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施工自动化
基于工程估算的BIM设计建模指南调查，
安德烈·蒙泰罗，若昂·马丁斯
葡萄牙波尔图大学工程学院
文章资讯
文章历史：
2013年5月16日
2013年6月14日在线提供
关键字：
工程估算
测量
建模指南
摘要
虽然基于自动建筑信息模型（BIM）的工程估算是BIM潜在最重要和最有利可图的应用之一，但当工程估算是其主要用途时，BIM模型如何响应仍然普遍未得到充分发现。 本文通过一个案例研究探讨了这一主题，该案例研究了解了工程估算的BIM输入/输出动态，在现有的工程估算规范的约束下检查了模型行为，并详细说明了允许用户根据当前规范提取数量的建模指南。 作者得出结论，尽管可以根据现有的基于手动测量的规范来调整模型以提取数量，但调整在其他模型应用（例如可视化或绘图）中并非没有影响。 因此，应该修改估算规范，以便考虑BIM的特征，从而最大限度地减少其局限性。
1.简介
1.1施工中的工程估算
工程估算是施工过程中的关键任务之一，因为它是其他几项任务的基础:测量建筑元素，然后使用这些数量来估算其成本和相关工作量。数量估算可以是建筑物原理图或现场工作的测量结果。这些信息汇集到在传统上称为工程量清单的地方。这种类型的文件根据施工任务和尊重实际施工顺序，组织和组织有关测量，生产率和成本的信息。
在整个施工过程中应用工程估算[12]。在早期阶段，它为项目的初步成本估算提供了基础;在招标阶段，它用于协助估算项目的建设活动的成本和持续时间;在施工阶段之前，它用于预测和规划施工活动;在施工阶段，它用于项目的经济控制。准确的数量估算对承包商财务的经济平衡具有决定性作用，因为它是实现对特定项目的生产率和不同类型成本进行全面分析的唯一途径。
传统上，工程估算是一个手动过程，涉及测量不同的设计元素，即楼层平面图，电梯，横截面和其他类似文件。由于它基于人类解释，因此这种方法非常容易出错。此外，基于2D的文档，无论是手工设计还是借助CAD工具设计，都容易出错。 2D文档是基于手动过程开发的其他2D文档设计的;因此，错误的输入和解释是非常常见的，因为很难处理复杂的情况，特别是各种建筑元素之间的连接（例如梁，柱，墙和板的连接的横截面）。一个2D框架。更复杂的是协调不同的项目专业，同时避免不同元素之间的冲突，所有这些都使得2D文档的手动生成更加困难。当手动执行工程估算时，基于也是手动设计的2D文档，可能会发生级联错误。
用于组织测量的分类系统是另一个主要问题。许多实践使用不同的系统，因此从业者经常难以对彼此的文档进行映射，因为元素或测量是以不同的方式定义的。缺乏官方标准是造成这种情况的主要原因之一。许多国家，包括葡萄牙，也没有国家官方标准的分类系统或工程估算规则。
1.2基于BIM的方法
提高建筑，工程和建筑（AEC）行业的自动化水平一直是过去30年来的一个主要问题，特别是在学术界。提出了不同的解释，因为技术界没有在同样程度上分享这种担忧，其决定性因素是这种创新的风险---收益比通常被认为是中长期的。这是大多数实践中出于预算原因不希望或不能采用的东西[9,44,45]。
建筑自动化通常与建筑技术或信息管理相关。关于第二个领域的自动化主要围绕软件进行。目前，软件是AEC办公室的关键资源，用于工程计算，建筑和项目管理，规划和控制，以及生成各种类型的AEC相关文档，包括建筑设计及其规格。建筑信息模型（BIM）是一种基于建筑虚拟模型的设计和信息管理方法，支持AEC行业可用的一些最有前途的软件类型。 BIM是大部分项目信息的集中机制，它是一种高度自动化的工具，输入自动附加到模型上，信息自动生成[42]。
通过BIM使用可以实现自动化的最有用的任务之一是工程估算（QTO）。基于BIM的模型是由特定属性定义的对象的集合，其中一些属性是元素的几何属性。大多数BIM工具包含使用元素的几何属性执行计算的例程，并以文本形式提供区域和体积等空间量。据报道，基于BIM的QTO可以提供更简单，更详细和准确的项目成本估算，减少时间和费用[51]，虽然它也是一个棘手的功能，它往往只供专家使用[35] 。
虽然能够提供QTO表，但流行的BIM工具无法操纵该数据。这通常用其他类型的软件完成[43]。信息通常以两种方式之一在BIM和成本估算软件之间交换：1）两个系统使用相同的专有格式进行产品数据定义，并且交换顺利进行而不会丢失数据; 2）系统使用不同的专有格式，交换是通过将数据转换为第三种通用格式（通常是工业基础类（IFC））来完成的。
