力、計算質(zhì)量、計算效率以及附帶幾何對象屬性能力等標(biāo)準(zhǔn)。由于現(xiàn)代工程設(shè)計存在很多不規(guī)則或復(fù)雜的幾何形體，計算能力應(yīng)體現(xiàn)在計算任意幾何形體的能力。為了準(zhǔn)確估算工程造價，還需要衡量工程算量的準(zhǔn)確性和詳細(xì)程度，在此將其定義為計算質(zhì)量，例如在幕墻工程中，計算質(zhì)量不僅體現(xiàn)在計算幕墻總體工程量上，還應(yīng)同時統(tǒng)計出幕墻所用不同規(guī)格嵌板和框材數(shù)量，為準(zhǔn)確估算幕墻價格提供基礎(chǔ)。
考慮到工程變更要求，工程量計算效率不但要考慮初次計算所消耗的時間，還應(yīng)考慮工程變更調(diào)整工程量所耗費(fèi)時間，這兩部分相加的總時間就是效率指標(biāo)。附帶幾何對象的屬性能力反映能載有幾何維度信息以外更多信息的能力，可以為工程造價管理提供更多有價值信息，例如通過設(shè)置階段化（Phase）屬性來定義項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)程，在后期發(fā)生變更時，造價人員可以此來確定變更后的調(diào)整工程量。而工程算量模式在相當(dāng)程度上決定了上述算量指標(biāo)的高低。
2.2工程算量模式的特點(diǎn)
目前，國內(nèi)工程算量模式多是依據(jù)CAD平臺開發(fā)的算量軟件來實(shí)現(xiàn)。然而，不論是基于二維CAD或是基于三維CAD軟件進(jìn)行的工程算量，其共同前提都必須要重新建立模型。雖然這些軟件都具有對CAD設(shè)計文件的識別能力，可以提高計算效率，但是識別預(yù)設(shè)了很多苛刻條件，若要符合工程計量規(guī)范的規(guī)定，則需經(jīng)過很多人工調(diào)整。此外，由于設(shè)計文件與算量文件不能關(guān)聯(lián)，任何設(shè)計上的變更都需要手工錄入和調(diào)整，這顯然會影響工程算量的質(zhì)量和效率。另外，從目前基于CAD平臺的算量軟件應(yīng)用情況來看，這些軟件對不規(guī)則或復(fù)雜的幾何形體計算能力比較弱，甚至無法計算（如對曲面形體只能采用近似計算方法）。
相較于CAD算量軟件，BIM型軟件在工程述算量方面具有顯著優(yōu)勢。BIM通過建立3D關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，可以準(zhǔn)確、快速計算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向?qū)ο蟮膮?shù)化建模方法，利用模型的參數(shù)化特點(diǎn)，在表單域（Field）設(shè)置所需條件對構(gòu)件的工程信息進(jìn)行篩選，并利用軟件自帶表單統(tǒng)計功能（Schedule）完成相關(guān)構(gòu)件的工程量統(tǒng)計。而且，BIM模型能實(shí)現(xiàn)即時算量，即設(shè)計完成或修改，算量隨之完成或修改。隨著工程推進(jìn)、項(xiàng)目參與者信息量的增加，最初的要求會發(fā)生調(diào)整和改變，工程變更必然發(fā)生，BIM模型算量的即時性大幅度減少變更算量的響應(yīng)時間，提高工程算量效率。
3 BIM模型內(nèi)的工程算量
建筑構(gòu)造形式千差萬別，難以用歸納法對每個具體項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用歸類方法進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，即對造價劃分的某一類項(xiàng)目做典型實(shí)例計算測試，據(jù)此推論此類項(xiàng)目的計算效果。在選擇測試項(xiàng)目之前，需要先行建立BIM分類和造價分類的對應(yīng)關(guān)系，這是因?yàn)�，BIM的構(gòu)件劃分思路與國內(nèi)現(xiàn)行施工圖設(shè)計階段的工程造價劃分并不一致，前者是按建筑構(gòu)造功能性單元劃分，后者則以建筑施工工種或工作來劃分項(xiàng)目，兩種分類體系并非簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，見圖1。
圖1清單計價與Revit軟件構(gòu)件和項(xiàng)目分類對應(yīng)關(guān)系
3.1土石方工程
