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设计变更对电气承包商虚拟设计和施工性能的影响
Hisham M. Said, A.M.ASCE1; and Justin Reginato
摘要：专业贸易承包商已经越来越多地投资于虚拟设计与施工（VDC）的功能来模拟项目，确保模型的可实施性，设计它的系统内容、预制组件、自动布置虚拟模型。本文采用了一种混合研究方法，考察了电气承包商的访谈和调查样本，研究了设计和范围变化对VDC任务性能的影响。提出了VDC成本超支的驱动因素以及控制和回收这些成本的最佳做法。本文对建筑工程和管理界的知识和工业实践有两方面的贡献。首先，本文提出了电气承包商在管理VDC工作范围时所经历的效率低下和成本超支的程度和驱动因素。第二，提出了一套最佳做法，以管理、计划和控制电气承包商和其他专业承包商的VDC任务的性能。
关键词：虚拟设计与施工；建筑信息模型；变化；电气工程；项目规划设计。
引言和背景
现代电气承包商采用了虚拟设计与施工（VDC）技术和程序，使他们越来越体现现场施工技术和更加工业化的工艺。在本文中，VDC指的是使用虚拟建筑信息模型（BIM）协调项目的设计和建设的任务，并把这些模型变为物理现实。因此，VDC在专业贸易建筑公司最多可以包括五方面的主要责任：（1）BIM作为一种非常有效的协同设计的协调工具，程序，或两者兼而有之，这可以很好的融入项目的建设和运营阶段；（2）内部，设计协助工程帮助设计系统部件（管，电路的分支，和类似部件）与建筑物的设备（如开关，空调，和类似的设备）；（3）施工性审查，是由经验丰富的现场监督者检查项目的BIM进行的，通过非贸易模型和起草者，考虑建设的手段和方法；（4）预制规划，包括提取从BIM中产生和产生不同的装配和配件，在设计自动化和计算机辅助制造（CAM）的帮助下完成；（5）自动化领域布局，可以无缝地从BIM中提取调查点，在最少人力的帮助下自动将它们放置在领域中。这些五项VDC的主要责任（BIM，工程，施工性审查，预制，和自动化领域布局）需要大量的专业承包商在人力资源、基础设施和资产方面的组织和业务承诺。
尽管VDC任务实现节约成本，设计和范围变更的影响VDC的由于前期成本，层叠之间的任务相互依赖，和人员成本高的回报。在VDC的核心，BIM被报道在为业主、总承包商、承包商和工程师节省时间和成本方面取得巨大效益师；由于在施工过程中，避免昂贵的变更单和信息请求（smartmarket 2008, 2012；Becerik Gerber和米2010；女孩和伊萨2013）。然而，BIM的重载了协调设计、施工，或两者兼而有之，这中间有大量的信息，这就需要比通常会在传统的项目所需的更多的合作（睿狮和芒西2009）。项目所有者往往有错误的理解，即只要他们愿意，VDC和BIM可以很容易地改变他们的设计要求，因为可以在模型中模拟做出改变。这导致了对VDC技术的另一种滥用，这破坏了在设计和规划阶段完成项目范围和空间协调的重要性。这些误解破坏了BIM在批准的设计要求下进行有效的建筑协作的真正好处。因此，使用BIM和其他VDC任务实现的成本减少可能不会抵消返工和设计变更的成本。在每一个行业的空间协调和BIM模型的构建上花费大量的精力来适应设计的变化是很昂贵的。这些升级的影响如果承包商进行装配工程，制造BIM相关的任务，和现场布置。设计不应该是贸易承包商预期的空间协调部分。
研究目的和方法
本文的主要目标是评估设计变更对电气专业承包商的VDC任务性能的负面影响，并提出管理它们的最佳方法。术语性能在本文中是指与在同一项目条件下承包商期望的VDC任务的实际实施经验。VDC性能可以使用工作时间数或成本回报率来衡量。采用一个定性的方法来实现这一目标，包括四个研究活动：（1）回顾了前人的相关学术和产业研究确定VDC性能差的标志和案例；（2）采访一组电气承包商，确认VDC的性能问题和影响因素，并有助于在线调查问卷的设计；（3）设计一个在线调查问卷和分析一个电气承包商样品的反应；及（4）发展VDC规划与控制的最佳方法。以下各部分解释了每一项研究活动。
相关研究回顾
