基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)研究與開發(fā)

林佳瑞 張建平 何田豐 賈衛(wèi)東 吳崢

(1.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084;2.中國中建地產(chǎn)有限公司，北京 100037)

1 引言

住宅項(xiàng)目策劃是房地產(chǎn)商進(jìn)行市場定位、投資組合分析等工作并制定策劃方案的過程［1］。它反映了開發(fā)商的市場戰(zhàn)略，是項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)和設(shè)計(jì)需求的表達(dá)，是項(xiàng)目定位、產(chǎn)品功能建議、融資能力、開發(fā)規(guī)劃、價格策略及投資機(jī)會選擇的綜合決策過程，將極大影響項(xiàng)目未來的形態(tài)。住宅項(xiàng)目具有典型的標(biāo)準(zhǔn)層和戶型，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，其策劃過程往往會參照已有標(biāo)準(zhǔn)住宅的戶型、造價以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等既有信息，通過不同戶型的組合快速形成新的標(biāo)準(zhǔn)層和策劃方案。然而，當(dāng)前對標(biāo)準(zhǔn)住宅信息的存儲與管理仍處在二維圖紙及文檔管理階段，戶型布局與造價、售價、節(jié)能、環(huán)保等信息“割裂”存儲，為既有信息在項(xiàng)目策劃中的重用帶來了很大的不便，使得項(xiàng)目策劃很大程度取決于策劃者的經(jīng)驗(yàn)，直接影響項(xiàng)目決策的效率和質(zhì)量。

建筑信息模型(Building Information Model，以下簡稱BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項(xiàng)目各類相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型［2］，擁有完備性、關(guān)聯(lián)性和一致性的特點(diǎn)［3］，能夠?qū)粜筒季值热S幾何信息與相關(guān)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)信息集成一體，形成完整的標(biāo)準(zhǔn)住宅戶型信息，支持既有戶型信息在項(xiàng)目策劃過程中的重用。近年來，BIM 技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。但是，在建設(shè)項(xiàng)目前期策劃中的BIM 應(yīng)用還未見發(fā)表，當(dāng)前的BIM 設(shè)計(jì)軟件也缺乏以戶型為單元的建模功能，無法直接支持項(xiàng)目策劃的BIM 應(yīng)用。

本文針對住宅項(xiàng)目策劃的實(shí)際需求，通過綜合應(yīng)用BIM 和4D 技術(shù)，研究并提出了基于既有標(biāo)準(zhǔn)戶型的住宅方案BIM 建模和方案分析與評價的方法。通過解決戶型三維模型與各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)信息的關(guān)聯(lián)、存儲、編輯與管理，基于戶型組裝生成住宅標(biāo)準(zhǔn)層和建筑單體方案以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的信息獲取、分析評價等關(guān)鍵技術(shù)，以Autodesk Revit 2012 和清華大學(xué)4D 項(xiàng)目管理系統(tǒng)為平臺，開發(fā)了基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)。應(yīng)用表明，本研究為住宅項(xiàng)目策劃的方案創(chuàng)建、分析評價、比選決策提供了新的途徑和方法，促進(jìn)了BIM 在住宅項(xiàng)目策劃階段的應(yīng)用。

2 研究基礎(chǔ)

2.1 Autodesk Revit 二次開發(fā)現(xiàn)狀

Autodesk Revit Architecture 軟件是目前國內(nèi)外最流行的BIM 建筑設(shè)計(jì)軟件之一。該軟件可以快捷創(chuàng)建和修改建筑模型，并導(dǎo)出建筑模型的IFC 文件供模型信息的傳遞與重用。此外，Revit 還提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，為用戶擴(kuò)展功能提供了便利。

當(dāng)前，Revit 插件越來越多，功能覆蓋范圍也愈加廣泛，可分為以下幾個用途［4］:

(1)輔助建模:簡化建模過程，提高建模效率，如ARUtils、Trelligence Affinity 等;

(2)性能分析:通過導(dǎo)出或直接利用Revit 文件信息，進(jìn)行溫度與光照分析等功能，如IES－VE 等;

