BIM結合物資編碼在裝配式建筑物料管理中的應用研究

李鑫生 鄭七振 吳露方,3 陸 濤 陳 剛

1. 上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093；2. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；3. 上海建工電子商務有限公司 上海 200050

21世紀以來，為緩解建筑業管理落后困境，提高建造過程中的品質和效率，建筑業逐漸向新型建造方式轉變。新型建造方式是指在建設過程中，以“綠色建造”為目標，以“智慧建造”為手段，以“工業化建造”為生產方式，實現“節能環保、提高效率、提升品質、保障安全”的建造模式[1]。BIM作為新型建造方式中的核心技術，已得到越來越多行業人員的認可，BIM是一種應用于工程建設全生命周期的數字化建造理念，通過模型數據庫整合項目從策劃、設計、施工、運維等各階段信息，實現建設數據在各個管理系統和工作過程間的多維度流轉，對企業的集約化營造、項目的精益化建造等起著至關重要的作用[2]。

然而，在實際工作過程中，經常出現BIM成果耗費大量人力物力卻無法直接對企業的ERP管理產生影響的情況，即企業的管理信息化ERP和技術信息化BIM沒有進行深度融合。這里的管理信息化指企業的資金管理、成本管理、物料管理等；技術信息化指能耗模擬、工程量統計、施工可視化等，如何打通ERP和BIM這2個閉環間的壁壘對促進建筑業各產業鏈間的信息交流至關重要。

住房和城鄉建設部在《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中指出，建筑企業應深入研究“BIM+”形勢下的信息化管理創新模式，完善項目管理、物資管理等的信息化集成應用，實現企業與項目各參與方間的信息共享。在筆者先前對“基于物資編碼體系的BIM構件庫管理方法”研究的基礎上[3]，本文將建筑類物資編碼體系與BIM族庫進一步結合，從物料采購和工程量統計兩個點將施工企業的管理信息化ERP和技術信息化BIM進行橫向打通（圖1），并依托浦東新區惠南新市鎮項目，通過“建立建筑類物資編碼—建立項目裝配式參數化族—給構件添加編碼字段—構件入庫—預定義BIM軟件采購清單樣板—建立模型—自動導出采購清單BOM表”等流程，實現裝配式建筑BIM模型可直接導出符合項目采購清單樣式的BOM表進行物資采購的功能，推動裝配式建筑的物料精細化、動態化管理。

1 基于物資編碼體系的裝配式BIM族庫及采購清單樣板的建設

1.1 建立建筑類物資編碼體系

本建筑類物資編碼體系由上海建工電子商務有限公司研發，編碼采用“層次碼+特征組合碼”的形式。其中層次碼由一級大類、二級分類、三級分類組成，為具體物資的類別碼，三類間有明顯的從屬關系，屬于線分類體系；特征組合碼由多組特征項及特征值組成，用于明細物資產品的規格、材質等屬性，各組之間無從屬關系，屬于面分類體系。本物資編碼體系結構如圖2所示，即“一級大類+二級分類+三級分類+∑（特征項+特征值）”的形式。

圖2 物資編碼結構

一級大類是對全專業全階段建筑類物資的甄別，包括“混凝土”“給排水材料”“砂漿”“膠粘材料”等48大類。在物資編碼中占第一、二位，用“01”到“99”的兩位流水號表示。

二級分類是對各一級大類按照類別進行的細分，如“給排水材料”的二級分類為“法蘭”“擠壓管件”“閥門”等。在物資編碼占第三、四位，用“01”到“99”的兩位流水號表示。

三級分類是對各二級分類按照類型進行的再細分，如“閥門”的三級分類為“閘閥”“球閥”“靜態平衡閥”等。在物資編碼占第五—七位，用“001”到“999”的三位流水號表示。

特征項即明細物資產品的規格、材質等屬性，用來區別與其他物資的特征。特征值即特征項的具體數值，用來區分每個特征項所涵蓋的不同特征屬性。特征項和特征值用“_2位流水號_3位流水號”的組合形式表示。

消費者會因商家慷慨的退貨政策而提升對其的信任感和品牌忠誠度，即使商家為消費者購買了運費險，大部分顧客的退貨率也并不會因此大大增加。故電商企業還是應將重點放在提高產品質量上，通過提供最優質的產品和最完善的退貨服務來提升顧客的購物體驗，不斷增強品牌信譽才能在激烈的市場競爭中保持優勢。此外電商企業不必過分擔憂運費險所帶來的壓力，因為消費者的行為具有策略性，會根據不同情況做出相應決策。若考慮產品價格和預估退貨率，可參考以下建議。

至此，可得到本建筑類物資編碼結構為“AABBCCC_DD_ddd_EEE_eee……”的形式，如“0904001_03_002_04_001”表示“通徑為15的青銅材質閘閥”（表1）。

