建筑业在我国国民经济中的地位举足轻重。2019年我国建筑业总产值24.84万亿元,同比增长5.7%;全社会建筑业增加值高达7.09万亿元,同比增长5.6%。尽管建筑业总产值和增加值高企,但建筑企业盈利水平普遍较低。导致建筑业利润较低的主要原因,除了效率低下、管理粗放和信息化水平不足等因素之外,施工阶段存在的技术和管理层面的问题也不容易小觑,毕竟施工阶段是工程项目产生费用支出的高峰期,一旦控制不力或失当,将直接影响整个项目的收益预期。从以往工程项目施工成本控制措施来看,无外乎就是在保质保量的前提下压减各类费用支出,尽量优化审图效果和技术交底质量以规避不必要的返工所导致的工期延误和额外成本增加。随着信息技术的突飞猛进特别是大数据、云平台、智慧建设和精益建造等新技术、新理念在工程项目中的广泛应用,将建筑信息模型BIM引进嵌入施工阶段成本管理之中,对于建筑企业提质增效、增收减支和提升整体管理水平,都具有积极的促进作用。

工程项目施工阶段会产生大量材料费、人工费、机械设备使用费和施工措施费等费用支出,由此形成的信息数据量较大,成本核算及分析的工作量倍增,在传统的二维CAD图纸和半自动化算量条件下,极易发生重算漏算疏失,导致成本控制效率低下且精确度和及时性较差。BIM的集成化功能刚好能够破解上述问题,成本信息集成后的BIM模型计算结果更为精确、计算过程更为快捷,能够确保施工阶段成本控制及时有效。

施工阶段某一项成本费用通常要支出应用于多个成本项目,成本分解的要求和难度都很高。另外,传统模式下一旦发生设计变更,造价工程师要手工比对差异后才能计算出变更对成本造成的影响。引入BIM技术后,设计与成本软件一致性关联集成后,能够直观地将变更内容呈现出来,既优化了成本计算过程又增强了计算结果的可靠性。

协调是建筑工程项目中的首要问题,无论设计单位、施工单位亦或业主,自始至终都是需要协调沟通配合。具体到施工阶段的成本控制方面,在实施成本核算时需要牵涉施工、材料、仓储和财务等多部门和岗位,无论哪个环节出现疏漏都会影响最终的成本分析结果。同时,传统成本核算相关数据以纸质文件和电子表格为载体,极易形成信息孤岛从而影响成本控制成效。引进嵌入BIM技术后,能够很好地统筹集成各部门、各参与方成本信息,造价人员可以凭借BIM模型对各种构件的参数信息实施汇总、拆分和扣减等操作,快速估算生成任一时间节点的成本数据,在发生设计变更和现场签证的情况下依旧能够动态呈现施工进度和工程成本状态。

模拟性并非单指所设计建筑的模型,还能模拟出不可以真实操作的事物,比如节能减排、应急疏散、热能传导等各类模拟。由于施工阶段的物料消耗和费用支出情况十分复杂,进出库管理和人工机械费用支付都经常存在时间差问题,在缺少数据管控平台支撑的情况下,很难做到成本项目与数据的进度、空间和工序的精准对应,而引进BIM技术后,在招投标和施工阶段BIM便可以实施三维+项目时间进度的4D模拟,进而实现4D+造价成本控制的5D模拟,实现成本信息数据在时间、空间和工序上的完美契合。此外,BIM的优化性特征还能够对施工阶段的成本控制流程实施优化再造。

施工成本特指工程项目施工阶段发生的全部费用支出,应列支从属于工程费用范畴,且以建安工程费为主,又可细分为直接和间接费用两部分。前者为施工过程中为完成工程实体而产生的材料费、人工费、机械设备使用费和施工措施费等各类费用;后者为出于完成施工目的而须缴纳的各种规费和必要支出的企业施工组织及经营管理费等各类费用。

工程项目施工成本控制应以施工企业与开发商订立的施工合同总价款为基准,在综合考量施工和项目管理水平,确保项目施工质量、进度和收益预期的前提下,制定拿出切实可行的成本管控计划与措施。施工中应围绕成本控制目标找准成本控制切入点,对相关施工费用进行成本核算,对于可能产生的成本偏差要在分析成因的基础上予以查偏纠错,确保取得最佳成本控制效果。具体控制机理及实现路径如图1所示:

