黃國剛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司；甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司)

隨著城市化進程的加速和人口增長，建筑需求大幅增加，導致房地產(chǎn)市場競爭日益激烈。在這樣的市場環(huán)境下，房地產(chǎn)企業(yè)和開發(fā)商需要降低項目成本，以提高盈利空間和競爭力。結構成本控制成為建筑企業(yè)在設計階段不可忽視的重要議題。在這一階段，精確地結構成本控制是確保項目成功交付的至關重要的因素之一，然而傳統(tǒng)的設計優(yōu)化工作模式往往面臨效率低、優(yōu)化深度不夠等問題，建筑業(yè)界迫切需要一種能夠提升項目管理效率、優(yōu)化資源配置，并有效應對成本不足的解決方案。在這一背景下，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術應運而生，成了革新建筑工程管理的重要工具。嚴鋒鋼針對建筑施工管理中存在的建筑設計刻板，落后的情況，提出BIM 技術在建筑設計方面的優(yōu)化利用，從而為建設設計和建筑施工管理提供更高效、便捷的方法[1]。李燁宇針對建筑工程項目管理中施工成本管控的核心需求，引入BIM 技術，從而有效提高施工成本控制效率與水平[2]。因此，研究深入探討面向建筑工程結構設計階段的建筑信息模型BIM 技術在結構成本控制中的關鍵應用。研究結合BIM 技術，探討在設計階段進行成本控制的流程和解決方案，并引入反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡（Backpropagation Neural Network，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡）數(shù)學模型進行成本預測的研究方法，旨在揭示BIM 技術在提高工作效率、優(yōu)化設計方案以及降低成本方面的潛力，為建筑行業(yè)在挑戰(zhàn)與機遇并存的時代開辟新的發(fā)展道路。研究利用BIM 技術結合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡進行成本預測，在建模軟件構建立體成本模型的輔助下獲取建設項目相關材料未來市場價值信息，為后續(xù)成本控制階段提供數(shù)據(jù)支撐，幫助項目團隊對不同設計方案進行比選，從而優(yōu)化成本控制策略，具有創(chuàng)新性。

1.基于BIM 技術的結構成本預測與成本控制

1.1 基于BIM 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的設計階段成本預測模型

設計階段成本預測是在建筑工程項目的設計階段，通過對建筑結構、材料、設備等要素進行綜合分析和評估，預測工程施工和材料采購等方面的成本情況。設計階段成本預測的準確性對于項目的成本控制至關重要。為提高成本預測的準確性和效率，研究選擇BIM 技術和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡作為預測工具。BIM 技術能夠集成各類建筑信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面分析和準確預測，為項目管理者提供全面的成本預測數(shù)據(jù)，并支持實時優(yōu)化和決策[3]。而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡作為一種數(shù)據(jù)驅動的預測工具，能夠從歷史數(shù)據(jù)中學習和建立預測模型，提供更準確的市場信息預測。

建設項目設計階段成本預測模型框架包括兩個主要階段。首先，需要收集類似項目的相關數(shù)據(jù)信息作為數(shù)據(jù)支撐，包括建筑結構、用材情況、工程量以及市場材料價格等，以建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型。其次，將收集到的相關數(shù)據(jù)輸入到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，通過深度學習訓練模型，對模型進行優(yōu)化，得到成本的預測結果。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡在處理復雜數(shù)據(jù)和非線性問題上有較強的表現(xiàn)，因此非常適合用于成本預測。這一預測結果將作為評價設計方案成本是否在可控范圍內的依據(jù)。通過與預算成本進行對比和評估，可以判斷設計方案的經(jīng)濟可行性。成本預測模型流程圖如圖1 所示。

圖1 成本預測模型流程圖

由圖1 可知，在完成價格預測的過程中，首要任務是采集樣本數(shù)據(jù)信息。研究所需搜集的數(shù)據(jù)來自廣材網(wǎng)和BIM數(shù)據(jù)庫。廣材網(wǎng)是中國建筑工程行業(yè)中的一個材料價格查詢網(wǎng)站，匯集了各種建筑材料的實時價格數(shù)據(jù)，包括水泥、鋼材、木材、玻璃等常用材料，以及各類建筑裝飾材料。廣材網(wǎng)的數(shù)據(jù)來源廣泛，涵蓋了全國各地的市場情況，可以幫助建筑企業(yè)、工程管理人員和設計師了解材料價格的波動趨勢，以便更好地進行成本預測和項目管理，對于建筑工程的成本控制、預算編制和項目決策等方面具有重要的參考價值。另一方面，BIM 數(shù)據(jù)庫是BIM 技術應用中的一個重要組成部分，用于存儲和管理建筑項目相關的信息和數(shù)據(jù)，包括建筑元素的幾何形狀、材料屬性、施工進度、成本信息等。通過BIM 數(shù)據(jù)庫，項目團隊可以實時共享、更新和分析數(shù)據(jù)，從而支持項目的設計、施工和運營階段的決策和管理工作。

