BIM技術在建設項目中的應用成熟度評價

高志國，陳為公,2,*，楊慧迎，李艷娟，劉 艷

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

隨著信息技術的發展，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)作為建筑業新興技術越來越多地被行業人士接受和認可.自2010年以來，我國政府出臺一系列關于BIM應用方面的文件，更進一步推動了BIM技術在我國的應用和發展.但目前我國尚沒有完善的評價體系和科學的評價方法來評估BIM技術是否應用于項目中以及應用程度如何，這使得BIM在項目中的應用現狀及前景陷于盲目和混亂狀態.因此，建立科學的BIM應用成熟度評估模型被提上日程.

成熟度的研究首先在國外展開.美國卡內基·梅隆大學在軟件領域提出CMM(Capbility Maturity Model)模型，其應用受到行業的廣泛認可[1].隨后國際項目管理協會(IPMA)將CMM應用到項目管理領域，構建項目管理成熟度模型(PM3)，該模型可為項目管理提出整改意見[2].美國BIM標準(NBIMS)為解決BIM評價問題，將BIM和CMM相結合，提出BIM CMM模型，開啟了研究者對BIM CMM評價的先河[3].MCCUEN T L等運用BIM CMM對BIM應用案例進行匯總分析，歸納出BIM應用成功標準，以此作為BIM是否成功的參照[4-5].CHEN等從技術、信息等維度總結BIM成熟度指標，進而構建出BIM成熟度結構方程模型(BIMMM SEM)用以評估項目BIM成熟度[6].同樣，隨著BIM的發展，我國也意識到BIM成熟度評價的重要性.付海峰等從影響BIM運用的原因、指標遵循的原則等角度建立BIM應用成熟度指標體系，進而用AHP、德爾菲等方法評價項目BIM CMM[7-9].崔曉等從政策、技術等方面歸納評價指標，進而構建BIM應用成熟度評價模型，模型不僅可以識別BIM應用的不足，而且可以為深化BIM應用提出建議[10-11].陳永鴻等通過對文獻進行梳理，建立了BIM能力成熟度測度體系，繼而運用結構方程建立模型，為推進我國BIM深層次應用提出建議[12].

綜上所述，國內外學者在BIM應用成熟度評價方面進行了一定研究，但前人研究中，評價指標的選取多依據文獻分析法，沒有結合工程實際，造成指標不全面且與工程貼近度不足的問題.并且在已往的研究中，多采用AHP、熵值法等賦權方法，缺乏對指標間關聯性的考慮.因此，在進行BIM應用成熟度指標系統構建時，除需考慮指標的模糊、不確定信息外，還需考慮選取指標的全面性以及指標的關聯性.基于此，本文依托PSR(壓力-狀態-響應)框架模型理論，建立符合我國本土特色的BIM應用成熟度指標體系，并將Shapley值和模糊評價方法相結合，進而運用向量夾角余弦方法構建評估模型，以期改進前人對BIM應用成熟度研究的不足.

1 建設項目BIM應用成熟度評價方法概述

BIM應用成熟度指標間存在關聯性，但在以往BIM應用研究中，采用的AHP、熵值法等均默認指標之間是相互獨立的，無法解決指標關聯性問題，從而使賦權缺乏科學性.Shapley值是一種考慮指標相互關聯的賦權方法，因而對BIM應用成熟度指標采用該賦權方法可使結果更加科學合理.

在BIM應用成熟度評價中，需考慮組織、技術和個人等多方面因素，且很多指標無法得到精確度量，因此必然涉及模糊不確定信息的分析處理.模糊評價作為一種處理模糊不確定信息的科學數理方法，可使BIM應用中的模糊不確定信息科學量化.

BIM應用成熟度評價的實質是判定項目實際BIM運用能力與理想BIM運用能力的一致性程度.用數學形式表述，即為代表項目實際BIM應用能力的空間向量與理想BIM應用能力的空間向量的相近程度.在空間中，向量間的相近程度經常以向量夾角形式表現.向量夾角余弦是一種以向量夾角為指導思想，通過計算目標對象特征向量間的向量夾角余弦值，來檢測二者相近程度的評價方法，該法體現了以數化形、形數互變的思維.該法在本文中的基本思想是：設定運算是在由指標體系生成的高維特征空間中進行，在空間選取某點作為坐標原點O.以各個指標理想值作為終點，由O點指向此點的向量為理想評價向量A；在空間中，將待評價對象各個指標值形成的點作為另一終點，由O點指向此點生成的向量作為待評價目標向量B，例如在三維空間中如圖1所示.

