基于系统思维的公路工程BIM 计量支付集成管理研究与实践

曾 悦，程熙竣，张宗才

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明650051，E-mail：450028180@qq.com）

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依次设计、施工、运营的过程和结果的总称[1]。2018 年，交通运输部发布了《关于推进公路水运工程BIM 技术应用的指导意见》，提出“鼓励项目建设单位搭建基于BIM技术的项目管理平台”。

计量支付是公路工程项目管理的关键环节，也是综合项目质量、进度和费用要素的复杂系统。关于公路工程项目计量支付的研究，刘园园[2]从思想观念、实施细则、计量方法等方面分析了公路工程计量支付管理中常见问题及原因。施章虎[3]利用网络通信和数据库等现代化信息技术辅助计量支付工作，提高公路建设信息化管理水平。芮雪[4]通过研发基于BIM 的公路工程计量支付报审平台，从工程管理、资料管理、审批管理和统计分析4 个方面提高计量支付管理效率。许建文等[5]将GIS 技术引入公路工程管理过程中，分析了计量支付等数据的管理、数据库设计及整体实现方法。王首绪等[6]针对高速公路全过程管理及信息化辅助管理，研究出编码体系，构建了计量支付台账模型，实现计量支付台账有效衔接全过程管理。综上，大多数学者已关注到公路工程传统计量支付管理中存在的问题，并尝试使用信息化手段去解决问题，但缺乏对质量、进度、费用控制的系统性考量。

为提高公路工程计量支付的集成管理能力，本文以BIM 技术为核心，对工程实体进行数字化表达，将系统思维引入工程实体与管理业务的分解和映射关系分析中，通过搭建C/S 网络架构，以模型为载体，集成进度、质量、费用等计量支付资料，通过线上填报、关联审核、智能研判、自动统计、可视化集成等功能，提高计量支付管理的准确性、规范性和实效性，实现“质量不达标不计量、计量不准确不支付”的系统整体优化目标。

1 系统思维概念及实现工具

1.1 系统思维的概念及应用

系统思维（System Thinking）核心是强调把握研究对象的整体性[7]。将系统思维引入工程管理中，从工程系统整体出发，分析工程管理各要素的特性差异与关联作用，开展以一致性目标、协调性结构和整体性功能为核心的集成管理，是实现工程系统整体优化目标的重要研究方法[8]。公路工程计量支付管理贯穿工程的质量、进度和费用控制，是工程管理的关键工作，也是涉及多要素管理的复杂系统，具有规则多、数据量巨大、报表繁复、审核繁琐等特点。将系统思想引入公路工程计量支付管理中，以实现整体管理效益最大化为目标，对质量、进度和费用等要素进行分解，分析系统结构、系统要素特点及关联关系，明确要素组合和信息交互的路径，从而搭建公路工程计量支付信息化管理的系统框架[9]。

1.2 系统思维的实现工具

系统分解方法是系统思维的重要实现工具。目前工程建设行业有许多的系统分解方法，适应于不同的应用领域，助力工程系统性建设与管理。

（1）工程系统分解结构（Engineering Breakdown Structure，EBS）是指在工程系统功能分析的基础上，按功能、专业（技术）将工程系统分解为一定细度的工程子系统而形成的树状结构[10]。按照功能分解，是指依据不同空间分部的使用功能对工程系统进行分解。按照专业（技术）分解，是指在功能分解的基础上，依据不同专业特征进行分解。面对复杂的工程，功能还能继续细分至子功能，专业分解成子专业。

（2）工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS）。是指在EBS 的基础上，分析工程系统的工作活动，将项目系统分解成可管理的活动成果。作为项目范围内定义工作活动层级的重要方法，WBS是EBS 的具体实现，分析了实现工程系统所需的各项工作，与EBS 相对独立，又互相联系。

2 公路工程BIM 计量支付的系统分解

公路工程BIM 计量支付的核心是以模型为载体实现业务的集成管理，系统结构复杂。利用EBS分解公路工程实体对象及其数字化表达，即公路工程信息模型，形成模型单元[11]，在此基础上，利用WBS 分解公路工程各实体对象的计量支付工作活动，形成工程计量单元[12]。通过建立模型单元和工程计量单元的映射规则，进而得到公路工程BIM 计量支付的系统结构，为公路工程BIM 计量支付提供基础的数据架构。

2.1 基于EBS 的模型单元分类

公路工程信息模型是BIM 在公路工程领域深化应用的基础。模型承载着公路工程的几何信息，以及项目信息、身份信息、定位信息、系统信息、技术信息、生产信息、资产信息及维护信息等属性信息。随着公路工程建设的推进，模型所承载的信息将逐步丰富。

作为工程实体在数字化环境中的映射，公路工程信息模型的架构与实体工程的系统结构保持一致，并体现公路工程系统的特点。模型单元体现了公路工程信息模型的单元化架构，是承载信息的集合单元。在公路工程系统功能分析的基础上，按功能、专业（技术）将公路工程信息模型进行分解，形成基于EBS 的模型单元。模型单元按照项目级、功能级、构件级、零件级进行分级建立，并嵌套设置，不同级别的模型单元承载着不同的信息，EBS和对应的模型单元分级如表1 所示。