從豐富的價格信息庫中收集與建設項目相關的數(shù)據(jù)后，需要對其進行嚴格的預處理，包括數(shù)據(jù)清洗、異常值處理和標準化，以確保數(shù)據(jù)的一致性和可用性。隨后，采用神經(jīng)網(wǎng)絡作為成本預測模型的核心工具。這個模型通過對輸入值和輸出值之間的連接權值進行調整，逐步學習數(shù)據(jù)的內在規(guī)律。通過多輪的訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡逐漸優(yōu)化自身，使得其輸出值與預期輸出值之間的誤差逐漸減小。此過程不僅依賴于數(shù)學模型的運算，還包括了對數(shù)據(jù)特征的深入挖掘和分析，以確保模型能夠捕捉到數(shù)據(jù)的潛在關系。在神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練完成后需要對其進行驗證和測試。如果模型的輸出值與實際值相符合，那么說明模型具有良好的預測能力和泛化能力。如果存在較大的差異，需要進一步調整模型的參數(shù)和結構，以提高其預測精度。最終，經(jīng)過多輪的訓練和優(yōu)化，得到一個能夠準確預測建設項目成本的神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

1.2 建筑工程結構設計階段成本控制框架建立

在建筑工程中，設計階段是關鍵的環(huán)節(jié)，直接影響前期投資和項目盈利。然而，當前很多項目忽視設計階段的重要性，過于關注施工控制。因此，研究探討利用BIM 技術進行設計階段的成本控制。首先，BIM 軟件建立的參數(shù)化模型減少了重復建模時間，提高工作效率和準確率。設計人員可以直接修改參數(shù)，快速優(yōu)化設計方案，降低成本，提高效率。其次，BIM 技術提供多維度精細化管理，與傳統(tǒng)二維設計相比，三維模式使成本控制更細致。專業(yè)設計人員可以協(xié)同應用模型，并通過云端共享成本數(shù)據(jù)，減少溝通成本，實現(xiàn)精準成本控制。最后，引入BIM 技術建立成本數(shù)據(jù)庫，儲存歷史項目數(shù)據(jù)，為公司運營和項目開發(fā)提供參考。這提升了企業(yè)的成本控制能力，實現(xiàn)科學高效的成本控制，優(yōu)化設計方案，確保項目的可行性和盈利性。通過BIM 技術的應用，設計階段的成本控制得到了有效改進，為項目的成功實施奠定了堅實基礎。結合BIM的成本控制框架如圖2所示。

圖2 結合BIM 的成本控制框架示意圖

由圖2 可知，BIM 技術在成本控制中的框架主要分為三個功能層：基礎信息層、模型層和應用分析層。在基礎信息層，建筑項目的相關數(shù)據(jù)被整合、歸檔和管理，其目標是建立一個完整且準確的數(shù)據(jù)基礎，為后續(xù)的成本控制提供可靠的支持。模型層是BIM 技術的核心，其中包括了建筑項目的三維模型和相關信息。通過BIM 軟件，可以將設計圖紙、構件尺寸、結構布局等信息整合為一個三維模型。在這一層，設計人員可以深入分析模型，探索不同設計方案的成本情況，并進行調整和優(yōu)化，確保設計方案的成本控制在可控范圍內。通過這一框架，BIM 技術在設計階段的成本控制發(fā)揮了關鍵作用，提高了工作效率、準確性和精細化管理，為建筑項目的順利實施提供了有力支持。

