基于COWA-模糊集對的BIM綠建運維管理綜合效益分析*

李忠富，李州揚，戴利人，蔡 晉

(1.大連理工大學建設管理系，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

相較于傳統建筑而言，綠色建筑需投入的成本往往更加高昂，但綜合考慮實際應用中所產生的長遠效益時，綠色建筑會比常規建筑更加經濟[1]，因此應當將綠色建筑項目控制的重心更多地落實到效益產出的運營階段。建筑的運營維護階段涉及眾多利益相關者，各相關方之間的信息交互與傳遞亦十分復雜，因此有學者提出可以將BIM技術引入到運維管理中[2]。

BIM(building information modeling)是表征建筑幾何信息、物理信息和功能特性的數字化共享模型，具有可視化、模擬性、協調性、優化性等特點，能夠加強各參與方之間的信息溝通與協同管理，從而進一步提高建筑運營的效率與質量[3]。雖然BIM的價值應當貫穿建筑的全生命周期，且很大程度體現在運營階段，但國內外對BIM的研究主要還是集中在設計階段與施工階段。現有研究中關于BIM在建筑設計階段的內容較為豐富，涵蓋結構設計[4]、機電管線設計[5]、室內裝修設計[6]、多方協同設計[7]等方面的內容。針對施工階段，研究聚焦BIM在進度管理[8]、資源管理[9]以及施工沖突分析[10]中的應用。

國內學者對BIM技術在運營管理中的應用進行過一些探索，如胡振中[11]研究了國內外BIM運維的應用現狀，認為BIM技術在運維階段的應用總體上還處于初級階段；紀博雅[12]驗證了BIM技術應用于運營設備管理的優越性；韓繼紅等[13]對物業管理的訴求進行調查，挖掘出BIM技術對綠色建筑智慧運營新模式的應用價值。有學者指出，BIM效益產出不明確使得企業參與的積極性不高，從而在一定程度上影響了BIM的推廣應用[14]。運維階段是綠色建筑中時間周期最長、成本占比最大的階段，因此在運維階段應用BIM技術能夠最大限度提升效益。由于當前BIM在運營管理中還有很大應用空間，所以應當關注于對BIM產出效益的定量化研究。

本文結合綠色建筑運營特點，充分考慮BIM技術應用于綠色建筑運營階段所能產生的效益影響因素，構建BIM綠建運維管理綜合效益評價指標體系，并使用COWA算子進行效益指標的重要性排序，引入集對分析理論描述效益指標與評價標準之間的關聯度，從而實現BIM在綠色建筑運營階段的綜合效益評價，使評價結果更為明確，為BIM應用于綠色建筑運維管理提供評價依據。

1 BIM綠建運維管理綜合效益評價指標體系

本文將BIM技術應用于綠色建筑運維管理階段所能產生的價值點進行歸納總結，從經濟、社會、環境3個層面對BIM產出效益進行概述。

1)經濟效益

經濟效益是指由BIM技術帶來的、能為其投資主體帶來的經濟利益，是在綠色建筑運維管理過程中應用BIM技術能夠產出的與資源節約和物業管理相關的效益。從資源節約角度上看，BIM技術能通過對設備的精細化管控和能耗監控達到節約資源和能源的目的。從物業管理角度上看，BIM作為信息集成平臺為運維人員提供了資源共享途徑，高效的信息溝通與業務協同可以顯著提升管理人員和維修人員的工作效率。此外，BIM技術在制定設備維護方案和建筑日常運行管理中的應用也在一定程度上減少了綠色建筑的物業管理成本。

2)環境效益

環境效益是指在運營階段應用BIM技術而使綠色建筑在環境治理中節約的貨幣化效益以及周邊居民的健康效益。建筑運營過程中產生的大氣污染物、碳排放以及熱島效應會給人類正常的生產生活和身體健康帶來不利影響，借助BIM技術對綠色建筑運營過程進行仿真，能夠恰當改變其運營管理模式，在滿足室內空間正常使用的前提下，減少能源浪費與不合理的設備使用，從而減輕對室外環境的不良影響。借助與BIM平臺相關聯的傳感裝置，可以及時探測建筑內部的光環境、聲環境以及PM2.5，PM10等室內主要污染物濃度，并通過及時的新風措施改善空氣質量，為用戶提供滿意的工作生活空間。