表1 EBS 和对应的模型单元分级

2.2 基于WBS 的工程计量单元分类

公路工程计量支付的主要内容包括：基于工程系统，开展工程计量、质量检验评定、价款确定、费用支付等工作活动。在实施过程中，由监理人或承包人发出计量申请，承包人准备开工申请批复单、检验申请批复单、自检资料、工程质量检验表、中间交工证书等与计量的文件资料。当计量资料审核通过后，由监理人和承包人填写中间计量表，并由承包人提出付款申请，出具填好的中期支付报表，由监理人审核和签认，以中期支付证书的方式确认工程费用的数额，业主按合同规定的时间支付费用给承包人[12]。具体计量支付的实施流程如图1所示。

图1 公路工程计量支付的实施流程

工程计量单元是计量的最小起讫桩号或分项计量细目[12]。根据公路工程计量支付的实施流程，在EBS 的基础上，利用WBS 对公路工程系统的计量支付工作活动进行分解，形成面向单位工程、分部工程、分项工程、子目的工程计量单元。公路工程计量单元分类示例如图2 所示。

图2 公路工程计量单元分类示例

依据相关计量规范、质量检验评定规范，对公路工程计量支付工程计量单元的完工数量、质量、价格等进行测量、计算和核查，以确定实际数据，从根本上杜绝超计量和重复计量的发生，严格控制工程投资。

2.3 建立模型单元和工程计量单元的映射规则

模型单元与工程计量单元的信息交互，是实现公路工程BIM 计量支付应用的重要保证。模型单元的分类依据是EBS，工程计量单元的分类依据是WBS，分类依据存在差异，虽然EBS 与WBS 存在一定联系，但工程计量单元和模型单元表达信息的侧重点不同，彼此相互独立，由此造成了信息孤岛。并且，模型单元与工程计量单元要被不同用户组或引用系统所共享，就必须有正确并一致认可的定义。对模型单元、工程计量单元的正确理解依赖于单元分类，而一致认可则依赖于单元编码。

因此，建立模型单元的分类和编码体系、工程计量单元的分类和编码体系，以及两个体系之间的映射规则，是实现模型与计量支付工作活动之间的信息传递、共享的重要手段。

（1）基于分类和编码的映射规则。以分类和编码为纽带，以模型为载体，将可计量的施工图设计数量、已完成施工图设计数量、实际计量施工图设计数量、中间计量单编号、中间交工证书或质检表编号等计量支付信息与工程实体进行关联，以此建立贯穿计量支付全过程的数据结构和信息流，将公路工程系统转换为数字化环境下的计量支付活动。

（2）分类和编码原则。在信息系统中，数据是用数字、字母、算术字符及描述来表示，这些形式应该对其所涉及的每一个数据都有一个明确稳定的含义，从而达到处理与交流的目的。因此在分类和编码过程中，采用全数字编码方式，按照唯一性、合理性、可扩展性、简单性、适用性和规范性的原则，为模型单元和工程计量单元赋予易于参建各方、计算机识别处理的规律性符号[13]。

（3）分类和编码结构。编码由表代码和分类对象编码组成，表代码和分类对象编码之间使用“.”连接，对象编码之间使用“-”连接。表代码是指分类表代码，模型单元的表代码是按EBS 分工程实体的分类表代码，工程计量单元的表代码是按WBS分计量支付工作活动的分类表代码。

模型单元的分类对象编码由项目级模型单元代码、功能级模型单元代码、构件级模型单元代码、零件级模型单元代码组成，代码使用2 位数字。工程计量单元的对象编码是由单位工程代码、分部工程代码、分项工程代码、子目代码组成，单位及分部工程级代码使用3～4 位数字组成，其余代码使用1～2 位数字组成。公路工程模型单元和工程计量单元的编码及映射规则示例如图3 所示。

图3 公路工程模型单元和工程计量单元的编码及映射规则示例

3 公路工程BIM 计量支付的系统设计

3.1 系统框架

C/S（Client/Server）即客户机/服务器模式，是一种网络结构模式。最大程度地利用了客户机和服务器各自的优势，具有强大的数据操作能力、快速的事务处理机制，以及强有力的安全保障[14]。考虑到公路工程BIM 计量支付业务复杂、数据量大、数据安全要求高等特点，结合C/S 模式的优势，构建基于C/S 模式的的公路BIM 计量支付系统。

公路工程BIM 计量支付系统采用三层架构C/S模式（见图4），包含表示层、业务逻辑层和数据存储层，通过分层的方式提高代码的扩展性及复用性，便于代码的协同管理。在搭建系统框架过程中，区别数据存储层和业务逻辑层，前端采用.Net 开发平台中的C#Winform 框架，Windows 窗体可用于设计窗体和可视控件，以创建丰富的基于Windows的应用程序，中间服务层由.NET 组件组成，向前端的表示层提供相关的业务服务，数据存储层采用SQL Server 数据库对数据进行管理与存储，满足数据库增、删、改、查的控制，支持进度、质量、费用等复杂信息的检索，并且保障数据安全。