圖1 三維向量夾角余弦

(1)

根據式(1)，計算兩向量的向量夾角余弦值，即可以得到被評價建設項目BIM應用成熟度與理想狀態下BIM應用成熟度的相近程度.

綜上，將Shapley值和模糊方法相結合，進而運用向量夾角余弦構建的評估模型，不僅可以考慮指標之間的關聯性以及模糊信息的量化處理，而且實現了代數思維向幾何思維的轉化，從而對BIM應用成熟度進行科學的評價.

2 建設項目BIM應用成熟度評估模型的構建

2.1 BIM應用成熟度指標體系的建立

BIM應用能力受人、技術和政策等眾多因素影響，因素之間又盤根錯節.因此，體系的建立須以指標原則和理論為指導.

2.1.1 BIM應用成熟度指標選取原則

1) 科學性原則.選取指標時不可重復，同時應保證全面性和系統性.

2) 主導性原則.選取的指標應具有不可替代性，能體現研究對象的實質和核心，從而體現BIM應用水平.

3) 可操作性原則.選取的指標要符合我國本土特色，同時不同指標間需要統一衡量標準.

2.1.2 BIM成熟度評價指標體系的建立

將項目BIM應用過程看作是一個系統，人員、政策環境及技術等均屬于系統中的一部分.由于項目BIM應用不斷向前推進，逐漸會對政府、企業等產生環境壓力，這種壓力會逐漸使建筑業的BIM應用處于停滯狀態，從而造成行業效率低下、信息缺失等問題，面對BIM應用推進造成的壓力和狀態，政府、企業各方等會做出相應的響應.經過對比分析，發現BIM應用推廣過程符合PSR(壓力-狀態-響應)模型思路，PSR模型是由聯合國經濟開發署(OECD)建立的反映可持續發展機制的框架模型[13]，該模型從壓力、狀態和響應3個指標層的產生機制選取指標.因此，基于PSR模型思想可以很好地指導BIM應用成熟度指標的選取.BIM應用成熟度的PSR框架模型如圖2所示.

圖2 BIM應用成熟度評價的PSR框架模型

基于PSR模型思想，將BIM應用成熟度指標分為3類，分別為壓力層指標P、狀態層指標S以及響應層指標R.其中，壓力層指標P表征BIM推進過程中對政府、企業等產生直接壓力因子，例如數據的豐富度、準確度及交互速度等均是影響BIM應用過程的壓力因素；狀態層指標S表征由于壓力造成的BIM應用現狀及水平，如員工BIM技能經驗、BIM執行計劃等均是由于壓力造成的BIM應用現狀；響應層指標R表征政府、企業各方等會采取哪些行動來解決壓力的負面影響，如BIM職責安排、BIM培訓教育等均是政府、企業制定的具體行動.BIM應用過程中的壓力層P、狀態層S以及響應層R指標見表1.

表1 壓力、狀態、響應指標

對我國15位BIM領域的專家、學者進行問卷調查，同時參考國家標準《建筑信息模型施工應用標準》，剔除不適合我國現狀的指標.例如從壓力指標P中剔除數據安全性能、訪問權限控制能力；狀態指標S中剔除建模成本與效率、質量控制計劃；響應指標R中剔除管理決策、理念推廣，從而得到了適用于我國本土特色的BIM應用成熟度指標.但由于壓力(P)、狀態(S)和響應(R)是3個宏觀子系統，將其作為一級指標不能直觀地反映BIM應用成熟度的影響因素，因此對由PSR模型思想得到的25個二級指標進行歸納分類，從而得到可以直觀反映BIM應用成熟度影響因素的6個子系統，如BIM變更流程、參與方協調過程、信息交流過程、產品服務交付過程反映BIM應用過程中的過程管理，可將其歸納為過程管理子系統，具體適用于我國本土建設項目的BIM應用成熟度評價指標體系如圖3所示.

