基于BIM 的住宅項目策劃系統研究與開發

林佳瑞 張建平 何田豐 賈衛東 吳崢

(1.清華大學土木工程系，北京 100084;2.中國中建地產有限公司，北京 100037)

1 引言

住宅項目策劃是房地產商進行市場定位、投資組合分析等工作并制定策劃方案的過程［1］。它反映了開發商的市場戰略，是項目預期目標和設計需求的表達，是項目定位、產品功能建議、融資能力、開發規劃、價格策略及投資機會選擇的綜合決策過程，將極大影響項目未來的形態。住宅項目具有典型的標準層和戶型，標準化程度高，其策劃過程往往會參照已有標準住宅的戶型、造價以及相關經濟指標等既有信息，通過不同戶型的組合快速形成新的標準層和策劃方案。然而，當前對標準住宅信息的存儲與管理仍處在二維圖紙及文檔管理階段，戶型布局與造價、售價、節能、環保等信息“割裂”存儲，為既有信息在項目策劃中的重用帶來了很大的不便，使得項目策劃很大程度取決于策劃者的經驗，直接影響項目決策的效率和質量。

建筑信息模型(Building Information Model，以下簡稱BIM)是以三維數字技術為基礎，集成建筑工程項目各類相關信息的工程數據模型［2］，擁有完備性、關聯性和一致性的特點［3］，能夠將戶型布局等三維幾何信息與相關經濟、技術指標信息集成一體，形成完整的標準住宅戶型信息，支持既有戶型信息在項目策劃過程中的重用。近年來，BIM 技術的應用越來越廣泛。但是，在建設項目前期策劃中的BIM 應用還未見發表，當前的BIM 設計軟件也缺乏以戶型為單元的建模功能，無法直接支持項目策劃的BIM 應用。

本文針對住宅項目策劃的實際需求，通過綜合應用BIM 和4D 技術，研究并提出了基于既有標準戶型的住宅方案BIM 建模和方案分析與評價的方法。通過解決戶型三維模型與各種經濟技術指標信息的關聯、存儲、編輯與管理，基于戶型組裝生成住宅標準層和建筑單體方案以及經濟技術指標的信息獲取、分析評價等關鍵技術，以Autodesk Revit 2012 和清華大學4D 項目管理系統為平臺，開發了基于BIM 的住宅項目策劃系統。應用表明，本研究為住宅項目策劃的方案創建、分析評價、比選決策提供了新的途徑和方法，促進了BIM 在住宅項目策劃階段的應用。

2 研究基礎

2.1 Autodesk Revit 二次開發現狀

Autodesk Revit Architecture 軟件是目前國內外最流行的BIM 建筑設計軟件之一。該軟件可以快捷創建和修改建筑模型，并導出建筑模型的IFC 文件供模型信息的傳遞與重用。此外，Revit 還提供了強大的二次開發接口，為用戶擴展功能提供了便利。

當前，Revit 插件越來越多，功能覆蓋范圍也愈加廣泛，可分為以下幾個用途［4］:

(1)輔助建模:簡化建模過程，提高建模效率，如ARUtils、Trelligence Affinity 等;

(2)性能分析:通過導出或直接利用Revit 文件信息，進行溫度與光照分析等功能，如IES－VE 等;

通過對比分析可以看出，盡管當前Revit 二次開發已涉及多個方面，但仍局限在對Revit 系統原有族、構件的操作以及Revit 模型信息的利用上，并不能將戶型視為一個整體進行編輯、存儲與管理，更也不能對戶型的成本、售價、節能、環保等信息進行關聯、存儲和管理，也無法利用這些信息輔助項目策劃階段的方案比選與決策。

2.2 BIM 和4D 技術

BIM 集成了工程項目全生命期的各類相關信息，是工程項目全生命期數據的集成。當前BIM 的應用主要集中在項目設計可視化展示、碰撞檢測、施工模擬、施工深化設計和輔助項目管理等方面［5］，在項目策劃階段的應用實踐還很少。

清華大學張建平教授及科研團隊綜合應用BIM和4D-CAD 技術，開發的基于BIM 的工程項目4D動態管理系統(簡稱4DBIM-GCPSU)［6］，已成功應用于國家體育場等十幾個大型工程項目。系統以工程構件為基礎、WBS 為核心，可將施工進度、資源、安全、質量、場地的信息關聯到工程構件三維模型上，對施工進度和過程進行4D 模擬、優化和管理，并可進行人力、材料、機械、成本等施工資源的動態管理和分析。除此之外，4DBIM-GCPSU 具有基于OpenGL 自主開發的圖形平臺及IFC 數據交換接口，具有較強的BIM 模型管理功能，能很好的支持住宅項目策劃系統的設計與開發。

