建筑企业工程成本预算本体网络的构建

孟俊娜，贺　宁

（天津大学 管理与经济学部，天津 300072，E-mail：mengjunna@tju.edu.cn）

建筑企业工程成本预算本体网络的构建

孟俊娜，贺宁

（天津大学 管理与经济学部，天津 300072，E-mail：mengjunna@tju.edu.cn）

提高成本预算的效率和准确度是建筑工程管理中的一个重要部分，而现有的成本预算还很大程度上依赖于造价人员的主观判断。通过对成本预算流程的分析，在本体网络方法的基础上，将成本预算流程分解为4个子模块，包括清单项目概念模型、工程量计算规则、施工方案本体和定额项目概念模型，并分别用本体语言进行表达和解释，最终构建了一个成本预算本体网络。借助基于本体网络的成本预算本体知识库，预算人员能够利用BIM设计数据实现成本预算中计量与套价的自动化。

建筑工程；成本预算；BIM；本体网络

建筑工程成本预算是预测建筑工程成本和资源消耗量的过程，造价人员凭借工程项目的设计特征，工程量计算规则、计价规范和价格信息等来预测工程项目的成本。目前，中国建筑工程成本预算领域中有很多预算软件来辅助造价人员提升工作效率［1］，如广联达、鲁班、斯维尔等，这些软件的功能包括导入设计模型、核算工程量、存储及调用工程信息等［2］。

然而造价人员在利用预算软件进行成本预算时，需要依据工作经验、专业知识及行业规范分析工程信息、识别工程设计图纸、手工划分工程量清单项目和匹配定额子目等，容易出现工程量清单项目划分错误、清单项目特征描述不准确、计价定额子目选取漏项错项的情况［3］。这不仅耗费大量时间，而且大多都是重复性工作，同时造价人员的主观决策也会影响预算结果的准确性。提升预算工作的效率和准确度需要依靠造价人员的专业学习和工作积累，更需要提高预算软件的辅助决策功能。现今国内很多造价软件都致力于结合BIM技术，提高软件造价流程的自动化程度。

目前该领域的研究主要集中在如何利用BIM设计数据提高成本预算的效率和准确度。Abanda等［4］研究并利用本体技术，建立了劳动力成本的信息模型，帮助建筑开发者进行决策。Niknam等［5］利用语义网和本体整合来自设计方的BIM数据，施工方的预算知识库以及材料供应商的材料信息辅助造价人员进行预算编制。Ma等［6］通过完善用于表达模型的IFC标准，建立了用于中国招投标阶段成本预算的信息模型。Liu等［7］研究并利用基于本体的语义方法设计了一个从BIM设计模型中提取工料估算信息的应用程序，作为Revit软件的附件。Lee等［8］利用BIM设计数据基于本体建立了语义推理进程，自动依据项目特征匹配最合适的工作方案。Ma等［1］开发了基于设计模型的IFC数据的半自动化成本预算软件，将中国建筑工程成本预算的相关规范用IFC标准在软件中表达。而在中国建筑工程成本预算与本体结合的研究中，魏振华等［3］通过对《建设工程工程量清单计价规范（GB50500-2013）》的分析，实现了基于本体论的建筑工程成本预算规范表达。刘欣等［9］以中国标准《建设工程工程量清单计价规范（GB50500-2013）》作为知识源，提取相关概念类与类之间的语义关系，最终构建了包括概念模型，工作项本体和施工条件的成本估算模型通用集成框架。

然而上述研究一方面是对于成本预算规范的考虑不够全面，另一方面是只对成本预算的部分流程进行了研究，很难将其应用于实际之中。基于此，本文拟在国内研究成果的基础上，结合国外研究领域前沿，进一步构建适合中国建筑工程成本预算的本体网络，为建立成本预算本体知识库和成本预算自动化的发展提供基本框架。

1　成本预算本体网络构建的流程分解

本文构建的本体网络针对建筑领域的成本预算流程，属于领域本体和任务本体。该本体网络构建的目的并不是依据现有的规范标准建立一个详尽的概念列表，而是根据成本预算的工作流程体系建立一个关于概念结构和逻辑体系的任务本体。本体构建需要分析真实领域问题的任务结构，综合领域本体和任务本体，最终建立任务流程的本体网络框架。