通過對比分析可以看出，盡管當(dāng)前Revit 二次開發(fā)已涉及多個方面，但仍局限在對Revit 系統(tǒng)原有族、構(gòu)件的操作以及Revit 模型信息的利用上，并不能將戶型視為一個整體進(jìn)行編輯、存儲與管理，更也不能對戶型的成本、售價、節(jié)能、環(huán)保等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、存儲和管理，也無法利用這些信息輔助項(xiàng)目策劃階段的方案比選與決策。

2.2 BIM 和4D 技術(shù)

BIM 集成了工程項(xiàng)目全生命期的各類相關(guān)信息，是工程項(xiàng)目全生命期數(shù)據(jù)的集成。當(dāng)前BIM 的應(yīng)用主要集中在項(xiàng)目設(shè)計(jì)可視化展示、碰撞檢測、施工模擬、施工深化設(shè)計(jì)和輔助項(xiàng)目管理等方面［5］，在項(xiàng)目策劃階段的應(yīng)用實(shí)踐還很少。

清華大學(xué)張建平教授及科研團(tuán)隊(duì)綜合應(yīng)用BIM和4D-CAD 技術(shù)，開發(fā)的基于BIM 的工程項(xiàng)目4D動態(tài)管理系統(tǒng)(簡稱4DBIM-GCPSU)［6］，已成功應(yīng)用于國家體育場等十幾個大型工程項(xiàng)目。系統(tǒng)以工程構(gòu)件為基礎(chǔ)、WBS 為核心，可將施工進(jìn)度、資源、安全、質(zhì)量、場地的信息關(guān)聯(lián)到工程構(gòu)件三維模型上，對施工進(jìn)度和過程進(jìn)行4D 模擬、優(yōu)化和管理，并可進(jìn)行人力、材料、機(jī)械、成本等施工資源的動態(tài)管理和分析。除此之外，4DBIM-GCPSU 具有基于OpenGL 自主開發(fā)的圖形平臺及IFC 數(shù)據(jù)交換接口，具有較強(qiáng)的BIM 模型管理功能，能很好的支持住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)主要分為兩個部分:基于Revit 的方案建模子系統(tǒng)和方案4D 模擬及分析評價子系統(tǒng)。其中方案建模功能包括:模型庫管理、戶型組裝、建筑單體建模以及樓群建模。方案4D 模擬及分析評價功能包括:方案的4D 進(jìn)度模擬、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算、融資方案對比、敏感性分析以及綠色校內(nèi)分析等。二者之間通過IFC 文件和自定義XML 文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)整體架構(gòu)

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 方案BIM 建模

(1)建模流程

一般而言，住宅策劃方案設(shè)計(jì)主要包括住宅小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境景觀設(shè)計(jì)、建筑空間布局、戶型布置及面積設(shè)計(jì)等內(nèi)容［1］。本研究主要圍繞建筑單體的BIM 建模過程展開，開發(fā)的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)BIM 建模流程如圖2 所示。

用戶首先可根據(jù)戶型定位、用戶或面積等信息查找類似戶型，繼而按照項(xiàng)目需要對戶型進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，并可將新的戶型信息保存下來供后續(xù)項(xiàng)目參考。接著，用戶可以參考原有的標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)，將所設(shè)計(jì)的戶型進(jìn)行組裝，形成新的標(biāo)準(zhǔn)層，再根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)屋頂或底層商戶等特殊層，從而可快速形成建筑單體BIM 模型，重復(fù)上述步驟即可形成建筑樓群。

圖2 建筑單體BIM 建模流程

4.2 戶型管理與組裝

(1)戶型信息編輯管理

原有的戶型管理方式主要依賴于圖紙及文檔，本研究通過建立戶型數(shù)據(jù)庫存儲戶型三維數(shù)據(jù)以及其關(guān)聯(lián)的售價、室廳衛(wèi)數(shù)量、定位等信息，從而方便用戶檢索相關(guān)戶型。當(dāng)用戶完成戶型的編輯與調(diào)整后，在系統(tǒng)建模部分中點(diǎn)擊上傳戶型，系統(tǒng)會自動提取戶型的室廳衛(wèi)及三維數(shù)據(jù)信息，并提示用戶輸入戶型的售價及定位信息，如圖3 所示。

