，

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105； 2.四川柏慕聯(lián)創(chuàng)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，成都 610015； 3.北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100013； 4.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

引言

在工程項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，造價(jià)是決定其是否可行的關(guān)鍵性指標(biāo)，對(duì)工程造價(jià)的控制貫穿每一個(gè)工程項(xiàng)目的建設(shè)全過(guò)程。其中，在設(shè)計(jì)階段對(duì)項(xiàng)目的造價(jià)進(jìn)行控制，具有至關(guān)重要的決定性作用。統(tǒng)計(jì)研究表明，雖然項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用僅占建設(shè)成本的2%～5%，但其對(duì)項(xiàng)目工程造價(jià)的影響可達(dá)75%以上[1]。正因如此，工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與造價(jià)控制成為當(dāng)前工程界研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的優(yōu)化目標(biāo)普遍單一，往往只依據(jù)可靠度作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，很少考慮到其優(yōu)化結(jié)果對(duì)于全專業(yè)的影響； 同時(shí)，由于我國(guó)建筑行業(yè)習(xí)慣是對(duì)項(xiàng)目造價(jià)進(jìn)行事后控制，并沒(méi)有掌握造價(jià)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主動(dòng)控制權(quán)，最終導(dǎo)致我國(guó)建設(shè)項(xiàng)目成本控制實(shí)踐中，造價(jià)控制主要集中于項(xiàng)目實(shí)施的環(huán)節(jié)。為了有效地控制項(xiàng)目投資，盡可能減少目標(biāo)值與實(shí)際值的偏離，必須抓住工程設(shè)計(jì)階段這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[2]?；贐IM技術(shù)構(gòu)建的三維信息模型管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物全生命周期的精細(xì)化管理，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同共享的功能，為成本管理的有效實(shí)施提供穩(wěn)定的依據(jù)[3]。BIM全專業(yè)協(xié)同技術(shù)在工程項(xiàng)目全過(guò)程中都可以應(yīng)用，通過(guò)可視化建模方式，有助于減少視圖的誤差，通過(guò)碰撞檢查，有益于優(yōu)化施工方案，控制成本，而通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于各管理線的協(xié)同工作信息共享[4]。BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工程造價(jià)的有效監(jiān)控，同時(shí)為工程造價(jià)的控制問(wèn)題提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。提高工程造價(jià)的控制水平的同時(shí)，保障工程施工的整體效益[5]。

本文嘗試將BIM技術(shù)引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，促進(jìn)造價(jià)信息與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的有效結(jié)合，對(duì)選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，提出基于BIM的更為簡(jiǎn)潔高效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

1 工程概況及初始設(shè)計(jì)方案

本工程位于湖南省，為某高校大型圖書(shū)館建設(shè)項(xiàng)目，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，基本風(fēng)壓0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓為0.45kN/m2，鋼筋采用HPB300級(jí)、HRB400級(jí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。

樓(屋)面荷載情況：樓面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用3.8kN/m2，屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值采4.5kN/m2。報(bào)告廳采用3.0kN/m2，辦公室活荷載采用2.0kN/m2，消防樓梯活荷載采用3.5kN/m2，密集書(shū)庫(kù)活荷載采用12.0kN/m2，公共衛(wèi)生間采用8.0kN/m2，屋面(按不上人考慮)活荷載采用0.7kN/m2。

基于PBIMS設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)同一中心文件下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接形成建筑結(jié)構(gòu)的三維模型，原PBIMS方案建筑、結(jié)構(gòu)以及專業(yè)串聯(lián)三維模型如圖1(a-c)所示。

BIM技術(shù)通過(guò)參數(shù)化的建模過(guò)程(Parametric Modeling)，保存了圖元作為數(shù)字化建筑構(gòu)件的所有信息，將幾何信息組構(gòu)成參數(shù)組件，如墻、柱、梁、板等； 除了攜帶幾何信息外，這些參數(shù)組件更可以攜帶如材質(zhì)、成本、使用年限等信息，這些優(yōu)勢(shì)也給將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程造價(jià)領(lǐng)域創(chuàng)造了可能。