1.1本体网络构建流程

目前本体构建主要采用的方法是本体网络方法（NeOn Methodology），包含9种通用脚本模式用于本体网络的构建，主要依据本体网络开发过程中对非本体资源和本体资源的再利用、再设计进行分类。本文所使用的本体网络构建方法主要采用了脚本1、2和3，包括将相应的详述说明进行概念化和形式化、对非本体资源的再利用和再设计以及对本体资源的再利用［10］。本体网络的构建步骤为：

（1）分析成本预算流程。内容和特征，明确本体网络的目的、范围、内容等要求，确定本体网络的构成框架。

（2）收集本体网络相关的知识资源。收集的知识资源取决于本体的要求说明，需要从可信度高的领域相关网站、领域内的规范标准等获取，并通过涵盖范围、精细度和一致性的标准来筛选资源，选取最合适的知识资源。

（3）知识资源概念化。将知识资源整合并结构化为有意义的概念层级模型，为了实现这种转换，需要明确知识资源的类型、知识资源内部的数据模型和知识资源中实体间关系的语义。

（4）形式化表达。将概念模型通过本体语言转化为计算机可读的模型框架。

1.2成本预算任务流程

本文的成本预算流程基于来自BIM设计模型的数据，根据参数化建模的特点，建筑模型中的构件属性定义和构件间的关系都是在模型建立时赋予的［7］，特定项目数据经过特征模型（FBM）的转化，得到成本预算所需要的特定的设计特征数据。如图1所示，设计特征数据将作为输入，通过以成本预算本体网络为核心的成本预算知识库处理，自动推理出工程量清单项目及其项目特征、全局设计说明，通过工程量计算规则计算工程量，通过项目特征、设计说明和造价人员配置的施工方案信息来推理预算定额，结合工程量清单项目、预算定额以及成本信息数据库计算出分部分项工程项目清单造价和部分措施项目清单造价，借助领域本体列出其他措施项目清单和其他项目清单及相应的取费费率，最终通过汇总得出工程项目造价。

成本预算本体网络主要包括4个模块，如图2所示，分别为清单项目概念本体、工程量计算规则本体、施工方案本体和定额项目概念本体。其中，清单项目概念本体用于全局设计说明、工程量清单项目及其属性的推理；施工方案本体用于施工方案信息的处理；工程量计算规则本体用于通过输入数据计算清单项目的工程量；定额项目概念本体用于推理清单项目的消耗量定额项目。在分别建立四个本体网络模块的基础上，通过现实的相互关系将其整合为成本预算本体网络。

2　成本预算本体网络模块的构建

本体网络的构建主要参考OmniClass体系、《建设工程工程量清单计价规范》（GB50500-2013）、《房屋建筑与装饰工程工程量计算规范》（GB50854 -2013）、《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》（TY01-31-2015）等相关标准和规范。本体表达语言采用万维网联盟W3C开发的网络本体语言OWL，本体编辑器采用protégé。成本预算本体网络模块的建立将会参考已有的本体和非本体资源，发展出建筑工程成本预算本体网络模型。

图1　基于本体知识库的成本预算流程

图2　成本预算本体网络模型

2.1清单项目概念本体的构建

根据《建设工程工程量清单计价规范》（GB50500-2013），工程量清单包括分部分项工程项目清单、措施项目清单和其他项目清单。其中，分部分项工程项目清单和部分措施项目清单的内容由项目编码、项目名称、计量单位和工程量组成；其余部分的工程量清单主要根据实际工程列项，在预算时按比例费率来计取。本部分主要解决的清单项目为前者。

清单项目概念本体用于工程量清单项目的推理，通过BIM设计数据识别并确定清单项目对象时，需要本体中的一系列类和性质来确定其身份，清单项目的属性和关系的集合即为清单项目的概念本体内容，即计算机通过概念本体来识别清单项目。通过对清单规范的分析，清单项目的属性集合包括对象类型，几何参数，材质参数，空间性质和工程内容。依据清单项目及各属性间的关联，构建出图3中的本体网络图，并以卫生间空间的现浇混凝土矩形梁为实例：

