摘 要：设计方案优化和限额指标控制是建设项目工程造价控制的重要内容，而结构方案优化和结构限额指标的控制则是其中的重要内容。在传统设计模式中，结构方案优化和结构限额指标工程量的动态测算需造价人员根据动态设计情况进行动态工程量计算。由于工程量计算工作量大，工程量计算工作反复，导致这些工作时间长、效率低，随着BIM正向设计在建设项目设计工作中的推广与应用，BIM正向设计工程量自动计算为设计方案优化和限额指标控制的准确高效提供了新的可能路径。本文探索基于中建西南院自主BIM结构设计软件CSWADIEasyBIM开发智能算量模块，实现工程量自动计算，为结构设计方案优化和限额指标控制提供准确高效的动态工程量指标，从而为工程造价控制奠定良好基础。

   关键词：正向设计；EasyBIM.NET Framework框架；智能化算量

   1 BIM结构正向设计智能算量需求分析

   随着工程建设行业的不断发展，项目业主管理水平也在不断提高，成本控制作为项目管理的三大控制目标质量、进度、成本中的重要内容，项目业主的关注度也越来越高。对于房地产项目，在销售端价格不理想的情况下，降低成本是确保利润的重要途径；对于政府和国有投资项目，政府审计和国有资产保值增值的考核要求也对项目业主造价管理提出了更高的要求。工程造价的精细化管理成为建设项目管理的重要内容。而工程造价精细化管理的重要抓手就是设计优化与限额设计。因此，在整个设计过程中，设计人员需要与工程造价人员密切配合，做到技术与经济的统一。设计人员在设计时以投资限额为目标，进行设计全过程技术经济分析，有利于强化设计人员的工程造价意识，优化设计；造价人员同步进行动态造价计算，为设计人员提供相应的经济测算信息和合理建议，从而达到动态控制投资的目的。

   对于房屋建筑工程项目而言，其主体结构成本占建安成本的比重较大，而含混凝土成本及含钢量成本又占到主体成本的比重最高，含混凝土成本及含钢量成本占建安成本的至少20%左右。因此，结构方案优化和结构限额指标的控制是建设项目造价控制的重要内容。在传统设计模式中，结构方案优化和结构限额指标的控制需要结构设计人员与造价人员在设计过程中进行全过程动态互动，造价人员根据结构设计方案进行动态工程量测算，设计人员根据工程量测算结果进行设计方案的动态调整。由于工程量计算工作量大，工程量计算工作反复，导致这些工作时间长、效率低。随着BIM正向设计在建设项目设计工作中的推广与应用，BIM正向设计工程量自动计算成为行业研究和探索的重点。但是，在现行的BIM正向设计工程量计算中存在BIM软件内置计算规则与造价计量规则的不一致、BIM模型的数据交互等问题。因此，在BIM正向设计模型中嵌入工程量计算规则进行工程量自动计算是解决BIM正向设计工程量自动计算的途径之一。本文探索基于中建西南院自主BIM结构设计软件CSWADIEasyBIM开发工程量智能计算模块，实现工程量自动计算，为结构设计方案优化和限额指标控制提供准确高效的动态工程量指标，从而为结构工程造价控制奠定良好基础。

   2 BIM正向设计工程量计算现状与痛点

   目前，BIM正向设计工程量计算主要包括两种模式，一种是基于Revit平台开发的工程量自动计算软件，比如斯维尔算量、晨曦等软件；一种是基于Revit的插件，通过插件导出Revit模型，再导入算量软件，比如广联达算量软件。以上两种算量模式数据交互对比如下表所示。

   从上述对比可以看出，上述两种BIM工程量计算方式都存在数据交互风险，若要提高数据交互效率，体现BIM正向设计的数据可传递性，BIM正向设计模型需要遵循一定的规则建模，但是这样可能大大增加前端设计建模工作量，可操作性差。因此，BIM工程量计算需要探索在BIM工程量计算软件中嵌入工程量计算规则，实现BIM正向设计的工程量智能计算。

   以CSWADEasyBIM设计软件为例（CSWADEasyBIM是由中国建筑西南设计研究院自主开发的国内首款基于自主平台开发的结构施工图设计校审一体化软件，软件可以提供结构专业建模-计算-出图-审查正向设计全流程，基于BIM模型自动生成符合工程师需求的结构平面图、梁板柱平法配筋图、基础放坡线图等各类施工图，可完成结构施工图智能设计，通过算法实现图纸智能化绘制与修改，最大程度减轻结构工程师的重复机械工作），本文探索在CSWADEasyBIM正向设计软件中嵌入工程量计算规则，实现BIM正向设计的工程量智能计算。

