建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)作为一种新兴的理念和技术,已经在世界范围内广泛传播,在国内各个领域的应用也逐渐增多。BIM的核心在于信息化,通过三维数字化模型表达并统一集成实际工程信息,项目各参与方可依赖该中心模型进行实时的信息沟通与交互,提高设计效率与决策质量。

目前,BIM技术在国内的应用多面向建筑领域,在民用建筑工程造价估算、造价管理和工程量自动统计方面已取得了一定的成果,而在输变电工程中的应用较少。相比民用建筑工程,输变电工程复杂度高、工期长、地域跨度大,相应地,其工程量统计工作专业性较强、难度较大。传统输变电工程项目的工程量统计,依赖于人工手动计算结合Excel软件辅助,算量大、耗时长、效率低、校对难,且信息共享程度低,难以适应日益增长的工程需求。而BIM技术的应用,可以将输变电工程项目的设计信息存储于一个中央BIM模型中,若能通过BIM模型高效且准确地获取工程算量,并自动统计,套用清单,能显著提高工程量统计的效率和质量,这也是现阶段整个电力行业迫切需要解决的问题。

本文以“上海金山新夫110千伏输变电”工程项目为例,以我国电力建设工程预算定额计算规则为依据,开展BIM技术在输变电工程中工程量自动统计的研究,并与传统计算方式进行对比分析,为BIM技术在输变电工程中工程算量和计价方面的应用提供参考。

当前输变电工程建设领域工程算量的现状是,造价人员需根据二维CAD图纸,区分不同类型的构件并进行尺寸测量,然后通过手工计算或借助Excel软件辅助统计成表。整个过程效率低下,且极易出现错统、漏统等问题。当发生设计变更,统计工作需重复进行,造成极大的人力和资源损耗。同时,由于工程信息一般以二维图纸、表格等形式存储,其检索、修改、管理困难。项目各利益相关方无法及时获取所需信息,彼此间也缺乏统一的数据交互标准进行信息沟通和协同工作。若工程设计方案发生改动或者施工过程中产生变更,工程造价的预计无法得到及时的修改,积累将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。此外,在传统计算方式中,还普遍存在工程二次算量问题。在某一输变电工程项目中,业主方需进行初设、施工、竣工三次算量,施工方需组织投标、分包工程算量,工程量统计在不同参与方之间存在多次重复,造成不必要的资源浪费。

综上,传统工程量计算方式存在算量大、耗时长、效率低、校对难、修改繁,信息共享程度低,数字化程度低等问题。随着输变电工程项目数量和规模的不断扩大,以上问题将日益突出,故有必要借助BIM技术这一信息化手段来优化算量过程。

针对传统工程算量方法存在的局限性,BIM技术的应用可显著提高整个计算过程的效率和资源利用率。BIM环境下的设计以建立三维数字化模型为前提,当工程各阶段信息都被存储于一个BIM中心模型时,信息的获取、更新与管理容易,且不同于传统二维图纸,BIM模型中各个视图均保持统一联动,设计过程中的任何更改都可及时反映到模型整体的修改。

与此同时,BIM技术的应用适用于现行清单计价模式。传统定额计价模式是按照电力建设工程算量标准进行工程量的计算,得到的结果不都是工程量的净量。而清单计价模式是依据清单项的内容和项目的描述,逐个对分部分项工程进行计算,得到的结果是以工程实体的几何量为基础的统计。BIM设计环境下,设计成果体现为具备实际工程意义的三维实体模型,而构件作为基本建模单元,其实体集成了包括几何尺寸、材料属性等在内的工程信息,且一般从BIM软件自带族库中重复调用、快速修改。因此,构件作为工程量算量的单元在BIM中显得十分方便。

本文构建了图1所示的输变电工程基于BIM的工程算量及造价技术体系。通过在工程项目各阶段建立相应的BIM模型,以构件为基本单元的实际工程信息将被统一集成。对于构件的工程量计算,在BIM中以几何属性为基础,且统计结果可根据构件类型进行自动分类,再按属性的不同进行归并,得到计价阶段所需的工程量归并表,再结合定额、进度等信息,完成工程量价计算。

此种灵活的统计方式使得建设方可以从BIM设计模型中得到按构件划分的全部工程量信息,当施工单位套用企业定额时,只需按需归并不同类别的工程量即可。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。

通过上述对BIM技术中工程量算量和计价的方法研究,以及与传统工程量算量计价方法的对比分析,参照我国电力建设工程预算定额计算规则和工程量计算公式,构建了基于BIM技术的输变电工程成本预算信息需求模型及进度管理信息需求模型,模型表达方式如图2所示。

