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Project Time and Cost Control Using Building Information Modeling
Dalu ZHANG1 and Zhili GAO2
1Postgraduate, Department of Construction Management and Engineering, North Dakota State University, Dept. 2475, P.O. Box 6050, Fargo, ND 58108, Email: dalu.zhang@ndsu.edu
2Associate Professor, Department of Construction Management and Engineering, North Dakota State University, Dept. 2475, P.O. Box 6050, Fargo, ND 58108, PH (701) 231-8857, FAX (701) 231-7431, Email: jerry.gao@ndsu.edu
ABSTRACT
Although it has been evolving for centuries and researchers have dedicated themselves to seeking innovative solutions for decades, the construction industry still faces diverse challenges in making effective decisions to promote faster, safer, cheaper and more accurate construction processes. However, nowadays it is widely believed that the emergence of Building Information Modeling (BIM) can lead to greater efficiency through incremental collaboration. The data in BIM models is very useful and can be analyzed to optimize the design, planning and construction processes. However, since BIM increases the project design cost and requires a steep learning curve; owners, designers, and contractors are concerned about the cost of projects. The increased cost may limit the use of BIM in construction projects.
This study used a case study to depict how the use of BIM techniques can help reduce project costs and optimize project schedule benefiting all the stakeholders of a construction project. The analysis of project cost and time control is on a full project life cycle cost instead of just construction cost. The research concludes with recommendations for the future use of BIM as a project control tool.
INTRODUCTION
The Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry is the largest industry in the U.S, and is even one of the largest in the world accounting for one-tenth of the worldrsquo;s gross domestic product (GDP) (Murie 2007). But it is also known as a low-tech and low-efficiency industry (Gallaher et al. 2004). One of the purposes for people delivering construction projects is to achieve financial targets, but there is nothing one can do to guarantee a profit is going to be made. A successful project should meet not only quality output standards, but also time and budget objectives (Baccarini 1999). However, project-based businesses have to go through a variety of challenges. While these challenges vary depending on the projects involved, all endeavors strive to complete the projects within time and budget. Westhuizen also stated that lsquo;within timersquo;, lsquo;within budgetrsquo; and lsquo;according to requirementsrsquo; are three main objectives to complete a project successfully (Van der
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Westhuizen and Fitzgerald 2005). In the history of construction, numerous large construction projects have been plagued by cost overruns and schedule delays. A comprehensive study of cost overrun reported that almost 90% of public works projects had problems of cost overruns (Flyvbjerg et al. 2002). The main barriers to overcome are the uncertainties in the project environment. Project management, such as planning, scheduling, and estimating, is believed to be an effective approach to forecast the contingencies, which furthermore can improve project and company profitability. Especially, effective project time and cost control is the key to make construction projects successful.
Time and cost control in a construction project has been one of the most important issues in construction since the advent of the construction industry. Various factors are involved in the uncertainty of project development. A lot of efforts have been made to integrate schedule and cost in construction projects, leading to the development of various integration methods and models in several studies. However, it is very common that projects are seldom completed on time (Nassar et al. 2005). Currently, a number of tools regarding time control have been developed, some of which differ for their functions, and some are only designed for certain projects (Harmelink and Yamin, 2001). Regarding project cost control, the AEC industry have put a lot of efforts to develop techniques considering only quantitative factors, but ignoring the qualitative factors such as “client priority on construction time, contractorrsquo;s planning capability, procurement methods and market conditions including level of construction activity” (Elchaig et al. 2005). Therefore, researchers still need to further investigate to develop a more integrated tool to unify the standards.