清单项目对象：1号楼第三层卫生间的矩形梁清单项目名称：矩形梁

清单项目编码：010403002001几何参数：a×b×h（矩形）空间性质：标高/卫生间

工程内容：模板及支撑制作、安装、拆除、堆放、运输及清理模内杂物、刷隔离剂等；混凝土制作、运输、浇筑、振捣和养护。

如图3所示，上半部分为清单项目的抽象概念本体，下半部分为清单项目概念本体的实例。概念本体中包括8大类和7种性质，8大类分别是清单项目名称、项目编码、计量单位、工程内容、构件（建筑构件）、空间位置、材料参数、几何参数，其中清单项目名称、项目编码、计量单位和工程内容是隶属于清单项目的属性，而建筑构件、空间位置、材料参数和几何参数是依附于建筑构件的属性；7种性质表示类的属性和类之间的关系，清单项目与项目编码之间的关系用hascode表示，与计量单位之间的关系用hasunit表示，与工程内容之间的关系用isformedby表示，与建筑构件的关系用hasexpression表示；建筑构件与空间位置的关系用islocatedin表示，与材料参数的关系用hasmaterial表示，与几何参数的关系用hasshape表示。而实例部分用上层本体构建的关系描述了一个位于1号楼标高8.190m即3层的卫生间A中的矩形梁构件个体，其截面尺寸为300*500mm，所用材料为C25混凝土，该构件的清单项目名称为矩形梁，项目编码：010403002001，计量单位为m³。

2.2工程量计算规则本体的构建

《房屋建筑与装饰工程工程量计算规范》（GB50854-2013）中对每一类清单项目都定义了相应的清单计算规则，包括计量单位和扣减规则两个方面，以矩形梁清单项目的工程量计算规则为例，计量单位即按照图示尺寸以体积计算；扣减规则包括：①伸入墙内的梁头、梁垫并入梁体积内；②梁与柱连接时，梁长算至柱侧面；③主梁与次梁连接时，次梁长算至主梁侧面。扣减规则的表示涉及到不同构件之间的关系。

图3　清单项目概念本体网络图

参照现有的本体资源［3］，本文将工程量计算规则中建筑构件间的关系分为4类，包括开洞关系、附属关系、相交关系和相对优先关系（见表1）。其中，开洞关系是指当建筑构件的洞口尺寸大于某个值时，洞口的工程量应从建筑构件的清单项目工程量中扣除，如墙体上的门窗洞口等；附属关系是指某些建筑构件的附属构件的工程量应合并计入这些建筑的清单项目工程量中，如梁垫、柱帽、牛腿等；相交关系是指不同建筑构件相交部分的工程量应该计入且仅计入其中一个建筑构件的清单项目工程量计算中，如规范中规定的梁与柱连接时梁长算至柱侧面，即柱梁相交部分计入柱的体积；相对优先关系是指具有相交关系的不同建筑构件会有重合部分，相交部分的工程量应计入相对优先度高的建筑构件所对应的清单项目中，如矩形柱的优先度就高于矩形梁的优先度等级。

表1　工程量计算规则属性关系表

基于上述工程量计算规则关系，软件通过三维图形布尔运算自动提取工程量。本文构建了工程量计算规则本体网络图，如图4所示。

2.3施工方案任务本体的构建

图4　工程量计算规则本体网络图

施工方案是以分部（分项）或专项工程为主要对象编制的施工技术与组织方案，用以具体指导其施工过程。消耗量定额的选取是在设计条件和施工方案的基础上确定的，根据《建筑施工组织设计规范》（GB/T50502-2009），施工方案包括工程概况、施工安排、施工进度计划、施工准备与资源配置计划和施工方法。由于不同分部分项工程的清单项目在施工方案的内容上有着较大差异，在本体网络构建中难以细致表达，只有在实例部分加以详细区分。因此本文仅将施工方案分解为资源配置计划和工艺方法两个部分，其中资源配置计划包括劳动力配额，主要工程材料配置和主要工程设备（机具）配置，施工方法与工艺包括分部分项工程施工方法和分部分项工程工艺要求。

以混凝土工程为例，需要明确分部分项工程操作工种类型、工种人数，主要材料规格、施工机具料具型号和数量、浇筑模板类型及混凝土浇筑方式等。这些因素都会对混凝土工程的清单单价造成一定的影响，具体表现为定额项目的改变和清单综合单价的调整。

资源配置计划作为约束属性影响定额项目的选取，施工方法与工艺影响定额项目的选择和材料、机械的置换。基于上述施工方案的分类，本文构建了施工方案本体网络图，如图5所示。

图5　施工方案本体网络图

2.4定额项目概念本体的构建

定额是按照正常的施工条件，一般施工企业的施工方法、机械化程度、合理劳动组织及工期进行编制的，是完成规定计量单位分部分项工程所需的人工、材料、施工机械台班的消耗量标准。本文参照《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》（TY01-31-2015），该消耗量定额主要包括了清单项目相应部分工作内容的人工、材料、施工机械台班的消耗量标准，各章节说明和相应工程量计算规则。

