基于4D BIM 的施工資源動(dòng)態(tài)管理與成本實(shí)時(shí)監(jiān)控

［ 摘要］針對(duì)建筑工程施工資源和成本管理的復(fù)雜性以及工程建造成本超過預(yù)算現(xiàn)象，通過建立 4D 施工資源信息模型和系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了施工階段對(duì)人力 材料和機(jī)械等資源的動(dòng)態(tài)管理和工程成本的實(shí)時(shí)監(jiān)控， 為提高施工項(xiàng)目管理水平和成本控制能力探索了新途徑和方法.

［關(guān)鍵詞］BIM;4D 資源動(dòng)態(tài)管理;成本實(shí)時(shí)監(jiān)控;建筑施工

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑業(yè)有多達(dá) 2 /3 的建設(shè)工程項(xiàng)目在竣工決算時(shí)超過預(yù)算［1］，做好施工階段成本控制和資源管理已成為工程項(xiàng)目管理的重要任務(wù) 項(xiàng)目施工過程中， 必須根據(jù)工程預(yù)算對(duì)施工成本進(jìn)行控制長(zhǎng)期以來，由于施工過程的高度動(dòng)態(tài)變化，施工資源及成本管理主要依靠人為控制， 現(xiàn)有資源及成本管理軟件只能輔助管理者進(jìn)行必要的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，無法對(duì)施工資源和成本進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和精細(xì)管理.

本文為國(guó)家"十一五"科技支撐項(xiàng)目專題"基于4D技術(shù)的建筑施工仿真與動(dòng)態(tài)管理軟件研究" 主要內(nèi)容。旨在綜 合 應(yīng) 用 4D- CAD 和 BIM ( building information model)技術(shù)， 建立 4D 資源管理信息模型， 實(shí)現(xiàn)施工過程中人力、材料、機(jī)械等資源的動(dòng)態(tài)管理和工程成本的實(shí)時(shí)監(jiān)控， 減少工程超預(yù)算現(xiàn)象，提高企業(yè)施工階段的資源管理和成本控制能力。

1 4D 施工資源信息模型建立

4D- CAD 技術(shù)是在 3D 模型的基礎(chǔ)上，附加時(shí)間因素，將模型的形成過程以動(dòng)態(tài)的 3D 方式表現(xiàn)出來，并能對(duì)整個(gè)形象變化過程進(jìn)行優(yōu)化和控制［2。BIM 是一種創(chuàng)新的建筑設(shè)計(jì) 施工和管理方法，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目等各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是數(shù)字技術(shù)在建筑工程中的直接應(yīng)用［3］。本研究綜合應(yīng)用 4D- CAD 和 BIM技術(shù)， 對(duì)基于IFC 的4D施工管理擴(kuò)展模型4DSMM+ + (4D site management model + + )［4］中的 4D 資源信息進(jìn)行擴(kuò)展和集成，建立 4D 施工資源信息模型，實(shí)現(xiàn)了施工資源動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4D 施工資源信息模型是將建筑 3D 模型與施工進(jìn)度相鏈接，并與施工資源及成本信息集成一體具體由 3 個(gè)子信息模型組成:基本信息模型 4D 信息模型以及預(yù)算模型。圖 1 描述了 4D 施工資源信息模型的基本組成以及子模型間的相互關(guān)系。其中， 基本信息模型可提供項(xiàng)目 建筑構(gòu)件的瀏覽與管理功能;4D 信息模型可支持工程項(xiàng)目施工過程動(dòng)態(tài)模擬和施工管理;預(yù)算信息模型可根據(jù)建筑構(gòu)件的類型自動(dòng)關(guān)聯(lián)預(yù)算信息，提供建筑構(gòu)件所需資源用量和成本計(jì)算與查詢。

1. 1 基本信息模型

基本信息模型是 BIM 的基礎(chǔ)， 包括所有 BIM 子模型共同的基礎(chǔ)信息，這些信息可用于項(xiàng)目整個(gè)生命周期，也是 4D 施工資源信息模型的核心 基本信息模型以建筑物三維幾何信息為基本屬性，包括以構(gòu)件實(shí)體為基本單元的建筑對(duì)象的幾何尺寸、空間位置和構(gòu)件實(shí)體間空間關(guān)系，以及工程項(xiàng)目類型名稱、用途、建設(shè)單位等項(xiàng)目的基本工程信息。

