DFC理念在建筑装饰BIM中的应用研究

■刘国强，胡 颖，汪 霖，李萍萍

(江西财经大学艺术学院，江西南昌 330000）

随着计算机的普及与应用，BIM技术凭借模拟施工、信息可视化、多专业协同[1]、全生命周期服务等优点，在建筑装饰领域正迎来蓬勃发展与应用时期，逐步成为设计行业的主流工具，深受行业好评。DFC理念融入建筑装饰设计中，是对建筑装饰项目设计品质与成本管控的再一次提升，是现阶段行业生产力与科技进步、管理创新、设计创新、市场需求、工艺材料等多方面交叉的产物。DFC理念主要从作业成本分析、参数化动态变量模块应用、工程量统计等三个方面提升建筑装饰设计效率，优化项目支出成本。现阶段我国建筑装饰BIM设计正处在快速发展的初期，主要以中大型项目的设计与施工阶段为主，对建造生命周期成本控制意识较为淡薄。相较于国外的BIM应用，我国现阶段BIM应用对于设计与成本优化比率普遍不积极，且目前还没有针对建筑装饰BIM的DFC理念融合研究，结合现有的建筑装饰行业发展现状与BIM技术的应用前景来看，建筑装饰BIM想要坚持良性的可持续发展趋势，必须借助和参与到DFC理念融合与研究。因此本文将从DFC理念发展历程、建筑装饰BIM的发展现状以及DFC理念在建筑装饰BIM中的应用等方面展开讨论。以期能为建筑装饰BIM的DFC理念融合研究提供理论基础，为未来建筑装饰BIM的创新优化提供思路。

1 DFC理念的发展历程

20世纪末期，有学者在产品成本分析相关领域提出了DFC理念，即面向成本设计（Design For Cost），旨在通过对产品全生命周期中各个组成部分的成本分析与研究，在满足用户目的要求的前提下，通过设计上的调整，尽可能地降低产品综合成本。目前国内关于DFC理念融合的研究主要集中在机械工程[2]、计算机软件及应用、工业设计与企业经济管理[3]等方面，其研究主题主要为面向成本设计、成本估算、并行工具与工业设计等方面，在近些年的演变过程中正逐渐向建筑、结构、成本优化[4]与EPC等行业热点。例如程平等（2021），针对设计类项目的特点，以A研究院项目为例构建了基于主成分分析与层次聚类算法成本动因合并模型，以期降低设计类项目的作业成本计算复杂性[5]，对装饰类项目具有一定的参考作用；黄建瓯等（2020）对工程结构设计方案的全生命周期经济评价的基础上构建模型，并重新梳理设计施工对项目的各阶段经济成本影响，在实际项目中予以论证[6]；杨崴等（2021），在分析了建筑全生命周期流程以后，提出了基于参数化设计平台的生命周期环境与经济性能优化方法并予以论证，从而有效辅助设计师的决策[7]，从侧面反映出DFC理念作为设计思维与建筑装饰BIM技术融合的必要性。国外对DFC理念融合的研究要稍早一些，Minchul Lee（2019）将DFC理念融入某产品的全生命周期中，并进行成本估算，提出了分配制造部件的成本估算方法，未来在此基础上对成本数据库加以完善可以更好地计算设计成本[8]，进一步阐明了未来BIM的发展与综合成本之间密不可分的关系，可以作为DFC理念融入的参考；Islam Atta等（2021）在前人的基础上对材料的可持续发展评估体系进行革新，提出基于BIM的材料护照概念，以此完善材料全生命周期的BIM电子信息[9]，BIM技术作为装饰类项目的必然趋势，在可视化信息模型方面具体有不可比拟的优势。在DFC理念融入到BIM模型，从而优化生产流程方面具有大量潜力；José Pedro Carvalho等（2021）将LCA和作业成本分析嫁接到BIM系统中，以通过数据反馈给决策人员做判断成本的平台依据[10]，该理念契合于DFC理念对项目管控平台的搭建；Iban Retolaza（2021）在工业产品的生产中提出了一种以“设计－成本”为中心的框架，针对该产品全生命周期中的各个阶段不同的特点属性来选择最佳属性，从而探求设计与成本的最佳平衡状态[11]，足见在建筑装饰领域实施DFC理念融合的必要性。