(2)戶型組裝

用戶在戶型組裝中主要關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)層的平面布局，因而本研究采用了基于俯視圖進(jìn)行戶型組織的方法。每個戶型關(guān)聯(lián)其包含的房間(如臥室、衛(wèi)生間)，房間則關(guān)聯(lián)其內(nèi)部包含的物體(如家具、衛(wèi)浴等)、開洞及其定位等信息。戶型組裝開始時，系統(tǒng)會自動提取Revit 中包含的房間、構(gòu)件等信息形成戶型數(shù)據(jù)。

圖3 戶型信息保存

在戶型組裝過程中，用戶可以選擇整個戶型進(jìn)行相對位置調(diào)整(如圖4(a))，系統(tǒng)會自動捕捉戶型各房間的邊界以便與其他戶型對齊;同時，也可對某幾個房間進(jìn)行位置的調(diào)整或者角點(diǎn)的調(diào)整(如圖4 (b)所示)，在調(diào)整過程中系統(tǒng)能夠自動捕捉房間的角點(diǎn)及邊緣。

4.3 模型生成

當(dāng)完成戶型組裝形成標(biāo)準(zhǔn)層后，系統(tǒng)能夠依照各個戶型數(shù)據(jù)調(diào)用Revit API 自動生成標(biāo)準(zhǔn)層模型。在模型生成過程中，需要自動提取標(biāo)準(zhǔn)層的面積、戶型數(shù)量等信息。同時，還需要考慮房間相對位置移動帶來的墻重疊、墻附屬門窗的位置改變，以及戶型對應(yīng)樓板的生成等問題，并需將相應(yīng)的構(gòu)件關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的戶型。

4.4 數(shù)據(jù)交換

本研究方案建模與4D 模擬及經(jīng)濟(jì)分析子系統(tǒng)基于不同的平臺開發(fā)，因而需要在兩大子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息的交換與共享。其中，基本幾何數(shù)據(jù)信息的交換采用通用IFC 接口進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出。在方案建模子系統(tǒng)中完成建模后可直接導(dǎo)出為IFC 文件，4D模擬及分析評價子系統(tǒng)則可導(dǎo)入該IFC 文件。而構(gòu)件與戶型之間、戶型與標(biāo)準(zhǔn)層的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及戶型售價、標(biāo)準(zhǔn)層成本等信息則利用自定義的XML 文件格式進(jìn)行導(dǎo)出;同時，在4DBIM-GCPSU 系統(tǒng)中開發(fā)了XML 文件導(dǎo)入接口，實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)信息、成本以及售價等資金信息的共享。

4.5 方案分析評價

BIM 模型包含了項(xiàng)目方案的相關(guān)信息，提取BIM 這些信息，可對方案進(jìn)行4D 進(jìn)度模擬、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價以及綠色性能分析。限于篇幅，以經(jīng)濟(jì)分析為例，可通過提取構(gòu)件的材料、成本、工期及售價等信息計(jì)算項(xiàng)目方案的資金流入流出情況，從而針對不同的融資計(jì)劃分析其凈利潤、凈現(xiàn)值以及內(nèi)部收益率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為項(xiàng)目方案可行性提供決策支持。

圖4 戶型組裝與編輯

4.6 經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)獲取

經(jīng)濟(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)的來源分為2 種:一種是基于方案BIM 模型提取，分析評價模塊可自動從BIM模型中提取各個戶型的售價、類型，各標(biāo)準(zhǔn)層的成本、施工時長等信息，自動生成相應(yīng)的資金流出流入數(shù)據(jù)記錄。另一種是用戶輸入，用戶可以通過錄入等方式補(bǔ)充部分策劃數(shù)據(jù)，這些包括不同融資方案的建立以及融資來源情況等。

4.7 基本經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算

住宅項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要分為靜態(tài)評價指標(biāo)和動態(tài)評價指標(biāo)兩類，其中靜態(tài)評價指標(biāo)本文選擇了凈利潤(Net Profit，NP)，動態(tài)評價指標(biāo)選擇了凈現(xiàn)值(Net Present Value)和內(nèi)部收益率(Internal Rate of Return)。

凈利潤是項(xiàng)目所有收入減去所有支出所得的差值，反映了項(xiàng)目的盈利能力。凈現(xiàn)值計(jì)算方法如式(1)所示，其中，表示現(xiàn)金流入，表示現(xiàn)金流入，為期數(shù)，為社會折現(xiàn)率。凈現(xiàn)值是項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)凈貢獻(xiàn)的絕對度量指標(biāo)，它的大小反映了項(xiàng)目所帶來的經(jīng)濟(jì)效益的大小。

