基于BIM的高铁工程量清单EBSWBS研究

2020-02-26郭婧娟

铁道标准设计 2020年2期

景凤,郭婧娟

(北京交通大学经济管理学院,北京 100044)

引言

20世纪80年代，传统铁路在新技术、新工艺、新设备的研究上取得了重大突破，使得高速铁路在世界范围内掀起了建设高潮。我国自2003年以来逐渐进入了高速铁路快速发展阶段，高铁项目具有线路里程长、建设标准高、地质条件复杂等特点[1]，建设资金需求量更大，故造价管理至关重要。

BIM(Building Information Model)的应用为铁路行业带来了新一轮的变革，是实现铁路工程建设信息化和工程造价精细化管理的重要基础[2]。BIM技术可以将造价信息和数据集成到铁路BIM模型中，建立一个基于BIM模型的铁路工程计量计价机制，以有效提高信息交换和共享的效率[3]，进而提高工程计量计价的高效性。但当前BIM技术与铁路工程量清单在工程(工作)分解结构(下文简称EBSWBS)、命名方式[4]及工程量计算规则[5]等方面存在较大差异，应用BIM直接计量与按清单计量结果存在差异。另外，BIM软件与铁路计价软件的数据标准也不同，无法实现软件交互和信息共享[6]。

大部分相关研究都将工程量清单计价规范作为成本信息的标准，通过改进BIM或开发程序插件来使BIM适应计价要求[7-9]。事实上，现行《铁路工程工程量清单计价指南(土建部分)》(以下简称“清单”)中的工程分解结构，不适于BIM构件式的建模方式，也不适于总承包模式[10]或全过程造价管理需求。加之我国高速铁路相关技术规范不断更新，现行工程量清单中没有适时更新，工程量清单编制时常常无据可依[11]。为此，将采用模块化思想，尝试建立既符合BIM建模特点又满足高铁设计要求的新型工程量清单EBSWBS，研究逻辑框架如图1所示，从而消除BIM与现行工程量清单在EBSWBS上的差异；进一步定义满足全过程造价管理的构件的特征描述类型，为基于BIM的高铁工程量清单计价奠定基础，以推动高铁信息化造价管理，顺应铁路业总承包模式、工程协同管理的发展需求。

图1 研究逻辑框架

1 模块化理论

模块化理论的先驱卡利斯·鲍德温和吉姆·克拉克认为，模块化是组织、设计复杂产品或过程的有效战略之一[12]，通过模块化分解与模块化集成可以有效处理复杂系统问题。模块是模块化系统的基本组成单元，具有相对独立性、通用性与灵活性，是半自律性的子系统，通过和其他子系统按照一定规则相互联系而构成更加复杂的系统或过程[13]。由于模块化结构能处理子系统的不确定性，并能产生选择价值，模块化思想被普遍应用于产品设计与制造、组织结构设计与产业组织等诸多方面[14]。

在铁路工程建设领域，已有人将模块化理论应用于高速铁路施工技术与施工管理中[15]。高铁工程是涉及专业范围较广的复杂系统，每个专业都是相对独立的模块，属于半自律性系统；BIM基于模块化面向所有专业进行构件的分类处理，是模块化产品。因此，运用模块化思想将两者相衔接，通过定义分解规则以及运用一系列模块化操作，使高铁工程基于BIM进行模块化分解，为重构基于BIM的高铁工程量清单EBSWBS奠定基础，使高铁工程量清单的EBSWBS与BIM模型存在单一映射关系(图2)，以实现BIM直接计量计价的效果。

图2 模型与清单映射关系

2 基于BIM的高铁工程模块化分解

基于BIM的高铁工程量清单分解结构的构建，首先要建立基于BIM的高铁工程分解体系，因此，一方面要参照现行铁路工程量清单的分解结构，另一方面也要研究高铁工程BIM构件划分方式，对两者进行对比分析有利于制定高铁工程模块化分解规则，从而基于BIM对高铁工程进行模块化分解。《铁路工程信息模型交付精度标准》(1.0)(以下称“交付精度标准”)[16]规定了铁路工程的BIM模型精度、几何精度和信息深度，因而本文主要参考交付精度标准分析高铁BIM的构件划分。

