DFC理念在建筑裝飾BIM中的應用研究

■劉國強，胡 穎，汪 霖，李萍萍

(江西財經大學藝術學院，江西南昌 330000）

隨著計算機的普及與應用，BIM技術憑借模擬施工、信息可視化、多專業協同[1]、全生命周期服務等優點，在建筑裝飾領域正迎來蓬勃發展與應用時期，逐步成為設計行業的主流工具，深受行業好評。DFC理念融入建筑裝飾設計中，是對建筑裝飾項目設計品質與成本管控的再一次提升，是現階段行業生產力與科技進步、管理創新、設計創新、市場需求、工藝材料等多方面交叉的產物。DFC理念主要從作業成本分析、參數化動態變量模塊應用、工程量統計等三個方面提升建筑裝飾設計效率，優化項目支出成本。現階段我國建筑裝飾BIM設計正處在快速發展的初期，主要以中大型項目的設計與施工階段為主，對建造生命周期成本控制意識較為淡薄。相較于國外的BIM應用，我國現階段BIM應用對于設計與成本優化比率普遍不積極，且目前還沒有針對建筑裝飾BIM的DFC理念融合研究，結合現有的建筑裝飾行業發展現狀與BIM技術的應用前景來看，建筑裝飾BIM想要堅持良性的可持續發展趨勢，必須借助和參與到DFC理念融合與研究。因此本文將從DFC理念發展歷程、建筑裝飾BIM的發展現狀以及DFC理念在建筑裝飾BIM中的應用等方面展開討論。以期能為建筑裝飾BIM的DFC理念融合研究提供理論基礎，為未來建筑裝飾BIM的創新優化提供思路。

1 DFC理念的發展歷程

20世紀末期，有學者在產品成本分析相關領域提出了DFC理念，即面向成本設計（Design For Cost），旨在通過對產品全生命周期中各個組成部分的成本分析與研究，在滿足用戶目的要求的前提下，通過設計上的調整，盡可能地降低產品綜合成本。目前國內關于DFC理念融合的研究主要集中在機械工程[2]、計算機軟件及應用、工業設計與企業經濟管理[3]等方面，其研究主題主要為面向成本設計、成本估算、并行工具與工業設計等方面，在近些年的演變過程中正逐漸向建筑、結構、成本優化[4]與EPC等行業熱點。例如程平等（2021），針對設計類項目的特點，以A研究院項目為例構建了基于主成分分析與層次聚類算法成本動因合并模型，以期降低設計類項目的作業成本計算復雜性[5]，對裝飾類項目具有一定的參考作用；黃建甌等（2020）對工程結構設計方案的全生命周期經濟評價的基礎上構建模型，并重新梳理設計施工對項目的各階段經濟成本影響，在實際項目中予以論證[6]；楊崴等（2021），在分析了建筑全生命周期流程以后，提出了基于參數化設計平臺的生命周期環境與經濟性能優化方法并予以論證，從而有效輔助設計師的決策[7]，從側面反映出DFC理念作為設計思維與建筑裝飾BIM技術融合的必要性。國外對DFC理念融合的研究要稍早一些，Minchul Lee（2019）將DFC理念融入某產品的全生命周期中，并進行成本估算，提出了分配制造部件的成本估算方法，未來在此基礎上對成本數據庫加以完善可以更好地計算設計成本[8]，進一步闡明了未來BIM的發展與綜合成本之間密不可分的關系，可以作為DFC理念融入的參考；Islam Atta等（2021）在前人的基礎上對材料的可持續發展評估體系進行革新，提出基于BIM的材料護照概念，以此完善材料全生命周期的BIM電子信息[9]，BIM技術作為裝飾類項目的必然趨勢，在可視化信息模型方面具體有不可比擬的優勢。在DFC理念融入到BIM模型，從而優化生產流程方面具有大量潛力；José Pedro Carvalho等（2021）將LCA和作業成本分析嫁接到BIM系統中，以通過數據反饋給決策人員做判斷成本的平臺依據[10]，該理念契合于DFC理念對項目管控平臺的搭建；Iban Retolaza（2021）在工業產品的生產中提出了一種以“設計－成本”為中心的框架，針對該產品全生命周期中的各個階段不同的特點屬性來選擇最佳屬性，從而探求設計與成本的最佳平衡狀態[11]，足見在建筑裝飾領域實施DFC理念融合的必要性。