IFC [7]是用于AEC数据的定义，分类和组织的临时标准数据结构，尽管提供了广泛的应用，却无法为数据的交换提供无损保障[ 29,31]。
1.3 背景审查
专注于基于BIM的QTO的报告很少，这很可能是该特性使用不足的结果。另一方面，由于很少有估算应用程序能够直接使用BIM数量，同时提供平稳的性能和准确的估计，因此该功能往往被忽视。同时，缺乏设计测量的全球标准规则也导致了这种情况;业主，设计师和承包商倾向于根据其专有标准和框架的规范制定自己的内部规则，因此，不是分享知识，而是出于竞争原因对其进行分类。当BIM进入市场时，这种趋势得到了加强，因为对于通过BIM掌握QTO和成本估算流程的人来说，这方面的普遍缺乏技术诀窍给予了相当大的优势。
通常，基于BIM的QTO是分配给BIM专家的任务;它需要全面了解应用程序的输入输出动态，因为根据所需的规范提取信息取决于元素的建模方式和参数化参数[43]。这并不意味着采用BIM工具会使估算器变得无用。仍然需要一个良好的估算系统来对从模型中提取的数据进行定价，方法是将其与材料，设备和劳动力成本相关联。此外，诸如场地条件，一般要求，间接成本和成本/效益分析等无形资产只能由估算人员加入[11]。一些数量如挖掘，钢筋，模板和回填不能直接从BIM模型中提取，但这些非自动测量是否足以证明数量测量员的存在或者他的任务是否更好地被BIM吸收是有争议的。数量提取器。
Firat等人。 [14]介绍了基于BIM的QTO应用的两个案例研究。两者都记录了使用BIM数量的各种应用的性能，包括结构分析，施工管理和规划的应用。
关于开发和改进基于CAD或BIM的成本估算的努力包括：关于基于CAD的设计与计划和成本数据的整合的工业案例研究[49];研究神经网络方法在建筑设计过程早期阶段的成本估算问题中的应用[39];使用交互式自动化算法的结构骨架成本估算的概念方法[23];基于BIM的建筑成本估算软件的框架设计[32];对商业上可获得的基于BIM的成本估算软件的比较研究，以及对建筑公司采用此类软件所引起的工作实践和工作流程变化的调查[16];和基于多属性的工具，用于评估原理图BIM模型的早期多级成本估算[8]。一些案例研究报告了基于BIM的成本估算结果[10,34,36,55]。
大多数BIM工具都能够执行QTO，但这些应用程序往往缺乏执行成本估算的功能，这通常使用不同的软件来完成。具有基于BIM的QTO的成本估算软件处理整个模型，而不仅仅是量化。通常通过IFC确保BIM与成本估算应用之间的相互作用。国际金融公司近年来一直是主要用于BIM应用的交换格式，但由于每个进出口流程都存在信息丢失，因此不能完美运行，这可能导致错误的结果，最终，错误的数量和估计[56]。
目前，通过创建建模和估算方法解决了这类问题，这些方法为建筑师，工程师和承包商提供了如何设计，如何交换数据以及如何从模型中提取数量的指导。这些方法可以直接应用于模型或信息管理框架。第一种方法的一个例子是专门为QTO建造室内设计的特征模型[25]。第二种方法通常是通过以规范，标准或最佳实践指南包的形式定义适当信息流所需的所有配置来全面解决问题。芬兰参议院财产：BIM要求[27]可能是目前可用的这种方法的最佳文献。 9卷系列文件涵盖了主要的AEC项目领域，涵盖了BIM生命周期中最重要的步骤。第7卷[26]详细定义了接近QTO过程所需的所有步骤，从设计到测量。
国际金融公司已经在几个方面对基于BIM的QTO进行了研究，其性能记录在不同的部分应用中，例如基于IFC网络的协作建设计算机环境。
1.4 SIGABIM项目
SIGABIM是一个研究项目，旨在通过创建在受控环境中测试的方法来实现BIM工具的生命周期应用和实施。 SIGABIM旨在通过将现有BIM知识与葡萄牙规范相适应，为葡萄牙的BIM实施做出贡献。 SIGABIM是波尔图大学（最大的葡萄牙承包商--Mota-Engil Engenharia）和建筑办公室 - ARQUIFAM的共同努力。
Graphisoft的ArchiCAD [21]是BIM设计的主要使用工具。 Vico Software [53]是一家提供技术支持的外部研究合作伙伴;由于Vico希望改进其工具，因此非常愿意接受AEC行业的直接反馈。项目中使用的Vico工具包括Vico Control for Line of Balance施工规划和Vico Office，用于成本估算和施工管理。 Uniformat II [40]是该项目采用的分类系统。