2.1 清单与交付精度标准EBSWBS对比分析

现行铁路工程量清单将铁路工程按照专业类别划分为拆迁工程、路基、桥涵、轨道等19大模块，每个模块独立进行计量计价。交付精度标准将铁路工程分解为路基、桥梁、轨道、线路等21个专业模块。两者的专业划分结果存在细微差别，主要包括以下3个方面。

(1)清单中某专业模块内容覆盖交付精度标准中两个及以上的专业模块内容，如清单中轨道工程覆盖标准中的轨道工程和线路工程。

(2)标准中某个专业模块内容涵盖清单中多个专业模块的子模块内容，如标准中景观模块的内容在清单的路基、房屋和站场工程中均有涉及。

(3)标准中缺少清单计价所需的部分内容，如房屋以及大型临时设施和过渡工程等。

除专业划分上的差异，两者最主要的区别在于其分解结构，受篇幅所限，仅以轨道工程为例分析两者异同，如图3、图4所示。

图3 铁路工程量清单中的轨道模块(局部)

图4 交付精度标准中的轨道模块

通过对比分析，两种分解方式的不同之处如下。

(1)分解原则不同。工程量清单按分部分项工程进行分解，主要适用于基于施工图的计价；而BIM模型则按构件进行分解，便于建模。

(2)分解对象不同。清单的分解结构以结构构件和施工工序为对象，而BIM模型的分解结构均以构件为对象。

(3)信息的表达方式不同。一些在BIM中需要单独建模的构件诸如钢轨伸缩调节器、加强设备以及附属设备等，在清单中并不作为需要单独计量的子目，而是包含在清单子目中相应主体工程的工作内容中；在清单中诸如正线与站线、新与旧等不同类型工程，在BIM建模中不会按此分类，但是通过构件的位置信息、物理信息等属性加以定义。

虽然两种分解结构有所不同，但最终涵盖的工程内容大致是一致的，工程量清单与BIM模型的工程分解结构的差异性，使得从BIM软件中导出的工程结果不能与工程量清单形成一一对应关系，无法直接实现基于BIM的工程计量与计价。因而，需要建立新的工程量清单分解规则，使其既能符合BIM建模的需要，又有助于工程量清单计价的实施。

2.2 高铁工程模块化分解体系

由上述对比分析可以看出，以交付精度标准中的EBSWBS主体框架为基础进行高铁工程量清单EBSWBS设计，更便于实现基于BIM的工程计价。因此，参照标准中EBSWBS的设计规则对高铁工程进行模块化分解，结合分割、替换、扩展、删除、归纳和移植等操作，对BIM模型以及工程量清单进行模块化处理(表1)，得到符合BIM要求的高铁工程模块化体系，为基于BIM的高铁工程量清单EBSWBS奠定结构基础。

表1 模块化操作方式应用举例

基于BIM的高铁工程应首先按专业类别进行分解，由于铁路清单与交付精度标准在专业划分上存在细微差别，根据实际造价工作的需要，对交付精度标准中各专业子系统的子模块做相应模块化处理，使交付精度标准与清单的专业子系统相吻合，即共19个子系统作为高铁工程量清单的主体框架。以轨道专业为例，将标准中的线路模块移植至轨道模块下，成立线路相关工程模块，与其他模块共同组成协调完整的轨道工程子系统，其结构如图5所示，以保证清单专业子系统的相对独立性、通用性与灵活性，实现模块内部互相支撑，模块间综合集成以达到各自的功能要求的目的[17]。

