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以BIM为基础的高层建筑项目设计误差的经济分析：海云台L项目的案例分析
Namhyuk Ham；Sungkon Moon；Ju-Hyung Kim；Jae-Jun Kim
摘要：设计误差是造成返工和延期的主要风险因素之一。因此，从实用的角度来看，准确分析由于设计错误造成的潜在经济损失是至关重要的。本文通过量化与设计错误相关的各种成本来预防错误，从而为建立BIM模型投资策略提供了一个基础。设计误差分为三种基本类型：简单设计（类型1）；与返工有关的、可能导致拆卸和返工的设计（类型2）；以及与延误有关、可能延长工期的设计（类型3）。为了评估BIM应用的效果，研究了BIM辅助识别个别设计错误的性能潜力。通过对分类设计误差对工程影响的比较，发现导致进度延误的设计误差总成本比简单设计误差及导致拆除返工的直接设计误差成本高194.69%。
关键词：高层建筑；设计误差；建筑信息模型；设计验证；返工；延迟；成本分析；投资回报率
第1章 绪论
在实施诸如高层建筑等用途复杂的项目时，未能在准备阶段妥善消除或管理风险因素，会对项目的成功产生致命影响。特别是，在设计阶段未完成的工作可能会使承包商面临额外成本的风险。在这些风险因素中，设计误差是返工的主要原因之一，需要额外的劳动力和物质资源。然而，设计和施工公司通常不会额外计算的无疑是设计误差数量，也不会进行充分的设计审查、验证和检查。
最重要的是，鉴于高层建筑项目的设计和工程涉及来自不同专业领域的利益相关方，例如建筑；结构；以及机械、电力和管道，设计误差往往在设计阶段未被发掘，而在施工阶段才得以识别和纠正。返工是对大多数承包商在施工过程中不可避免的问题，也是造成工期延误和成本超支的主要原因。因此，承包商必须在施工前阶段管理设计误差。
从这个角度来看，建筑信息模型（BIM）可以有效地应用于整个建筑项目的不同部分（例如，设计验证，计数计算和施工前阶段），因为它可用三维BIM模型对每个施工工程进行整合设计。特别值得一提的是，基于BIM的碰撞检测的设计审查有助于施工过程中可能遇到的损失——即在设计阶段的设计误差，这被称为基于BIM的设计验证的过程，已经变得十分流行。
尽管BIM具有优势，但应用于实地项目时仍难以达成决策。缺乏对BIM的经济效益进行定量分析是BIM投资减少的主要原因。然而，在设计阶段积累的误差导致了相当大的损失，因此对BIM技术的研究和应用是有必要的。
本文所述的研究包括定量分析承包商在施工阶段由于设计阶段带来的设计误差而可能产生的设计误差成本。在量化经济损失的基础上，分析了设计误差对项目成本和投资回报率（ROI）的影响。本文组织如下：首先对文献进行综述，然后通过对实地观测资料的描述，提出理论研究问题，并提出研究假设。详细介绍了案例分析的研究方法，紧接着是实际执行案例分析的讨论，其中包括对所研究项目的概述，这个BIM项目设计误差集合的详细描述以及误差分类的结果。
依据以下三个方面对设计误差给项目带来的影响进行讨论：（1）各种设计误差造成的经济损失；（2）设计误差对工程造成的经济影响；（3）投资回报率。最后，对研究结果进行讨论，得出本研究的启示，然后提出结论，简要总结本文并验证假设，提出进一步研究的子课题。
第2章 文献综述
为了建立本文的理论背景和基础，对以往关于设计误差对建设项目的影响、BIM辅助设计验证的效果以及通过BIM的应用实现改进的定量评价案例进行分析。
2.1 设计误差的影响
设计阶段产生的设计误差对后续施工过程产生相当大的影响。因此特别需要注意，纠正这些可能带来意想不到的经济损失的误差是有必要的。承包商通常在合同金额内解决由于设计误差导致的问题，管理人员必须量化因设计误差产生的成本，以评估施工前阶段损失的程度。
研究报告说，由于设计误差造成的返工使合同总额增加了5~20%，Love等人（2009）计算了260个建设项目的返工成本，确定了直接和间接返工成本分别为合同总额的5.67%和5.43%，占合同总额的10.07%。Lopez和Love（2012）通过问卷调查对139个项目的设计误差成本进行了计算，发现了直接和间接设计误差成本分别占合同金额的6.85%和7.36%，共计14.21%。
