BIM视角下的的铁路工程施工阶段造价管理问题探讨

建立了一套基于本体的铁路 BIM 构件造价属性集。通过对铁路工程施工阶段的造价信息进行识别与提取，形成了全面的铁路工程计价信息模型，并利用本体技术建立了铁路 BIM 构件的关系属性集、静态属性集和动态属性集，关系属性集用于描述构件与构件之间的关系，静态属性集用于描述构件的基本参数与属性，动态属性集用于描述随时间、价格、变更等变化而变化的计价信息，三者共同构成完整的铁路 BIM 构件的造价属性集。
1 引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

  在中国，由铁路、公路、水路和民航等各种运输方式及其线路、站场等组成的综合交通运输体系中，铁路已拥有超过 13 万公里（其中 2.9 万公里高铁）的营业里程，从中长距离运输来看，铁路已成为综合交通运输的骨干网络和旅客出行的首选方式。2017 年 11 月 20 日，我国发布《铁路“十三五”发展规划》，将铁路发展目标定为到 2020 年，通过新建铁路或改造已有铁路，全国铁路营业里程达到 15 万公里，基本形成布局合理、覆盖广泛、层次分明、安全高效的“四纵四横”铁路网络。建设规模大、资金需求多、技术标准高、建设速度快已成为当代铁路建设的显著特点。BIM（Building Information Model）的应用为铁路行业带来了新一轮的变革，依托 BIM 实现协同管理和数据共享，是铁路行业发展的必然趋势。《铁路信息化总体规划》中明确指出：“要构建覆盖总公司/铁路公司、建设指挥部/项目部及施工标段的铁路建设管理平台，实现铁路建设项目立项决策、勘察设计、工程实施、竣工验收、运营维护全过程信息共享以及铁路建设项目全过程信息化、标准化管理，推进 BIM 技术在铁路建设全生命周期管理应用。”为此，铁路总公司于 2013 年 12 月明确提出以 BIM 为核心的全寿命期信息化管理理念，以 2D 平台逐步过渡至 3D 平台，并建立基于物联网、大数据、云计算技术的信息统一管理平台，并在同年成立中国铁路 BIM 联盟，大力推广 BIM 铁路标准建设和应用。截至目前，联盟已编制并颁布了包括信息模型数据存储标准、信息模型分类编码标准等在内的 6 部铁路工程 BIM 标准，为建设项目标准化管理和工程建设信息的交换共享提供了重要保障。在工程实践方面，各试点项目相继开展，例如徐宿淮盐铁路特大桥、郑徐高铁无砟轨道、京张高铁的信息自动采集、杭黄高铁建德东站等，BIM 技术在铁路各专业工程中的应用也取得了突破性进展。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 BIM 在铁路工程建设中的应用

  伴随着信息化时代的迅猛发展，BIM 技术已被广泛应用于工程建设领域，并逐渐与地理信息系统、空间定位技术、人工智能等技术集成，成为铁路行业颠覆传统建造方式、实现产业升级的有效路径。在 BIM 技术应用于铁路工程的研究方面，朱江[1]针对铁路前期规划、外业勘测以及设计三个阶段分别提出了应用 BIM 技术的设想和规划，为铁路工程应用 BIM 提供了指导，也为后续研究奠定了基础。Huang，Shih-Fang 等[2]分析了将 BIM 应用于铁路轨道对齐设计的可行性，并利用台湾铁路局某项目的轨道对准数据，对设计精度进行了分析。Akula，Manu 等[3]对 BIM 应用于铁路工程做出了进一步的深入研究，提出应用 BIM 模型提供铁路桥面板段内钢筋位置的 3D 成像，向钻井操作员提供关于根据钻头的位置和方向继续钻井是否安全的实时反馈，避免返工的时间和成本，以便提高工程流程的安全性，生产率和质量。沈东升等[4]从标准规范制定、隧道、BIM 应用研究等 8 方面分析铁路 BIM研发和应用，提出铁路行业 BIM 研发和应用的重点和难点及实施路径。后续 BIM在铁路建设项目中的研究，逐渐由局部工点应用转变为成段应用，由单专业应用发展为向多专业应用

2 相关理论综述

2.1 IFC 与铁路 BIM 标准

2.1.1 IFC 标准

  IFC(Industry Foundation Classes)是由 BuildingSMART 制定的信息交流的标准格式，致力于建筑设计、施工和运维的各类软件的协同工作，涵盖了建筑产品的各个领域在全生命期内的多方面信息，既包括实体概念及信息（如梁、板、柱等），也包括抽象概念及信息（如计划、组织、空间等）。IFC 标准为各类 BIM 软件进行数据交换提供统一的数据架构和文件交换格式，具有较好的开放性，使信息能够在不同软件之间的进行交换和共享，结合目前大多数建筑相关产品提供了 IFC 标准的数据交换接口，这就使得基于 BIM 的多专业设计、管理一体化成为现实。IFC 标准采用了 STEP 体系中产品数据模型的描述工具——EXPRESS 为描述语言[40]，EXPRESS 语言采用面向对象的机制，规定了简单数据类型、聚合数据类型、构造数据类型、命名数据类型、实体数据类型等多种数据类型，可以用于进行信息建模，所创建的信息模型既能被人可以理解，又可被开发工具等计算机程序识别并解析。模式（Schema）是 EXPRESS 描述数据模型的基础，模式是构造部分或全部模型的数据项的集合，每个模式内包含实体（Entity）、类型（Type）、属性（Property），模式内或模式与模式之间通过函数（Function）、规则（Rule）等建立连接，构成完整的信息模型。在 EXPRESS 语言的数据架构基础上，