回顾了学术研究人员和行业组织的有关BIM和VDC的研究，以确定VDC性能恶化的指标和驱动因素。睿狮和芒西（2009）指出，一个关键的先决条件来获取BIM效率是项目参与各方致力于虚拟设计与协调。Langroodi和施法（2012）认为BIM是使设计协调任务处在一个非常动态的环境的一种非常有效的工具，但提出一个在管理居住在联合环境中的多学科综合设计的更大挑战。Becerik Gerber和水稻（2010）调查建筑公司发现约20%的报道说，BIM要么没有变化，或减少变化，他们的盈利能力，而10%的报告使用BIM时增加成本和时间。shourangiz等人。（2011）报告说，他们调查的公司证实BIM并没有完全消除变更。他们还发现，超过一半的受访者报告说，没有适当的程序来更新BIM模型，以便在施工过程中纳入设计变更，超过三成的受访者报告说没有一种工具或方法来计算由于BIM变化而导致的成本差异。麦格劳山建筑公司，一个行业的数据分析和研究公司在2012年发布的一份报告中概述BIM的好处（smartmarket 2012），包括以下几个方面：（1）约30%的受访者报告消极或保本的投资回报率（ROI）；（2）消极或保本的ROI是没有经验的公司报道，但是大约6%的经验丰富的公司报负的或保本的BIM的投资回报率；和（3）更多的工作任务越来越依赖于BIM，73%的受访者使用模型引导自动布局站点，56%使用激光扫描仪生成的BIM竣工模型。汉娜等人。（2013）对施工企业进行调查，发现BIM实施成本在项目总成本的3.25到5%之间。另一项研究报告了BIM和VDC的成本要求（卢等人）。2015），发现BIM承诺相比于传统的没有BIM的项目增加了35 - 40%的设计成本。汉娜等人。（2013）发现与BIM相关的最大风险包括：（1）缺乏BIM协议或实施计划（71%的受访者）；（2）缺乏承诺、领导或两者，其他人（16%）；和（3）成本超支（14%）。这些风险不仅恶化了BIM的性能，还影响像预制和机器人领域的布局的其他VDC任务（说2015a，B）
在回顾相关研究的结果可以概括为：（1）VDC技术，以BIM作为一个重要特征，在大多数情况下在运营效率、节约成本、时间，或增两者，和可预见性提供显著的加成；（2）VDC成本大小是不可忽视的是，可以成长为一个代表承包商的开销和标记的一个重要组成部分；（3）VDC和BIM要求，也确保新的综合项目交付（IPD），在很大程度上取决于前期的设计决策和努力；和（4）VDC和BIM招致零或负收益时，IPD流程和成本等早期的设计完成未启用。
访谈
研究人员对电气、机械和总承包商进行了一系列的采访来获得一个对VDC任务的实践与挑战的基本了解。那些被采访的主要是BIM和虚拟施工经理，还包括生产经理，施工前服务经理和项目经理。访谈涉及来自16个建筑公司的27个人。
访谈采用了半结构化的方式使在设计变更下的现在的VDC任务管理方式被获取并被用于发展网络问卷调查和提出最佳的方法。最初设置的开放式问题是根据一些早期采访和至今仍在使用的问题所获得的回馈更新而来的。这些问题如下：（1）你的BIM和预制能力有多复杂；（2）你在项目中使用BIM和预制件的频率；（3）什么因素决定了在你的项目中使用BIM的必要性；（4）当决定在一个项目中使用BIM时，你如何计算投标/建议书中的成本？；（5）到什么水平的设计（LOD）是典型的BIM模型；（6）谁在你所从事的项目中通常驱动BIM协调程序[例如，总承包商（GC），机械承包商等]；（7）你参与的项目通常有一个BIM执行计划，如果是这样的话，你认为它有多好；（8）你有一个详细的程序来计算BIM和预制成本么；（9）业主或设计师做出额外的工作，直接在BIM预制开工成绩变化的普遍程度；（10）你这些BIM的额外费用报销有多容易；（11）那么对于其他成本，如额外的工程、测绘、预制件的制备如何；和（12）如果你是如果您能获得与变更订单相关的BIM、工程和站点布局/测量成本的补偿，您的流程是什么？。
在对VDC实施现状四大主题下的采访承包商面临的挑战下，下面是这次的采访报告：VDC性能对设计完成的依赖性（主题# 1）、项目采购和合同VDC夹杂物（主题# 2），估计与跟踪系统成本的困难（主题# 3），和客户对VDC实施可行性的误解（主题# 4）。这些发现证实了设计变更对VDC性能的推测影响，为设计在线问卷提供了依据。
VDC性能对设计完成的依赖性