尽管进行了大量的研究，但现场工作人员需要知道的由于设计误差造成的实际成本仍然不得而知，因为它们没有在公司层面上进行正式计算，也甚少在项目层面上进行计算。即使试图发现设计误差，也因施工项目规模和复杂性的不断增加只停留在在施工开始前阶段而已。这增加了在传统的二维计算机辅助设计（CAD）建筑图纸中检测误差的难度，以通过广泛应用BIM减少设计误差、设计变更和返工来努力解决这个问题。因此，本文通过分析一个基于BIM的建设项目实例，对该项目设计误差造成经济影响进行定量分析。
2.2 BIM辅助设计验证的效果
许多研究证明设计误差造成的损失可通过使用BIM技术来降低。据报道，在这方面最有效的BIM应用是验证可能造成返工的设计误差，被称为BIM辅助设计验证。
Sacks等人（2003年）在一个使用预制混凝土结构的七个建筑项目的案例研究中检查了设计误差损失，并报告说BIM技术消除了多达50%的设计误差。在一个结构工程公司项目的案例研究中，Kaner等人（2008年）分析了BIM纠正设计误差、重申复杂零件的设计和分析现场绘图过程中产量增加的效果。Won等人（2016年）报告说，通过在两个实例中应用BIM辅助设计验证，建筑废物可减少4.3%-15.2%。混凝土占建筑垃圾的绝大部分，在这两个案例中分别为98.65%和96.60%。
khanzode等人（2008年）对类似项目进行调查并报告说，虽然设计变更引起了额外的电力系统安装费，占总返工费的1-2%，但在由BIM辅助的医院项目中，同样的费用减少到0.2%。Williams（2011年）调查Messer建筑公司的项目并解释在BIM辅助的项目中，机械系统领域的设计变更案例减少到47%。Azhar（2011年）将BIM应用于Holder Construction开展的水族馆希尔顿花园酒店项目，在施工前设计开发的最后阶段识别出55次碰撞，从而避免了124500美元的损失，并在安装前避免了另外590次机械、电力和管道的碰撞，总共节省了564220美元。Azhar将其中的20%（112844美元）转换为检测机械、电力和管道构件的费用，这笔用于安装前检测到的设计误差额外费用是必需的。
考虑到没有BIM的元素识别，Lee等人（2012年）将多功能设施项目中的设计误差分为三种类型：不合理的设计、差异和遗漏项目，并计算了709例设计误差可能引起的返工、质量升级和施工延误所造成的成本。Chin和Choi（2015年）回顾了BIM关于韩国房地产公司新总部建设项目的月度报告，历时25个月，分析了设计误差成本，其中重点放在511个BIM可解决的问题上以降低成本。由于BIM的复杂性，338个问题（66%）可能影响两个或两个以上的过程。其中61%涉及建筑工程，包括框架工程。
为了提高BIM分析结果的可靠性，已经开始考虑BIM的影响。Azhar（2011年）确定BIM的净效应为25%，因考虑到冲突即使在传统方式下也是可以解决的，故不包括BIM节约成本总额的75%。Lee等人（2012年）使用25%、50%和75%作为设计误差在没有BIM的返工成本分析下被识别出来可能性的大小。Kim等人（2017年）应用BIM贡献值0%、25%、50%、75%和100%，以分析BIM在建设阶段的价值。
然而，尽管BIM辅助设计验证在上述研究中有所成果，但是工作人员在定量分析设计误差可能引起的成本时仍面临以下限制。第一，除非研究人员直接参与给定的基于BIM的项目，否则他们很难获得设计误差的数据。即使直接参与其中，研究人员也要花费大量的时间和金钱来使用BIM来检测设计误差，并对其进行分类。第二，即便结构和机电工程之间的碰撞被用来计算设计误差成本，但详细的过程和计算成本的理由几乎没能提供。第三，虽然在建设阶段可能造成的返工损失可用设计误差的数量来取代，但是与延期相关的间接损失还没有明确的计算过程。第四，关于BIM影响的信息，应该反映在计算设计错误成本所必需的BIM效应的定量估计中，而目前仍完全依赖于研究人员的主观判断。
为了解决这些问题，选择了一个建筑信息模型研究和开发项目作为案例研究，以便计算设计误差可能产生的成本，并对这些成本对整个项目的经济影响进行定量分析。为了在工作层面上分析BIM辅助设计验证的效果，过程、质量管理专家以及目前的研究团队都要参与其中。
2.3 BIM应用的评价
投资收益率，即投资与收益的比率，经常用于对BIM技术的经济可行性进行定量评估。在资金密集型或劳动密集型企业中，投资收益率的计算是一个关键的过程，用于与投资和创新相关的、引进新技术的战略决策，如BIM技术。根据Young等人（2008年）的研究，施工方把BIM辅助检测到的碰撞严重程度和BIM投资收益率分析的单位成本工时进行了定量转换，将 BIM的影响评级为300-500%。同样，根据通过及时检测到碰撞来降低现场设计修改成本的程度，PC建设公司将BIM的最大影响评级为500%。
