文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)

周 潔, 張哨軍

武漢工程大學(xué), 湖北 武漢 430074

0 引言

我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]強(qiáng)調(diào),我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展要由大規(guī)模增量建設(shè)轉(zhuǎn)為存量提質(zhì)改造和增量結(jié)構(gòu)調(diào)整并重,從“量”的擴(kuò)張轉(zhuǎn)向“質(zhì)”的提升,這需要推進(jìn)智能建造技術(shù)在工程項(xiàng)目全壽命期的應(yīng)用。近年來(lái),建筑信息模型(BIM)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用和推廣,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑行業(yè)在一些大型建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工階段能成熟應(yīng)用BIM技術(shù),政府也通過(guò)發(fā)布法規(guī)和政策來(lái)推動(dòng)BIM技術(shù)的應(yīng)用。我國(guó)政府也高度重視BIM技術(shù)的發(fā)展,發(fā)布了一系列政策文件支持BIM的推廣和應(yīng)用。BIM在中國(guó)建筑行業(yè)中,包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)都得到應(yīng)用。

文化設(shè)施項(xiàng)目大多為公共建筑,有著項(xiàng)目規(guī)模大、投資金額高、成本難控制、項(xiàng)目管理要求高[2]等特點(diǎn)。而項(xiàng)目的施工階段是工程建設(shè)項(xiàng)目管理參與方最多的一個(gè)階段,也是使圖紙變成實(shí)物的關(guān)鍵階段,涉及成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等全方面的項(xiàng)目管理問(wèn)題[3]。基于以上背景,本文將建立一個(gè)文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用的成熟度評(píng)價(jià)體系,以期推進(jìn)BIM在該類項(xiàng)目中能得到更好的應(yīng)用。

1 模型構(gòu)建步驟

1.1 能力成熟度等級(jí)劃分

最早的成熟度評(píng)價(jià)模型是1986年由卡梅隆大學(xué)的軟件研究所提出的軟件能力成熟度模型(Capability Maturity Model,CMM)[4],用于評(píng)估和改進(jìn)組織軟件開發(fā)過(guò)程成熟度的工具。該模型通過(guò)5個(gè)不同的成熟度級(jí)別來(lái)描述組織的軟件開發(fā)過(guò)程,達(dá)到使軟件開發(fā)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化的目的。本文通過(guò)文獻(xiàn)搜索并結(jié)合文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用現(xiàn)狀,對(duì)能力成熟度等級(jí)進(jìn)行了劃分,如圖1所示。

圖1 文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用能力成熟度等級(jí)

1.2 指標(biāo)體系的選擇

通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)法將“文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)”這一研究對(duì)象劃分為幾個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索,將文獻(xiàn)中的指標(biāo)用表格的方式進(jìn)行總結(jié),并結(jié)合專家調(diào)查法,本著全面性、針對(duì)性、獨(dú)立性原則進(jìn)行指標(biāo)篩選,并總結(jié)出適用于文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用的指標(biāo)體系。

1.3 成熟度模型建立

本文使用粗糙集理論確定指標(biāo)權(quán)重,建立標(biāo)準(zhǔn)云模型進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià)。其中,粗糙集相較于其他權(quán)重確定方法,在處理問(wèn)題的過(guò)程中只利用原本就存在的數(shù)據(jù),通過(guò)屬性約簡(jiǎn)除去冗余的屬性,使結(jié)果更加客觀;云模型利用正向云發(fā)生器將云參數(shù)變?yōu)樵频尾⑿纬稍茍D,直觀地反映評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 相關(guān)理論概述

2.1 粗糙集

粗糙集理論是由波蘭科學(xué)家、數(shù)學(xué)家Pawlak在1982年提出來(lái)的[5],主要思想是在讓分類的能力保持不變的基礎(chǔ)上,通過(guò)屬性知識(shí)約簡(jiǎn)的方式導(dǎo)出問(wèn)題決策的分類規(guī)則,用于處理不完備、不確知和不精確的信息,主要涉及集合論、模糊集理論和近似推理等數(shù)學(xué)方法。

粗糙集理論作用于指標(biāo)的權(quán)重確定時(shí),可分為以下一般步驟[6]。

2.1.1 構(gòu)建決策表

2.1.2 基于粗糙集理論的屬性簡(jiǎn)約

粗糙集的屬性簡(jiǎn)約在確保原始信息庫(kù)分類功能不變的前提下,通過(guò)刪除某些冗余屬性,減少數(shù)據(jù)集中的不必要信息,從而提高數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性[8]。基于粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)過(guò)程中涉及到約簡(jiǎn)(reduction)和核(core)2個(gè)基本概念。設(shè)Q是一個(gè)等價(jià)關(guān)系族,q∈Q,有ind(Q)=ind(Q-{q}),則稱q在Q中是可被約去的知識(shí),稱q在Q中是不必要的,否則稱q在Q中是必要的。Q中所有不可被約去的必要約簡(jiǎn)red(Q)構(gòu)成Q的核集core(Q),有core(Q)=∩red(Q)。本文采用典型屬性約簡(jiǎn)。