傳統(tǒng)建設項目設計過程中，不同專業(yè)之間常常固守本專業(yè)視角，導致設計溝通不暢，易出現(xiàn)碰撞和沖突。例如，土建和機電專業(yè)的空間協(xié)調問題可能導致后續(xù)設計變更和成本增加。然而，采用BIM 技術，特別是以Revit 為主的BIM 軟件，為協(xié)同作業(yè)提供了強大優(yōu)勢。各專業(yè)可將設計三維模型同步到共享平臺，實時查看其他專業(yè)的設計進度和模型，促進更直接簡單地溝通，減少信息交流阻礙。引入BIM 技術后，結構方案優(yōu)化和節(jié)能方案優(yōu)化可以在設計過程中實時進行。結構優(yōu)化通過BIM 軟件進行梁板結構形式設計，滿足設計要求后，進行配筋率分析，計算不同配筋的梁板結構成本。在滿足設計要求的前提下，對不同結構方案進行成本比較，選出最優(yōu)的結構設計方案，實現(xiàn)成本優(yōu)化。

BIM 技術中的碰撞模擬是一個重要的應用點。傳統(tǒng)的圖紙設計中，由于各專業(yè)之間協(xié)同效率低、口徑不一致，常常導致圖紙出現(xiàn)錯誤。引入BIM 技術后，可以將不同專業(yè)的設計數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一的模型中，實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同設計的無縫集成。該技術可檢查設計中可能出現(xiàn)的碰撞，并導出碰撞分析報告。設計團隊根據(jù)報告對模型進行必要的修改，直到?jīng)]有碰撞問題為止，確保設計無沖突，由此提高了設計效率。同樣，工程量統(tǒng)計對設計階段非常重要。傳統(tǒng)的計量計價工作需要在拿到設計圖后進行建模算量，這帶來了重復建模和誤差問題。而BIM 技術，尤其是Revit 軟件，具有高度互聯(lián)性和明細表功能。設計人員可以在Revit 中儲存工程量數(shù)據(jù)，并通過插件導入本土化預算軟件，提高了工程量統(tǒng)計的準確性和效率，為方案比選提供經(jīng)濟技術指標參考。上述優(yōu)化流程有助于控制成本和優(yōu)化設計方案。

2.面向建筑工程設計階段的BIM 技術在結構成本控制中的實例分析

2.1 BIM 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型在設計階段的成本預測

研究以某市小學建設項目為案例，在建筑等級2 級、采用框架結構和樁承臺基礎的背景下，應用BIM 技術和BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行成本預測的研究。研究首先對小學教學樓進行BIM 建模，其整體模型與機電模型如圖3 所示。

圖3 利用BIM 建模的模型示意圖

由圖3 可知，經(jīng)過BIM 建模后的模型具有可視化、信息化、協(xié)同性的特點。通過整體模型可以對教學樓的結構進行分析和優(yōu)化，包括選取合適的結構材料和斷面尺寸，以降低建筑結構的成本。BIM 可以幫助計算結構構件的數(shù)量和相關參數(shù)，輔助設計師和工程師確定最經(jīng)濟的結構方案。此外，BIM 技術可以根據(jù)建筑模型自動生成材料清單、工程量表和造價指標，以及與結構相關的人工費用和耗材費用等，輔助進行結構成本的準確估計和預算編制。

研究借助MATLAB 軟件的強大功能輔助實現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型的預測功能，經(jīng)過多次訓練與模擬仿真，預測結果已經(jīng)具備有效性。根據(jù)預測得知，啟動工程時商品混凝土單價預計為588 元，此預測結果準確度較高且具有較大的可靠性。此外，研究深入利用了BIM 軟件提供的明細表，其中包含了詳細的梁工程量明細。以明細表中數(shù)據(jù)以及所預估的單價進行精細的計算，得知下個月矩形框架梁澆筑混凝土所需的具體費用為743640.04 元，為項目成本的合理預測提供了實際依據(jù)。在成本預測模型的模擬計算過程中，充分考慮多種因素的綜合影響，包括人工費、材料費以及機械臺班使用費等，經(jīng)過計算得知該方案設計階段的目標成本約為284萬元。

2.2 BIM 技術在某小學項目結構分析中的優(yōu)化

BIM 技術的應用有助于實現(xiàn)建筑項目全局的統(tǒng)籌管理，通過整合建筑項目的各種信息、數(shù)據(jù)，以及各參與者的協(xié)作，保證項目完成與質量控制。因此研究借助BIM 建模，設計了三種結構布置方案，包括了十字梁形樓蓋、單向板肋梁樓蓋和雙向板肋梁樓蓋，每種方案都呈現(xiàn)獨特的特征和潛在優(yōu)勢。十字梁形樓蓋通過十字形狀的梁排列形成網(wǎng)格結構，為大跨度建筑提供了強大的承載能力，尤其在空間利用方面表現(xiàn)出色，但施工可能相對復雜。單向板肋梁樓蓋則以單向板和肋梁組合，強化了結構的剛性，適用于較大的開間，且施工較為簡便。而雙向板肋梁樓蓋將肋梁結構運用于雙向板，優(yōu)越的承載性和適應性使其在多種荷載情況下具備卓越表現(xiàn)，然而它的構造相對復雜。