IFC 按照实体（Entity）、函数（Function）、类型（Types）、属性（Property）、属性集（Property Sets）对各个对象进行表达。实体即具有一定相同特点或定义的信息类；函数是实体属性的计算；类型即对象的类型，分为定义、枚举、选择三种；属性是对对象的说明和描述，多个属性通过关系实体与构件实体相关联，可形成构件属性的集合，即属性集。IFC 通过层级和模块化的形式对各种建筑信息进行存储和管理，从下到上依次可分为资源层（Resource Layer），核心层（Core Layer），共享层（Interop Layer）和领域层（Domain Layer），每一个层次都包含了许多模块，每个模块都由各种实体、类型、规则及函数构成。资源层主要对可以重复使用的实体进行定义，如几何资源、成本资源；核心层主要对 IFC 的基本结构、基础关系等进行定义；共享层主要对如共享建筑元素、共享管理元素等通用性的对象进行定义；领域层主要对专业领域及其实体对象进行定义，如暖通领域、电气领域等。通过该结构框架即可实现BIM 的数据存储及联动。

2.2 本体论

2.2.1 本体基本概念和描述语言

（1）本体基本概念

  本体（Ontology）最早出现于哲学领域，探究事物的本源是什么，即如何定义和描述事物。随着信息技术的发展，为使计算机能理解人类语言，本体被逐渐引入并应用于信息科学界。20 世纪 90 年代初，Perez 等[42]针对本体给出了“共享概念模型的明确的形式化规范说明”的定义，即从某领域内抽象出一系列概念，概念与概念之间通过明确地对关系和规则定义建立出能被计算机程序可理解和处理的语义模型，从而对某个领域的知识进行描述。本体是对知识的结构化凝结，可以描述种类繁多的知识级关系两类，函数作为一种特殊的关系，包含于关系中。公理作为无需证明的不变的关系，是构建本体模型的基础。

3 基于 BIM 的铁路工程施工阶段造价管理现状与问题

3.1 BIM 在铁路工程施工阶段造价管理中的应用

3.1.1 铁路工程施工阶段造价管理内容与特点

  施工阶段工程由图纸向工程实体转变，大部分资金将在此阶段投入，因此铁路项目施工阶段工程造价的计算和控制显得尤为重要。铁路工程施工阶段的工程造价管理主要包括以下几项内容：

（1）资金使用计划的编制。为了控制施工阶段的资金投入，施工单位一般在施工前编制详细的资金使用计划，合理地确定造价总目标值以及明细目标值，以便在施工过程中将工程实际支出额与目标值进行对比，找到偏差并及时采取控制措施，合理使用工程款。

（2）工程变更与合同价款的调整。工程变更与合同价款调整指因施工期间的施工条件变化导致的合同价款需要调整，一般包括工程变更引起的价款调整、现场签证引起的价款调整、工程索赔引起的价款调整以及物价波动引起的价款调整。工程变更是指在施工过程中，在业主或监理指令下，对合同约定内容进行各种类型的变更，除了设计变更外，合同条件、施工顺序、技术规范等的变化等都属于工程变更范围。现场签证指在施工图纸或合同中没有但却要实际发生的工程量，需要由建设方、监理等现场确认后生成工程签证，施工企业根据现场签证进行施工并进行相应的计量计价工作。索赔是指建设单位未按施工合同履行自身义务或发生失误等其他方面的原因，给施工单位造成经济损失的，施工单位按合同约定提出索赔，索赔内容包括工期索赔和费用索赔，工期索赔即施工单位向建设单位提出延长工期、推迟竣工日期的要求，费用索赔指施工单位向建设单位提出补偿额外支出或赔偿损失的要求。以上三种变更会引起工程量的变化和工程价款的变化，而物价波动是指因物价大幅增涨使施工企业成本增加，为降低亏损而向建设单位提出的人材机价格的调整，这种情况不会涉及工程量的改变，只是计算超过合同规定的价格波动范围部分的价差，进而调整价款。3.2 BIM 在铁路工程造价管理应用中存在的问题

将 BIM 技术应用于铁路工程建设的全寿命周期，是实现铁路工程建设信息化、标准化管理需求的重中之重。虽然铁路 BIM 应用的理论研究和实践成果日益丰富，但目前的铁路造价工作仍独立于信息管理平台，造价信息无法随模型进行传递和交换，也无法随模型的调整进行及时的自动更新，为造价的动态管理带来阻碍。当前应用 BIM 进行造价管理过程中主要存在以下问题：