利用BIM模型可以直接進(jìn)行土石方工程算量。對于平整場地的工程量，可以根據(jù)模型中建筑物首層面積計算。挖土方量和回填土量按結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的體積、所占面積以及所處的層高進(jìn)行工程算量。造價人員在表單屬性中設(shè)定計算公式可提取所需工程量信息。例如，利用BIM模型計算某一建筑物中條形基礎(chǔ)的挖基槽土方量，已知挖土深度為1.15m。按照國內(nèi)工程計量規(guī)范中的計算方法，在BIM模型的表單屬性中設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)和計算公式，使用表單直接統(tǒng)計出建筑物挖基槽土方總量。
3.2基礎(chǔ)
BIM自帶表單功能可以自動統(tǒng)計出基礎(chǔ)的工程量，也可以通過屬性窗口獲取任意位置的基礎(chǔ)工程量。大多類型的基礎(chǔ)都可按特定的基礎(chǔ)族模板建模，若某些特殊基礎(chǔ)沒有特定的建模方式，可利用軟件的基本工具（如梁、板、柱等）變通建模，但需改變這些構(gòu)件的類別屬性，以便與其源建筑類型的元素相區(qū)分，利于工程量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。
3.3混凝土構(gòu)件
BIM軟件能夠精確計算混凝土梁、板、柱和墻的工程量且與國內(nèi)工程計量規(guī)范基本一致。對單個混凝土構(gòu)件，BIM能直接根據(jù)表單得出相應(yīng)工程量。但對混凝土板和墻進(jìn)行算量時，其預(yù)留孔洞所占體積均被扣除。當(dāng)梁、板、柱發(fā)生交接時，國內(nèi)計量規(guī)范規(guī)定三者的扣減優(yōu)先序?yàn)橹玖海景澹?ldquo;＞”表示優(yōu)先于），即交接處工程量部分，優(yōu)先計算柱工程量，其次為梁，最后為板工程量。使用BIM軟件內(nèi)修改工具中的連接（Join）命令，根據(jù)構(gòu)件類型修正構(gòu)件位置并通過連接優(yōu)先序扣減實(shí)體交接處重復(fù)工程量，優(yōu)先保留主構(gòu)件的工程量，將次構(gòu)件的統(tǒng)計參數(shù)修正為扣減后的精確數(shù)據(jù)，避免了構(gòu)件工程量統(tǒng)計的虛增或減少。圖2為一梁、板、柱交接處的節(jié)點(diǎn)圖，使用連接命令設(shè)置后自動生成的梁、板、柱體積分別為：0.192m3、0.307m3、0.320m3，即實(shí)現(xiàn)了柱＞梁＞板的扣減順序。圖2某梁板柱交接處節(jié)點(diǎn)圖及樓板工程量。
圖2某梁板柱交接處節(jié)點(diǎn)圖及樓板工程量
3.4混凝土模板
混凝土模板雖然為非實(shí)體工程項(xiàng)目，但卻是重要的計量項(xiàng)目。現(xiàn)行BIM并沒有設(shè)置混凝土模板建模專用工具，采用一般建模工具雖然可建立模板模型，但需要耗費(fèi)大量的時間，因此需要其它途徑來提高模板建模效率。可以通過編程BIM軟件插件解決快速建立模板模型問題，這樣就可以在軟件內(nèi)自動提取模板工程量，達(dá)到像前述構(gòu)件在BIM軟件內(nèi)一樣的算量效果。
3.5鋼筋
BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件提供了用于為混凝土柱、梁、墻、基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)樓板中的鋼筋建模的工具，可以調(diào)入鋼筋系統(tǒng)族或創(chuàng)建新的族來選擇鋼筋類型。計算鋼筋質(zhì)量所需要的長度都是按照考慮鋼筋量度差值的精確長度。圖3為部分構(gòu)件內(nèi)部鋼筋布置圖，這一部分的鋼筋算量，不僅能計算出不同類型的鋼筋總長度，還能通過設(shè)置分區(qū)（Partition）得出不同區(qū)域的鋼筋工程量。圖3部分結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)部鋼筋布置圖及鋼筋工程量統(tǒng)計表單
圖3部分結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)部鋼筋布置圖及鋼筋工程量統(tǒng)計表單
3.6樓梯
在BIM模型內(nèi)，能直接計算出樓梯的實(shí)際踏步高度、深度和踏面數(shù)量，還能得出混凝土樓梯的體積。對于樓梯欄桿的算量，可以按照設(shè)計圖示尺寸對欄桿族進(jìn)行編輯，進(jìn)而通過表單統(tǒng)計出欄桿長度。經(jīng)測試，采用BIM內(nèi)部增強(qiáng)性插件（BuildingbookExtension）來提取樓梯工程量，得到的數(shù)據(jù)及信息更符合實(shí)際需求。
3.7墻體