3 系統整體架構

基于BIM 的住宅項目策劃系統主要分為兩個部分:基于Revit 的方案建模子系統和方案4D 模擬及分析評價子系統。其中方案建模功能包括:模型庫管理、戶型組裝、建筑單體建模以及樓群建模。方案4D 模擬及分析評價功能包括:方案的4D 進度模擬、經濟指標計算、融資方案對比、敏感性分析以及綠色校內分析等。二者之間通過IFC 文件和自定義XML 文件實現數據的交換和共享，系統整體架構如圖1 所示。

圖1 基于BIM 的住宅項目策劃系統整體架構

4 關鍵技術

4.1 方案BIM 建模

(1)建模流程

一般而言，住宅策劃方案設計主要包括住宅小區規劃設計、環境景觀設計、建筑空間布局、戶型布置及面積設計等內容［1］。本研究主要圍繞建筑單體的BIM 建模過程展開，開發的住宅項目策劃系統BIM 建模流程如圖2 所示。

用戶首先可根據戶型定位、用戶或面積等信息查找類似戶型，繼而按照項目需要對戶型進行設計和調整，并可將新的戶型信息保存下來供后續項目參考。接著，用戶可以參考原有的標準層設計，將所設計的戶型進行組裝，形成新的標準層，再根據項目需求設計屋頂或底層商戶等特殊層，從而可快速形成建筑單體BIM 模型，重復上述步驟即可形成建筑樓群。

圖2 建筑單體BIM 建模流程

4.2 戶型管理與組裝

(1)戶型信息編輯管理

原有的戶型管理方式主要依賴于圖紙及文檔，本研究通過建立戶型數據庫存儲戶型三維數據以及其關聯的售價、室廳衛數量、定位等信息，從而方便用戶檢索相關戶型。當用戶完成戶型的編輯與調整后，在系統建模部分中點擊上傳戶型，系統會自動提取戶型的室廳衛及三維數據信息，并提示用戶輸入戶型的售價及定位信息，如圖3 所示。

(2)戶型組裝

用戶在戶型組裝中主要關注標準層的平面布局，因而本研究采用了基于俯視圖進行戶型組織的方法。每個戶型關聯其包含的房間(如臥室、衛生間)，房間則關聯其內部包含的物體(如家具、衛浴等)、開洞及其定位等信息。戶型組裝開始時，系統會自動提取Revit 中包含的房間、構件等信息形成戶型數據。

圖3 戶型信息保存

在戶型組裝過程中，用戶可以選擇整個戶型進行相對位置調整(如圖4(a))，系統會自動捕捉戶型各房間的邊界以便與其他戶型對齊;同時，也可對某幾個房間進行位置的調整或者角點的調整(如圖4 (b)所示)，在調整過程中系統能夠自動捕捉房間的角點及邊緣。

4.3 模型生成

當完成戶型組裝形成標準層后，系統能夠依照各個戶型數據調用Revit API 自動生成標準層模型。在模型生成過程中，需要自動提取標準層的面積、戶型數量等信息。同時，還需要考慮房間相對位置移動帶來的墻重疊、墻附屬門窗的位置改變，以及戶型對應樓板的生成等問題，并需將相應的構件關聯到對應的戶型。

4.4 數據交換

本研究方案建模與4D 模擬及經濟分析子系統基于不同的平臺開發，因而需要在兩大子系統之間實現信息的交換與共享。其中，基本幾何數據信息的交換采用通用IFC 接口進行導入導出。在方案建模子系統中完成建模后可直接導出為IFC 文件，4D模擬及分析評價子系統則可導入該IFC 文件。而構件與戶型之間、戶型與標準層的關聯關系以及戶型售價、標準層成本等信息則利用自定義的XML 文件格式進行導出;同時，在4DBIM-GCPSU 系統中開發了XML 文件導入接口，實現了關聯信息、成本以及售價等資金信息的共享。

4.5 方案分析評價

BIM 模型包含了項目方案的相關信息，提取BIM 這些信息，可對方案進行4D 進度模擬、技術經濟評價以及綠色性能分析。限于篇幅，以經濟分析為例，可通過提取構件的材料、成本、工期及售價等信息計算項目方案的資金流入流出情況，從而針對不同的融資計劃分析其凈利潤、凈現值以及內部收益率等經濟指標，為項目方案可行性提供決策支持。