原方案建筑平、立、剖面圖如圖2(a-c)所示。

利用BIM技術(shù)一致性、可出圖性的優(yōu)勢(shì)，其自動(dòng)化的圖文產(chǎn)出減少了大量的人力與時(shí)間成本，設(shè)計(jì)變更所耗費(fèi)的成本也隨之降低； 一處修改處處更新的特點(diǎn)，也能幫助設(shè)計(jì)師準(zhǔn)確、快捷地優(yōu)化方案中的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

2 基于BIM的優(yōu)化方案

本項(xiàng)目在接到相關(guān)專業(yè)條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定結(jié)構(gòu)方案為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并初步給出了框架梁、框架柱的截面尺寸。利用PBIMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立結(jié)構(gòu)模型，然后用SATWE對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算和分析。隨后對(duì)不滿足規(guī)范要求的節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件重新進(jìn)行修改，直至滿足規(guī)范的要求為止，從而完成初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

(a)建筑三維模型 (b)結(jié)構(gòu)三維模型 (c)專業(yè)整合模型圖1 建筑結(jié)構(gòu)的三維模型

(a)平面圖 (b)立面圖 (c)剖面圖圖2 原建筑方案

在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定結(jié)構(gòu)方案，估算出梁、板、柱等主要構(gòu)件的截面尺寸，然后利用軟件計(jì)算分析后再調(diào)整不滿足要求的構(gòu)件。采取這種方式確定的構(gòu)件截面尺寸主觀性較大，最后得到的截面尺寸也增加了工程的造價(jià)。

建筑功能與建筑造價(jià)是建筑結(jié)構(gòu)的兩大關(guān)鍵內(nèi)容，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以全面考量，在空間及成本既定的基礎(chǔ)之上盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土兩種材料組成的，這兩種材料受力原理不一樣價(jià)格也有明顯差距，建筑物自重最輕時(shí)不代表其造價(jià)就最低。工程造價(jià)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與首要目標(biāo)，也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)該是消耗材料、人工等的成本，這樣才能做到真正地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使工程造價(jià)降到最低[7]。本文選取鋼筋、混凝土用量、模板面積、人工費(fèi)等四個(gè)因素來(lái)比較不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的工程造價(jià)。

本文選取項(xiàng)目四層1/01-3/03軸交1/K-Q軸的圖書(shū)藏閱區(qū)部分進(jìn)行優(yōu)化分析，此部分結(jié)構(gòu)需求空間較大，利于展開(kāi)比較。本文分別考慮對(duì)所選部位選取肋梁樓蓋、井字梁樓蓋、無(wú)梁樓蓋三種結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)PBIMS、柏慕1.0等軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)分析，得出三種方案其各類材料及人工消耗量。三種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3(a-c)所示。

三種方案的軸網(wǎng)及梁柱尺寸如圖4(a-c)所示。

通過(guò)計(jì)算框架結(jié)構(gòu)荷載，完成三種優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)計(jì)算并得出三種優(yōu)化方案的材料用量以及工程造價(jià)。三種方案其鋼筋骨架如圖5(a-c)所示。

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無(wú)梁樓蓋方案圖3 結(jié)構(gòu)方案

(a)肋梁樓蓋方案 (b井字樓蓋方案) (c)無(wú)梁樓蓋方案圖4 軸網(wǎng)及梁柱尺寸

(a)肋梁樓蓋方案 (b)井字梁樓蓋方案 (c)無(wú)梁樓蓋方案圖5 各方案鋼筋骨架圖

(a)鋼筋 (b)混凝土

(c)模板 (d)人工圖6 各方案對(duì)應(yīng)的材料用量

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)之后得出的各個(gè)方案的鋼筋、混凝土用量，以及模板和人工費(fèi)用如圖6(a-d)所示。