本文将定额项目概念本体分为3个部分，包括定额项目资源消耗量、定额项目工作内容和定额项目适用条件。其中，定额项目资源消耗量为该定额项目中人工、材料和施工机械台班的消耗量；定额项目工作内容为该定额项目所涵盖的清单项目的工作内容范围；定额项目适用条件即采用该定额项目的清单项目具有的施工条件要求。

除上述3个部分外，在选取定额子目时，还需要考虑清单的定额项目换算规则，当定额项目不满足清单项目的条件要求时，通过换算规则换算出特定的定额项目以适用于该清单项目。调整换算规则包括：①主要材料不同，乘以相应的材料换算系数进行换算；②结构不同，乘以相应的结构换算系数进行换算；③符合一定条件时，选用某定额项目；④符合一定条件时，增加调整费用项目；⑤符合一定条件时，定额项目中资源项调整。定额项目换算规则是依据条件的不同来推理和换算定额项目的，属于本体推理规则，所以未将其放置于定额项目概念本体中。

基于上述定额项目概念本体的3个部分，本文构建了定额项目概念本体网络图，如图6所示。

3　本体网络的整合

清单项目概念本体、工程量计算规则本体、施工方案本体和定额项目概念本体是服务于成本预算流程的4个本体模块。清单项目概念本体中的清单项目和建筑构件类是与工程量计算规则本体联结的基础，不同建筑构件之间的连接关系是工程量计算规则的基础，而清单项目内容是工程量的计算基础。施工方案中的工艺要求一般以建筑构件或工程活动中的建筑产品为对象，而施工方法一般以清单项目为对象。定额项目概念本体是相对清单项目概念本体独立的一个模块，是完成建筑产品其中一部分工作内容消耗的资源量。定额项目的工作内容包含在清单项目之中，即清单项目的工作内容需要不同类别的定额项目来对应完成，而且同一部分工作内容有着数个乃至数十个同类型的定额项目可供选择，定额项目有其适用的条件和环境，所以定额项目的选取由清单项目概念本体中的项目特征和施工方案中的工艺方法决定。

通过上述关系，4个本体模块能够整合成一个建筑工程成本预算本体网络，作为建筑工程成本预算知识库的基础。本文将所建立的4个本体模块整合在protégé本体编辑器：首先，按照建立的4大本体模块，定义本体网络所涉及的类和对象性质，并把类和对象性质通过定义域（Domain）和值域（Range）关系关联起来以形成一个相互联系的本体网络；其次，针对涉及数据的类进行类的数据性质的定义，如类billcode的实例为12位数字，需要将其定义为xds：long类型；再者，检查4个本体模块之间是否有类和性质上的冲突，并返回修改完善本体模块。最后，初步建立起一个建筑工程成本预算本体网络。

图6　定额项目概念本体网络图

4　结语

通过建筑工程成本预算流程的本体框架表达，一方面有助于成本预算本体知识库的建立，实现建筑企业内部成本预算方面的知识库关联管理和数据共享，提高对于成本预算历史数据的运用和成本预算的准确度；另一方面，成本预算本体网络能够支持成本预算流程的进一步自动化，借助BIM设计数据，通过成本预算本体的推理，可以实现工程清单项目和定额项目的自动选取，减少预算人员的重复性工作和主观决策对预算结果的影响。

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Construction of Cost Estimation Ontology Network in Construction Companies

MENG Jun-na，HE Ning
（College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China，E-mail：mengjunna@tju.edu.cn）

Improving the efficiency and accuracy of cost estimation is an important part for construction engineering management.Nowadays，cost estimation still greatly depends on the subjective decision of project cost personnel. By analysis of the process of cost estimation，based on Neon methodology，this paper decomposes the process into four part，including conceptual ontology of bill item，calculation rule of quantities，ontology of construction scheme and conceptual ontology of quota item，and then respectively expresses and explains by the ontology language，ultimately builds an ontology network of cost estimation. With cost estimation ontology knowledge base based on ontology network，cost estimator can utilize the BIM data to achieve automation of quantities and price calculation in the process of cost estimation.

construction engineering；cost estimation；BIM；ontology network

TU723.3

A

1674-8859（2016）05-109-06

10.13991/j.cnki.jem.2016.05.021

2016-06-24.

国家自然科学基金项目（71403181）.

孟俊娜（1974-），女，副教授，硕士生导师，研究方向：工程造价管理，项目可持续性评价，国际工程投标报价；

贺宁（1994-），男，硕士研究生，研究方向：工程造价管理，BIM。