基于4D BIM 的施工資源動態(tài)管理與成本實時監(jiān)控

［ 摘要］針對建筑工程施工資源和成本管理的復雜性以及工程建造成本超過預算現(xiàn)象，通過建立 4D 施工資源信息模型和系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了施工階段對人力 材料和機械等資源的動態(tài)管理和工程成本的實時監(jiān)控， 為提高施工項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 資源動態(tài)管理;成本實時監(jiān)控;建筑施工

據(jù)統(tǒng)計，建筑業(yè)有多達 2 /3 的建設(shè)工程項目在竣工決算時超過預算［1］，做好施工階段成本控制和資源管理已成為工程項目管理的重要任務(wù) 項目施工過程中， 必須根據(jù)工程預算對施工成本進行控制長期以來，由于施工過程的高度動態(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行必要的計算和統(tǒng)計，無法對施工資源和成本進行實時監(jiān)控和精細管理.

本文為國家"十一五"科技支撐項目專題"基于4D技術(shù)的建筑施工仿真與動態(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， 實現(xiàn)施工過程中人力、材料、機械等資源的動態(tài)管理和工程成本的實時監(jiān)控， 減少工程超預算現(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，附加時間因素，將模型的形成過程以動態(tài)的 3D 方式表現(xiàn)出來，并能對整個形象變化過程進行優(yōu)化和控制［2。BIM 是一種創(chuàng)新的建筑設(shè)計 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)， 對基于IFC 的4D施工管理擴展模型4DSMM+ + (4D site management model + + )［4］中的 4D 資源信息進行擴展和集成，建立 4D 施工資源信息模型，實現(xiàn)了施工資源動態(tài)管理和成本實時監(jiān)控。

4D 施工資源信息模型是將建筑 3D 模型與施工進度相鏈接，并與施工資源及成本信息集成一體具體由 3 個子信息模型組成:基本信息模型 4D 信息模型以及預算模型。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目施工過程動態(tài)模擬和施工管理;預算信息模型可根據(jù)建筑構(gòu)件的類型自動關(guān)聯(lián)預算信息，提供建筑構(gòu)件所需資源用量和成本計算與查詢。

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，這些信息可用于項目整個生命周期，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)件實體為基本單元的建筑對象的幾何尺寸、空間位置和構(gòu)件實體間空間關(guān)系，以及工程項目類型名稱、用途、建設(shè)單位等項目的基本工程信息。

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 時空模型。4D 信息模型主要針對施

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度的動態(tài)管理和優(yōu)化。

1. 3 預算信息模型

預算信息模型是在基本信息模型的基礎(chǔ)上增加工程預算信息，形成具有資源和成本信息的子信息模型。預算信息模型包括建筑構(gòu)件的清單項目類型、工程量清單，人力、材料、機械定額和費率等信息。通過此模型，系統(tǒng)能識別并自動提取建筑構(gòu)件的清單類型和工程量(如體積、質(zhì)量 、面積、長度等)等信息，自動計算建筑構(gòu)件的資源用量及成本。

工程預算存在定額計價和清單計價兩種模式自 建設(shè)工程工程量清單計價規(guī)范 GB50500 2003(目前已作廢)［5］發(fā)布以來，建設(shè)工程招投標過程中清單計價方法成為主流 在清單計價模式下，預算項目往往基于建筑構(gòu)件進行資源的組織和計價，與建筑構(gòu)件存在良好對應(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價模式， 并且支持企業(yè)定額， 以滿足工程項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 信息模型與預算信息模型的集成與擴展，包括了建筑構(gòu)件、信息進度信息、WBS 劃分信息 預算信息等。模型構(gòu)建是通過引入 IFC( industry foundation class)標準， 對模型實體對象進行定義和描述，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換與共享機制。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、施工進度、預算信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系�；�于4D 施工資源信息模型可以自動計算任意 WBS 節(jié)點或 3D 施工段及構(gòu)件的工程量以及相對施工進度的人力、材料、機械消耗量和預算成本，進行工程量完成情況。資源計劃和實際消耗等多方面的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)施工資源的 4D 動態(tài)管理和成本實時監(jiān)控。

2 施工資源動態(tài)管理和成本實時監(jiān)控的實現(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)是清華大學開發(fā)的基于 BIM 的工程項目4D 施工動態(tài)管理系統(tǒng)(4D- GCPSU 2009 ) 的子系統(tǒng)［7］。系統(tǒng)開發(fā)平臺為Microsoft Visual Studio 2008，開發(fā)語言為 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 工程量動態(tài)查詢

系統(tǒng)根據(jù)計劃進度和實際進度信息，可以動態(tài)計算任意 WBS 節(jié)點任意時間段內(nèi)每日計劃工程量計劃工程量累計、每日實際工程量、實際工程量累計， 幫助施工管理者實時掌握工程量的計劃完工和實際完工情況 在分期結(jié)算過程中，每期實際工程量累計數(shù)據(jù)是結(jié)算的重要參考， 系統(tǒng)動態(tài)計算實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 施工資源動態(tài)管理