   3 基于CSWADIEasyBIM结构正向设计智能算量技术路线

   随着CSWADIEasyBIM的不断推广和市场化应用，为进一步满足设计优化与限额设计的需求，需要对结构正向设计方案同步进行动态工程量计算，减少工程量计算时间与计算工作量，提高设计优化、限额设计工作效率与工作质量。基于这样一个目标，为实现结构正向设计方案同步进行动态工程量计算，中建西南院与福建晨曦科技集团有限公司在CSWADIEasyBIM平台上开发基于CSWADIEasyBIM的智能算量模块。智能算量模块开发技术路线如下。

   3.1 开发技术路线

   智能算量系统基于.NET Framework框架开发,开发语言使用vb.net，其技术框架如图1所示。

图1 技术框架图

   (1) .NET Framework技术框架

   .NET互通由于计算机系统通常需要新的和旧的应用程序之间的互动，因此NET框架提供访问实现的功能需要在新和旧程序之外执行。NET环境访问COM组件中提供System.Runtime.InteropServices与System.EnterpriseServices命名空间的框架，通过使用的P / Invoke功能对其他功能的访问来实现。

   .NET公共语言运行时引擎作为执行引擎。NET框架的通用语言运行时 （CLR），在 .NET程序的CLR的监督下执行，以保证一定的性能和内存管理的安全性和异常处理等领域的行为。

   .NET语言的独立性.NET Framework引入一个通用类型系统（ CTS）。CTS 规范定义了所有可能的数据类型和CLR支持的编程结构，以及他们可能会或可能不会与对方符合通用语言基础结构（CLI）的规范。由于这一特性，.NET Framework的支持类型和对象实例库和应用程序之间可以使用任何兼容的书面交流。

   .NET基类库（BCL）和框架类库（FCL）的一部分是一个图书馆的功能使用。NET Framework的所有语言BCL提供了类封装的一些常用功能，包括文件的阅读、写作、 图形渲染、数据库交互、XML文档的操作等等。它包括的类、接口集成了CLR（通用语言运行时）的可重用类型。

   在.NET简化的部署中，.NET框架包括设计功能和工具，帮助管理安装的计算机软件确保不会干扰与以前安装的软件，并符合安全要求。

   .NET安全设计解决了一些漏洞，如缓冲区溢出，已经被恶意软件利用。此外，NET为所有应用程序提供了一个通用的安全模型。

   .NET具有可移植性。虽然微软从来没有实施除Microsoft Windows之外的任何系统上的完整的框架，它设计的框架是与平台无关的，和跨平台的实现适用于其他操作系统（常见的Silverlight和下面的替代实现部分）。微软提交了规范的通用语言基础结构（包括核心类库、通用类型系统和通用中间语言）C＃语言中的?+ + / CLI语言两个ECMA和ISO，使它们可作为正式标准。这使得它可以为第三方创建兼容的框架和语言在其他平台上的实现。

   (2)WPF

   广泛整合： 在WPF出现之前，Windows开发人员若需要在普通的2D图形和控件之外再使用3D、视频、语音、富文档视图技术，就不得不学习一些独立技术，这些技术之间通常存在许多不一致，而且是在没有多少内建支持的情况下组合运用它们。而WPF通过统一的编程模型和紧密整合涵盖了所有这些部分，在紧密整合下，各种媒体类型都能组合起来并一起呈现。你可以在不同媒体类型上应用一致的效果，你所学的某个领域中的许多技术可以应用在任何其他领域。

   与分辨率无关： 基于矢量的图形界面，分辨率越高，图形显示越清晰，而不会像普通的图形那样产生锯齿状。

   易于部署：WPF为（使用Windows Installer或ClickOnce）部署传统Windows应用程序或在Web浏览器中宿主应用程序时提供了选择。WPF的一个新且有趣的方面是它构建在ClickOnce之上，为与Web浏览器及其导航系统的直接整合提供了支持。

   (3)Winform

   控件灵活、操作方便、使用安全。

   Windows窗体充分利用公共语言运行库的安全特性。这就意味着，一切都可以通过Windows窗体来实现，包括在浏览器中运行的不可信控件和用户硬盘上安装的完全可信的应用程序。

   (4)关键技术研究

   四叉树：将每个图形存储在一个空间结构中，通过当前图形所在的空间结构，再取出这个结构的数据，不在这个区域的图形排除在外，可以减少模型比对的次数；

   矩阵变换：用矩阵变换技术就可以解决特殊情况，包括平行、相切、角度很小等等这些情况。矩阵包括以下几种类型。

   1)位移矩阵：

   2)旋转矩阵：

   3)缩放矩阵：

   上述矩阵每行都代表着特定的意思，只要设置这些特定的数值，在根据矩阵的特性，就可以得到想要的变化。因此，基于上述矩阵的运算，可以实现模型复制、模型镜像、给定外扩值得新的图形等功能。

   图形相交技术：首先将模型分解成点、线、面、体等基本几何要素，提供一整套的点、线、面、体的相互关系，包括空间中面与面、面与线、线与线等关系，通过组合相交面组出相应的模型体，组合后的模型之间进行碰撞和剪切，通过剪切重叠和非重叠部分，得到正确的模型相交关系，从而实现准确的计算结果。