PROBLEM STATEMENT
The AEC industry consists of many separate layers, and the information a construction project contains is tremendous. As stated above, project time and cost are the two main elements that concern all stakeholders. They are vital to a project, and can be the basic foundation for decision-making, collaboration, procurement, etc. The accuracy of the information source determines where the project goes. Cost control usually starts with quantification, which is a time-consuming and high-pressure process. Traditionally, this process is mostly completed manually with high possibility of human errors. The problem becomes worse when preparing estimates for large and complex projects. Problems assoc
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利用建筑信息建模的项目时间和成本控制
Dalu ZHANG1 and Zhili GAO2
1Postgraduate, Department of Construction Management and Engineering, North Dakota State University, Dept. 2475, P.O. Box 6050, Fargo, ND 58108, Email: dalu.zhang@ndsu.edu
2Associate Professor, Department of Construction Management and Engineering, North Dakota State University, Dept. 2475, P.O. Box 6050, Fargo, ND 58108, PH (701) 231-8857, FAX (701) 231-7431, Email: jerry.gao@ndsu.edu
摘要
虽然已经发展了几个世纪并且研究人员几十年来一直致力于寻求创新的解决方案，但建筑行业在作出有效决策以促进更快，更安全，更便宜和更精确的施工过程中仍面临各种挑战。 然而，现在人们普遍认为，建筑信息模型（BIM）的出现可以通过增量协作带来更高的效率。 BIM模型中的数据非常有用，可以分析以优化设计，规划和施工过程。 但是，由于BIM增加了项目设计成本，并且需要陡峭的学习曲线; 业主，设计师和承包商都担心项目成本。 增加的成本可能会限制BIM在建筑项目中的使用。
本研究使用案例研究来描述BIM技术的使用如何帮助降低项目成本并优化项目进度，从而使建设项目的所有利益相关者受益。 对项目成本和时间控制的分析是在完整的项目生命周期成本上，而不仅仅是建设成本。 该研究最后提出了将来使用BIM作为项目控制工具的建议。
引言
建筑，工程和建设（AEC）行业是美国最大的行业，甚至是世界上最大的行业之一，占全球国内生产总值（GDP）的十分之一（Murie,2007）。但它也被称为低技术和低效率产业（Gallaher et al,2004）。人们交付建设项目的目的之一就是实现财务目标，但是没有人能够保证获得利润。一个成功的项目不仅要符合质量标准，还要符合时间和预算目标（Baccarini,1999）。但是，基于项目的企业必须经历各种挑战。尽管这些挑战因所涉及的项目而异，但所有努力都力求在时间和预算内完成项目。 Westhuizen还表示，“在时间内”，“预算内”和“按要求”是成功完成项目的三个主要目标（Van der Westhuizen和Fitzgerald，2005）。在建筑史上，许多大型建筑项目一直受到成本超支和工期延误的困扰。对成本超支的全面研究报告指出，近90％的公共工程项目存在成本超支问题（Flyvbjerg et al,2002）。要克服的主要障碍是项目环境中的不确定性。项目管理（如计划，调度和估算）被认为是预测意外事件的有效方法，而且可以提高项目和公司的盈利能力。特别是有效的项目时间和成本控制是建设项目成功的关键。
自建筑业出现以来，施工项目中的时间和成本控制一直是施工中最重要的问题之一。项目开发的不确定性涉及各种因素。已经做出了很多努力来将建设项目的进度和成本进行整合，从而导致了多项研究中各种整合方法和模型的发展。然而，项目很少按时完成是非常普遍的（Nassar et al,2005）。目前，已经开发了一些关于时间控制的工具，其中一些关于时间控制的功能不同，另一些仅针对某些项目设计（Harmelink和Yamin，2001）。在项目成本控制方面，AEC行业大力开发只考虑量化因素的技术，忽视“客户优先施工时间，承包商规划能力，采购方式和市场条件等定性因素，包括施工活动水平“（Elchaig等2005）。因此，研究人员仍然需要进一步研究开发一种更加综合的工具来统一标准。