纵观DFC理念的研究主要有两方面内容：一是探究设计决策流程与项目成本之间的辩证关系，二是在设计类项目的基础上利用作业成本分析方法，探究降低项目成本的优化设计方法。鉴于国家对传统行业数字化转型的高度重视，而建筑装饰BIM的发展受限于传统营建方式和工艺生产的局限性，未来的发展方向必然是建筑装饰BIM的项目成本优化与综合管控平台研发。而现阶段还没有针对DFC理念融合建筑装饰BIM的研究，文章基于DFC角度探究借助设计手段合理优化项目成本的关键问题。

2 BIM技术的应用现状

建筑信息模型(BIM) 是一种应用于建筑设计、施工[12]、运营、维护等全生命周期过程的信息化技术，通过信息化、数字化和参数化的方式建立、表达和呈现建筑工程模型，以期实现指导项目全生命周期历程、优化工程项目资源、缩减工程开支、提升工程施工效率等目的。2016年，我国BIM市场规模仅40.5亿元，而2020年，我国的BIM市场规模达119.1亿元，其间年复合增长率为31%（图1）。自从2011年我国政府首次将BIM技术纳入十二五建筑业重点推广技术，直至2022年国务院、住建部等部门连续推行的各项政策，建筑行业对BIM的需求将持续扩大。

■图1 2016-2020年中国建筑信息模型(BIM)市场规模及增速

随着科技的进步，BIM技术凭借其在模拟施工、信息可视化、多专业协同、指导施工、施工管理等方面独特优势，逐渐在建筑装饰、结构、暖通、城市规划等领域都有不同程度的发展[13]。但由于各个专业都具有其独特性，且BIM作为工具性技术，仅能辅助设计师进行设计决策，缺乏思维性引导，所以BIM技术在各专业的实际应用情况中都兼具利弊。因此想要发挥BIM技术在专业设计施工领域的最大效果，还需要结合各专业实际情况做具体的优化调整。

2.1 BIM技术在建筑装饰领域的应用

在室内设计中，BIM技术也展示了它的优势所在[14]。尤其是在装饰材料信息可视化、多专业协同作业、模拟施工等方面。例如在装饰材料信息可视化方面，在建筑装饰BIM模型中每一个体块、材料、面、线都应该有与之相对应的信息属性，该信息属性应囊括材料种类、材料名称、清单量、施工工艺工法、人工成本费用、加工费用、运输费用、材料进场时间、使用维护方式、生产周期与厂家资料信息等等，该模型代表的全生命周期中所需的各种信息属性。我们通过建筑装饰BIM模型获得可靠、完整的数据，可以获得准确的成本预算。基于BIM的成本数据库，使数据更加的快速和准确，可以进行多维度（时间、空间、WBS）的汇总分析，成本控制能力大大提升。尽管BIM技术在建筑装饰领域应用中具有诸多优势，但是在其实际应用过程中仍存在诸多项目现场物料生产、安装、装饰材料施工工艺等方面的问题。例如现有的BIM技术仅是作为设计师的辅助设计工具，缺乏对现场材料应用与工艺的灵活把控；现有的BIM装饰模型较为依靠建筑图纸与模型，面对项目现场存在的既定误差没法灵活适用；现有的BIM材料工程量仅是依靠初始模型数据进行导出，对现场因尺寸、工艺等外在因素影响产生的不可控物料损耗，不能全面的统计。

随着建筑装饰BIM的普及与发展，为了更好地控制设计成本与效果、满足市场需求，越来越多的设计管理经验、工程管理经验、科学设备与智能化辅助工具正逐渐推动建筑装饰BIM的快速进步，向建筑装饰行业数字化转型。

3 建筑装饰BIM的DFC设计创新

经过调查与研究，发现尽管现在设计师都具有一定程度的通过设计控制项目的思想意识，但是还没有系统地针对建筑装饰BIM的DFC理念融合的相关研究。因此本文在案例分析法的基础上结合建筑装饰BIM与DFC理念分别从作业成本分析、参数化动态变量模块与工程量统计三个方面来阐述建筑装饰BIM的DFC设计创新，对揭示设计与项目成本规律有重要意义，为今后建筑装饰行业数字化转型提供思路。