縱觀DFC理念的研究主要有兩方面內容：一是探究設計決策流程與項目成本之間的辯證關系，二是在設計類項目的基礎上利用作業成本分析方法，探究降低項目成本的優化設計方法。鑒于國家對傳統行業數字化轉型的高度重視，而建筑裝飾BIM的發展受限于傳統營建方式和工藝生產的局限性，未來的發展方向必然是建筑裝飾BIM的項目成本優化與綜合管控平臺研發。而現階段還沒有針對DFC理念融合建筑裝飾BIM的研究，文章基于DFC角度探究借助設計手段合理優化項目成本的關鍵問題。

2 BIM技術的應用現狀

建筑信息模型(BIM) 是一種應用于建筑設計、施工[12]、運營、維護等全生命周期過程的信息化技術，通過信息化、數字化和參數化的方式建立、表達和呈現建筑工程模型，以期實現指導項目全生命周期歷程、優化工程項目資源、縮減工程開支、提升工程施工效率等目的。2016年，我國BIM市場規模僅40.5億元，而2020年，我國的BIM市場規模達119.1億元，其間年復合增長率為31%（圖1）。自從2011年我國政府首次將BIM技術納入十二五建筑業重點推廣技術，直至2022年國務院、住建部等部門連續推行的各項政策，建筑行業對BIM的需求將持續擴大。

■圖1 2016-2020年中國建筑信息模型(BIM)市場規模及增速

隨著科技的進步，BIM技術憑借其在模擬施工、信息可視化、多專業協同、指導施工、施工管理等方面獨特優勢，逐漸在建筑裝飾、結構、暖通、城市規劃等領域都有不同程度的發展[13]。但由于各個專業都具有其獨特性，且BIM作為工具性技術，僅能輔助設計師進行設計決策，缺乏思維性引導，所以BIM技術在各專業的實際應用情況中都兼具利弊。因此想要發揮BIM技術在專業設計施工領域的最大效果，還需要結合各專業實際情況做具體的優化調整。

2.1 BIM技術在建筑裝飾領域的應用

在室內設計中，BIM技術也展示了它的優勢所在[14]。尤其是在裝飾材料信息可視化、多專業協同作業、模擬施工等方面。例如在裝飾材料信息可視化方面，在建筑裝飾BIM模型中每一個體塊、材料、面、線都應該有與之相對應的信息屬性，該信息屬性應囊括材料種類、材料名稱、清單量、施工工藝工法、人工成本費用、加工費用、運輸費用、材料進場時間、使用維護方式、生產周期與廠家資料信息等等，該模型代表的全生命周期中所需的各種信息屬性。我們通過建筑裝飾BIM模型獲得可靠、完整的數據，可以獲得準確的成本預算。基于BIM的成本數據庫，使數據更加的快速和準確，可以進行多維度（時間、空間、WBS）的匯總分析，成本控制能力大大提升。盡管BIM技術在建筑裝飾領域應用中具有諸多優勢，但是在其實際應用過程中仍存在諸多項目現場物料生產、安裝、裝飾材料施工工藝等方面的問題。例如現有的BIM技術僅是作為設計師的輔助設計工具，缺乏對現場材料應用與工藝的靈活把控；現有的BIM裝飾模型較為依靠建筑圖紙與模型，面對項目現場存在的既定誤差沒法靈活適用；現有的BIM材料工程量僅是依靠初始模型數據進行導出，對現場因尺寸、工藝等外在因素影響產生的不可控物料損耗，不能全面的統計。

隨著建筑裝飾BIM的普及與發展，為了更好地控制設計成本與效果、滿足市場需求，越來越多的設計管理經驗、工程管理經驗、科學設備與智能化輔助工具正逐漸推動建筑裝飾BIM的快速進步，向建筑裝飾行業數字化轉型。

3 建筑裝飾BIM的DFC設計創新

經過調查與研究，發現盡管現在設計師都具有一定程度的通過設計控制項目的思想意識，但是還沒有系統地針對建筑裝飾BIM的DFC理念融合的相關研究。因此本文在案例分析法的基礎上結合建筑裝飾BIM與DFC理念分別從作業成本分析、參數化動態變量模塊與工程量統計三個方面來闡述建筑裝飾BIM的DFC設計創新，對揭示設計與項目成本規律有重要意義，為今后建筑裝飾行業數字化轉型提供思路。

3.1 作業成本分析在建筑裝飾BIM中的應用

作業成本分析是DFC的重要組成部分之一，其主要是通過對研究對象的全生命周期建造流程進行梳理，分析其各階段生產成本的附加成本原因。從設計建造的成本變化反饋來調整設計中相應的設計方案，根據各個階段的生產特性來選擇該階段最佳的優化設計選項。在保證其滿足社會與市場需求的前提下，借助作業成本分析來調整設計方案，以最小的成本實現最佳的設計效果。