（1）基于 BIM 的工程量自动统计存在偏差。偏差出现的原因是由于 BIM 内置的布尔运算规则与我国通用的清单计量规则存在差异，BIM 模型中的一些实体构件，如钢轨、轨枕等，其计量方式与工程量清单相同，因此可以直接统计。但涉及到交叉、扣减的部分，不同的建模软件设定规则不尽相同，与我国的工程量清单规则也不同，因此无法直接引用计量结果。

（2）工程量无法自动匹配合同价款、价款变化需人工确定并修改。当前利用BIM 进行设计建模的技术已基本成熟，而对于造价方面，BIM 系列软件与我国的铁路工程计价软件的数据标准不同，在软件间信息共享方面存在障碍，一些计价软件可以读取并解析设计 BIM 模型，但是可识别的数据有限，且 BIM 模型中并不包括工程造价所需要的所有信息，如施工工艺、工法等信息，只能靠造价人员手动套用计价规范中的清单及定额，且当为变更的工程量确定综合单价时，也要人工查询相应清单信息、造价机构发布的价格信息甚至市场价格信息，需要消耗造价人员大量的时间和精力。

4 基于 BIM 的铁路工程施工阶段造价信息结构研究

4.1 铁路工程施工阶段造价信息需求研究

  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，为铁路工程量清单计价模式建立通用与个性化、几何特征与计价属性、基本信息与扩展信息、动静结合的铁路工程造价信息结构，并为建立全面的铁路 BIM 构件造价属性集奠定基础。

4.1.1 铁路工程造价信息类型

  工程造价工作一般包括工程计量与工程计价两大模块，工程计量即工程量的计算，一般包括构件的长度、高度、面积等几何信息；对工程计价而言，无论是定额计价模式还是工程量清单计价模式，对于某项工序或工程需要依据构件种类、材料种类、项目特征等的不同分别列表并赋予相应的定额或价格，因此工程计价所涉及的信息种类较多。综合铁路工程量清单与铁路基本定额的基本内容，本文将铁路工程造价信息分为基本信息、几何信息、计量信息、材料信息、施工信息、其他动态信息六大类。

5 基于 BIM 的铁路工程施工阶段造价管理过程研究

5.1 基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式

  当前普遍的铁路工程造价流程中，造价人员通过算量软件计算清单内构件的工程量，再导入计价软件中，结合项目特征描述和自身对专业的理解确定建筑产品所对应的定额子目，通过换算确定综合单价，并编制成工程量清单。BIM 模型能够全面的识别设计信息，并能在 IFC 标准的各个层次修改或扩展相关有用信息，如修改工程量计算规则或扩展施工信息、价格及进度信息等属性信息，以实现基于BIM 的准确计量，基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式则在此基础之上，依据BIM 模型的分解特点改善建安费计算方式，并通过 BIM 构件与造价数据库的映射，智能的调取造价数据库中的相关数据，自动生成工程量清单，进而完成工程计价。

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

本文的主要研究结果如下：

（1）建立了一套基于本体的铁路 BIM 构件造价属性集。通过对铁路工程施工阶段的造价信息进行识别与提取，形成了全面的铁路工程计价信息模型，并利用本体技术建立了铁路 BIM 构件的关系属性集、静态属性集和动态属性集，关系属性集用于描述构件与构件之间的关系，静态属性集用于描述构件的基本参数与属性，动态属性集用于描述随时间、价格、变更等变化而变化的计价信息，三者共同构成完整的铁路 BIM 构件的造价属性集。

（2）对铁路 BIM 构件与造价数据库之间进行了映射。具有全面计价信息的铁路 BIM 模型和具有丰富数据源的造价数据库是基于 BIM 计价的基础，但二者的数据结构及信息存储方式不同，本文将本体作为中介模式，使 BIM 的 IFC 格式数据和造价数据库的关系数据库模式数据同时与本体进行映射，并通过造价属性集本体的推理功能，使 BIM 构件能自动检索、匹配、调取造价数据库中相关的数据，极大缩短了造价人员搜索数据、查询定额等的时间。

（3）建立了基于 BIM 的铁路工程量清单计价方式。本文建立的基于 BIM 的工程计量方式是在现有的 BIM 建模软件中，扩展缺失的属性，并对数据结构中的计量规则按照我国现行铁路清单计量规则进行修改和调整，以基于 BIM 完成实体项目和非实体项目的计量；本文建立的基于 BIM 的工程计价方式是在工程量清单计价方式基础上，按照与 BIM 的分解方式相适应的原则，以产品构件为对象统计建筑安装工程费，进而完成整个铁路工程造价的计算。

（4）建立了基于 BIM 的铁路工程施工阶段造价管理机制。在以上研究成果基础上建立了基于 BIM 的资金使用计划编制机制、基于 BIM 的工程变更价款编制机制、基于 BIM 的工程价款结算机制以及基于 BIM 的投资偏差分析机制，以基于BIM 实现施工阶段的自动化、动态化造价管理。