本文提出的研究是SIGABIM重新搜索项目的一部分。已经分享了初步调查结果和一些已经开发的方法[38]。本文报告的研究中最切实的结果是一组表格，其中包含使用ArchiCAD进行基于BIM的QTO的建模和测量说明。这些表是SIGABIM内部开发的一系列文件的一部分。总的来说，这些文件构成了BIM标准，BIM应用的框架 - 见图1。
本文中提出的调查范围很窄。这次尝试不是针对不同的BIM应用进行基于BIM的数量估算的市场研究，而是关于如何展示最缺乏开发但同时具有潜在盈利能力的基于BIM的功能之一有几个局限性。该文章还提出了从用户 - 特别是承包商 - 的角度解决这些缺点的方法。
2.工程估算 - 概念
2.1相关任务 - 基于手动的方法中的问题
QTO本身并不是目的。这是一项功能，在成本估算，施工规划或招标等重要任务之前 - 参见图2. QTO由数量测量员执行，他们根据二维图纸确定材料的必要数量，并在工程量清单中对其进行组织。 。这些数量后来与材料，劳动力和时间限制的单位成本相关，以预测项目成本[43]，即对项目进行成本估算。出于竞争目的，数量估算和成本估算的效率和准确性对承包商来说都非常重要，因为他们使用这些估算来评估最经济的方式来接近项目，从而增加他们的利润[57]。此外，项目成本估算还可以提供生产率，可行性分析，财务要求和审批，预算，投标和奖励，保修，维护和运营成本的指标[12]。
传统上，即使使用2D或3D CAD工具，QTO过程也是手动执行的。这意味着测量每个元素的是用户而不是软件。许多研究讨论了基于CAD的设计的缺点[1,2,10,20,22,28,30];一些最重要的缺点是：a）检测冲突的问题，b）错误或遗漏; c）复杂情况的表示，例如许多元素之间的交叉点; d）确定级联问题。手动测量项目本身就容易出错，因为：
1.任何手动过程都会出现人为错误;即使修改了测量结果，仍然无法保证它们是正确的;
2.基于手动的测量很多都是针对人类的解释，对于不太详细的QTO规范，这可能会恶化。即使不是这种情况，最终还是由数量测量员来解释和确定项目中的内容与规范中定义的标准相对应;
3.设计人员方面的数量测量师可能与承包商方的数量测量师没有相同的项目愿景，因此即使他们遵循相同的规范，也可能达到不同的数量;
4.数量测量师通常不如建筑师或工程师合格，这意味着他可能对最终的设计错误不太敏感。即使不是他的责任，仍然可能导致错误的量化。
结合2D测量和2D设计的负面影响加剧了在项目的各个阶段发生的级联错误和遗漏的可能性，这可能最终导致错误的成本估算，并对预算产生不希望的后果。
QTO也用于施工阶段的经济控制。通常，经济控制基于月度测量报告，该报告汇编了现场测量结果。这些往往缺乏细节，而不是确定精确的工作量，不同的利益相关者倾向于就完成的工作的百分比达成一致。 “同意”是关键字，因为需要达成共识以从现场表示的不同实体的各种解释中设定最终百分比。因此，传统过程容易产生冲突，因为现场测量没有系统更新和集中参考，而且QTO程序通常没有详细定义。
2.2基于BIM的自动工程估算
2.2.1关键原则
自动QTO是一种消除测量过程中许多负面影响的方法。目前，BIM可能是自动交配QTO的最佳方式[43]。 QTO是大多数BIM工具中的预定义功能。 BIM遵循面向对象的参数化建模方法[30,50]，简而言之，该模型是构成建筑物的不同元素的集合。每个元素都有自己独特的配置，这些配置以属性的形式添加到模型中。该模型可以使用它们来管理和调节不同元素之间的交互和约束。模型体系结构允许BIM应用程序运行多个例程，用于自动提取视觉信息，例如楼层平面图，立面图，2D和3D剖面图，详细剖面图，渲染图和基于文本的信息，包括数量，空间配置值，模型分析和模拟结果。
估算过程不是完全自动的。基于BIM的工程估算并不能提供创建成本估算和工程量清单所需的所有必要数据。实际上，总是有必要评估从模型中提取的数据是否提供了实际建筑物的准确表示。根据框架，由测量员或估算人员来解决这些问题并通过手动输入填补空白[6,57]。随着项目的发展和更多细节的增加，基于BIM数量更新成本估算变得越来越困难。更多细节意味着模型元素和成本项之间的更多元素，更多属性以及更多链接，关系和约束[47]。因此，为每个阶段定义细节级别（LOD）是保证仅输入严格必要数据的好方法。添加更多细节可以获得更准确和可靠的成本估算
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