施工阶段常用成本控制方法包括价值分析法、成本偏差控制法、成本报表分析法、因果分析鱼刺图法和挣得值分析法5种。由于现代工程项目规模越来越大导致成本控制难度趋高,上述5种成本控制方法融合并用的案例也越来越多。本文出于成本控制与BIM技术结合的研究目的,主要采用改进型挣得值分析法,依托BIM技术进行施工成本控制探讨。

挣得值法是在任一时间点对工程项目的计划指标、完成情况和资源耗费作综合测算,从而直观量化地呈现项目的进展状态,提早预测项目的工期滞后量和费用超支量,并及时采取纠偏措施。传统挣得值法包含计划工作量的预算费用(BCWS)、已完成工作量的实际费用(ACWP)和已完成工作量的预算成本(BCWP)三个基本参数指标,以及费用偏差(CV)、进度偏差(SV)、费用执行指标(CPI)和进度执行指标(SPI)四个评价指标。

当CV为负值,则表示工程项目成本超支。CV为正值表示工程项目效率高有结余。CV为0表示工程项目按计划正常进行;SV为负值,表示工期延误。SV为正值表示工期压减、进度提前。SV为0表示施工进度正常;CPI小于1,表示超预算、施工成本超支。CPI大于1,表示低于预算、施工成本节支。CPI等于1,表示施工费用按计划进行;SPI小于1,表示施工进度延误。SPI大于1,表示施工进度提前。SPI等于1,表示施工进度按计划进行。

本文在引进依托BIM技术对工程项目施工阶段成本控制进行研究时,为更加精确地体现施工阶段的成本控制效果和利润增减情况,决定对挣得值法加以改进优化,在原有BCWS、ACWP和BCWP三个基本参数的基础上,再行引入添加一个基本参数已完成工作量的合同预算成本(用BCWP～C表示,C为Contract首字母代表“合同”)。由此,可分别计算出计划利润值(PP)、实际利润值(AP)和利润偏差(PM)。其测算公式分别为:

PP=BCWP～C-BCWP;AP=BCWP～C-ACWP;PM=AP-PP

利润偏差PM为负值,则表示实际利润低于收益预期,说明施工成本控制效果不佳;PM为正值,则表示实际利润高于收益预期,说明施工成本控制得力;PM等于0,表示实际利润与收益预期持平,说明施工成本控制正常。

基于BIM模型实现项目信息的实时动态交互共享,便于对施工阶段成本控制情况进行全程跟踪监测,运用BIM软件和智能算法提高成本控制决策的正确性和精准度。

遵循上述模型设计原则,融合运用改进型挣得值法、5D-BIM信息数据库和BP神经网络算法构建依托BIM的施工成本控制模型。该模型框架如图2所示:

其中,BIM模型为5D基础信息数据库,为工程项目施工成本控制提供相关成本数据;成本预测模型依托BIM模型数据库,运用BP神经网路算法,可对施工阶段的直接费用进行实时动态的智能化预估,并据此优化调整资源配置和资金投入;成本控制系统是施工阶段全过程不间断的动态监测、第一时间预警响应和精准总成本预估测算,由于引进嵌入BIM技术和挣得值法,并获得成本与资源计划数据支撑,该成本控制系统得以高效精确运行。

首先通过对建筑、结构、机电等不同专业的BIM模型进行整合,在碰撞检查和优化提升的前提下,集成构建3D-BIM实体模型;继而根据施工进度计划在3D-BIM模型中导入构件图元信息和施工时间进度,通过3D-BIM模型与时间进度的关联从而完成4D-BIM模型的构建;在此基础上,利用预算文件编制把施工阶段各分部分项费用与4D-BIM模型进行对应关联和有效链接,从而完成5D-BIM模型的构建和成本信息的集成,为施工阶段费用成本全程动态管控提供信息数据支撑。同时,还要将施工图纸资料信息、施工现场图片及日报信息、项目实际成本与合同预算成本信息、项目施工质量与安全信息,一并导入5D-BIM模型进行对应关联和融合集成。