從美國HOK建筑師事務所麥克斯利米提出的麥克斯利米曲線（圖2）中不難看出，BIM技術輔助建筑裝飾設計項目，相較于傳統的設計—施工模式而言，項目的綜合成本有明顯優化效果。同時，BIM技術在建筑裝飾領域的應用可以有效降低設計整改的成本費用，提升設計整改的項目影響力。

■圖2 麥克斯利米曲線

通過文章舉例的某酒店樣板間項目（圖3、表1），我們仍能發現傳統設計——建造模式的成本主要集中在設計、施工、驗收三個階段。而成本占比最高的施工階段中的物料運輸、物料進場、物料現場加工、物料安裝損耗等等都是有待優化的環節。因此可以借助DFC面向成本的設計思想，從成本分析中找到可以優化的關鍵點，利用設計思維的手段在設計階段優化成本。例如物料的預制尺寸不合適、運輸、現場加工浪費、進場順序、安裝尺寸不合適等等，都是可以通過DFC理念的作業成本分析發現問題，在設計之初進行考慮，借助BIM技術的模型參數進行物料設計，在工廠下單批量制造，降低現場加工和安裝成本，同時利用項目綜合管理平臺，合理掌握時間與場地信息，減少不必要支出。

■圖3 某酒店樣板間建筑裝飾BIM工作流程

表1 某酒店樣板間建筑裝飾數據

由圖4中可以看出在建筑裝飾項目的所有子項目中，傳統方式的側重點在施工階段，傳統方式中設計占項目總額的20%左右，施工部分約為40%左右。在對所有項目進行數據橫向對比以后，從圖5可以更直觀地發現傳統預算在實際實施中在模型返修、物料預制、物料安裝、和物料運輸等方面發生成本額外溢出的情況較多。以此為對照組，對現有項目利用DFC設計理念進行BIM技術優化，可以更好地深入優化項目作業成本分析體系 ，從而綜合降低項目成本損耗，提高綜合效率。

■圖4 某酒店樣板間建筑裝飾工程階段造價占比圖

■圖5 某酒店樣板間建筑裝飾工程各階段造價明細占比圖

由圖6至圖7可以看出，經過DFC理念融合BIM設計的項目成本呈現由設計階段向驗收階段逐步遞減的趨勢，項目成本主要集中在深化設計、項目模型返修與項目施工階段，由于DFC理念的接入，項目著重以BIM技術為推手進行作業成本分析優化，極大地減少了現場加工、物料安裝、物料運輸等成本溢出環節。同時依托完整的BIM作業流程，極大降低了驗收階段數據整理成本，該項目綜合成本降低約30%，同時DFC理念面向成本設計的思想優化后的BIM模型更貼合于麥克斯利米曲線，從側面反映出DFC理念引導下的建筑裝飾作業成本分析對項目成本綜合優化具有實質性的效果。

■圖6 某酒店樣板間建筑裝飾工程各階段造價明細圖

■圖7 某酒店樣板間建筑裝飾工程階段造價圖

作業成本分析法旨在通過對項目建造全生命周期流程的梳理，分析其建造階段的不同環節產生的相應成本，對成本產生的原因進行分析，進而通過設計手段或者流程優化手段進行成本優化，幫助其選擇各個階段最適合的設計方式與時間節點，從而在滿足社會需要的前提下盡可能合理優化項目成本。因此，在今后的DFC理念研究發展中會更多地進行項目成本構成的細化分析，借助設計經驗、管理經驗、技術進步與工藝優化等手段建立逐步健全的建筑裝飾BIM項目建造體系。

3.2 參數化動態變量模塊在建筑裝飾BIM中的應用

眾所周知，物料是項目成本的主要構成部分。設計師在設計之初往往采用標準化的物料模塊[15]，以便在工廠端進行大批量下單預制來降低物料的綜合成本，然而在實際建筑現場由于工人施工存在大量的不確定性，實際建筑尺寸不可能和建筑圖紙尺寸完全一致，往往會存在多個允許范圍外的尺寸誤差。由此頻繁引發預制物料需要到現場根據建筑實際尺寸進行設計整改與物料二次加工的情況，一方面設計整改的繁瑣流程費時費力，增加了工程周期；另一方面，二次加工時產生大量的物料浪費情況，極大削弱了預制物料模塊的經濟成本。由此，越來越多的項目開始探索模型參數化設計在BIM設計中的應用（圖8），以便快速根據現場實際情況來修改設計方案[16]。