图5 高铁工程轨道子系统主体框架

高铁工程各专业子系统的主体模块主要参照交付精度标准按构件进行分解，因此，为满足BIM以产品构件为对象的特点，各模块应按该原则继续深入分解。同时，在研究铁路工程量清单与交付精度标准的基础上，充分参考高速铁路相关设计规范，允许部分内容以工序为对象进行分解，使无砟轨道、新型地基处理方式等高速铁路的新工艺、新技术在工程量清单中充分展现。各专业子系统主体模块的分解流程如图6所示。以轨道工程为例，设计成果如下。

图6 专业子系统模块化分解流程

(1)对于加强设备模块、钢轨伸缩调节器模块以及附属设备模块，按照交付精度标准加以分解，结果如图4该部分内容所示。

(2)道岔模块主要按种类分解，在交付精度标准设置的内容下增加高速铁路常用的枕式无砟道岔和板式无砟道岔。

(3)轨排模块按构造分解为轨枕、钢轨及扣件，轨枕又分解为木枕、钢筋混凝土枕、钢筋混凝土宽枕、钢筋混凝土桥枕；钢轨分解为长钢轨、标准钢轨、缩短轨、异形轨、胶接绝缘轨、装卸设备走行轨；扣件分解为弹条扣件、扣板扣件、K型扣件、道钉扣件、无砟轨道扣件。

(4)道床模块最为复杂，每种道床必须考虑的施工地段，通过对原清单的归纳整理，充分参考相关文件，得到道床模块结构如图7所示。

图7 道床模块化分解结果(局部)

其他专业子系统的模块化分解过程与此类似，最终形成一个完整的基于BIM的高铁工程模块化分解体系。

3 基于BIM的三层级高铁工程量清单EBSWBS构建

现行铁路工程量清单按分部分项工程划分的分解结构主要适用于招投标阶段和施工阶段，不适应于总承包模式或多阶段、协同管理下的造价管理需求，上述高铁工程模块化分解体系使结构符合BIM构件式的特点，在此基础上，通过研究国内外建筑信息分类体系，依据相关标准与规范，对上述高铁工程模块化体系按一定规则加以调整，建立一个既满足总承包模式又实现全过程造价管理的三级高铁工程量清单EBSWBS体系。

3.1 国内外建筑信息分类体系研究

英国BIM标准采用的Uniclass体系是英国现代建筑信息分类体系，以ISO框架为基础，采用面分法组成信息形式、管理等15个分类表，每个分类表内部采用线分法。该体系涉及建筑领域的各个方面，覆盖了项目的全生命周期阶段。美国BIM标准采用的OmniClass体系借鉴了按构件分类的MasterFormat体系和按工项分类的UniformatⅡ体系[18]，采用面分类法分为15张分类表，并在每个分类表内采用线分法，且每个表单独使用，或将不同分类表中的条目进行交叉结合以表达相对复杂的对象。

我国铁路BIM标准将ISO12006-2体系与OmniClass体系相结合，参照前者的框架体系和后者的分类内容，结合信息分类的基本方法，制定了《铁路工程信息模型分类和编码标准》，且当使用统一的分类原则难以处理时，可允许在局部的上下类目之间形成一种分解关系[19]。由此形成按功能分建筑物、元素等22张分类表，以实现铁路工程全生命周期信息的交换、共享。我国铁路清单计价指南采用线分法，与Masterformat在某种程度上存在相似性，主要用于工程成本的分析与控制，以构件或工项内容为对象，既包括施工时的具体实体项目也包括许多措施项目，但不包括项目全生命期的全部建设对象，不符合信息化的要求，更与BIM分解结构格格不入。综合考虑后本文选用综合分类法，以产品构件为对象进行分解，充分借鉴UniformatII、Masterformat、Uniclass和Omniclass的特点，以建立符合BIM结构并满足多阶段造价要求的高铁工程量清单EBSWBS。

