基于建筑信息模型的施工階段進度-成本協同管理研究

張潤沂，郭炎樂，付建華，李紅玲

(1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.武漢市工程建設標準定額管理站，湖北 武漢 430020；3.武漢賓孚建設工程顧問有限公司，湖北 武漢 430050)

進度與成本是傳統建設項目管理的重要組成部分，兩者在施工過程中密切相關、相互影響[1].傳統建設項目管理模式通常側重于將兩者分別進行控制，但在建筑工業化和信息化環境中，加之建設工程項目施工階段面臨復雜情況，傳統管控模式會導致建設項目管理的碎片化、割裂化，缺乏信息聯動性.因此，亟需開展施工階段的進度與成本協同管理研究，以提高建設項目管理效率.

如何將建設項目的進度控制與成本控制進行集成，現有的研究已經十分廣泛.徐洪剛[2]等就從系統的角度, 利用集成控制論，將成本與進度集成控制；Teicholz[3]等以百分比分配概念，在成本分解結構(CBS)和工作分解結構(WBS)之間定義了一種映射機制.盡管傳統的進度-成本集成理論已經十分豐富，但是建設項目中的信息共享度低、共享慢而導致的進度延誤、成本超支的情況仍普遍存在.BIM技術作為信息化管理的工具為建設項目的管理提供了新思路.由于其能夠有效集成建設項目的進度信息和成本信息，有學者建立了5D-BIM進度-成本協同管理信息平臺[4]，借助平臺功能實現了兩者的集成.雖然，BIM技術的應用使得建設項目信息集成和協同共享度更高[5]，但是兩者的聯動性仍然不強，施工過程中度進度與成本信息缺乏有效的監控、反饋及預警.因此，若能在5D-BIM平臺基礎之上加入一個掙值分析管理模塊，利用掙值法生成的掙值曲線作為進度-成本的管控依據，將能有效提高項目管理效率.

對建設項目成本及進度信息進行掙值分析的核心就是將建設項目成本精確分配到各個計劃活動中.然而，由于不同工程的計劃活動相互關聯，在不同的計劃活動中的成本分配是十分復雜、耗時且容易出錯的[6].為了降低將成本分配復雜性，項目管理人員通常會設定里程碑任務，即通過將許多相關活動的成本相加來獲得與該里程碑任務相關的活動總成本，再利用里程碑節點開發掙值曲線.盡管這種簡化的方法可以節省時間，但是這種粗略的掙值曲線只能得到某個固定時間點的建設項目進度-成本信息，會降低建設項目的進度控制與成本控制的精度.因此，本研究利用Revit的一種搜索算法解決計劃活動中復雜的成本分配問題；并且開發改進的掙值績效計算軟件，生成掙值曲線、計算進度以及成本偏差，用于建設項目進度-成本動態協同管理.

根據以上研究思路，本文依據5D-BIM的概念建立進度-成本協同管理平臺，并加入掙值分析模塊；在此基礎上，利用Revit的一種搜索算法解決計劃活動中復雜的成本分配問題；最后，利用改進的掙值績效計算軟件生成掙值曲線，實現了建設項目進度-成本協同管理并進行實證分析，為解決建設項目進度-成本聯合管理問題提供方法支持.

1 基于BIM的進度-成本協同管理平臺分析

要將進度與成本進行協同管理，需將成本信息與進度信息進行集成，并進行兩者的監控、計算以及預警.因此，本文以常規BIM-5D平臺的概念為基礎，再加入掙值分析管理模塊，以實現建設項目進度-成本信息集成、監控和計算的協同管理平臺.

1.1 協同管理平臺架構

本文結合BIM技術構建建設項目施工階段進度-成本協同管理信息平臺，該平臺以廣聯達BIM-5D軟件為基礎，并結合計價軟件、Revit等對項目施工階段的成本以及進度進行集成管理，平臺架構如圖1所示.

平臺共有三個功能模塊：進度信息管理模塊、成本信息管理模塊以及掙值分析管理模塊.采用廣聯達BIM-5D軟件作為BIM服務器，通過建模軟件生成初始BIM模型，其他模塊功能如下:

(1)進度模塊主要功能包括：進度控制與進度分析.在施工準備階段進行施工模擬，提前對建設項目中可能遇見的施工問題進行預警.

(2)成本模塊主要功能包括：成本分析與成本核算.用于成本計劃編制，并提取相關計劃活動的工程量，為后續掙值計算提供數據輸入.

(3)掙值分析模塊主要功能包括：掙值計算和偏差檢測.用于將進度信息和將成本信息導入后，生成初始進度-成本信息模型；其次，通過掙值分析模塊對項目績效進行計算；最后，將分析結果反饋給平臺，管理人員依據分析結果調整成本及進度計劃.