Azhar等人（2008年）根据BIM的成本和净储蓄计算了10个实例的投资收益率（ROI），发现其范围广泛，从140%到39900%不等。Giel等人（2010年）使用两个例子对传统生产方式的建筑项目的和由BIM协助的建筑项目的成本进行了比较分析，并计算了BIM的ROI，发现其差异很大，从16%到1654%不等。Lee等人（2012年）基于避免设计误差的案例分析了BIM的经济影响，并确定BIM的投资收益率为22%至97%。Chin和Choi（2015年）分析了建筑信息模型（BIM）的效果，重点分析了通过应用BIM技术可避免的问题，并评估通过避免涉及建筑资源的问题节省的成本节，216亿韩元（BIM投资回报率：900%）至612亿韩元（BIM投资回报率：2550%）。
然而，鉴于计算投资回报率时BIM投资成本和收益成本很难确定。因此，这项研究调查BIM的投资成本，回报成本，以及先前报告的项目预算。表1列出BIM投资和回报成本占项目预算的百分比。投资成本在0.00%到0.22%之间，而回报成本可以低至0.02%，高达23.17%。
尽管有如此充分的证据表明对BIM技术的投资是有效益的，但许多企业仍不愿采用这一技术。主要问题在于BIM的范围，它是否具有很高的理论和技术成熟度，在引入的初始阶段可以很容易地进行，以取得立竿见影的效果。另一个问题是，即使采用了BIM，也没有标准化的BIM投资回报率的计算方法，如行业标准。此外，建立为计算BIM的投资回报率所必须的投资与收益的指标费时费力，而且数据跟踪、计算过程本身由于其复杂性而极其困难。
考虑到这些问题，承包商可能会考虑在成功几率相对较高的领域进行BIM投资，比如BIM辅助设计验证。来自施工前设计阶段的设计误差比较容易跟踪，在施工阶段更容易发现和纠正。因此，本研究的目的是通过对示例项目的工程图纸进行基于BIM辅助的质量验证，以量化由于设计误差引起的潜在成本。
第3章 问题的陈述与假设
这一节对于先前在场地环境中提出的有关理论研究问题进行初步讨论。观察的目标是海云台项目。
初步设计误差分析由一个小组在最初的现场观察期间负责着手，这个小组由承包商总部派出的7名精通生产和质量管理的专家组成。这些专家，即建筑（1位专家）、结构（3位专家）和机电管道（1位专家），在各自的专业领域进行了设计误差的审查。他们的分析显示，大多数设计误差（1056例）可以很容易地在设计阶段被解决。图1显示了两个最常见的简单设计误差：（1）构件尺寸信息的差异，如图1（a）所示（例如，C32型柱：左侧结构平面图900x1100，右侧柱芯布置图1000x1000）；（2）缺少构件，如图1（b）所示（例如，SR3C型柱:左侧结构平面图存在，右侧柱芯布置图缺少）。
余下的172个设计误差被确定为会导致返工的误差，如拆除和重建。如果在施工过程前未被发觉，则会严重影响其后的工序。特别是在柱芯布置中结构梁的连接点上构件的信息不一致，会导致严重的施工问题。如图2所示（结构梁CB41大于毗连的结构梁CB9和CW45）。此外，反复工作的核心部件的设计误差也会对后续工艺产生很大影响。在图2所示的设计误差情况下，CB2，而并非CB41，作为第一、第二和第四层的地下建筑的平面图梁的信息。这一误差是显而易见的，如果在施工前阶段得不到解决，则造成的可能不只是拆除和返工，而是致命的施工延误。
为了解决前面提到的研究问题，在通过分析海云台L项目实例的验证得出的研究结果上建立了研究假说：
（1）假设1：BIM辅助设计验证——即避免设计误差节约的造价，将超过总造价的0.5%；
（2）假设2：在所有被分类的设计误差中，导致施工进度延误的误差是最关键的，其造成的经济损失将大于其他设计误差造成的损失（占估计总损失的50%以上）；
（3）假设3：BIM投资回报率将超过150%。
假设检验有助于定量分析BIM对于通过避免设计误差以节约经济损失的影响，以根据设计误差类型确定项目管理的优先级。此外，定量的投资回报率分析可以为建立未来的BIM应用策略提供理论基础。接下来详细地介绍本文的研究方法。
第4章 研究方法
以某正在建设中的高层建筑工程为例，分三个步骤进行研究：（1）详细的工程分析；（2）设计误差相关数据采集和误差类型分类，以确定设计误差对工程类型的依赖性影响；（3）按设计误差的类型和经济效益分析，如损失，来量化经济损失。然后根据BIM投资额分析BIM带来的效益
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