无论业主或总承包商是否要求，每一个专业承包商都在一定程度上使用BIM和预制。承包商使用BIM和预制，因为它更简单，更便宜，并以更高的质量来执行在一个控制空间的一部分建设。据指出，电气承包商比机械承包商更少使用BIM。机械承包商通常在先下商铺预制大于50%（在许多情况下远大于50%）的管道系统和相关部件。电气工程，相反的，更可能预制约10%的组件，通常为分支管道，主馈线，和机架。造成这种分化的原因有很多。机械管道体积较大、现场制作困难并占用空间。电气元件，相反的，通常是经过机械管道安装，同时电气承包商必须依靠机械管道安装及相关设备。如果现场条件需要对机械系统进行修改，则电气承包商应对这种修改进行相应的变更。这强调了早期的BIM协同的需要，但也表明电气承包商在其他预制可行性方面受挫。此外，电气承包商通常比机械承包商制造金属管道更容易在现场制造电气管道。主要的解决方案是电气承包商不能试图主宰一个世界，在那里他们要求业主在具体的计划，使所有的电气元件都是仿照BIM和预制。相反，他们要求足够的设计能力使主要电气部件可以预制，并且这些预制项目将大大有利于该项目。
VDC纳入项目采购和合同中
尽管有这些好处，但对于如何在项目投标或建议书中补偿或并入VDC成本，还是有普遍的困惑。被采访的电气承包商根据其将VDC成本纳入投标和投标中的方法分成两个基本组。第一组很少把BIM和预制工程的成本包括在投标或建议书中，或者如果他们这样做了，他们就把成本限定在项目一般条件下（特别是提供人员参加BIM协调会议）。另一组承包商，在报销VDC变更单方面更为成功，他们更希望在投标和建议书中包括VDC成本。此外，这些承包商花时间剖析合同，以确定应如何报销VDC成本，或进行谈判将一种有利的付款条件添加到合同。例如，这些承包商事先确定是否需要谈判合理的费用以支付VDC的费用，或者在单独的合同项目中清楚地说明这些费用。
估算和跟踪VDC成本的困难
大多数接受采访的承包商难以建模和估算VDC成本，因为他们最近才开始收集和测量VDC任务的详细性能数据。理解其VDC成本的承包商通常分为两个阵营：那些执行详细的自下而上估算和跟踪成本估算中的成本的人；以及其他根据以前的项目将百分比应用于他们的预算的人。它需要更大的努力来在创建BIM模型，设计工程机械/电气/水暖（MEP）系统，回顾可实施性，提取其预制范围，其在现场的布局的帮助下进行相关成本的充分估计。在业主发生变更时，这种VDC成本估计就变得特别困难。同样，跟踪BIM成本也是耗费资源的。然而，这么做的公司声称要在BIM和预制的帮助下，在订单变更的费用降低方面更加成功，因为他们可以清楚的表达基本成本和他们如何影响成本。成本跟踪越清晰，就越容易向业主说明追加还款的必要性。其他公司使用了一种更简单的方法——应用系数来表示BIM和预制的成本。这个系数通常是该项目的直接人工成本的3%，但它可以在2到5%的范围中变化。这取决于项目参数，如项目的质量和难度，复杂的其他专业承包商，电气承包商必须接口，以及类似的参数。尽管从估计的角度看，将直接劳动时间或直接人工成本增加3%更来确定BIM的成本更加容易，但如果不能清楚地表示用于确定3%值的备份数据，就很难让业主同意3%这个系数。同时，这种简单的基于乘法的估计表示完美的空间协调和良好执行的BIM协议。
此外，访谈显示了两种跟踪不同VDC成本的主要方法：（1）用多种成本软件跟踪所有VDC的任务（即建筑施工、预制、工程、场地布置）；和（2）在一个单一的成本软件跟踪所有这些类别的成本。这两种方法之间的分离通常归结为每一个承包商想要投入到跟踪成本中的努力程度。在多个成本软件中跟踪成本是一个巨大的负担，但它能带来最详细的信息。然而，这两个方法一致认为，要真正管理一个VDC部门几乎是不可能的，更不用说如果不跟踪VDC成本，就要对其更改订单进行补偿。
对于联合机械承包商，BIM建模者是覆盖了大部分的集体谈判协议，因此，BIM建模者作为直接劳动力。这意味着工会机械承包商只需在直接劳动估算中包含BIM工时，这意味着业主不太可能仔细审查BIM劳动力成本。如果这一安排得到业主和机械承包商的喜爱，或者至少是容忍，那么也许是其他专业承包商效仿的时候了。在这些情况下，成本估计和跟踪作为项目的直接成本，而不是单独的BIM成本，可以作为开销的一部分进行讨论。
顾客对VDC可行性实现的误解
接受采访的承包商的一致意见是，对建筑业中VDC的使用可行性缺乏了解。如前所述，BIM和预制不再是建筑中的可选服务，而是常用的手段和方法。然而，因为有些业主觉得因为他们没有明确要求VDC，他们不应该为此付钱。但需要明确指出的是，在这些情况下，VDC并不是一个可选择的额外成本。它的目的是降低成本和以更高质量来替代昂贵的现场安装。
沿着同样的路线，业主通常把现场活动等同于项目进度。在这种情况下，业主没有认识到专业承包商可以作出实质性的项目进展在建模，安排，和预制组件时。基本上，业主把工地上劳动力的存在比作进步的标志，当工作在场外进
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