圖3 建設項目BIM應用成熟度評價指標體系

2.2 建設項目BIM應用成熟度評價指標權重的確定

指標權重在BIM成熟度評價中占據重要地位，但以往研究多采取AHP等方法進行賦權，忽略了指標間的聯系，因而使結果缺乏合理性.為避免上述問題，本文采用Shapley值計算BIM應用成熟度指標權重.Shapley值是一種解決局部對整體的相對重要性的科學賦權方法[14]，將其引入BIM應用成熟度賦權中，可使賦權更加科學合理.具體賦權步驟如下：

1) 歸一化處理.將數據(a1，a2，…，ai，…，an)歸一化處理，得到各指標評價值.

(2)

2) 計算組合評價值.通過德爾菲法，向多位BIM領域的專家進行咨詢得到影響組合評價值的系數.當2個指標具有共性，乘以0.8減弱其組合值的影響；當2個指標相互獨立，乘以1.2增強其組合值的影響；組合指標超過3個時，影響系數以多數指標是否有共性為準則.

(3)

3) 計算各指標 Shapley值，即各指標權重：

(4)

式中：n為指標總數；|s|為組合中指標個數；v(s)為組合指標對整體的影響值；v(s/i)為組合除去指標i后對整體的影響值.

2.3 基于向量夾角余弦的建設項目BIM應用成熟度評估模型

2.3.1 BIM應用成熟度評價指標的量化

為使定性指標定量化，首先根據實踐，同時運用統計學知識，將評價測度劃分為4個模糊等級，見表2.

表2 BIM應用成熟度模糊評價測度

2.3.2 各級指標的模糊綜合評價

1) 評價等級的確定.設S={s1,s2,…,sm}表示被評價對象的m種指標,評價等級為T={t1,t2,…,tn},由表2可知有4個評價等級,其相應的測度閥值為M=(0.95，0.80，0.60，0.25).

2) 評價矩陣的建立.使專家單獨對指標si進行評判，得到從S到T的模糊隸屬度矩陣為

(5)

式中：指標si對T中等級tj的隸屬關系用rij表示.

(6)

(7)

2.3.3 基于向量夾角余弦的建設項目BIM應用成熟度評估模型

BIM應用成熟度評價的實質是判定項目實際BIM運用能力與理想BIM運用能力的相近程度，從而根據相近程度對項目BIM應用能力進行評價和排序.用幾何思維表述即是檢驗項目BIM應用成熟度特征向量與理想項目BIM應用成熟度多維向量的一致性水平，向量夾角余弦作為檢驗向量一致性程度的幾何方法，引入本文進行一致性水平檢驗.具體步驟如下[15]：

3) 計算項目i的特征向量Xi與理想項目特征向量X*之間的向量夾角余弦φi的絕對值：

(8)

4) 確立評價標準.|φi|值在0～1之間，|φi|值越趨近于1，代表項目的實際BIM應用能力越接近理想項目BIM應用能力，項目的BIM應用程度越高.在統計學中，學者發現如果各種因素對結果的影響是相加的，結果就會呈現正態分布[16]，BIM應用能力正是各種因素相互作用的結果，因此也符合正態分布.本文通過德爾菲法將BEW-RICHARD的iBIM成熟度模型(將成熟度模型等級分為0，1，2，3級)[17]和統計學中的正態分布進行結合研究，制定了與模糊評價等級相對應的建設項目BIM應用成熟度等級標準，見表3.

表3 建設項目BIM應用成熟度等級劃分

表4 指標A1賦權數據

表5 A1對應的指標組合權重影響

3 算例分析

某地鐵集團對13，3和2號線3個地鐵項目進行BIM應用能力評價，以了解BIM技術在項目中的應用程度，為進一步加深BIM應用提出措施.本文以此為例，闡述評估模型在項目中的有效性和合理性.

3.1 基于Shapley值非可加測度確定權重

現將13，3及2號線3個地鐵建設項目，以甲、乙、丙指代，需要對3個建設項目的整體BIM應用水平綜合評估.

以甲中指標A1的二級指標為例，計算組合權重.通過調查問卷的方式向7位從事BIM研究的學者調研，對每個指標的重要程度進行評分獲得原始數據，數據匯總見表4.

根據式(2)(3)可得各指標評價值v(n)和組合評價值v(1,2,…,n)，見表5.

根據式(4)可知，A11的權重計算見表6.