表1 建筑類物資編碼（以“閘閥”為例）

1.2 建立預制構件BIM參數化族

這里通過Revit、CATIA等軟件分別建立預制柱、預制剪力墻模型，以探究高效、方便建立預制構件BIM參數化族的方式。

1.2.1 通過Revit軟件創建預制柱

以Revit2018為例，在平面視圖中選擇“結構—柱”，并在柱屬性欄里選擇“混凝土—矩形—柱”，在修改柱的截面尺寸及標高后，點擊繪圖區域相應位置即可生成柱身模型，如圖3（a）所示。接著，在平面視圖中選擇“鋼筋”選項卡，并分別選擇縱筋、箍筋的鋼筋形狀，修改鋼筋的直徑、強度等級等參數后按設計位置進行放置即可，同時在立面視圖中，通過陣列、移動等命令對縱筋長度、箍筋位置等進行調整，如圖3（b）所示。然后，按照裝配式圖集及設計要求，創建吊環、套筒、鍵槽等預埋件模型，并移動至預制柱相應位置，如圖3（c）所示。最后，在三維視圖中將所有構件選中成組，并以.rvt文件保存即可，如圖3（d）所示。

圖3 通過Revit創建預制柱構件

1.2.2 通過CATIA軟件創建預制剪力墻

以CATIA V5-6R2017為例，在“裝配設計”模塊中新建剪力墻墻身Part，并在zy平面繪制墻身輪廓線，定義約束后在三維視圖通過“凸臺”命令生成剪力墻墻身模型，如圖4（a）、圖4（b）所示。

接著，在zy平面中新建鋼筋Part，利用直線工具與“肋”命令生成單根鋼筋模型，并通過“Knowledgef(x)”選項賦予鋼筋參數，最后通過Power Copy生成全部鋼筋，如圖4（c）所示。同時，套筒等預埋件的繪制與鋼筋類似，即通過“草圖設計+實體設計+知識工程”的方式生成，最后以.CATProduct文件保存即可，如圖4（d）所示。

圖4 通過CATIA創建預制剪力墻構件

基于上述對預制構件BIM參數化族建立方式的研究，除去BIM軟件本身可視化、參數化等共性優勢，發現Revit軟件有著系統族較完善、無需對鋼筋等實體進行單獨建模、出圖方便等優勢，但是這種建模方式受約束較多，不太靈活；而CATIA軟件有著建模靈活、可以輕松建出較復雜的預制構件模型等特點，且可以與有限元分析軟件Abaqus、施工仿真軟件DELMIA等有著同源的交互，可實現設計—分析—仿真的一體化，但是軟件操作難度較大且出圖不方便。但無論是哪一種建模方式，基于BIM族的預制構件設計模式，使裝配式結構的設計從“面向過程”發展到了“面向對象”[4]，設計人員能在極短的時間內利用族完成預制構件模型和圖紙的設計，極大地減輕了重復設計工作量。

1.3 給構件添加編碼字段

參數批量導入完成后，根據每一個族所代表物資的類型和屬性，對應上文提出的物資編碼層次表，即可進行部分編碼字段值的賦予。如某規格預制梁混凝土的“標的編號”為0201001037220，“標的名稱”為普通混凝土，“規格型號”為C30[120±30 mm*5－25 mm]*28d*聚合物，“主計量單位”為立方米等。

1.4 構件入庫

首先建立與物資編碼體系相符的族庫文件夾用于存儲族文件，由于所需創建及命名的文件夾數量眾多，采用VBA宏語言對物資編碼Excel表進行開發的方式快速建立文件夾。本研究共批量建立了48個根目錄文件夾，嵌套331個二級文件夾，再嵌套3 519個三級文件夾，每個族文件夾的名稱即物資的類別。

族庫文件夾建立完成后，即可對已添加編碼字段的族進行入庫處理。由于每個族文件先前已添加了編碼號，故在進行入庫時無需再對族文件的類型進行甄別，只需直接根據三級編碼字段保存至對應文件夾即可。本研究共建立了包含11 900個族的Revit族庫及包含850個構件CATIA構件庫，且在未來工作中會根據項目的需求進行族的更新。同時搭建了B/S架構下Web端的“上海建工BIM構件庫共享平臺”，平臺包含族的分類與檢索、上傳和下載、審批與驗證、分公司權限管理等功能，用戶可通過物資分類體系高效方便地進行族的檢索。

1.5 預定義BIM軟件采購清單樣板

基于物資編碼體系的BIM族庫最終目的是可以在BIM模型中一鍵導出符合采購清單樣式的BOM表，所以還需對BIM軟件采購清單樣板進行預定義。以Revit軟件為例，工程量清單在Revit中是以明細表的形式呈現，所以需對明細表中字段、過濾器、排序成組等統一范式進行設置，使明細表規范化。下面以“鋼筋采購量明細表”為例，實現對明細表的預定義。

首先在明細表屬性欄中選擇“結構鋼筋”，并按照采購清單中字段順序依次將“需求單位”“需求部門”“工程項目”“標的編號”“標的名稱”“鋼筋體積”“采購主數量”“預估單價”等字段添加至鋼筋明細表字段欄中。然后在“排序/成組”中，選擇排序方式從上至下依次為“標的編號”“標的名稱”“規格型號”。同時在“格式”中，對“鋼筋體積”等字段的單位和舍入位數等進行定義。