   3.2 技术架构分析和设计

   本软件可提供工程出量、工程量导出，包含模型计算和报表显示等功能。内置计算规则、项目输出、节点设置等都由外部文件配置设置，按配置规则进行计算。最后通过报表预览展示需要查看的量，且可导出Excel和打印。技术架构设计如图2所示。

图2 技术架构设计图

   3.3 业务功能构建

   (1)土建计算

   单构件查量：对图形上的单个构件进行工程量计算式的核查；

   工程计算：对工程中的所有构件进行工程量的汇总；

   工程报表：报表预览、导出和打印相应的报表，导出格式支持Excel和PDF格式。

   (2)钢筋计算

   单项计算：对工程中的选中构件进行工程量的汇总；

   单构件查量：对图形上的单个构件进行工程量计算式的核查；

   报表预览：报表预览、导出和打印相应的报表，导出格式支持Excel和PDF格式。

   3.4 业务功能分析和设计

   进入软件产品后，软件内置了对应的清单定额规则、扣减项和计算参数，如板扣减大于0.3m2的柱；计算汇总后可通过报表预览展示计算结果，报表展示可分为明细量和汇总量，明细量通过构件类型区分，按构件类型展示，通过设置可控制显示指定的楼层和计算项目，通过导出Excel或打印外部接口流转数据。

主要业务流程如图3所示。

图3 主要业务流程图

   4 基于CSWADIEasyBIM结构正向设计智能算量模块

   EasyBIM智能算量模块基于CSWADIEasyBIM进行开发。该模块可以基于结构正向设计进行结构砼与钢筋工程量动态实时计算。智能算量模块主要包括EasyBIM智能算量模块说明书、EasyBIM土建算量、EasyBIM钢筋算量、工程量指标分析四部分内容。

   EasyBIM智能算量可以实现CSWADIEasyBIM软件进行结构正向设计后实时形成结构构件砼工程量、模板工程量、钢筋工程量，并对结构工程量指标进行分析，根据分析结构实时进行结构设计优化，以满足限额设计指标要求，同步进行结构工程造价计算。EasyBIM智能算量具体情况如下。

   4.1 EasyBIM土建智能算量

   基于BIM平台成熟的三维几何图形数据研发土建算量软件，结合清单及定额计算规则、项目输出及自定义扣减项基础算量数据，完成工程土建算量工作并可应用于建筑工程的全寿命周期数据共享。

   不同工程多元化提量包含提取单构件、多构件、整栋构件等的工程量，有开放的分量条件选择、定制化计算规则、自定义提量，以满足不同工程分量的要求，并提供详细计算式。如带计算条件的构件，无需人工设定，就能自动判断并在报表中赋予特征值标记，用户可直接提量和导出报表数据。如图4所示。

图4 土建工程量计算窗口

   4.2 EasyBIM钢筋智能算量

   承接正向设计三维钢筋模型数据,内嵌钢筋工程量清单计量规则与定额计量规则，直接承接三维钢筋模型数据，分析各构件类型的项目特征，统计各类型的钢筋工程量。其采用国内工程师熟悉的汇总模式，支持国内的项目计价模式及施工中的分区分构件提量，并提供直观的钢筋明细结果反查，便于工程量校核。如图5所示。

图5 钢筋工程量计算窗口

   4.3 EasyBIM工程量指标分析

   工程量指标分析包含梁、板、柱、墙砼与钢筋工程量指标分析。可以根据需要进行数据查看，如查看不同楼层对比、同楼层不同构件材料用量占比、同项目不同楼层材料用量占比、同项目不同构件材料用量占比以及经济性指标，支撑用户查看数据分析结果。如图6所示。

图6 工程量指标分析窗口

   5 基于CSWADIEasyBIM结构正向设计智能算量的案例应用

   本次以一个五层实训楼为案例进行测试，分别用CSWADIEasyBIM智能算量模块与传统算量软件广联达GTJ2021两种软件对案例结构工程量进行计算并对比。对比分析如下表所示。

   差异说明如下：

   (1)框架柱、现浇板结构工程量差异率在4%左右，因屋顶为坡屋面，目前CSWADIEasyBIM对于斜板处理功能尚在完善过程中，导致柱与板的差异稍大。

   (2)基础工程量尚在开发过程中，故暂未进行对比。

  

   参考文献：

   [1]王帆，《限额设计造价管理》，[J]建筑设计管理，2022.01

   [2]白永莉，《新业态下建设项目限额设计方法及应用研究》，[J]建筑经济，2021.05

   [3]莫祖燕，龙前朋，陈旭彬，《基于Revit模型的算量方式对比研究》，[J]贵州农机化，2021.02

   [4]曾开发，张莲珠，李杰，《基于Revit土建工程算量三种模式的对比分析》，[J]工程造价管理，2021.02

   [5]付欢，史健勇，王凯，《基于BIM的工程量计算与计价方法》，[J]土木工程与管理学报，2018.01