通過表6數據，求得指標A11的組合權重值為0.24.同理可求得A12,A13,A14的權重分別為0.219，0.264，0.277,因此指標A1的權重向量為w1=(0.240,0.219,0.264,0.277).

同樣，其余各二級指標的權重值分別為

w2=(0.131，0.146，0.180，0.187，0.177，0.179) ，w3=(0.231，0.283，0.245，0.241)，

3.2 基于向量夾角余弦的建設項目BIM應用成熟度評價

3.2.1 BIM應用成熟度評價指標的量化

1) 邀請由21名成員組成的評估團隊對甲的BIM應用成熟度進行評估，團隊包括相關資料員、技術員等.評估團隊成員的構成見表7.

表7 評估團隊人員構成 人

表8 項目甲中A1的專家數據匯總

以甲中A1的二級指標為例.團隊成員按表2等級進行評估，評估結果匯總見表8.

根據式(5)對表8的數據進行處理，可得專家對單因素的模糊隸屬度矩陣為

2) 根據式(6)和Shapley值賦權求得的權重w1=(0.240,0.219,0.264,0.277)，可得一級指標A1的客觀評價向量為

同理求出甲的其他指標評估值：

W2=0.750,W3=0.801，W4=0.694，W5=0.703，W6=0.710.

采用以上方法可以求得3個項目的特征向量依次為

3.2.2 基于向量夾角余弦的建設項目BIM應用成熟度評價

BIM應用水平提升是循序漸進的過程.即使是到達信息高度集成、全面協作以及持續改進BIM應用過程的高級階段，BIM應用仍有無限發展空間，因此理想項目BIM應用成熟度應是各評價指標的最優值.在本文中由于對各指標評價值進行了歸一化處理，因此各指標的最優值均應為1，即理想項目BIM應用成熟度評價值為X*=(1,1,1,1,1,1)

由式(8)可知：

同理，使用相同方法求得其他2個項目的BIM應用成熟度的向量夾角余弦值，見表9.

表9 各項目BIM應用成熟度評估結果

依據表9可知，3個項目的BIM應用成熟度向量與理想BIM應用成熟度的向量夾角余弦值分別為0.979，0.927，0.943；BIM應用成熟度等級分別為2級，0級，1級；模糊評價等級分別為良，差，中.建設項目BIM應用成熟度的余弦值按從大到小排序：φ甲>φ丙>φ乙，因此BIM應用在甲建設項目水平最高，其次是丙，最后是乙.經過后期查閱項目資料以及對參與地鐵建設人員進行走訪調查得到了相同的結果，因此該模型得到的結果具有實用性.

由模糊理論可對BIM應用水平高的建設項目進行優劣勢分析，為以后提升BIM應用水平總結經驗.對甲的特征向量分析：技術能力A4的評價值(0.694)僅處于中等水平，說明技術能力A4嚴重限制建設項目BIM應用成熟度的提升，應在技術能力投入更多的資源和資金；人員A5和應用標準A6雖然達到良的水平，但由于僅僅只達到良的下限，所以仍有較大提升空間，這說明企業不僅要加強人員對BIM的支持度和BIM技能知識，還要積極執行BIM計劃，嚴格遵守BIM標準，根據BIM在建設項目中的實踐，向政府提出合理的扶持政策；信息能力A3評價值最高(0.802)，這是因為信息能力對于建設項目BIM成熟度起著至關重要的作用，因此為使建設項目BIM應用能力邁上新臺階，必須抓住信息能力的提升.

4 結論

1) 基于指標選取原則和PSR模型思想，同時參考國家BIM標準，構建了適用于我國本土特色的BIM應用成熟度指標體系，體系包含過程管理A1、組織安排A2、信息能力A3、技術能力A4、人員A5和應用標準A66個方面.

2) 針對項目BIM應用成熟度評價涉及組織、技術和個人等多方因素，存在指標關聯性和指標模糊性等問題，首先將Shapley值與模糊評價相結合，繼而運用向量夾角余弦方法構建BIM應用成熟度評估模型.其中，Shapley值賦權考慮指標之間的相關性，模糊評價處理模糊不確定信息，繼而將向量夾角余弦巧妙引入進行一致性程度檢驗.

3) 算例分析表明該評估模型具有合理性和實用性.該評估模型不僅可以判別項目BIM應用成熟度等級，而且還可以為其進一步提升提出建議.