问题陈述
AEC产业由许多独立的层组成，建设项目所包含的信息是巨大的。如上所述，项目时间和成本是涉及所有利益相关者的两个主要因素。他们对一个项目至关重要，并且可以成为决策，协作，采购等的基础。信息来源的准确性决定了项目的进展。成本控制通常从量化开始，这是一个耗时且高压的过程。传统上，这个过程大多是手动完成的，人为错误的可能性很高。准备大型复杂项目的估算时，问题会变得更糟。在施工阶段结束时，甚至施工完成后，也可以找到与时间控制相关的问题。例如，精心布置的墙壁仍然需要冲孔来增加附件;警告标志挂在整个建筑物上，提醒人们注意头部或台阶;在水管爆裂后，通过图纸找到正确的阀门需要很长时间，等等。这些情况会增加项目时间和成本。因此，还需要一个更先进的工具来管理建筑信息的整个生命周期。
另一方面，建筑信息模型（BIM）被定义为“一个设施的物理和功能特性的数字表示，它作为一个共享的知识资源，为设施提供信息，为其生命周期的决策提供可靠的基础，从开始以后“（史密斯和埃德加2008）。 BIM普遍认为，通过增量协作可以提高项目控制效率。 AEC公司已经实施了这项新技术，因为与现有实践相比，生产率提高和长期收益显而易见。 BIM技术正在风靡建筑和设计行业。据报道，2007年，Autodesk Revit的授权座椅数量从10万增加到20万（Cadalyst 2007）。技术的发展促进了AEC产业的发展。据报道，近50％的AEC行业正在使用BIM; 87％的专家用户正在通过BIM获得正面投资回报; 93％的BIM用户认为BIM的潜在价值可以实现更多的回报“（Young et al,2009）。
但是，新技术是否能够满足行业的愿望仍然需要实践证明。要充分利用BIM，需要对项目的传统计划 - 建造 - 运营生命周期进行重大改变。由于BIM的开始增加了公司的成本，并且需要一个陡峭的学习曲线，业主，设计师和承包商都担心项目成本，这可能会从成本的许多角度限制BIM的使用。通过使用BIM流程和技术来进一步调查项目时间和成本如何受到影响是显而易见和重要的。
研究目标和方法
这项研究的主要目的是进行使用BIM的试点和案例研究，以帮助控制项目时间和成本。本研究的目标是研究：（i）使用BIM进行项目时间和成本控制的好处; （ii）基于案例项目在生命周期中应用BIM所面临的挑战。 Autodesk Revit Architecture在研究中被用作开发项目控制的BIM软件，并通过与当地建筑师和建筑公司在ND的Fargo进行案例研究项目中的数据进行讨论和分析。所使用的方法基本上包含（i）文献回顾和（ii）案例研究模型分析。
（1）主要考虑项目时间和成本控制的方法以及CAD和BIM应用进行文献回顾。审查并提出了项目时间和成本控制的基本概念和现行方法。 AEC行业存在导致时间和成本超支的问题。
（2）咨询当地的建筑师和建筑管理公司，与实际的项目BIM模型一起工作。分析过程和模型。基于三维模型进行数据分析，以说明这种新的项目交付方法如何帮助优化项目时间和成本控制。阐述了BIM流程中的主要挑战，并提出了应对这些挑战的解决方案。
（3）强调使用BIM交付项目的好处和挑战。 BIM未来使用的建议通常会提出。还讨论了制约BIM应用的主要障碍。
案例研究项目
案例研究项目是伊利诺斯州斯普林菲尔德的Scheels All Sports Retail Center，该零售中心为Scheels Sporting Good Chain所有。以法戈为基地的R.L. Engebretson Architects担任首席建筑设计团队。本案研究的原始模型和数据来自R.L.Engebretson。这个项目是一个两层的商店，其中包括90个专卖店，礼品小屋，虚拟高尔夫球场和射击场; 一个16车，60英尺的摩天轮，一个巨大的水族馆和一个总统大厅，包括一个动画亚伯拉罕林肯。场地面积超过200,000平方英尺。 它计划作为72号州际公路麦克阿瑟扩建南端的大型零售和商业发展的支柱。图1显示了Autodesk Revit的渲染。
图1.零售中心的视图
案例研究分析和讨论
BIM过程： 图2显示了案例研究中使用的项目交付的基本BIM流程。该项目从3D BIM模型的开发开始。这是一个复杂的阶段，在这个阶段中，建筑师设计和测试模型，来回检查，直到没有视觉检测到更多冲突。在此基础上，形成协调的BIM模型。可以从这个模型中提取数量用于估算，调度等。在建设过程中，BIM模型用于指导，决策和变更管理。项目完成后，准备好的模型可供将来使用，将模型带入另一个项目周期。BIM模型充当交互式连接，在整个设计，预构建，设施管理和翻新项目生命周期中协作所有项目参与者。
实时设计访问：在传统的设计过程中，分别完成不同视图的图纸，这是非常耗时的，增加了视图间冲突的可能性。另外，一旦这些图纸中的一个发生变化，建筑师将不得不修改其他图纸。然而，在BIM项目的案例研究中，Autodesk Revit的多种功能提供了一个3D参数化世界，让建筑师可以构建项目，并且模型的信息都存储在其数据库中。例如，在Revit中，要创建墙，只需绘制他希望在一个高程上的形状，并且其他高程图都是同步创建的。不仅墙壁，而且整个BIM模型以这种方式生产。
这种实时访问提供了动态环境，同一个项目的所有架构师都可以在其各个部分单独工作，然后将工作文件的不同部分合并在一起以形成完整的模型。 这在设计阶段节省了大量时间，但是可以实现更多的工作。
BIM设置
建筑BIM模型
竣工BIM模型
协调的BIM模型
建筑模型
图2.BIM过程.