1. 2 4D 信息模型

4D 信息模型是在基本信息模型的基礎(chǔ)上增加工程進(jìn)度信息以及相關(guān)的資源、過程和管理信息等所形成的4D 時(shí)空模型。4D 信息模型主要針對(duì)施

工管理階段應(yīng)用，可以支持施工過程的可視化模擬以及施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化。

1. 3 預(yù)算信息模型

預(yù)算信息模型是在基本信息模型的基礎(chǔ)上增加工程預(yù)算信息，形成具有資源和成本信息的子信息模型。預(yù)算信息模型包括建筑構(gòu)件的清單項(xiàng)目類型、工程量清單，人力、材料、機(jī)械定額和費(fèi)率等信息。通過此模型，系統(tǒng)能識(shí)別并自動(dòng)提取建筑構(gòu)件的清單類型和工程量(如體積、質(zhì)量 、面積、長(zhǎng)度等)等信息，自動(dòng)計(jì)算建筑構(gòu)件的資源用量及成本。

工程預(yù)算存在定額計(jì)價(jià)和清單計(jì)價(jià)兩種模式自 建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范 GB50500 2003(目前已作廢)［5］發(fā)布以來，建設(shè)工程招投標(biāo)過程中清單計(jì)價(jià)方法成為主流 在清單計(jì)價(jià)模式下，預(yù)算項(xiàng)目往往基于建筑構(gòu)件進(jìn)行資源的組織和計(jì)價(jià)，與建筑構(gòu)件存在良好對(duì)應(yīng)關(guān)系， 滿足 BIM 信息模型以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的特征［6］。因此，本文研究采用了清單計(jì)價(jià)模式， 并且支持企業(yè)定額， 以滿足工程項(xiàng)目資源及成本管理多方面需要。

1. 4 4D 施工資源信息模型

4D 施工資源信息模型是基本信息模型 4D 信息模型與預(yù)算信息模型的集成與擴(kuò)展，包括了建筑構(gòu)件、信息進(jìn)度信息、WBS 劃分信息 預(yù)算信息等。模型構(gòu)建是通過引入 IFC( industry foundation class)標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)模型實(shí)體對(duì)象進(jìn)行定義和描述，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換與共享機(jī)制。4D 施工資源信息模型的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，描述了其中建筑構(gòu)件WBS節(jié)點(diǎn)、施工進(jìn)度、預(yù)算信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系�；�于4D 施工資源信息模型可以自動(dòng)計(jì)算任意 WBS 節(jié)點(diǎn)或 3D 施工段及構(gòu)件的工程量以及相對(duì)施工進(jìn)度的人力、材料、機(jī)械消耗量和預(yù)算成本，進(jìn)行工程量完成情況。資源計(jì)劃和實(shí)際消耗等多方面的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)施工資源的 4D 動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 施工資源動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

基于 4D 施工資源信息模型，本文研究開發(fā)了4D 施工資源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是清華大學(xué)開發(fā)的基于 BIM 的工程項(xiàng)目4D 施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)(4D- GCPSU 2009 ) 的子系統(tǒng)［7］。系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual Studio 2008，開發(fā)語(yǔ)言為 C#，代碼框架為組合界面程序塊 ( composite UI application block， CAB)， 數(shù)據(jù)庫(kù)為 Microsoft SQL Server 2005在開發(fā)過程中，采用了 composite(組合) factory(工廠) proxy(代理)等多種開發(fā)設(shè)計(jì)模式。4D- GCPSU 2009 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)以及施工資源管理的相關(guān)功能模塊如圖 3 所示，圖 4 詳細(xì)描述了4D 施工資源管理子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。

2. 1 工程量動(dòng)態(tài)查詢

系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度信息，可以動(dòng)態(tài)計(jì)算任意 WBS 節(jié)點(diǎn)任意時(shí)間段內(nèi)每日計(jì)劃工程量計(jì)劃工程量累計(jì)、每日實(shí)際工程量、實(shí)際工程量累計(jì)， 幫助施工管理者實(shí)時(shí)掌握工程量的計(jì)劃完工和實(shí)際完工情況 在分期結(jié)算過程中，每期實(shí)際工程量累計(jì)數(shù)據(jù)是結(jié)算的重要參考， 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)際工程量可以為施工階段工程款結(jié)算提供數(shù)據(jù)支持。