依托BIM的成本预测模型应包括数据提取、单价预估和成本预测三部分。其模型框架如图3所示:

数据提取乃为操作人员从BIM数据库提取人工费、材料费和机械设备费等历史单价信息和在建工程工程量数据;单价预估则是运用BP神经网络算法进行编程,利用该单价预估模型对历史单价数据进行精确测算,从而得到符合精度要求的预估单价;成本预测就是预估单价与从BIM数据库提取的在建工程工程量进行对应计算,完成对在建项目施工阶段的实时动态成本预测,为成本控制提供有力的数据支撑。

依托BIM数据库的数据提取,是在基于传统静态直接费用+工程量数据并添加考量时间进度因素的前提下,按照提前设定的权限和规则,随时对相关费用和工程量信息数据进行筛选、提取、挖掘和整理,以确保成本预测的前瞻性、主动性和动态化;单价预估为降低市场价格波动的影响,利用BP神经网络算法编程进行运算测度。由于BP神经网络具有任意复杂的模式分类能力和出色的多维函数辐射能力,且具备仿人脑自我学习和组织适应功能,能够通过误差反传训练的多层前馈网络,动态测算输出最为精确的预估单价;成本预测就是在数据提取和单价预估的基础上,以单价预估值与工程量预测值的乘积得出成本预测值。

BIM技术引进应用于施工成本控制的意义,就在于5D-BIM信息数据库所赋予成本控制的预测功能,BP神经网络模型又对该成本预测功能给予了优化补充,使得5D-BIM信息数据库能够凭借虚拟施工提早获得相关成本数据,并据此制定资源与成本计划,有针对性地做好资源合理配置和资金统一筹划,为工程项目施工成本控制有效实施奠定坚实数据基础。

施工成本控制系统主要采用挣得值法并依托5D-BIM模型、合同+计划的预算模型和实际成本模型构建而成。其结构框架如图4所示:

5D-BIM模型能够区分不同专业、分部分项、时间节点和流水段对在建项目施工阶段的BCWP～C、BCWS、BCWP、ACWP四项基本参数指标进行自动测算,并运算得出实际利润值(AP)、计划利润值(PP)、进度偏差(SV)、费用偏差(CV)、进度执行指标(SPI)和费用执行指标(CPI)六类评价指标,能够据此实施成本偏差分析和总成本预测。

对于成本监控识别确认的成本偏差,施工成本控制系统会即时发出预警提示,提醒成本管理人员采取纠偏措施予以调整,成本管理人员根据前述挣得值分析法基本参数和评价指标的相互关系及指标意义,确认施工成本超支结余和工期进度快慢情况,采取最佳调整方式加以动态调控处理。

在识别确认成本偏差并及时加以纠偏调整后,施工成本控制系统可结合工地现场实际,对施工阶段总成本进行预测,判断评价该时点成本控制成效对项目总成本与总收益的影响,并为下一步成本控制制定生成资源与成本计划。

保利杓袁安置房项目位于郑州市金水区杓袁村,由保利地产负责开发、中建四局承担施工建设任务。该项目第6标段为住宅小区建筑群,包含小高层住宅楼21幢、地下车库3座、配套人防设施2项和变配电设施4项。合同预算8.22亿元。

一是构建3D-BIM模型。中建四局利用广联达5D-BIM软件实施各专业3D-BIM模型构建,依托整合链接后的全专业3D-BIM模型实施碰撞检查,生成包含各层各专业碰撞及单一专业自身碰撞问题的碰撞检查报告;在碰撞检查的基础上继而进行仿真穿行漫游检查,识别碰撞检查中难以发现的诸如空间净高不足、构件间距不符要求等可能影响施工操作的软碰撞问题。完成上述两类检查检验后,针对存在的碰撞问题提出整改方案并逐一改进落实;在施工准备阶段依托BIM实施3D可视化技术交底,便于施工人员完全领会掌握,避免因设计失误和理解偏差而导致返工,防范因工期延误而造成的额外成本支出。