最后在明細表界面會出現預定義后的鋼筋明細表。在建立BIM模型的同時，此明細表會同步更新，且格式與工程采購清單樣式完全一致，最終可直接導出Excel表進行物資采購。

2 工程案例

浦東新區惠南新市鎮25號單元05-02地塊，總用地面積為134 715.10 m2，容積率為1.4，項目裝配式比例為100%，其中建筑單體預制率為40%，單體裝配率為60%。通過在本地塊2號樓項目中應用基于物資編碼體系的裝配式BIM族庫，探究其工程價值。

2.1 建立項目裝配式參數化族

本項目裝配式構件包含裝配式框架、裝配式剪力墻、預制夾心保溫外墻等。在對現有預制構件設計圖紙進行歸納總結的基礎上，選擇Revit軟件完成對各預制構件參數化族的建立，各預制構件參數化族設計完成后，保存為.rfa文件格式。本項目部分預制構件參數化族模型如圖5所示。

圖5 項目預制構件參數化族模型

2.2 預制構件族的編碼與入庫

預制構件族建立完成后，即可根據物資編碼體系和上文添加屬性的方式對各構件進行編碼屬性及屬性值的添加，以14HRB400鋼筋為例，“標的編號”＝0103002000029，“規格型號”＝熱軋HRB400@14，“預估單價”＝4 790，“標的名稱”＝螺紋鋼，“需求單位”＝上海建工五建集團有限公司第八工程公司，“工程項目”＝浦東新區惠南新市鎮25號單元05-02地塊2號樓，等。圖6給出了本項目混凝土柱、6HRB400鋼筋、14HRB400鋼筋以及MU10萬能磚族的物資編碼屬性。

圖6 項目部分構件物資編碼屬性

同時，在已有物資編碼族庫文件夾的基礎上，擴展本項目裝配式預制構件族庫文件夾，用來存儲本項目的所有預制構件族，以方便族的管理，如圖7所示。

圖7 項目預制構件族庫

2.3 建立BIM模型，導出采購清單BOM表

在Revit軟件中導入各預制構件族文件后，只需調整族參數即可得到所有預制構件的模型，并根據設計圖紙放置在相應位置即可，圖8為本項目的PC標準層模型。

圖8 項目PC標準層模型

確認PC模型無誤后，在項目采購清單預定義樣板的基礎上，可直接打開Revit軟件中的明細表查看各物資的清單明細。在明細表中，除“需求單位”“工程項目”等字段值是事先輸入外，“體積”“采購量”等均為BIM軟件自動計算，實現在模型完成的同時，可自動出量、自動出采購清單等目的，圖9為項目PC標準層鋼筋采購量明細表。

圖9 項目PC標準層鋼筋采購量明細表

最后，導出明細表為.txt格式，并復制文本到Excel表中，即可快速得到物資的采購清單BOM表，如圖10所示，此表無需修改即可直接用于物資采購。

圖10 物資采購清單BOM表

3 結語

本文首先提出了“一級大類+二級分類+三級分類+∑（特征項+特征值）”形式的建筑類物資編碼體系，同時通過Revit軟件、CATIA軟件等方式分別建立預制構件模型，對高效、方便建立預制構件族的方式進行了探討，最后將建筑類物資編碼體系與BIM族庫相結合，依托浦東新區惠南新市鎮項目，實現了BIM模型的可一鍵導出符合上海建工電商公司物資采購清單樣式的BOM表進行采購的功能。現總結本研究對裝配式建筑全生命周期的優勢如下：

1）設計階段。在設計階段，基于BIM參數化族的PC設計模式可以極大減少設計人員的重復建模工作量，同時各PC族中的規格、成本等物資信息有利于設計人員在滿足設計要求的同時，優化其設計，降低生產成本。

2）招標及采購階段。在招采階段，項目可以直接通過BIM模型導出的物料清單進行招投標及采購，省去了工作人員煩瑣的表單繪制時間，極大提高了項目采購效率，并且可以加快造價估算速度，提高造價估算精確度。同時，基于BIM模型的物料清單可以指導預制件生產廠家進行鋼筋下料、預埋件安裝等工作，有效提高工廠生產效率。

3）施工階段。在施工階段，項目可將每個構件的物資編碼信息制成二維碼或者RFID芯片植入預制構件中，無論是運輸、堆放還是吊裝狀態，項目人員都可以通過二維碼或者RFID射頻的形式獲取各PC構件的物資信息，從而推動對現場預制構件的信息化管理。

4）運維階段。在運維階段，運維人員一般會將BIM模型導入運維平臺中進行可視化管理，在某些構件需要維護或者更換的情況下，由于模型中各構件已包含廠家、規格等物資編碼信息，運維人員可直接聯系生產廠家或者直接根據物資編碼在采購平臺進行采購，無需通過設計資料或施工資料查詢，極大方便了運維人員的工作。