1.2 進度-成本信息集成流程分析

在建立協同管理平臺后，將對整個進度-成本信息集成的關鍵步驟進行梳理，這是利用BIM進行施工階段進度-成本管控的必要前提，主要包括以下三個步驟：

(1)3D模型建立

BIM模型采用關聯性來描述建筑單元，以墻、窗、梁、柱等建筑構件而為基本對象, 并將建筑單元的各種真實屬性通過參數的形式進行模擬，進行相關數據信息描述[7].

(2)WBS分解及成本預算編制

WBS應把項目的控制范圍、任務、目標以及控制要求等，分解成可滿足要求的基礎工作單元.在完成項目WBS后，統計各規定各工程量的綜合單價，完成項目的成本預算編制.

(3)基于5D-BIM的進度-成本模型關聯

把項目的各個活動集合的持續時間、工程量以及費用進行定義以后，將每個集合賦予相應的WBS編碼，最后根據工程量清單與項目進度計劃之間的對應關系，建立項目進度信息和成本信息之間的聯系，如圖2所示.

圖2 基于5D-BIM的進度-成本模型關聯

1.3 掙值模塊分析

掙值分析是對建設項目進行進度-成本協同管理的核心環節.本平臺建立的掙值分析模塊的兩個功能由Autodesk Revit和本文開發的一個建設項目進度-成本目標偏差實時動態測算軟件來實現.前者的主要功能是對各個計劃活動進行成本分配；后者的主要功能則是對成本-信息數據進行計算和監控，以下對該模塊功能進行詳細介紹.

(1)掙值指標計算：利用BIM的一種搜索算法，完成計劃活動的成本分配后，從平臺將每個計劃活動工程量、預算單價等相關信息導出；整理后，再導入到開發的測算軟件中，軟件可以自動計算該建設項目某階段的掙值指標，并生成計劃工作預算費用(BCWS)、己完工作的實際費用(ACWP)、己完工作的預算費用(BCWP)三條掙值曲線，用以判斷項目當前的成本與進度狀況.

(2)偏差檢測：軟件生成掙值指標后，會自動與現階段項目的實際情況對比，將項目的進度偏差和成本偏差以進度績效(SPI)與成本績效(CPI)的形式表示.(SPI<1,進度落后；SPI>1,進度提前；CPI的判段與SPI類似).并且會根據當前的項目進度，計算按照此進度，項目的預計工期，用于項目管理者對建設項目進度的宏觀把控.

依據項目當前的進度狀況，在“項目績效判斷”區域的“進度判斷”判斷框內會顯示“進度提前”、“進度落后”或“進度持平”.同樣在“成本判斷”框內，會顯示“成本超支”、“成本節約”或者“成本持平”三種狀態.圖3顯示了軟件生成掙值指標的部分界面.

圖3 掙值績效界面

2 項目活動的成本分配與掙值曲線建立

對建設項目進行成本-進度協同管理的關鍵是將項目成本精確地分配給每個計劃活動，并利用掙值法計算各個掙值掙值指標，生成掙值曲線.本節說明將如何進行成本分配以及依據成本分配的結果建立掙值曲線.

2.1 計算活動成本

表1給出了成本估算表的部分內容，該表包括項目編碼、名稱、單位、數量、單價以及總費用.下面通過一個活動a“放置一樓橫梁/樓板的鋼筋”,來說明成本如何進行成本分配.

表1 成本估算表部分內容

假設完成活動a分別需要5 t 10以內Ⅲ級鋼筋和10 t 10以外Ⅲ級鋼筋，則活動a的總成本C即為兩個成本項目的總和：

C=5×4 560+10×4 209=270 090

(1)

實際上對于一個活動的成本計算的復雜度取決于其含有的相關成本項目的多少.當一個活動涉及到許多成本項目，同時計算多個不同活動的成本時，整個計算過程將變得十分復雜且容易出錯；并且，確定不同活動之間的成本分配將變得十分耗時.因此，若采用BIM技術對活動的成本項目進行提取，將大大減少計算時間并且提高準確率.

2.2 掙值曲線的建立

掙值曲線的建立是在進度曲線(S曲線)的基礎之上進一步延伸，因此本節先介紹S曲線建立過程，則掙值曲線地建立也可依據同樣的原理而得到.

2.2.1 S曲線的建立

進度曲線(S曲線)是累積進度隨時間變化的圖形表示，其縱坐標表示累積的項目進度(用已完成百分比表示)，橫坐標表示時間，一般用于控制建設項目的進度.衡量項目的進度通常采用加權的方法，即活動的百分比權重乘以活動的完成百分比.由于賦權的過程是相對主觀的，因此需計算相關計劃活動的成本，然后轉換為百分比(預算成本除以總成本)來確定項目進度.所以，必須在衡量進度時確定相關活動成本.以下說明如何建立一個S曲線.