3)社會效益

社會效益是無法用貨幣衡量的間接價值，是指不僅屬于投資者，而且能與社會其他成員共享的效益。在應對火災等災害時，傳統運維管理主要采用響應和救援等事后控制方式，而BIM技術能夠通過模擬演習、險情定位對災害進行預防和報警，以事前和事中控制的方式減少損失。BIM技術在建筑資產管理和資料與信息管理中也有廣闊的應用空間，這些價值點在一定程度上也能對相關的標準、規范和評估體系起到完善作用。此外，BIM出色的可視化和優化性能可提高用戶體驗的滿意度，通過提升用戶認知對BIM應用進行宣傳和推廣。

構建合理的評價指標體系是進行綜合效益評價的前提和基礎，本文通過歸納總結BIM技術產出價值，提煉出如圖1所示的綜合效益評價指標體系。由于指標體系中包含許多定性衡量指標，因此本文使用COWA算子對評價指標進行賦權，再通過模糊四元聯系數對指標進行量化，最后將評價指標的權重與模糊四元聯系數合成運算得到方案評估的結果。

圖1 綜合效益評價指標體系

2 基于COWA算子的指標賦權

本文所構建的BIM綠建運維管理綜合效益評價指標體系包含10項二級指標和32項三級指標，因此，在綜合效益評價流程中為眾多指標選取合理的賦權方法至關重要。常用的指標賦權方法如層次分析法比較適合指標要素較少的項目，熵值法受主觀因素影響較小，但需要的樣本信息量大，因此需要采用其他方法進行指標賦權。本文所構建的綜合效益評價指標體系三級指標數量較多，主客觀指標信息不完備，引入COWA算子對指標進行賦權，不僅可以處理多指標之間的重要性排序，還可以削弱專家偏好對指標打分造成的不利影響，能夠最大限度地保證指標賦權的合理性與準確性。

COWA算子是由我國學者徐澤水在OWA算子的基礎上改進而來的區間組合數有序加權算子，其內涵是充分結合屬性加權與位置加權的方法對數據進行處理，通過對評價值的重新排序將可能影響評價結果的極端值放置于影響程度較小的位置，避免由于數據信息量較少而引起的某些指標的權重計算結果偏差，從而最大限度地減少主觀偏差對賦權結果造成的不合理影響[15-16]。采用COWA算子進行賦權的計算過程如下。

1)確定指標評分數據集

邀請n位專家對BIM技術在綠建運維中綜合效益評價指標Nτ的重要性打分，得到數據集(a1,a2, …,ai, …,an)。將得分數據按照從大到小的順序重新排序，并以0作為起始序號進行新的編號，得到新的數據集(b0,b1, …,bj, …,bn-1)，其中b0≥b1≥bj≥bn-1。

2)計算加權向量

(1)

3)計算絕對權重

(2)

4)計算相對權重

(3)

3 基于模糊集對的綜合效益評價模型

集對分析理論是從同、異、反3個側面來刻畫2個不同事物之間相互關系的一種分析方法，其核心是將事物之間的確定性聯系描述為同一性聯系與對立性聯系、將不確定性聯系描述為差異性聯系進行系統研究與分析[17]。模糊綜合評價是將邊界不清且不容易量化的因素進行量化的一種綜合評價方法，其核心是構造等級模糊子集來量化反映被評價事物的指標，并通過模糊變換原理將各指標進行綜合。

模糊集對分析需把指標值原始數據進行分析與綜合得到一個模糊四元聯系數，將模糊四元聯系數與指標的權重值進行合成計算，得到基于集對分析理論的評價結果以判斷項目的優劣等級[18-19]。具體計算步驟如下。

1)確定評價對象的指標集X

X={X1,…,Xi,…,Xn},i=1,2,…,n

(4)

2)確定評價標準集D

D={D1,…,Dj,…,Dm},j=1,2,…,m

(5)

本文取m=4，即D1代表“優秀”，D2代表“良好”，D3代表“中等”，D4代表“合格”。

3)建立四元聯系數μ

μ=a+bi+cj+dk

(6)