二是构建5D-BIM模型信息数据库。中建四局继续依托广联达软件平台实施成本信息与进度计划集成,在将优化后的3D模型导入广联达5D-BIM软件系统后,依循进度计划标记划分流水段,以此加入时间进度而成为4D模型,进而再按照关联后的预算文件加入工程造价和成本信息,从而构建成能够形成杓袁安置房项目各阶段成本费用和资源累计数值和曲线的5D-BIM模型。同时,中建四局每日采集记录资源配置、工期进度和资金流转等信息,整理形成施工实际成本信息,上传导入5D模型以备后续成本控制模型数据运算分析之用。

一是工程量数据提取。考虑到GCL和现场人工测算均存在一定误差的问题,中建四局项目成本管理人员选择采用5D-BIM模型信息数据库,直接读取杓袁安置房项目第6标段工程量数据,再与GCL提取和人工测算的工程量加以比对验证,从而获得相对最为精准的工程量数据。

二是单价预测。以混凝土(C30)为例,5D-BIM模型信息数据库采集存储了2013-2017年每月混凝土(C30)的历史单价作为经验样本数据,运用Matlab软件平台进行BP神经网络单价预测模型算法编程,以此对混凝土(C30)市场单价样本进行归一化处理、输出与目标精度训练以及模拟仿真,最终预测得出未来时段混凝土(C30)的单价。采用同样方法可对施工阶段所有人工、材料和机械设备等直接费用进行单价预测。

三是成本预测。按照前述过程提取到工程量和预测单价数据后,以两者乘积即可得到预测成本。进而编制杓袁安置房项目第6标段资源和成本计划,指导资源配置和资金使用分配,确保施工材料和设备等资源依循进度和工序科学有序进场,提高了资金使用效率,大幅压减了机械设备闲置和材料库存等额外费用支出。

运用5D-BIM模型对杓袁安置房项目人工、材料和机械设备等的工程量、直接费用信息以及相关成本计划与实际用量进行集成汇总后,基于改进型挣得值法计算求得BCWP～C、BCWS、BCWP、ACWP四项基本参数指标,以及实际利润值(AP)、计划利润值(PP)、进度偏差(SV)、费用偏差(CV)、进度执行指标(SPI)和费用执行指标(CPI)六类评价指标的数值,通过偏差分析对相关时段的成本偏差发出预警,成本管理人员及时会商拿出纠正措施。最终于杓袁安置房项目成本控制点第52周为总成本与总成本偏差预测点,测算出该项目估算总成本(EAC)与项目总估算(BAC)之差从而得到总成本偏差(VAC)为286万元,也即在中建四局现有施工阶段项目管理和施工技术水平下,杓袁安置房项目的施工成本将较之总预算成本缩减286万元,表明该项目施工成本控制高效得力。

保利杓袁安置房项目施工成本控制原本存在类似已建项目数据缺乏、成本信息数据量大、成本核算牵涉部门和岗位较多、成本分解困难和资金支付情况复杂等突出问题,在引进应用BIM技术后,工程量和价格计算更为精准,设计变更得以简化直观,借助BIM模型数据库实现了真正意义上的多算对比,前述问题迎刃而解,保障施工成本控制取得了明显成效,具体表现为:一是借助BIM模型碰撞和仿真穿行漫游检查功能,在图纸会审、设计深化阶段共识别排查出图纸问题82处、可待深化优化项目10项201处,在施工阶段避免返工262处;二是在BIM模型统筹协调下对27项施工分项进行了优化提升;三是构建起了5D-BIM基础信息数据库;四是缩减施工工期56天;五是节省施工费用支出452万元;六是培养锻炼了施工成本控制BIM技术团队。

通过BIM技术与施工成本控制概述,引入依托BIM技术基于挣得值法构建施工成本控制模型,并以保利杓袁安置房项目为例进行实例印证后我们发现,BIM技术在工程项目施工成本控制中应用的关键之处在于5D-BIM模型的构建,籍此可以准确预测施工成本、识别成本偏差,而挣得值法能够较好地发挥成本预测监控辅助作用。建议建筑施工企业高度重视并着力提升高管和一线项目管理人员的BIM应用能力,进一步强化BIM施工成本管控团队建设,建立健全BIM人才引进培养和竞争激励机制,充分发挥技术的可视化、协调性、模拟性和优化性特点,对工程项目施工阶段实施全程动态成本监测与控制,力求实现项目收益最大化目标。