3.1 作业成本分析在建筑装饰BIM中的应用

作业成本分析是DFC的重要组成部分之一，其主要是通过对研究对象的全生命周期建造流程进行梳理，分析其各阶段生产成本的附加成本原因。从设计建造的成本变化反馈来调整设计中相应的设计方案，根据各个阶段的生产特性来选择该阶段最佳的优化设计选项。在保证其满足社会与市场需求的前提下，借助作业成本分析来调整设计方案，以最小的成本实现最佳的设计效果。

从美国HOK建筑师事务所麦克斯利米提出的麦克斯利米曲线（图2）中不难看出，BIM技术辅助建筑装饰设计项目，相较于传统的设计—施工模式而言，项目的综合成本有明显优化效果。同时，BIM技术在建筑装饰领域的应用可以有效降低设计整改的成本费用，提升设计整改的项目影响力。

■图2 麦克斯利米曲线

通过文章举例的某酒店样板间项目（图3、表1），我们仍能发现传统设计——建造模式的成本主要集中在设计、施工、验收三个阶段。而成本占比最高的施工阶段中的物料运输、物料进场、物料现场加工、物料安装损耗等等都是有待优化的环节。因此可以借助DFC面向成本的设计思想，从成本分析中找到可以优化的关键点，利用设计思维的手段在设计阶段优化成本。例如物料的预制尺寸不合适、运输、现场加工浪费、进场顺序、安装尺寸不合适等等，都是可以通过DFC理念的作业成本分析发现问题，在设计之初进行考虑，借助BIM技术的模型参数进行物料设计，在工厂下单批量制造，降低现场加工和安装成本，同时利用项目综合管理平台，合理掌握时间与场地信息，减少不必要支出。

■图3 某酒店样板间建筑装饰BIM工作流程

表1 某酒店样板间建筑装饰数据

由图4中可以看出在建筑装饰项目的所有子项目中，传统方式的侧重点在施工阶段，传统方式中设计占项目总额的20%左右，施工部分约为40%左右。在对所有项目进行数据横向对比以后，从图5可以更直观地发现传统预算在实际实施中在模型返修、物料预制、物料安装、和物料运输等方面发生成本额外溢出的情况较多。以此为对照组，对现有项目利用DFC设计理念进行BIM技术优化，可以更好地深入优化项目作业成本分析体系 ，从而综合降低项目成本损耗，提高综合效率。

■图4 某酒店样板间建筑装饰工程阶段造价占比图

■图5 某酒店样板间建筑装饰工程各阶段造价明细占比图

由图6至图7可以看出，经过DFC理念融合BIM设计的项目成本呈现由设计阶段向验收阶段逐步递减的趋势，项目成本主要集中在深化设计、项目模型返修与项目施工阶段，由于DFC理念的接入，项目着重以BIM技术为推手进行作业成本分析优化，极大地减少了现场加工、物料安装、物料运输等成本溢出环节。同时依托完整的BIM作业流程，极大降低了验收阶段数据整理成本，该项目综合成本降低约30%，同时DFC理念面向成本设计的思想优化后的BIM模型更贴合于麦克斯利米曲线，从侧面反映出DFC理念引导下的建筑装饰作业成本分析对项目成本综合优化具有实质性的效果。

■图6 某酒店样板间建筑装饰工程各阶段造价明细图

■图7 某酒店样板间建筑装饰工程阶段造价图

作业成本分析法旨在通过对项目建造全生命周期流程的梳理，分析其建造阶段的不同环节产生的相应成本，对成本产生的原因进行分析，进而通过设计手段或者流程优化手段进行成本优化，帮助其选择各个阶段最适合的设计方式与时间节点，从而在满足社会需要的前提下尽可能合理优化项目成本。因此，在今后的DFC理念研究发展中会更多地进行项目成本构成的细化分析，借助设计经验、管理经验、技术进步与工艺优化等手段建立逐步健全的建筑装饰BIM项目建造体系。

3.2 参数化动态变量模块在建筑装饰BIM中的应用

众所周知，物料是项目成本的主要构成部分。设计师在设计之初往往采用标准化的物料模块[15]，以便在工厂端进行大批量下单预制来降低物料的综合成本，然而在实际建筑现场由于工人施工存在大量的不确定性，实际建筑尺寸不可能和建筑图纸尺寸完全一致，往往会存在多个允许范围外的尺寸误差。由此频繁引发预制物料需要到现场根据建筑实际尺寸进行设计整改与物料二次加工的情况，一方面设计整改的繁琐流程费时费力，增加了工程周期；另一方面，二次加工时产生大量的物料浪费情况，极大削弱了预制物料模块的经济成本。由此，越来越多的项目开始探索模型参数化设计在BIM设计中的应用（图8），以便快速根据现场实际情况来修改设计方案[16]。