通過設(shè)置，BIM可以精確計算墻體面積和體積。墻體有多種建模方式。一種是在已知結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置和尺寸的情況下，以墻體實(shí)際設(shè)計尺寸進(jìn)行建模，將墻體與結(jié)構(gòu)構(gòu)件邊界線對齊，但這種方式有悖常規(guī)建筑設(shè)計順序，并且建模效率很低，出現(xiàn)誤差的機(jī)率較大。另一種方式是直接將墻體設(shè)置到樓層建筑或結(jié)構(gòu)標(biāo)高處，如同結(jié)構(gòu)構(gòu)件“嵌入”到墻體內(nèi)，這樣可大幅度提升建模速度，見圖4（左）。前者在實(shí)際建模中少見。后者需要通過設(shè)置才能計算墻體準(zhǔn)確的工程量�？赏ㄟ^“連接”命令，實(shí)現(xiàn)墻體對這些構(gòu)件工程量的扣減。圖4（右）為墻體內(nèi)部放置柱、梁構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)圖，不做任何處理時，墻體的體積為1.160m³，將梁、柱與墻體通過連接命令進(jìn)行設(shè)置后，墻體的體積變?yōu)?.653m³，為準(zhǔn)確的墻體體積。圖4結(jié)構(gòu)構(gòu)件“嵌入”墻體的建模示意圖及梁、柱與墻體3D節(jié)點(diǎn)圖
圖4結(jié)構(gòu)構(gòu)件“嵌入”墻體的建模示意圖及梁、柱與墻體3D節(jié)點(diǎn)圖
對于嵌入墻體的過梁，可通過共享的嵌入族（NestedFamily）的形式將其綁定在門、窗族上方，再將門、窗族載入項(xiàng)目并放置在相應(yīng)墻體內(nèi)，此時的墻體工程量就會自動扣除過梁體積，且過梁的體積也能單獨(dú)計算出來。此外，若墻體在施工過程中發(fā)生改變，還可利用階段（Phase）參數(shù)，得出工程變更后的墻體工程量，為施工階段造價管理帶來方便。將建立的模型設(shè)置不同階段，若需刪除某一部位的墻體，選中該墻體并在屬性窗口中設(shè)置其拆除的階段，如階段3，因BIM自帶表單功能與階段化屬性相關(guān)聯(lián)，在表單中選擇階段3，此時統(tǒng)計的工程量不包含刪除墻體的體積。
3.8門窗工程
從BIM模型中可以提取門窗工程量和其他門窗構(gòu)件的附帶信息，包括各種型號的門窗數(shù)量、尺寸規(guī)格、板框材面積、門窗所在墻體的厚度、樓層位置以及其它造價管理和估價所需信息（如供應(yīng)商等）。此外還可以自動統(tǒng)計出門窗五金配件的數(shù)量等詳細(xì)信息。以門上執(zhí)手為例，在BIM模型中分別建立門和門執(zhí)手兩個族文件，將門執(zhí)手以共享的嵌入族的方式加載到門族中，門執(zhí)手即可以單獨(dú)調(diào)取的族形式出現(xiàn)，利用軟件自帶的表單統(tǒng)計功能，就可得到門執(zhí)手的相應(yīng)數(shù)量及信息。
3.9幕墻
無論是對普通的平面幕墻還是曲面幕墻的工程量計算，BIM都達(dá)到了精確程度，并且還能自動統(tǒng)計出幕墻嵌板（Panel）和框材（Mullion）的數(shù)量。在BIM建模時，可以通過預(yù)置的幕墻系統(tǒng)族或通過自適應(yīng)族（AdaptiveFamilies）與概念體量（ConceptualMassing）結(jié)合，創(chuàng)建出任意形狀的幕墻。在概念體量建模環(huán)境下，創(chuàng)建幕墻結(jié)構(gòu)的整體形狀，可根據(jù)幕墻的單元類型使用自適應(yīng)族創(chuàng)建不同單元板塊族文件，每個單元板塊都能通過其內(nèi)置的參數(shù)自動驅(qū)動尺寸變化，軟件能自動計算出單元板塊的變化數(shù)值并調(diào)整其形狀及小大。也可將體量與幕墻系統(tǒng)族結(jié)合，創(chuàng)建幕墻嵌板和框材。模型建立后，再利用表單統(tǒng)計功能自動計算出其相應(yīng)工程量。
3.10裝飾工程
同樣，BIM模型也能自動計算出裝飾部分的工程量。BIM有多種飾面構(gòu)造和材料設(shè)置方法，可通過涂刷方式（Paint），或在樓板和墻體等系統(tǒng)族的核心層（Coreboundary）上直接添加飾面構(gòu)造層，還可以單獨(dú)建立飾面構(gòu)造層。前兩種方法計算的工程量不準(zhǔn)確，如在樓板核心層上設(shè)置構(gòu)造層，構(gòu)造層的面積與結(jié)構(gòu)樓板面積相同，顯然沒有扣除樓板上墻體所占的面積。為使裝飾工程量計算接近實(shí)際施工，可用基于面（Facebased）的模板族單獨(dú)建立飾面層，這種建模方法可以解決模型自身不能為梁、柱覆蓋面層的問題，同時通過材料表單（Materialtakeoff）提取準(zhǔn)確的工程量。對室內(nèi)裝飾工程量來說，將表單關(guān)鍵詞（Schedulekey）與房間布置插件（RoombookExtension）配合使用，可以迅速準(zhǔn)確出計算裝飾工程量。其計算結(jié)果可導(dǎo)入到Excel中，便于造價人員使用。