2.1.3 歸一處理得到屬性權(quán)重

基于粗糙集理論中的屬性依賴度的概念,定義指標(biāo)體系U上決策指標(biāo)對(duì)條件指標(biāo)C的依賴度為:

(1)

式中:|U|為約簡(jiǎn)后指標(biāo)的數(shù)量,γC(D)越接近1就表示D對(duì)C的依賴程度越大。

計(jì)算剔除某一指標(biāo)Ci之后決策指標(biāo)D對(duì)條件指標(biāo)C-ci的依賴程度為:

(2)

第i個(gè)指標(biāo)對(duì)決策指標(biāo)的重要性可表示為:

σCD(ci)=γC-γC-ci(D)

(3)

其中i=1,2,…,m。

歸一化運(yùn)算第i個(gè)條件指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為:

(4)

2.2 云模型

云模型理論主要涉及到云數(shù)字特征和云發(fā)生器2個(gè)核心內(nèi)容[6]。云模型是一種反映綜合評(píng)價(jià)的隨機(jī)性與模糊性的決策方法,通過(guò)云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性到定量的相互轉(zhuǎn)換[9],主要使用期望Ex、熵En和超熵He3個(gè)數(shù)字特征來(lái)描述一個(gè)定性概念。在利用云模型評(píng)價(jià)成熟度時(shí),需要建立標(biāo)準(zhǔn)云模型作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。

其數(shù)字特征(Ex,En,He)的計(jì)算如下。

(5)

采用加權(quán)平均算術(shù)法將各指標(biāo)層的評(píng)語(yǔ)云(子云)轉(zhuǎn)化為要素層的評(píng)價(jià)云(子云),最終轉(zhuǎn)化為目標(biāo)層的綜合云(父云)[10],其轉(zhuǎn)化計(jì)算公式如下。

(6)

3 指標(biāo)體系的選擇及模型建立

3.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)上述方法,可歸納總結(jié)出適用于文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用的指標(biāo)體系。由于篇幅限制,這里直接給出指標(biāo)選擇結(jié)果(見表1)。

表1 文化設(shè)施項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 基于粗糙集的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

3.2.1 構(gòu)建決策表

為了使分析更具真實(shí)性,減少專家的主觀隨意性,本文采取線下一對(duì)一發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查法,邀請(qǐng)10位行業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工作者,采取0-1打分法生成原始的信息決策表,其中0表示不重要,1表示中立,2表示重要,此種方式得到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù),在一定程度上減少專家對(duì)指標(biāo)的主觀影響。由于篇幅原因,這里只例舉施工前準(zhǔn)備的二級(jí)指標(biāo)決策表(見表2)。

表2 施工前準(zhǔn)備的二級(jí)指標(biāo)決策評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

其中:U={1,2,…,10}為論域,C={A1,A2,…,A6}為條件屬性,D為決策屬性。

3.2.2 基于粗糙集理論的屬性簡(jiǎn)約

根據(jù)條件屬性與決策屬性將粗糙集的知識(shí)劃分論域,劃分結(jié)果如表3所示。

表3 施工前準(zhǔn)備基于屬性的信息系統(tǒng)劃分

根據(jù)粗糙集的典型屬性約簡(jiǎn)算法,可得到信息系統(tǒng)劃分結(jié)果,如表4所示。

表4 施工前準(zhǔn)備剔除某條件屬性后的信息系統(tǒng)劃分

由表4可得:pos{C-{Ai}}(D)≠posC(D) (i=1,2,…,6),所以C的D核為{A1,A2,A3,A4,A5,A6},即無(wú)需對(duì)施工前準(zhǔn)備的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行約簡(jiǎn),同理經(jīng)驗(yàn)證可得,對(duì)其他一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)也無(wú)需約簡(jiǎn),也驗(yàn)證了上文提到的指標(biāo)選取原則。

3.2.3 歸一處理得到屬性權(quán)重

根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

ω(A4)=ω(A5)