內(nèi)部收益率為凈現(xiàn)值為0 時折現(xiàn)率的大小，可由式(2)計(jì)算得出，當(dāng)IRR 大于社會折現(xiàn)率時，表明項(xiàng)目對社會的經(jīng)濟(jì)凈貢獻(xiàn)超過了社會折現(xiàn)率的要求，它反映了項(xiàng)目占用資金的動態(tài)收益率以及資源配置的經(jīng)濟(jì)效率。

4.8 融資方案對比分析

為輔助項(xiàng)目決策，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析提供了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比和融資方案敏感性分析功能。用戶可針對自有資金和全投資，對比不同融資方案的NPV、IRR和NP，進(jìn)而可根據(jù)用戶關(guān)心的指標(biāo)不同選擇不同的融資方案。同時，住宅項(xiàng)目的盈利能力將極大地受到戶型銷售情況的影響，因而系統(tǒng)還提供了融資方案敏感性分析的功能，可以對比戶型售價對不同融資方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用測試，如圖所示。其中圖5(a)是方案建模子系統(tǒng)中基于戶型設(shè)計(jì)組裝的項(xiàng)目方案模型，將模型通過IFC 和XML 文件導(dǎo)入方案4D 模擬及分析評價子系統(tǒng)中，其結(jié)果如圖5(b)所示?？梢钥吹?，模型及標(biāo)準(zhǔn)層的4D 模擬過程以及戶型的組織結(jié)構(gòu)、成本和售價等信息，雙擊戶型節(jié)點(diǎn)可在模型上顯示戶型及對應(yīng)的構(gòu)件。

基于上述BIM 模型，通過錄入資金來源等信息，可以對不同的融資方案進(jìn)行對比分析和敏感性分析，輔助項(xiàng)目決策。圖顯示了不同方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比(圖6(a))和售價敏感性分析(圖6(b))的結(jié)果。用戶可以對比不同融資方案的凈現(xiàn)值、凈收益以及內(nèi)部收益率等指標(biāo)，并可通過雷達(dá)圖直觀的看出不同方案的優(yōu)勢和不足;同時用戶還可選取特定融資方案分析其內(nèi)部收益率等指標(biāo)對售價的敏感性情況。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

圖6 融資方案對比和敏感性分析

6 結(jié)論

本文針對住宅標(biāo)準(zhǔn)化程度高、具有大量戶型歷史數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合住宅項(xiàng)目策劃階段方案建模、項(xiàng)目決策的實(shí)際需求，提出了基于既有標(biāo)準(zhǔn)戶型的住宅方案BIM 建模和方案分析評價方法，并通過解決一系列關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了基于BIM 的住宅項(xiàng)目策劃系統(tǒng)。應(yīng)用表明，系統(tǒng)可基于既有標(biāo)準(zhǔn)戶型快速組裝標(biāo)準(zhǔn)層、進(jìn)而形成建筑單體方案及其BIM 建模，并基于BIM 進(jìn)行4D 進(jìn)度模擬、經(jīng)濟(jì)技術(shù)及綠色性能分析評價。研究成果為住宅項(xiàng)目策劃方案創(chuàng)建、分析評價、比選決策提供了新的途徑和方法，促進(jìn)了BIM 在項(xiàng)目策劃階段的應(yīng)用。

［1］陳洪官.房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目前期策劃的應(yīng)用研究［D］.西安建筑科技大學(xué)，2007.

［2］Sciences NIOB.National Building Information Modeling Standard［S］.1.0 ed.Sciences NIOB，2007.

［3］張洋.基于BIM 的建筑工程信息集成與管理研究［D］.清華大學(xué)，2009.

［4］Autodesk.開發(fā)商的產(chǎn)品和服務(wù)-CAD［Z］.2012:2012/9/16.

［5］張建平，李丁，林佳瑞等.BIM 在工程施工中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù).2012(08):10-17.

［6］張建平.基于IFC 的建筑工程4D 施工管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［J］.中國建設(shè)信息.2010(04):52-57.