圖4中包含三個項目活動，A1、A2和A3.假設每個活動的成本在活動的持續期間內均勻分配，則一項活動的每日費用，等于該活動的總費用C除以活動的持續時間t.那么，每日總費用是當天安排的活動的每日費用之和，即：

圖4 進度曲線

C=(C1/t1)+(C2/t2)+(C3/t3)

(2)

特定日期的累計成本則是從第一天到該天所有成本的總和.通過將累積成本除以項目總成本，累積成本也可以表示為累積百分比.最后，以累積成本的百分比為依據繪制，則可以得到相對于時間的進度曲線.

2.2.2 建立掙值曲線

掙值法通常用計劃工作的預算費用(BCWS)、已完成工作的預算費用(BCWP)、已完成工作的實際費用(ACWP)三個參數來表示建設項目的成本與進度的狀況.

(1)成本偏差Cv

Cv=BCWP-ACWP

(3)

CV<0,成本超支；CV<0,成本節約；CV=0,成本平衡；

(2)進度偏差Sv

Sv=BCWP-BCWS

(4)

SV<0進度落后；SV>0,進度提前；SV=0,進度平衡；

依據構建S曲線的原理，同樣可以用來繪制出掙值曲線；圖5為繪制的掙值曲線，由BCWS的定義可知，已建立的S曲線與BCWS曲線為同一條曲線.

由圖5可知，在活動A1結束時，圖中的SV<0,CV<0,故該時間點建設項目的進度落后，成本超支.如此，掙值曲線的建立將建設項目的進度控制與成本控制進行了有效集成，項目管理人員可以依據掙值曲線來判斷項目進度與成本的狀況，便達到了進度-成本協同管理的目的.

圖5 掙值曲線

3 協同管理方法

本研究提出了一種基于BIM技術來建立掙值曲線以達到建設項目進度-成本協同管理的方法.其主要步驟包括：(1)建立BIM模型，并將成本與進度信息進行集成；(2)采用開發的搜索算法提取相關項目活動的工程量；(3)計算活動成本；(4)利用開發的進度-成本動態軟件建立掙值曲線.因(1)已在本文第一節中進行介紹，故不再贅述.

3.1 BIM模型的信息參數設置

已經建立的BIM對象都可以與相關的成本項目相關聯，例如：鋼筋、混凝土等.每個BIM對象都應包含以下幾個設計參數：(1)幾何參數和附加設計參數：用于提取每個BIM對象中的工程量；(2)成本項目參數：用于識別與BIM對象相關的成本項目.

3.1.1 幾何參數和其他設計參數

幾何參數的數據用來進行BIM對象涉及到的成本項目的工程量計算，如：計算混凝土工程量可以從體積(體積=長×寬×高)進行計算；計算模板面積則可以從面積(面積=長×寬)進行計算.但是有些成本項目無法直接用設計參數計算，如：嵌入墻體內的鋼筋數量.此時可以用其他設計參數，如：鋼筋層之間的水平和垂直間距、鋼筋層的數量、鋼筋層的數量等；利用其他參數間接算出無法直接計算的成本項目.

3.1.2 成本項目參數

本文采用Navisworks軟件中Quantification模塊的目錄模板來創建BIM對象的唯一識別參數.其有項目目錄和資源目錄兩種管理資源，項目目錄依據國標清單，定義項目的WBS編碼及結構，以確定當前項目的分解形式；在資源目錄里根據定義項目的RBS(資源分解結構)編碼，以確定各構件的材料資源，如混凝土型號和鋼筋型號等.設置好后，將BIM對象與目錄中的名稱一一進行映射，避免由于構件參數設置不同造成的映射混亂.

3.2 利用搜索算法提取相關活動工程量

在進行搜索之前必須確定相關成本項目的搜索標準.本研究提出的搜索算法針對不同類型的計劃活動定義了各種搜索條件(按樓層，BIM對象，成本項目等).以活動a“放置一樓橫梁/樓板的鋼筋”為例來說明搜索步驟.活動a中涉及兩個BIM對象橫梁和樓板，且涉及到兩種鋼筋，則每種BIM對象的鋼筋工程量提取步驟如下：

(1)搜索“10以內Ⅲ級鋼筋”，搜索條件“一樓”，“橫梁”；

(2)設定數量計算公式，計算鋼筋的數量；

(3)對“橫梁”的另一個成本項目“10以外Ⅲ級鋼筋”重復步驟(1)，(2)；

(4)對另一個BIM對象“樓板”的成本項目“10以內Ⅲ級鋼筋”，重復步驟(1)，(2)；

(5)對“樓板”的另一個成本項目“10以外Ⅲ級鋼筋”，重復步驟(4)；

3.3 計算活動費用

將計算的成本項目的工程量整理并儲存到Excel文件中，以便后續計算每個活動的成本.本研究采用廣聯達計價軟件來進行計算.將Excel文件上傳到軟件后，檢索每個成本項目的單價，通過將“單價×工程量”的形式來計算其成本.最后，將所有成本項目匯總，得到每個活動的總費用.