圖4 戶型組裝與編輯

4.6 經濟分析數據獲取

經濟分析相關數據的來源分為2 種:一種是基于方案BIM 模型提取，分析評價模塊可自動從BIM模型中提取各個戶型的售價、類型，各標準層的成本、施工時長等信息，自動生成相應的資金流出流入數據記錄。另一種是用戶輸入，用戶可以通過錄入等方式補充部分策劃數據，這些包括不同融資方案的建立以及融資來源情況等。

4.7 基本經濟指標計算

住宅項目經濟指標主要分為靜態評價指標和動態評價指標兩類，其中靜態評價指標本文選擇了凈利潤(Net Profit，NP)，動態評價指標選擇了凈現值(Net Present Value)和內部收益率(Internal Rate of Return)。

凈利潤是項目所有收入減去所有支出所得的差值，反映了項目的盈利能力。凈現值計算方法如式(1)所示，其中，表示現金流入，表示現金流入，為期數，為社會折現率。凈現值是項目經濟凈貢獻的絕對度量指標，它的大小反映了項目所帶來的經濟效益的大小。

內部收益率為凈現值為0 時折現率的大小，可由式(2)計算得出，當IRR 大于社會折現率時，表明項目對社會的經濟凈貢獻超過了社會折現率的要求，它反映了項目占用資金的動態收益率以及資源配置的經濟效率。

4.8 融資方案對比分析

為輔助項目決策，系統經濟分析提供了經濟指標對比和融資方案敏感性分析功能。用戶可針對自有資金和全投資，對比不同融資方案的NPV、IRR和NP，進而可根據用戶關心的指標不同選擇不同的融資方案。同時，住宅項目的盈利能力將極大地受到戶型銷售情況的影響，因而系統還提供了融資方案敏感性分析的功能，可以對比戶型售價對不同融資方案經濟指標的影響。

5 系統應用

基于BIM 的住宅項目策劃系統在實際項目中進行了應用測試，如圖所示。其中圖5(a)是方案建模子系統中基于戶型設計組裝的項目方案模型，將模型通過IFC 和XML 文件導入方案4D 模擬及分析評價子系統中，其結果如圖5(b)所示。可以看到，模型及標準層的4D 模擬過程以及戶型的組織結構、成本和售價等信息，雙擊戶型節點可在模型上顯示戶型及對應的構件。

基于上述BIM 模型，通過錄入資金來源等信息，可以對不同的融資方案進行對比分析和敏感性分析，輔助項目決策。圖顯示了不同方案的經濟指標對比(圖6(a))和售價敏感性分析(圖6(b))的結果。用戶可以對比不同融資方案的凈現值、凈收益以及內部收益率等指標，并可通過雷達圖直觀的看出不同方案的優勢和不足;同時用戶還可選取特定融資方案分析其內部收益率等指標對售價的敏感性情況。

圖5 系統應用實例

圖6 融資方案對比和敏感性分析

6 結論

本文針對住宅標準化程度高、具有大量戶型歷史數據的特點，結合住宅項目策劃階段方案建模、項目決策的實際需求，提出了基于既有標準戶型的住宅方案BIM 建模和方案分析評價方法，并通過解決一系列關鍵技術，開發了基于BIM 的住宅項目策劃系統。應用表明，系統可基于既有標準戶型快速組裝標準層、進而形成建筑單體方案及其BIM 建模，并基于BIM 進行4D 進度模擬、經濟技術及綠色性能分析評價。研究成果為住宅項目策劃方案創建、分析評價、比選決策提供了新的途徑和方法，促進了BIM 在項目策劃階段的應用。

［1］陳洪官.房地產開發項目前期策劃的應用研究［D］.西安建筑科技大學，2007.

［2］Sciences NIOB.National Building Information Modeling Standard［S］.1.0 ed.Sciences NIOB，2007.

［3］張洋.基于BIM 的建筑工程信息集成與管理研究［D］.清華大學，2009.

［4］Autodesk.開發商的產品和服務-CAD［Z］.2012:2012/9/16.

［5］張建平，李丁，林佳瑞等.BIM 在工程施工中的應用［J］.施工技術.2012(08):10-17.

［6］張建平.基于IFC 的建筑工程4D 施工管理系統的研究和應用［J］.中國建設信息.2010(04):52-57.