图4 公路工程BIM 计量支付的系统框架

3.2 数据库设计

系统通过SQL Server 建立了系统关系型数据库[15]，主要包括以下8 张数据表：公司数据、项目数据、用户数据、BIM 数据、标准及定额数据、质量评定数据、工程计量数据、费用支付数据。本系统采用关系型数据库模式，以BIM 数据为核心，通过主键及外键连接各数据表，确保了系统对数据管理及多维度统计分析的需求。

3.3 系统功能

系统主要面向项目的承包方、监理方及业主方，具备在线填报、异地审核等基本功能，同时依托模型单元和工程计量单元的映射规则，对模型与计量支付业务进行挂接，在模型维度上，实现进度、质量及费用等数据的可视化集成，以及数据的智能研判和自动统计。系统主要功能模块包括：质量评定模块、工程计量模块、费用支付模块。

4 实践案例

红河州建水（个旧）至元阳高速公路项目，是云南省“五网”建设、综合交通建设五年大会战的重点项目。作为云南省内在建难度最大的公路项目之一，项目路线全长约124.53 km，总投资约227.7亿元。项目位于西南高山峡谷地区，工程规模大、桥隧比高、地质条件复杂、施工组织困难，工程计量支付的准确性、规范性和实效性面临巨大挑战。

4.1 质量评定

质量合格是工程计量支付的前提条件，统一的工程质量检验标准和评定标准是质量合格的有效保障。系统根据公路工程质量检验评定标准，形成与工程计量单元一一对应的质量检验评定标准库，项目参建各方依托标准库对工程质量进行在线逐级评定。在工程计量单元完工后，项目总承包方、分包方依据系统给出的标准库，对工程计量单元进行检验，并通过系统对工程质量进行在线评定，评定结果为合格或不合格。当检验记录及评定资料完整、实测项目及所含子项合格，并且外观质量满足要求时，工程计量单元评定为合格。系统智能研判工程计量单元是否满足质量评定条件，若满足要求，系统自动生成质检表编号，同时将质量评定资料发送至相关人员审核。

将通过审核的分项工程开工申请批复单、工程质量检验评定表、中间交工证书等质量评定资料挂接至工程计量单元。基于模型单元和工程计量单元的编码及映射规则，质量评定资料同步集成至公路工程信息模型，通过点击模型可查看该部位的质量评定资料，直观地审查相关工程实体是否具备计量条件，确保工程费用支付在质量合格的基础上进行。

4.2 工程计量

项目总承包方、分包方通过系统发起计量申请，填写计量单，包括计量基本内容、计算公式、计算草图、计量附件、质量评定资料、计算书等内容。系统对计量单内容是否满足计量条件作出智能化研判，若不具备中间交工证书或质检表编号等必要的支撑性材料，系统将不允许发起计量单的申报。满足计量条件的工程计量单元，系统自动生成计量单号，并关联至对应模型单元。申报的计量单将发送至监理方、建设方等参建单位审核，系统通过待办事项提醒相关负责人对计量单进行审核。系统对审核通过的计量单进行统计分析，按照工程计量单元自动汇总生成格式规范、数据准确的中间计量表。自动生成的中间计量表包含封面、计量单明细、计量单汇总等内容，不仅满足计量支付管理办法要求，还大大减少了数据统计的时间。

在项目工程计量的过程中，系统通过模型单元和工程计量单元的编码及映射规则，以公路工程信息模型为载体，使得计量数据与工程实体一一映射，保证申报的计量数据不重不漏、有据可依。同时，系统将分析统计本期计量、自开工累计计量、剩余的数量及金额等工程计量数据，数据自动更新至工程计量台账，并同步集成至公路工程信息模型。模型以可视化的形式表现工程的工程计量进度信息，已完工、正在施工和待施工的工程部位通过实体白色、实体红色，透明白色的模型进行差异化显示，工程计量进度一目了然。

4.3 费用支付

工程费用支付应当在质量合格和真实准确计量的基础上进行。针对项目审核不通过的计量工程数量，系统不允许项目总承包方、分包方发起费用支付申请，针对审核通过的计量工程数量，系统依据合同文件约定的价格，统计签约合同金额、设计金额、实际完成金额，并自动生成中期支付证书报表、中期支付证书等费用支付资料，发送至监理方、建设方审核。审核通过后，项目总承包方、分包方通过系统发起支付申请，建设方在线审批同意后，将按约定的程序办理进度价款支付，同时支付金额及比例等信息被关联至对应的模型单元。

5 结语

为实现公路工程进度、质量、费用的集成管理，提高计量支付的准确性、规范性和实效性，利用系统分解方法，分解公路工程实体及计量支付工作活动，得到基于EBS 的模型单元和基于WBS 的工程计量单元。通过分类和编码，建立模型单元和工程计量单元的映射规则。并以此为基础，构建基于C/S模式的公路工程BIM 计量支付系统，通过质量评定、工程计量、费用支付等模块，实现线上填报、关联审核、智能研判、自动统计、可视化集成等功能，建立公路工程计量支付集成管理机制，提升计量支付的信息化管理水平。