式中：a為同一度；b為偏同差異度；c為偏反差異度；d為對立度；i和j為差異不確定系數；k為對立系數。其中a，b，c，d∈[0,1]，且a+b+c+d=1；i∈[0,1]，j∈[-1,0]，k=-1，有時i，j，k不取值，僅作為符號標記。

本文的評價指標均為效益型指標，在參考文獻[18-19]的基礎上確定計算公式，指標Xi相對于標準等級Dj的四元聯系數如下：

(7)

式中：v1,i,v2,i,v3,i為評價標準集D中的優秀，良好，中等等級的門限值；Xi為評價指標值。

4)確定綜合評價公式

(8)

式中：W代表權系數向量；R代表同異反多元測量評價矩陣；E代表聯系分量系統矩陣。

4 算例分析

本文選取上海某綠色建筑為算例樣本，建筑類型為普通辦公建筑，該項目應用智慧園區綜合管理平臺，能夠實現管理、設計、施工和運維全過程的BIM控制。

4.1 基于COWA算子的指標賦權

為了確定各項指標的權重，本文組建專家小組獲得了18位專家的評分數據(見表1)，運用COWA算子對指標權重進行處理，得到各級指標權重。現以一級指標的計算過程為例，以指標N1為例對評價指標的權重進行計算。先對專家評分數據按照從大到小的順序重新排列，得到新的數據集(5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 4, 4, 4, 3, 3, 3, 3)。

表1 一級指標權重專家打分數據

同理可求得各二級指標和三級指標權重值，將各層級指標進行合成運算后得到各項指標權重的最終權重結果。

4.2 基于模糊集對的綜合效益評價

根據相關文獻研究以及BIM運維項目發展現狀，本文將BIM綠建運維管理綜合效益評價分為4個等級，即優秀、良好、中等、合格。根據評價標準等級的設定，將指標數據以區間分級的方式進行等級劃分。定性指標以專家打分的方式獲得數據，定量指標以實際數據為基礎進行無量綱處理。以社會效益為例進行算例演示，效益指標值和評級標準如表2，3所示。

表2 評價指標表現值

表3 評級標準

根據式(7)計算社會效益指標相對于評價標準D的四元聯系數，將評價矩陣與指標權重合成運算得到社會效益維度下評價結果Y：

(9)

根據四元聯系數考慮評價結果時，按均分原則將差異不確定系數i，j和對立系數k的取值確定在三等分點處，即i=0.333，j=-0.333，k=-1，代入評價結果得Y=0.415 8。

歸一化后聯系數Y的取值范圍為[-1, 1],依據均分原則將優秀，良好，中等，合格4個等級的聯系數范圍劃分為4個區間[0.5, 1]，[0, 0.5)，[-0.5, 0)，[-1, -0.5)。

本文得出的社會效益維度評價結果在區間[0, 0.5)內，評定結果為良好。

同理求得經濟維度評價結果Y=-0.667 0，評定結果為合格；環境維度Y=-0.074 9，評定結果為中等。BIM綠建運維管理綜合效益Y=-0.144 1，總評定結果為中等，可知BIM應用效果符合預期。在算例計算過程中有以下發現。

1)在權重計算中，專家對經濟效益賦予的重要度更高，對社會效益的關注度相對較少。

2)將專家評分和估算數據代入評分結果中，BIM技術在綠建運維管理的社會效益中應用效果最好，達到良好等級；在經濟效益中的表現相對較差，僅達合格等級。

3)經濟效益所占重要性最高，但表現值最差，因此在實際項目應用中應對BIM平臺和傳感器等進行合理布控，簡化運維人員工作流程，在控制成本投入的基礎上對運維成本進行優化管控。

5 結語

本文借助COWA算子對BIM綠建運維管理綜合效益評價指標進行賦權，依據模糊四元聯系數建立了綜合效益評價模型與方法，計算過程簡潔，結果較明確。通過本文的評價方法，不僅能夠得出綜合效益的評價等級，還可細分得到經濟、環境、社會各維度的評價等級，通過明確細分結果抓住問題核心，從而有針對性地提出相應的效益提升策略。