在PKPM 軟件SATWE 模塊中進行梁板柱的建模與分析優(yōu)化后，最終的三種方案為方案一十字梁板結構形式、方案二單向板結構形式和方案三無次梁板結構形式。進一步，利用廣聯(lián)達軟件通過導入三種方案的模型進行的方式進行評估，過程包括能耗分析與碰撞檢測等，最終由軟件計算得出各方案三種材料的工程量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別是混凝土、模板與鋼筋，如圖4 所示。

圖4 各方案工程量統(tǒng)計分析圖

由圖4 知，混凝土工程量中方案一共需555kg，方案二共需620kg，方案三共需656kg。模板工程量中各個方案的板所需工程量最大，柱所需工程量最小。在鋼筋工程量中，方案三所需要的鋼筋量最大，方案一所需最小。研究利用BIM 收集項目所需的相關數(shù)據(jù)，包括建筑設計圖紙、結構設計參數(shù)、材料成本等信息，將建筑結構和相關信息進行結合并輸入到BIM 模型中，利用BIM 模型進行結構成本估算。為了簡化研究并比選最優(yōu)設計方案，研究僅考慮結構主體中的混凝土價格、模板材料價格、鋼筋價格作為工程造價的主要因素。根據(jù)BIM 得出的工程量統(tǒng)計使用簡化算法計算不同設計方案的總造價，結果如圖5 所示。

圖5 各方案造價明細及造價占比分析圖

由圖5 可知，經(jīng)過計量計價，三種優(yōu)化方案均低于284萬元的目標成本，都是可行方案，且方案一節(jié)省約47.3 萬元，方案二節(jié)省約24.5 萬元，方案一節(jié)省約15.3 萬元。方案一中，鋼筋價格占比33.56%，混凝土價格占比38.52%，模板價格占比27.92%。方案二中，鋼筋價格占比34.63%，混凝土價格占比38.64%，模板價格占比26.73%。方案三中，三者占比分別為36.17%、39.41%與24.43%。由數(shù)據(jù)可知混凝土在三個方案中價格占比最高，方案一采用了十字梁板結構，此結構形式可能需要更多的混凝土用于梁和板的構造，以滿足承載和剛度需求。同樣，方案二的單向板結構和方案三的無次梁板結構，雖然在某些方面可能減少了梁的數(shù)量，但可能會導致更大的樓板面積，從而需要更多的混凝土。在滿足項目承重要求的前提下，以成本最高的方案三無次梁板結構形式為基準，得出十字梁板結構形式的價格優(yōu)化率為12.08%，方案二單向板結構形式的價格優(yōu)化率為3.59%。因此，最終通過BIM 模型得出方案一十字梁板結構形式為最優(yōu)設計方案。

3.結論

針對在建筑工程結構設計階段成本控制過程中傳統(tǒng)的設計優(yōu)化工作模式往往面臨效率低、優(yōu)化深度不夠等問題，研究提出了將面向建筑工程構設計階段的BIM 技術應用于成本控制中，以BIM 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡為基礎構建設計階段成本預測模型，再利用BIM 技術進行設計階段的成本控制。研究以某市小學建設項目為對象進行實驗，首先預測設計階段成本不超過284 萬元，以此設計3 種優(yōu)化方案，方案一十字梁板結構形式、方案二單向板結構形式和方案三無次梁板結構形式。實驗結果表明，三種優(yōu)化方案成本分別為236.69萬元、259.45 萬元和268.70 萬元，均為可行方案，且方案一節(jié)省約47.3 萬元，方案二節(jié)省約24.5 萬元，方案一節(jié)省約15.3 萬元。以成本最高的方案三為基準，得出方案一的設計優(yōu)化率為12.08%，方案二的設計優(yōu)化率為3.59%。因此選擇方案一為最終方案。綜合來看，面向建筑工程結構設計階段的BIM 技術在結構成本控制中的應用具有重要意義，通過BIM 技術的結合與優(yōu)化設計，可以幫助提高項目的成本控制和效率，為項目的順利實施提供科學有效的支持和參考。但由于條件受限，研究未能針對能耗分析以及碰撞模擬等問題進行可視化展示，可進一步優(yōu)化。