2. 2 施工資源動(dòng)態(tài)管理

施工資源動(dòng)態(tài)管理可分為資源使用計(jì)劃管理和資源用量動(dòng)態(tài)查詢與分析兩大功能: 1、施工資源使用計(jì)劃管理。系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算任意 WBS 節(jié)點(diǎn)的日、周、月各項(xiàng)施工資源計(jì)劃用量，以合理安排施工人員的調(diào)配、工程材料的采購(gòu)、大型機(jī)械的進(jìn)場(chǎng)等工作。該功能的特點(diǎn)之一是可以根據(jù)施工過程中其他信息的改變，如進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整 WBS 任務(wù)劃分調(diào)整設(shè)計(jì)變更等動(dòng)態(tài)調(diào)整資源使用計(jì)劃。2、施工資源動(dòng)態(tài)查詢與分析。系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)計(jì)算任意 WBS 節(jié)點(diǎn)任意時(shí)間段內(nèi)的人力、材料、機(jī)械資源對(duì)于計(jì)劃進(jìn)度的預(yù)算用量。對(duì)于實(shí)際進(jìn)度的預(yù)算用量以及實(shí)際消耗量， 并對(duì) 3 項(xiàng)用量進(jìn)行對(duì)比和分析。當(dāng)某項(xiàng)施工資源出現(xiàn)實(shí)際消耗量大于實(shí)際進(jìn)度預(yù)算用量時(shí)，則說明該資源存在超預(yù)算使用現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)引起重視。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析各項(xiàng)施工資源是否存在超過預(yù)算用量的現(xiàn)象，如果存在，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便施工管理者及時(shí)查找原因，做出改進(jìn)。

2. 3 成本實(shí)時(shí)監(jiān)控

成本實(shí)時(shí)監(jiān)控可分為 WBS 節(jié)點(diǎn)預(yù)算成本動(dòng)態(tài)計(jì)算和成本實(shí)時(shí)跟蹤與分析兩大功能: 1、任意 WBS節(jié)點(diǎn)預(yù)算成本動(dòng)態(tài)查詢。系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算任意WBS 節(jié)點(diǎn)的直接成本、管理費(fèi)、 利潤(rùn) 、規(guī)費(fèi) 、稅金以及總造價(jià)等預(yù)算信息。該功能的特點(diǎn)之一是可以根據(jù) WBS 任務(wù)劃分調(diào)整、設(shè)計(jì)變更等，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)算成本。一方面施工企業(yè)可以據(jù)此準(zhǔn)確把握各 WBS節(jié)點(diǎn)的預(yù)算成本，另一方面總承包企業(yè)可以據(jù)此更好的控制分包工作的成本。2、成本實(shí)時(shí)跟蹤與分析。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤項(xiàng)目的施工情況，自動(dòng)計(jì)算和監(jiān)控總體工程或者任意 WBS 節(jié)點(diǎn)的計(jì)劃進(jìn)度預(yù)算成本、實(shí)際進(jìn)度預(yù)算成本、實(shí)際消耗成本、進(jìn)度偏差和成本偏差。根據(jù)跟蹤信息可以對(duì)已完成分部分項(xiàng)工程進(jìn)行成本評(píng)價(jià)，當(dāng)成本偏差為負(fù)值時(shí)表示執(zhí)行效果不佳，實(shí)際消耗成本超過預(yù)算成本即超支，當(dāng)成本偏差為正值時(shí)表示實(shí)際消耗成本低于預(yù)算值即節(jié)支，若成本偏差等于零時(shí)，表示成本按預(yù)算進(jìn)行。系統(tǒng)還運(yùn)用掙值分析方法，根據(jù)成本的實(shí)時(shí)消耗情況，自動(dòng)對(duì)未完工工程進(jìn)行成本預(yù)測(cè)，為施工管理者進(jìn)行成本動(dòng)態(tài)管理提供支持。

3 實(shí)際應(yīng)用

4D- GCPSU 2009 在上海某工程項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，該工程為 3 層鋼結(jié)構(gòu)辦公樓，建筑面積3 800㎡，系統(tǒng)主界面及工程的 4D 施工模擬如圖 5所示。