施工資源動態(tài)管理可分為資源使用計劃管理和資源用量動態(tài)查詢與分析兩大功能: 1、施工資源使用計劃管理。系統(tǒng)可以自動計算任意 WBS 節(jié)點的日、周、月各項施工資源計劃用量，以合理安排施工人員的調(diào)配、工程材料的采購、大型機械的進場等工作。該功能的特點之一是可以根據(jù)施工過程中其他信息的改變，如進度計劃調(diào)整 WBS 任務(wù)劃分調(diào)整設(shè)計變更等動態(tài)調(diào)整資源使用計劃。2、施工資源動態(tài)查詢與分析。系統(tǒng)可以動態(tài)計算任意 WBS 節(jié)點任意時間段內(nèi)的人力、材料、機械資源對于計劃進度的預算用量。對于實際進度的預算用量以及實際消耗量， 并對 3 項用量進行對比和分析。當某項施工資源出現(xiàn)實際消耗量大于實際進度預算用量時，則說明該資源存在超預算使用現(xiàn)象，應(yīng)當引起重視。系統(tǒng)會自動分析各項施工資源是否存在超過預算用量的現(xiàn)象，如果存在，則發(fā)出預警信號，以便施工管理者及時查找原因，做出改進。

2. 3 成本實時監(jiān)控

成本實時監(jiān)控可分為 WBS 節(jié)點預算成本動態(tài)計算和成本實時跟蹤與分析兩大功能: 1、任意 WBS節(jié)點預算成本動態(tài)查詢。系統(tǒng)可以自動計算任意WBS 節(jié)點的直接成本、管理費、 利潤 、規(guī)費 、稅金以及總造價等預算信息。該功能的特點之一是可以根據(jù) WBS 任務(wù)劃分調(diào)整、設(shè)計變更等，動態(tài)調(diào)整預算成本。一方面施工企業(yè)可以據(jù)此準確把握各 WBS節(jié)點的預算成本，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、成本實時跟蹤與分析。系統(tǒng)可以實時跟蹤項目的施工情況，自動計算和監(jiān)控總體工程或者任意 WBS 節(jié)點的計劃進度預算成本、實際進度預算成本、實際消耗成本、進度偏差和成本偏差。根據(jù)跟蹤信息可以對已完成分部分項工程進行成本評價，當成本偏差為負值時表示執(zhí)行效果不佳，實際消耗成本超過預算成本即超支，當成本偏差為正值時表示實際消耗成本低于預算值即節(jié)支，若成本偏差等于零時，表示成本按預算進行。系統(tǒng)還運用掙值分析方法，根據(jù)成本的實時消耗情況，自動對未完工工程進行成本預測，為施工管理者進行成本動態(tài)管理提供支持。

3 實際應(yīng)用

4D- GCPSU 2009 在上海某工程項目中進行了實際應(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。

實際工程中， 4D 施工資源動態(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價清單，并與WBS 節(jié)點關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了預算及成本信息與工程 4D模型的鏈接。項目管理者可針對計劃進度和實際進度查詢?nèi)我?WBS 節(jié)點在指定時間段內(nèi)的工程量以及相應(yīng)的人力、材料、機械預算用量和實際用量， 并可進行相關(guān)計劃進度人力、材料、機械預算用量、實際進度預算用量和實際消耗量 3 項數(shù)據(jù)的對比分析。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 日的計劃每日工程量、計劃累計工程量、 實際每日工程量、 實際累計工程量。 圖6b 顯示了該流水段在同樣時間段內(nèi)相應(yīng)工程量所需的各種材料的計劃進度預算用量、實際進度預算用量和實際消耗量，當實際消耗量超過預算用量時，系統(tǒng)自動進行超預算 預警提示。從圖中可以看出，該流水段的各項材料用量都存在不同程度的超預算現(xiàn)象。

通過選擇不同的選項卡， 可查詢分部分項工程費 措施項目費 其他項目費等具體明細，并可進行成本實時跟蹤和分析。圖 6c 顯示該流水段在同樣時間段內(nèi)的計劃進度預算成本、實際進度預算成本和實際消耗成本，及其進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劃，包括每項材料的名稱、單價、計劃用量、費用等信息。

4 結(jié)語

實際應(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，實現(xiàn)建筑工程施工資源的動態(tài)管理和成本實時監(jiān)控，可以以相對施工進度對工程量及資源、成本進行動態(tài)查詢和統(tǒng)計分析，有助于全面把握工程的實施和進展，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工資源與成本控制出現(xiàn)的矛盾和沖突，可減少工程超預算， 保障資源供給。提高施工項目管理水平和成本控制能力。

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