3.4 建立掙值曲線

將軟件計算的活動成本輸出到Excel文件進行匯總整理；基于一項活動的成本在整個活動期間內均勻分配的假設，則活動的每日費用等于該費用除以活動時間.值得注意的是，這些活動成本為直接成本，所有活動的成本之和是一個項目的直接總成本[8].對于項目的間接成本，可以認為每個間接成本都可以與一個虛擬活動相關聯，則其在整個活動期間內均勻分配；也就是說，間接成本不影響掙值曲線的生成.

本研究開發了一個掙值績效計算軟件可以用來生成掙值曲線，并計算項目的進度偏差和績效偏差(軟件部分界面見圖6);將相關數據導入后，即可得到項目的掙值曲線.由于傳統的掙值法應用是基于項目完成總工程量分析計算得出的結果，沒有對關鍵線路上的工序進行單獨控制分析，存在一定的缺陷，不能夠反映項目的實際情況.因此，該軟件是基于改進的掙值法而開發.

圖6 軟件部分界面截圖

即對擬分析的施工過程中某一段計劃活動的進度-成本具體情況時，利用Project軟件識別其中的關鍵線路，并對關鍵線路上的活動的成本以及進度狀況運用掙值法進行計算.

4 實證分析

4.1 項目概況

選取某建設項目的土建工程作為研究對象展開分析，該建筑物長47.5 m，寬18.2 m，高9.1 m，研究區域包括：基礎層、首層、第二層以及屋面層.

4.2 進度-成本協同管理

將該項目中土方工程的相關數據導入到進度-成本聯合管理平臺中，對項目的2018年6月-2018年7月的數據進行分析，依據施工計劃進度安排，選擇關鍵線路上的四個觀測點.點1：6月23日；點2：6月26日；點3：6月30日；點4：7月3日.利用生成的掙值分析曲線圖(圖7)，能更直觀地了解項目的偏差情況.依據工程經驗，設置偏差閾值為a=5%,b=6%.(a和b分別指的是在進行進度績效(SPI)偏差計算和成本績效(CPI)偏差計算時，允許項目在偏差范圍內而不采取糾偏措施的最大閾值)

將相關信息從協同管理平臺的進度信息模塊以及成本信息模塊中提取并導入到掙值分析模塊中，經軟件處理后可以得到掙值指標以及掙值曲線圖，選取點1(2018年6月23日)進行分析：

表2 觀測點1的掙值指標

圖7 掙值指標分析

分析改進的掙值指標可得：

SPI*=0.80<1-a=0.95

(5)

1-b=0.94

(6)

SPI*表明該階段的進度滯后，成本持平，且需要采取糾偏措施加快項目進度.

項目管理者可根據平臺提供信息及時找出偏差原因，并修改施工計劃.實際情況表明，由于基坑開挖時，基坑質量未達到要求，因此導致返工，導致工期拖延，而此時成本并未超支.

若按照傳統的掙值法對建設項目成本-進度信息進行分析，經計算可得：

SPI=0.92<1-a=0.95

(7)

CPI=0.82<1-b=0.96

(8)

表明該階段的進度滯后，成本超支, 且需要同時采取糾偏措施加快項目進度，減少成本開支.

由上述結果可知，傳統的掙值法在此時面臨失效，會給項目決策者帶來錯誤的信息，使得決策失誤.若根據傳統掙值法的計算結果，項目管理者需采取多項措施，既要對成本也要對進度進行糾偏；但是，此時成本并沒有超支，對成本的糾偏措施造成了項目建設資源的浪費，降低了項目的管理效率，而本研究的模型更能符合項目實際情況，為決策提供有效支持，提高項目的管理效率.

5 結論

(1)本文依據掙值法開發的改進掙值績效計算軟件，用于生成掙值曲線以及成本進度判斷.該軟件功能可靠，計算高效，提高了建設項目的進度及成本控制的精度.

(2)基于活動和成本項目之間的關系，所提出的模型定義了在搜索算法中的應用的標準，精確識別要提取工程量的BIM對象，減少了工程量提取的時間，提高了成本分配的準確性.

(3)本文結合 Revit、Project、BIM-5D等軟件，在傳統的管控平臺之上加入了掙值模塊，提出了新的成本-進度協同管理平臺，并形成了有效的進度-成本協同管理方法.實證分析結果證明，該方法能對建造過程中的成本、進度信息起到良好的監控效果，提供更加直觀的決策信息，具有推廣價值.