實(shí)際工程中， 4D 施工資源動(dòng)態(tài)管理子系統(tǒng)應(yīng)用于施工全過程。通過建立該工程的計(jì)價(jià)清單，并與WBS 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)算及成本信息與工程 4D模型的鏈接。項(xiàng)目管理者可針對(duì)計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度查詢?nèi)我?WBS 節(jié)點(diǎn)在指定時(shí)間段內(nèi)的工程量以及相應(yīng)的人力、材料、機(jī)械預(yù)算用量和實(shí)際用量， 并可進(jìn)行相關(guān)計(jì)劃進(jìn)度人力、材料、機(jī)械預(yù)算用量、實(shí)際進(jìn)度預(yù)算用量和實(shí)際消耗量 3 項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。圖 6a 分別用圖表方式顯示了工程第 1 流水段在 2010 年 5 月 17 24 日的計(jì)劃每日工程量、計(jì)劃累計(jì)工程量、 實(shí)際每日工程量、 實(shí)際累計(jì)工程量。 圖6b 顯示了該流水段在同樣時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)工程量所需的各種材料的計(jì)劃進(jìn)度預(yù)算用量、實(shí)際進(jìn)度預(yù)算用量和實(shí)際消耗量，當(dāng)實(shí)際消耗量超過預(yù)算用量時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行超預(yù)算 預(yù)警提示。從圖中可以看出，該流水段的各項(xiàng)材料用量都存在不同程度的超預(yù)算現(xiàn)象。

通過選擇不同的選項(xiàng)卡， 可查詢分部分項(xiàng)工程費(fèi) 措施項(xiàng)目費(fèi) 其他項(xiàng)目費(fèi)等具體明細(xì)，并可進(jìn)行成本實(shí)時(shí)跟蹤和分析。圖 6c 顯示該流水段在同樣時(shí)間段內(nèi)的計(jì)劃進(jìn)度預(yù)算成本、實(shí)際進(jìn)度預(yù)算成本和實(shí)際消耗成本，及其進(jìn)度偏差和成本偏差分析。圖 6d 顯示了工程第 1 流水段指定日期的材料使用周計(jì)劃，包括每項(xiàng)材料的名稱、單價(jià)、計(jì)劃用量、費(fèi)用等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明，綜合應(yīng)用 4D- CAD 和 BIM 技術(shù)，通過建立4D 施工資源信息模型，實(shí)現(xiàn)建筑工程施工資源的動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以以相對(duì)施工進(jìn)度對(duì)工程量及資源、成本進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢和統(tǒng)計(jì)分析，有助于全面把握工程的實(shí)施和進(jìn)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決施工資源與成本控制出現(xiàn)的矛盾和沖突，可減少工程超預(yù)算， 保障資源供給。提高施工項(xiàng)目管理水平和成本控制能力。

參考文獻(xiàn):

［1 ］ Eastman C， Teicholz P，Sacks R，et al. BIM handbook: a guideto building information modeling for owners， managers， designers，engineers and contractors［M］ . New York. John Wiley ＆ SonsInc. 2008.

［2 ］ Wang H J， Zhang J P， Chau K W， et al. 4D dynamic management for construction planning and resource utilization

［J］ . Automation in Construction， 2004， 13(5) :575- 589.

［3 ］ 祝元志. 數(shù)字技術(shù)再掀建筑產(chǎn)業(yè)革命? BIM 在建筑行業(yè)的應(yīng)用 前景與挑戰(zhàn)［J］. 建筑， 2010(3) :8， 14- 26.

［4 ］ 張建平， 曹銘， 張洋. 基于 IFC 標(biāo)準(zhǔn)和工程信息模型的建筑施工 4D 管理系統(tǒng)［J］. 工程力學(xué)， 2005， 22( S1) :221- 227.

［5 ］ GB50500 2008 建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社， 2008.

［6 ］ 楊娟， 張星. 建設(shè)項(xiàng)目信息集成模型與支撐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［J］. 施工技術(shù)，2009， 38(10) :109- 112.

［7 ］ 胡振中. 基于 BIM 和 4D 技術(shù)的建筑施工沖突與安全分析管理［D］ . 北京:清華大學(xué)， 2009.