從以上三維柱狀圖可以看出，從井字梁樓蓋到肋梁樓蓋再到無(wú)梁方案，可以看出從井字梁樓蓋方案到無(wú)梁樓蓋方案，隨著梁架數(shù)量的減少，整個(gè)結(jié)構(gòu)所消耗的鋼筋量逐漸增多，混凝土體積也逐漸增多，這是因?yàn)殡S著梁架數(shù)量逐漸減少，剩余的框架梁的截面高度增加，框架梁自重及梁柱配筋率均相應(yīng)上升，總的鋼筋消耗量也相應(yīng)上升； 同時(shí)，隨著梁架數(shù)量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升。在模板使用量方面，因?yàn)槔吡悍桨冈诹航孛娉叽缫约爸鞔瘟簲?shù)量上都處于中間位置，導(dǎo)致其模板使用總量較高。

3 優(yōu)化方案的綜合比選

根據(jù)算出的工程量，使用算量軟件將工程量換算成實(shí)際工程造價(jià)。套用2008年全國(guó)建筑工程勞動(dòng)定額，與《湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于發(fā)布2017年湖南省建設(shè)工程人工工資單價(jià)的通知》，分別獲得鋼筋單價(jià)3 377.43元/t，商品混凝土單價(jià)353.06元/m3，木模板單價(jià)46元/m2，人工工資單價(jià)100元/工時(shí)，并統(tǒng)計(jì)得出了三種優(yōu)化方案的工程造價(jià)，以及各類因素影響造價(jià)占比，如圖7(a-d)所示。

(a)井字梁樓蓋 (b)肋梁樓蓋

(c)無(wú)梁樓蓋 (d)各因素影響造價(jià)占比圖7 各方案成本構(gòu)成

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是控制工程造價(jià)。只要嚴(yán)格遵守“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、合理”的原則，認(rèn)清優(yōu)化設(shè)計(jì)在造價(jià)控制中的重要性，確定合理目標(biāo)，積極創(chuàng)造適宜條件，主動(dòng)采用科學(xué)的控制方法，就一定能搞好設(shè)計(jì)階段的造價(jià)控制[8]。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在以上三種優(yōu)化方案的工程造價(jià)中，模板造價(jià)是影響井字梁樓蓋方案與肋梁樓蓋方案的主要因素，這是因?yàn)榭蚣芰旱膫?cè)模以及底模消耗量大量模板； 而在無(wú)梁樓蓋方案中，商品混凝土造價(jià)則占據(jù)了主要影響因素?？梢钥闯鲭S著梁架數(shù)量減少，框架梁截面高度增加、樓板厚度也隨之增大，使得混凝土總體積也隨著上升，消耗量增加。

從三種優(yōu)化方案的工程造價(jià)可以看出，以無(wú)梁樓蓋方案為基準(zhǔn)方案，井字梁樓蓋方案的優(yōu)化率為13.4%，肋梁樓蓋方案的優(yōu)化率為5.51%。因此，井字梁樓蓋方案在本工程中可作為最優(yōu)方案選擇。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)較為系統(tǒng)的工作，優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)是控制工程造價(jià)。只有嚴(yán)格遵守“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、合理”的原則，認(rèn)清優(yōu)化設(shè)計(jì)在造價(jià)控制中的重要性，確定合理目標(biāo)，積極創(chuàng)造適宜條件，主動(dòng)采用科學(xué)的控制方法，才能做好設(shè)計(jì)階段的造價(jià)控制。本文結(jié)合BIM技術(shù)平臺(tái)以及廣聯(lián)達(dá)算量平臺(tái)，對(duì)工程實(shí)例建立三維信息模型，在綜合考慮了混凝土用量、鋼筋用量、模板用量以及人工消耗量等因素之后，得出了不同優(yōu)化方案的工程造價(jià)，結(jié)果表明井字梁樓蓋優(yōu)化方案是最優(yōu)方案。建筑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)是多種因素綜合考量的結(jié)果，不應(yīng)只從本專業(yè)出發(fā)，而應(yīng)從整體綜合上考慮，本文選取了混凝土用量，鋼筋用量，模板用量以及人工消耗量等四種因素，提高了優(yōu)化方案比選結(jié)果的準(zhǔn)確度?；贐IM技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠通過(guò)三維可視化以及中心工作平臺(tái)的方式，更好地提高優(yōu)化效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程造價(jià)的有效監(jiān)控，同時(shí)為工程造價(jià)的控制問(wèn)題提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。提高工程造價(jià)的控制水平的同時(shí)，保障工程施工的整體效益。

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