■圖8 參數化動態變量模塊工作流程

參數化動態變量模塊是DFC理念在建筑裝飾BIM中實踐的重要步驟之一。借助DFC作業成本分析實踐，在設計階段就充分考慮到建筑尺寸誤差問題，進而對模塊采取可變量的設計方案。該動態變量空間具有普適性和度量余地，在接到現場實際誤差較大反饋后可以根據現有物料庫中的標準物料在BIM模型中進行物料模型參數化的二次設計，以達到既可以快速更正設計以符合施工中存在的既定誤差，又可以減少定制裝飾構件的時間與人工時間成本。文章繼續以該酒店樣板間為例，梳理項目中存在的可以適用于參數化設計的建筑裝飾項目內容（表2）。

表2 適用于參數化的建筑裝飾項目內容

如圖9所示，在該樣板間項目中施工人員在實際現場施工過程中校對現場與圖紙尺寸時發現實際凈高比模型少100毫米。有別于傳統設計師接到設計整改單后需要到現場觀察具體情況后，返回設計院修改圖紙、出圖、審批簽字最后下發給施工方的繁瑣流程。在DFC理念支持下的BIM工作中，工人可以根據參數化動態變量模塊工作流程（圖8），施工人員在發現誤差后隨即在現場即時平臺進行問題反饋、闡述設計問題并拍照上傳。設計師在綜合項目進度平臺中看到問題后，隨即在云端調取模型進行參數化修改，生成設計整改節點并通知該段相關專業設計師與施工員（圖10）。有效節約整改時間、提升施工效率、節約物料損耗的同時，模型自動調整物料工程量統計，優化項目管理成本。

■圖9 參數化動態變量模塊工作案例示范

■圖10 動態變量模塊調整單個模塊的標準尺寸

■圖11 項目綜合管理平臺

■圖12 DFC理念融合建筑裝飾BIM對三方的作用

參數化動態變量模塊是實現項目成本綜合優化的一個重要組成部分，依托BIM平臺構建一個設計師與現場工人的即時交流平臺，針對現場出現的問題通過參數化的設計方式解決，充分利用項目中所使用的標準化模塊，以不同種類的標準模塊通過設計的方式進行組合使用來滿足不同的需求、適應現場情況。BIM技術輔助的參數化設計免去人工反復嘗試演算的工作，系統可以根據尺寸數據的變化通過模塊尺寸自行生成模型的同時，自動增減物料的實際使用，使導出的物料清單更精準。

3.3 模型工程量統計在建筑裝飾BIM中的應用

模型工程量統計是建筑裝飾信息模型（BIM）的精髓，關于模型工程量信息屬性的賦予分為兩種類型，一種是可建模的模型信息屬性，一種是不可建模的模型信息屬性。傳統建筑裝飾BIM項目在建模時往往統計模型所能反映的實際數量，忽略了一些不滿足建模條件的信息模塊，但是建筑裝飾項目中往往存在很多如膩子、防水層等無法建模的零散工程，而它們恰恰是建筑裝飾工程全生命周期成本估算的重要組成部分。盡管在統計工程量時會利用造價信息中一些特征描述的方法統計工程造價，但是忽略了這些對于空間工程量的統計影響。相較于傳統工程依據圖紙計算工程材料用量的辦法，BIM技術帶來了巨大的革新，但是在使用中也逐漸暴露其問題，例如未計算損耗、部分物料需二次加工、沒有結合現場實際情況等等。在此基礎上利用結合DFC理念，通過結合傳統計算經驗，在BIM模型的基礎上附加其他不可建模材料的信息屬性并計算工程量（表2）。

在某酒店樣板間項目中進行了傳統方式算量（A）、DFC結合BIM算量（B）兩種方式，分別與項目落地實際用量（C）進行對比。通過計算A、B兩種方式與C的離方差來檢驗數據的平均偏離標準值的程度，從而證實DFC結合BIM算量的方式要可靠于傳統方式（表3）。

表3 DFC結合BIM算量與傳統方式算量在實際中的應用對比

其中序號對應的數值為n，S為每個項目中子項目的和，P為該子項目在項目綜合中所占的比率，Q為每個子項目的離平方差，SD為每個子項目的離差，E為每個項目的子項目離差和，F為A和B的效率差，由此可以得出以下公式。