如图2所示,该需求模型在产品信息、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之间建立关联。其中,构件信息存储于BIM模型中,构件的工程量信息统计依赖于构件属性的添加和关联,而企业定额应与工程量进行统一。如前文所述,由BIM模型得到的工程量是基于构件的几何属性值的,因此企业定额中的单价信息应满足一定的计算规则和格式,以实现与工程量的统一。这里的企业定额可以理解为独立于模型属性库的另外一个数据库,一般以表格形式呈现。为了便于物料分析,企业定额应该按照人工、材料、机械、管理费、利润、规费和风险费进行分类;同时,不同施工工序因所消耗的资源情况不同,也应进行分类。当不同构件的施工过程中需要同一种施工工序时,可以通过相应的编码与工程构件进行关联。此外,企业定额还需要根据对应构件的综合单价进行统计。

工程量自动统计作为整个需求模型的关键,以BIM三维环境下的设计为前提。本文以BIM常用建模软件Autodesk Revit 2018为设计平台,进行输变电工程项目设计。由于Revit软件自带族库多为建筑构件,缺少工井和其他输变电工程构件相关族库,因此需自行建立。为了能够在工程量自动统计阶段获取相关参数信息,设计阶段需将提取工程量所需的信息以族参数的形式嵌入构件的三维实体模型,对无法识别的部分,设计人员可以手动再次录入。

在工程量自动统计阶段,对定额子目的工程量可根据嵌入参数,分为可直接统计和再转换统计两部分。其中直接统计部分是通过识别BIM模型中的几何信息或属性信息直接提取相关工程量,或者通过Revit自带工程量计算功能得到,部分可直接统计的工程量信息如表1所示。再转换统计部分无法直接通过已有工程量值统计得到,需先获取计算公式中相关自变量值,然后在后台按照计算规则得到定额工程量,部分不可直接统计的工程量信息如表2所示。最后将两部分工程量统计数据统一导出,生成Excel表单。

本文以“上海金山新夫110千伏输变电”工程工井部分为例,验证上文提出的基于BIM技术的输变电工程工程量自动统计方法的效果。

首先,在Revit软件中绘制新夫线路工井模型,如图3所示。该三维实体模型以族参数的形式集成了提取工程量所需的信息。然后,本文借助Revit API(Application Programming Interface,应用程序接口),结合上一章提出的基于BIM的输变电工程量价分析系统中的工程量自动统计方法,开发了一套基于企业标准模型的工程量自动计算统计组件。该组件不仅可统计排管、工井、电缆沟等构件的工程量,同时能根据定额子目,生成以上各类别的工程量清单,存储于Excel表中。

组件操作界面如图4所示。首先,从左上角工井规格栏中选择某一规格工井,右侧栏会显示该规格下不同设计编号的工井构件信息,即与该工井工程量统计相关的基本属性信息,如井长、井高、凸口个数、井壁厚等。然后,选中K17编号工井,点击“导出”按钮,该组件将自动计算选中构件所有定额子目录下的工程量,包括可直接统计部分和再转换部分,并以Excel表格格式保存到选定目录下,部分导出结果如表3所示。

最后,点击“统计”按钮,选择目录下所有构件的工程量表,所有被选中表格将自动合并生成新的Excel统计表(图5),保存在选定目录下。同理,对排管、电缆沟等输变电构件,也可实现工程量的自动统计。

由案例应用效果来看,本文提出的方法较之传统计算,主要有以下两大优势。

一是提高了工程量统计的效率和质量。BIM设计软件的参数化族建模形式一方面可以集成工程量统计所需的构件属性信息,提高设计效率,为工程量统计提供高质量数据支撑;另一方面,数据可借助BIM软件外部应用程序接口进行快速访问、调用与获取,工程量自动计算统计组件的开发也降低了用户实际操作的难度,便于推广应用。而设计变更时,专业人员只需在中央模型上修改相关数据,工程量将自动重新统计,无需重复进行繁琐的手工统计,各个部门也能快速获得修改后的结果信息。

二是以“量价分离”的形式提高了统计的灵活性。本文与BIM模型相关联的企业定额类似于传统定额和清单模式的结合,工程量与定额两者在保持独立性的基础上有效结合,易于关联与管理。

本文探究了BIM技术在输变电工程工程量统计中的应用,提出了基于BIM技术的输变电工程工程量自动统计方法,并以“上海金山新夫110千伏输变电”实际工程项目为例进行验证。由案例应用效果来看,本文所提出的方法提高了整个计算过程的自动化程度和信息利用率。BIM三维设计环境下,输变电工程项目所有数据存储于一个中央BIM模型,工程量统计所需信息可得到及时的增删、修改、更新与调用,项目利益相关方之间能进行信息交互,协调工作,解决了传统方式中错统、漏统、重复统等问题。在此基础上,通过对中心模型进行二次开发,实现了工程量的自动统计,进一步节省了人力与物力。同时,本文探讨的基于BIM的工程量价计算体系,以及成本预算信息及进度管理需求,为更灵活的“量价分离”模式在实际工程中的应用提供了理论借鉴。

随着工程信息化时代的到来,BIM对输变电工程的影响与日俱增,从成本、效率、效益等多方面考虑,推广BIM势在必行。目前国内的BIM技术研究还不够成熟,在输变电工程领域的应用更少,但随着电力工程所需族库的完善,以及相关政策的支持,未来输变电领域BIM的发展前景一片光明。