可视化：在案例研究中，已经注意到可视化是用户可以从BIM获得的直接显而易见的好处。 BIM模型是通过精确模拟实际项目领域创建的。它甚至可以在地面破损之前使用户看到建筑物。这对于所有项目利益相关者来说非常重要，因为从一堆二维图纸中可以很难看到结构。图3显示了Autodesk Revit Architecture 2009中创建的Scheels Retail Center模型的3D视图。Revit提供的参数灵活性非常引人注目。与2D应用程序不同，BIM模型中的视图与现实世界密切相关。每个模型在垂直和水平方向均可见;人们可以在模型之下和从一边到另一边查看而无需任何其他工具。更重要的是，Revit还使用户能够在开始任何施工之前虚拟地穿过空间并从各种天使观察室内和室外。因此，3D可视化为客户提供了完成项目外观的直接准确印象。
此外，Revit中的3D环境使得执行冲突检测以识别建筑物部件的物理冲突变得非常方便。该功能主要用于结构和MEP安装，但也可用于基于三维可视化查找设计错误。这是一个常见的问题，设计团队在压力下工作，以最低的价格完成他们的工作，以保持竞争力。通常会采用快捷方式，这可能会导致设计错误。在传统的过程中，人们必须经历复杂的过程来确定设计阶段的干扰。或者，在大多数情况下，直到项目进入施工阶段时才会遇到问题，这些问题仍未得到解决。在这种情况下，更改订单是保持项目持续进行的常用方法。但这不可避免地会影响原来的计划，导致加班费和额外费用。因此，后来发现的冲突越难以控制该项目。在BIM流程中，协调模型允许用户检查办公室的项目前端所有建筑系统中的设计冲突和潜在的可施工性问题，而不是在施工现场。这可以极大地减少更改订单的数量，节省数千美元的浪费，并加快构建流程并缩短上市时间。
图3.Scheels Retail Center - 3D视图.
信息整合：造成建筑业缺乏数据交换标准和信息集成机制的信息差距，使信息的交换和共享变得困难，阻碍了信息技术在建筑领域的应用。但是，在案例研究中，发现Revit中创建的3D模型不仅仅是未来建筑的简单图形;他们还记录整个项目生命周期内所有关于项目的数据。输入到Revit模型中的每个元素都有详细的定义。在Revit Architecture中创建门时，其材质，类型，厚度，高度，宽度，防火等级等基本属性也会定义。数据保存到组件对应的数据库中。正如建筑专业人士所知道的那样，在传统的过程中，设计团队和施工团队是分开的。当施工人员在施工现场审查图纸时，他们的头脑中可能会形成与项目设计师不同的形象。案例研究中的BIM模型最大限度地减少了这类错误。 BIM试图重新连接信息和人员。图4显示了所创建门的详细属性以及其3D视图。此功能为观看者提供直接和高度详细的信息。这些组件的细节可以像结构中使用的螺栓一样小。而且信息随时根据项目计划而变化。同时，数据库中的信息本身并不是孤立的，而是相互联系的。因此，当一个被更改时，其他相关的将自动更新。同样，计划，图纸，规格，起飞等等都会以电子方式保存在创建时的同一个数据库中。他们都可以通过相关的观点产生。例如，图5是柱材料数量起飞的一部分;它在设计时自动记录在数据库中，与传统工艺相比，可节省大量时间。
图4. Revit中的门属性
图5.部分柱模块.
时间表的优化：BIM在案例研究项目中的使用也改进了项目进度表的过程。要以BIM方式规划项目，需要在3D模型中添加第四维时间，从而形成4D模型。 4D调度模型允许人们将3D BIM模型中的组件链接到相应的任务和时间。这代表了项目时间表的直观表示，这再次提高了在项目建设之前解决冲突的可能性。通过与时间表链接的3D建筑模型，项目建设者可以评估施工现场的各种施工选择。
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