根據上述數據不難看出，在不計算其他情況下采用DFC結合BIM算量方式比傳統方式在用量準確度中有近80%明顯提升。相較于傳統的僅依靠BIM模型導出物料數據的方式，DFC理念更注重于用設計解決問題，通過作業成本分析與參數化動態模塊的應用，讓模型數據處于一個人性化的容錯階段，更貼近于現實工程實際情況。

3.4 DFC理念融合在建筑裝飾BIM中的應用－－項目綜合管理平臺的搭建

項目管理的實質是對項目工程所反饋的數據進行集中管理，如何及時準確地從項目中獲得數據反饋是項目綜合管理平臺搭建的核心。因此提出基于DFC理念在建筑裝飾BIM中實際施工的項目動態管理平臺機制，基于BIM的三維模型快速統計模型中存在的物料信息，通過清單量導出結合物料綜合成本與合同計劃量進行數據對比。結合現有施工物料消耗情況可以查看項目施工物料消耗量有無超標，進貨分包單價有無失控等等問題，依托項目動態管理平臺透明信息機制，實現對項目成本風險的有效管控[17]。

該平臺主要針對使用者分為幾個不同部分，即委托方、設計方、施工方三大板塊。平臺采用多方參與的云協同設計模式，工人可以根據模型結合精細化BIM施工圖，并運用先進的檢測工具點云掃描、機器人放線進行精確定位。改變傳統的人工放線，提高效率，提高精度。設計方可以對施工的重難點部位生成工序動畫，工人可以掃描現場二維碼，觀看工序及三維節點模型，對照現場指導施工。施工方可以根據各自工作部分都可在項目動態管理平臺中做記錄，有疑問也可以在模型中標注提出，系統會及時以短信形式通知該項目設計負責人。委托方則可以基于全局的統籌項目進度，提出優化建議。依托上述平臺，各方可以在平臺中隨時隨地查看各專業設計平面圖紙及可視化三維模型、材料供給信息、施工進度、合同管理、專業負責成員等項目有關信息。

3.5 DFC理念融合對建筑裝飾BIM的意義

將DFC理念融入到建筑裝飾BIM的設計與應用中去，對于設計方、施工方、委托方這三方都有不可或缺的作用。對于設計方來說，DFC理念中面向成本設計思想的融入彌補了BIM技術僅僅作為一門輔助設計工具，缺乏設計方法引導的被動局面，同時還能在滿足社會需求的基礎上減少后期調整設計所增加的投入，進而提升設計效率；對施工方而言，DFC理念中的參數化動態變量模塊設計與工程量統計思想，對項目物料使用量有更為精確的把握，同時依托作業成本分析法，優化項目流程、降低施工成本、提高施工效率；對于委托方而言，DFC融入建筑裝飾BIM可以在較好地滿足自身需求的前提下降低項目的綜合成本，節約項目建設全周期[18]。

回顧DFC理念融入建筑裝飾BIM的過程大致可以分為從理論植入到項目實踐兩個部分。以面向成本設計為理論主旨，時刻提醒項目設計應在滿足需求的前提下盡可能降低項目的綜合成本。以作業成本分析法梳理項目產生成本損耗與浪費的關鍵環節，究其原因后通過調整設計方案來優化流程，減少不必要的成本支出，進而優化項目支出成本。其二，以參數化動態變量模塊作為設計手段之一，通過設計師的巧妙構思讓模塊適用于建筑現場多變的情況，極大地減少了設計整改的繁瑣流程。同時，參數化動態變量模塊化的應用在滿足設計需求保證效果的前提下，盡可能地壓縮物料的預制與安裝成本。其三，利用BIM技術優秀的模型信息功能可以將建筑裝飾模塊的信息賦予模型，可以輕松查看該物料的所有信息屬性，并結合工程造價的常用知識將成本信息附在模型上，以此來計算不可建模的材料及成本。以此三者踐行DFC融入建筑裝飾BIM的實際行動中，極大地優化了建筑裝飾BIM的應用環境。

4 結語

DFC理念從作業成本分析、參數化動態變量模塊、模型工程量統計三個方面來分別輔助設計方、施工方、委托方，探索建筑裝飾BIM項目綜合成本的優化與管控。以設計為主要整改措施，實現設計方案及生產流程的優化來降低綜合項目成本。但隨著BIM技術的不斷發展與建筑裝飾工程管理行業的管理經驗、設計創新、工藝材料等多方面的發展與創新，未來的DFC理念將更側重于項目管控平臺的搭建，如何協調多方在項目管理平臺中合理調整設計與把控工程進展，其研究與實踐必有更大的價值與應用前景。