■图8 参数化动态变量模块工作流程

参数化动态变量模块是DFC理念在建筑装饰BIM中实践的重要步骤之一。借助DFC作业成本分析实践，在设计阶段就充分考虑到建筑尺寸误差问题，进而对模块采取可变量的设计方案。该动态变量空间具有普适性和度量余地，在接到现场实际误差较大反馈后可以根据现有物料库中的标准物料在BIM模型中进行物料模型参数化的二次设计，以达到既可以快速更正设计以符合施工中存在的既定误差，又可以减少定制装饰构件的时间与人工时间成本。文章继续以该酒店样板间为例，梳理项目中存在的可以适用于参数化设计的建筑装饰项目内容（表2）。

表2 适用于参数化的建筑装饰项目内容

如图9所示，在该样板间项目中施工人员在实际现场施工过程中校对现场与图纸尺寸时发现实际净高比模型少100毫米。有别于传统设计师接到设计整改单后需要到现场观察具体情况后，返回设计院修改图纸、出图、审批签字最后下发给施工方的繁琐流程。在DFC理念支持下的BIM工作中，工人可以根据参数化动态变量模块工作流程（图8），施工人员在发现误差后随即在现场即时平台进行问题反馈、阐述设计问题并拍照上传。设计师在综合项目进度平台中看到问题后，随即在云端调取模型进行参数化修改，生成设计整改节点并通知该段相关专业设计师与施工员（图10）。有效节约整改时间、提升施工效率、节约物料损耗的同时，模型自动调整物料工程量统计，优化项目管理成本。

■图9 参数化动态变量模块工作案例示范

■图10 动态变量模块调整单个模块的标准尺寸

■图11 项目综合管理平台

■图12 DFC理念融合建筑装饰BIM对三方的作用

参数化动态变量模块是实现项目成本综合优化的一个重要组成部分，依托BIM平台构建一个设计师与现场工人的即时交流平台，针对现场出现的问题通过参数化的设计方式解决，充分利用项目中所使用的标准化模块，以不同种类的标准模块通过设计的方式进行组合使用来满足不同的需求、适应现场情况。BIM技术辅助的参数化设计免去人工反复尝试演算的工作，系统可以根据尺寸数据的变化通过模块尺寸自行生成模型的同时，自动增减物料的实际使用，使导出的物料清单更精准。

3.3 模型工程量统计在建筑装饰BIM中的应用

模型工程量统计是建筑装饰信息模型（BIM）的精髓，关于模型工程量信息属性的赋予分为两种类型，一种是可建模的模型信息属性，一种是不可建模的模型信息属性。传统建筑装饰BIM项目在建模时往往统计模型所能反映的实际数量，忽略了一些不满足建模条件的信息模块，但是建筑装饰项目中往往存在很多如腻子、防水层等无法建模的零散工程，而它们恰恰是建筑装饰工程全生命周期成本估算的重要组成部分。尽管在统计工程量时会利用造价信息中一些特征描述的方法统计工程造价，但是忽略了这些对于空间工程量的统计影响。相较于传统工程依据图纸计算工程材料用量的办法，BIM技术带来了巨大的革新，但是在使用中也逐渐暴露其问题，例如未计算损耗、部分物料需二次加工、没有结合现场实际情况等等。在此基础上利用结合DFC理念，通过结合传统计算经验，在BIM模型的基础上附加其他不可建模材料的信息属性并计算工程量（表2）。

在某酒店样板间项目中进行了传统方式算量（A）、DFC结合BIM算量（B）两种方式，分别与项目落地实际用量（C）进行对比。通过计算A、B两种方式与C的离方差来检验数据的平均偏离标准值的程度，从而证实DFC结合BIM算量的方式要可靠于传统方式（表3）。

表3 DFC结合BIM算量与传统方式算量在实际中的应用对比

其中序号对应的数值为n，S为每个项目中子项目的和，P为该子项目在项目综合中所占的比率，Q为每个子项目的离平方差，SD为每个子项目的离差，E为每个项目的子项目离差和，F为A和B的效率差，由此可以得出以下公式。