3.2 三层级工程量清单EBSWBS框架模型

工程量清单是签订工程合同、调整工程量以及工程结算的基础，多应用于招投标及项目中后期阶段的造价管理，不适用于前期的投资估算、设计概算等。此外，交付精度标准规定了铁路BIM模型在每个项目阶段的模型精度(LOD)、几何精度及信息精度；各阶段设计文件也决定了项目每个阶段的图纸具有不同的设计深度。由此可以得出，若使基于BIM的高铁工程量清单满足项目不同阶段的计价需求，则应在基于BIM的高铁工程分解体系基础上按层级设置工程量清单的分解结构。对此，本文将高铁工程量清单分解结构设置为3个层级，如图8所示，每个阶段都有不同的结构与之对应，使之满足不同阶段的图纸设计深度需求以及BIM模型精度要求，保证平行承包、总承包等多种承包模式在不同阶段的顺利实施，有利于实现基于BIM的全过程造价管理。

图8 三级工程量清单结构分解框架模型

3.3 三级工程量清单EBSWBS

通过借鉴国内外先进的建筑信息分类体系以及研究铁路BIM标准与各阶段铁路设计文件、定额标准等，将基于BIM的高铁工程模块化分解体系做相应改动，得到基于BIM的三层级高铁工程量清单EBSWBS，部分成果如表2所示。

表2 基于BIM的高铁工程量清单分解结构(局部)

高铁工程量清单一级结构借鉴UniformatⅡ分类方法，按专业进行划分，以独立的单项工程或完整的工程项目为计算对象，用于可行性研究阶段的投资估算。此外，由于清单计价不仅包括以工程量为计算基础的人工费、材料费等实体费用，还包括一些不能利用工程量计算的措施项目费、规费等综合单价以外的其他非实体费用，对此，在清单一级结构中通过增加一个非实体模块来定义相关信息，以保证清单计价的完整性与全面性。清单二级结构是一级结构的细分，划分粗细程度与初步设计阶段的设计深度和BIM模型精度相适应，主要用于高铁工程概预算，且适用于工程总承包等模式。清单三级结构是在二级结构基础上，通过借鉴Masterformat体系的特点，按产品构件进行再细分，满足施工图设计阶段的设计深度与BIM模型精度，用于编制施工图预算，也可用于招投标阶段高铁项目工程量清单的编制。

3.4 三级工程量清单EBSWBS计价特征描述

以上三级结构以产品为对象完成了清单构件式的分解，未曾对构件的具体类型及特征属性进行详细描述，不利于工程计价工作的有效完成。本节通过研究铁路工程量清单计价指南与铁路工程基础定额，对每条子目进行项目特征的识别与提取[20]，得到基本的特征描述类型以对清单分解结构的计价知识予以定义和描述，为应用BIM实现高铁全过程造价管理奠定基础。

铁路工程量清单计价指南涉及的项目特征描述较少，而铁路基础定额对各类信息精度要求较高且相对全面，因此着重研究铁路定额内容，对每一条定额子目进行信息识别与提取，步骤如表3所示，按照从左到右的顺序逐步提取定额内容中的相关信息并定义特征类别，最终将项目计价特征分为名称、计量、结构、材料与施工五大特征类别。在此基础上，为验证特征描述类别的适用性，并试图寻找缺失的特征描述信息，对GB 50500—2013《建设工程工程量清单计价规范》中的清单子目也进行了信息识别与提取，经统计，五大特征类别及其具体特征内容对于不同的清单规范和定额以及不同专业均具有很强的适用性，并且识别出了构件结构、材料强度2种缺失信息，将以上各类特征信息进行整理得到最终成果如表4所示。

表3 铁路工程定额子目计价特征描述的识别与提取示例

表4 计价特征描述

基于BIM的工程量清单EBSWBS使得BIM自动算量结果符合清单规范要求，在三级结构基础上对构件定义计价特征描述类型，可保证清单结构与内容的完整性，既能满足估算、概算与预算的要求，还可通过不断完善相关信息以满足后期结算等需求，从而实现BIM自动计量计价的高效性与便捷性，推动项目各阶段计价工作的有效完成。