4 BIM工程算量優(yōu)勢及問題
與獨(dú)立建模的算量軟件相比，BIM在工程算量評價標(biāo)準(zhǔn)中顯示出很多優(yōu)勢，但暫時還存在一些問題。在上述驗(yàn)證的項(xiàng)目中，同時采用國內(nèi)主流算量軟件進(jìn)行相同項(xiàng)目的計算，并對兩者進(jìn)行簡單指標(biāo)評分比較（表1）。
綜合對比分析，利用施工圖設(shè)計階段BIM模型進(jìn)行工程算量的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：
1）計算能力強(qiáng)，BIM模型提供了建筑物的實(shí)際存在信息，能夠?qū)?fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，可以快速提取任意幾何形體的相應(yīng)數(shù)據(jù)；
2）計算質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的精確算量，并能統(tǒng)計構(gòu)件子項(xiàng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于準(zhǔn)確估算工程造價；
3）計算效率高，設(shè)計者對BIM模型深化設(shè)計，造價人員直接進(jìn)行算量，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計與算量的同步，并且能自動更新并統(tǒng)計變更部分的工程量；
4）BIM附帶幾何對象的屬性能力強(qiáng)，如通過設(shè)置階段或分區(qū)等屬性進(jìn)行施工圖設(shè)計進(jìn)度管理，可確定不同時段或區(qū)域的已完工程量，有利于工程造價管理。
BIM模型在工程算量方面存在的問題主要是：需求問題、構(gòu)建方法、算量規(guī)則不一。由于BIM軟件面向眾多有著不同需求的使用者，若要滿足所有使用者需求，則會導(dǎo)致軟件龐大、運(yùn)行困難。BIM軟件商提供的一般是通用的平臺軟件，使用者可根據(jù)自身的需求通過編程插件解決專用需求問題。類似前述混凝土模板建模和工程量計算就是需求問題而不是技術(shù)問題，已有專業(yè)人員通過編程解決了混凝土建模問題。構(gòu)建模型方法問題則比較復(fù)雜，不能通過技術(shù)解決。典型問題如，建筑師可以使用貫通多層的墻體建立外墻，建模速度快，視覺效果和圖紙要求都能滿足要求。然而，這對統(tǒng)計墻體工程量和進(jìn)行造價管理帶來困難，造價人員無法直接利用模型分層統(tǒng)計不同強(qiáng)度等級的墻體或?yàn)楹贤芾硇枰獦菍訅w工程量。這類問題是因建模者和模型使用者目標(biāo)不一所致，可以通過項(xiàng)目管理制度安排解決。
在掌握BIM技術(shù)的基礎(chǔ)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。對于算量規(guī)則不一問題，由于幾何形體在BIM軟件屬性中顯示的是其自然數(shù)量，與手工計算工程量年代制定的工程量計算規(guī)則肯定會有所不同，后者考慮到手工計算量的繁瑣，簡化了計算規(guī)則，遵循“細(xì)編粗算”原則，如規(guī)則對面積較小的洞口做不扣除的規(guī)定，對門窗洞口側(cè)邊的抹灰梁等亦不增加。但是，如果讓BIM適應(yīng)既有規(guī)則，會有“削足適履”效果，使BIM的價值降低。而現(xiàn)在讓規(guī)則完全適應(yīng)BIM，顯然也不現(xiàn)實(shí)。解決問題的對策是改進(jìn)現(xiàn)有規(guī)則，讓規(guī)則具有適應(yīng)不同要求的靈活性。
5 結(jié)語
在建筑工程施工圖設(shè)計階段合理使用BIM軟件建模，可以直接、快速、精確地計算大多數(shù)工程計量項(xiàng)目的工程量，且無需借助其他外部算量軟件。隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣，其在工程造價方面的優(yōu)勢也在擴(kuò)大。造價人員需要與時俱進(jìn)地學(xué)習(xí)和掌握BIM技術(shù)。同時，為了更好地利用BIM模型信息，造價人員應(yīng)參與委托設(shè)計工作，制定BIM建模要求。此外，BIM對既有的工程計價規(guī)則提出了挑戰(zhàn)，為充分利用BIM帶來的工程量計算優(yōu)勢，需要同步改進(jìn)既有計量規(guī)則。
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