根据上述数据不难看出，在不计算其他情况下采用DFC结合BIM算量方式比传统方式在用量准确度中有近80%明显提升。相较于传统的仅依靠BIM模型导出物料数据的方式，DFC理念更注重于用设计解决问题，通过作业成本分析与参数化动态模块的应用，让模型数据处于一个人性化的容错阶段，更贴近于现实工程实际情况。

3.4 DFC理念融合在建筑装饰BIM中的应用－－项目综合管理平台的搭建

项目管理的实质是对项目工程所反馈的数据进行集中管理，如何及时准确地从项目中获得数据反馈是项目综合管理平台搭建的核心。因此提出基于DFC理念在建筑装饰BIM中实际施工的项目动态管理平台机制，基于BIM的三维模型快速统计模型中存在的物料信息，通过清单量导出结合物料综合成本与合同计划量进行数据对比。结合现有施工物料消耗情况可以查看项目施工物料消耗量有无超标，进货分包单价有无失控等等问题，依托项目动态管理平台透明信息机制，实现对项目成本风险的有效管控[17]。

该平台主要针对使用者分为几个不同部分，即委托方、设计方、施工方三大板块。平台采用多方参与的云协同设计模式，工人可以根据模型结合精细化BIM施工图，并运用先进的检测工具点云扫描、机器人放线进行精确定位。改变传统的人工放线，提高效率，提高精度。设计方可以对施工的重难点部位生成工序动画，工人可以扫描现场二维码，观看工序及三维节点模型，对照现场指导施工。施工方可以根据各自工作部分都可在项目动态管理平台中做记录，有疑问也可以在模型中标注提出，系统会及时以短信形式通知该项目设计负责人。委托方则可以基于全局的统筹项目进度，提出优化建议。依托上述平台，各方可以在平台中随时随地查看各专业设计平面图纸及可视化三维模型、材料供给信息、施工进度、合同管理、专业负责成员等项目有关信息。

3.5 DFC理念融合对建筑装饰BIM的意义

将DFC理念融入到建筑装饰BIM的设计与应用中去，对于设计方、施工方、委托方这三方都有不可或缺的作用。对于设计方来说，DFC理念中面向成本设计思想的融入弥补了BIM技术仅仅作为一门辅助设计工具，缺乏设计方法引导的被动局面，同时还能在满足社会需求的基础上减少后期调整设计所增加的投入，进而提升设计效率；对施工方而言，DFC理念中的参数化动态变量模块设计与工程量统计思想，对项目物料使用量有更为精确的把握，同时依托作业成本分析法，优化项目流程、降低施工成本、提高施工效率；对于委托方而言，DFC融入建筑装饰BIM可以在较好地满足自身需求的前提下降低项目的综合成本，节约项目建设全周期[18]。

回顾DFC理念融入建筑装饰BIM的过程大致可以分为从理论植入到项目实践两个部分。以面向成本设计为理论主旨，时刻提醒项目设计应在满足需求的前提下尽可能降低项目的综合成本。以作业成本分析法梳理项目产生成本损耗与浪费的关键环节，究其原因后通过调整设计方案来优化流程，减少不必要的成本支出，进而优化项目支出成本。其二，以参数化动态变量模块作为设计手段之一，通过设计师的巧妙构思让模块适用于建筑现场多变的情况，极大地减少了设计整改的繁琐流程。同时，参数化动态变量模块化的应用在满足设计需求保证效果的前提下，尽可能地压缩物料的预制与安装成本。其三，利用BIM技术优秀的模型信息功能可以将建筑装饰模块的信息赋予模型，可以轻松查看该物料的所有信息属性，并结合工程造价的常用知识将成本信息附在模型上，以此来计算不可建模的材料及成本。以此三者践行DFC融入建筑装饰BIM的实际行动中，极大地优化了建筑装饰BIM的应用环境。

4 结语

DFC理念从作业成本分析、参数化动态变量模块、模型工程量统计三个方面来分别辅助设计方、施工方、委托方，探索建筑装饰BIM项目综合成本的优化与管控。以设计为主要整改措施，实现设计方案及生产流程的优化来降低综合项目成本。但随着BIM技术的不断发展与建筑装饰工程管理行业的管理经验、设计创新、工艺材料等多方面的发展与创新，未来的DFC理念将更侧重于项目管控平台的搭建，如何协调多方在项目管理平台中合理调整设计与把控工程进展，其研究与实践必有更大的价值与应用前景。