綜上,得到施工前準(zhǔn)備下指標(biāo)權(quán)重分配向量。

ωA=(A1,A2,A3,A4,A5,A6)=(0.125,0.125,0.250,0.125,0.125,0.250)。

同理可得其他要素層下指標(biāo)層的權(quán)重分配向量。

ωB=(B1,B2,B3,B4)=(0.267,0.267,0.267,0.200)

ωE=(E1,E2,E3,E4,E5)=(0.231,0.231,0.231,0.154,0.154)

ωF=(F1,F2,F4,F5)=(0.182,0.182,0.182,0.273,0.182)

ωH=(H1,H2,H3)=(0.333,0.333,0.333)

ωN=(N1,N2,N3,N4)=(0.235,0.235,0.294,0.235)

根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查可得到要素層(一級(jí)指標(biāo))的判斷矩陣,借助Matlab由矩陣的幾何平均法求得權(quán)重ω=(A,B,E,F,H,N)=(0.165 9,0.186 2,0.186 2,0.165 9,0.147 8,0.147 8)。

3.3 基于云模型的成熟度評(píng)價(jià)

3.3.1 建立標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型

本文在建立評(píng)價(jià)云模型時(shí),基于云模型的理論,采用黃金分割法在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值區(qū)間[0,1]上劃分等級(jí),通過(guò)區(qū)間數(shù)和正態(tài)云模型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到各級(jí)定性概念云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)。

由二階正態(tài)云發(fā)生器,將成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值區(qū)間的數(shù)值特征和云滴數(shù)N得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)云,本文云滴數(shù)N設(shè)置為1 400,得到標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型如表5所示,標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云云圖如圖2所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云云圖

3.3.2 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)不同的實(shí)際項(xiàng)目,邀請(qǐng)與項(xiàng)目相關(guān)的人員進(jìn)行指標(biāo)打分,將定性的指標(biāo)定量化,利用3.2節(jié)的計(jì)算方法得出數(shù)字特征(Ex,En,He),基于標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云云圖,借助Matlab利用正態(tài)云發(fā)生器將云參數(shù)變?yōu)樵频尾⑿纬稍茍D,根據(jù)可視化云圖得出評(píng)價(jià)結(jié)果,決策者根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出改進(jìn)措施。

4 案例分析

某體育活動(dòng)中心由訓(xùn)練館、競(jìng)賽廳及配套設(shè)施組成,為文化設(shè)施項(xiàng)目,其建筑總長(zhǎng)度214 m,總寬度117 m,總高度29.14 m,總建筑面積37 200 m2,是一個(gè)綜合體育場(chǎng)館。

為評(píng)價(jià)該項(xiàng)目施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用情況,邀請(qǐng)6名本項(xiàng)目相關(guān)工作人員進(jìn)行打分,由云模型的定義及公式,借助Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以得到此項(xiàng)目的各層評(píng)價(jià)云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He),其目標(biāo)層云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)=(0.419 7,0.270 5,0.033 4),將目標(biāo)層數(shù)字特征帶入標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型中,其評(píng)價(jià)云云圖如圖3所示,可判斷出本項(xiàng)目施工階段BIM應(yīng)用成熟度為認(rèn)知級(jí)與重用級(jí)交叉處。基于本文的案例,應(yīng)更好地建立BIM應(yīng)用體系,利用BIM與各參與方各專業(yè)協(xié)同化作業(yè),技術(shù)工作與管理工作應(yīng)加快實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化文檔化的步伐。

圖3 評(píng)價(jià)云云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在其他BIM應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)方法中,儲(chǔ)天罡[11]利用AMOS軟件、采用修正指數(shù)法求得潛在指標(biāo)權(quán)重,利用云模型進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià),分析出某一項(xiàng)目施工過(guò)程BIM成熟度等級(jí)為2級(jí),即集成BIM。李妍蓓[12]利用層次分析法和熵權(quán)法確定權(quán)重,采用云模型進(jìn)行成熟度評(píng)價(jià),通過(guò)案例分析出某水廠擴(kuò)建項(xiàng)目運(yùn)維階段BIM應(yīng)用為提高階段。與這些方法相比,本文提出的粗糙集-云模型評(píng)價(jià)方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果更加簡(jiǎn)潔明晰,評(píng)價(jià)結(jié)果更為清楚明確。

通過(guò)粗糙集-云模型方法建立的BIM應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)模型,能有效地評(píng)價(jià)出文化設(shè)施項(xiàng)目在施工階段的BIM應(yīng)用情況,決策者可以根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出改進(jìn)措施,通過(guò)這些措施促使項(xiàng)目更加順利的建設(shè)。該模型可推進(jìn)BIM技術(shù)在文化設(shè)施項(xiàng)目中的更好應(yīng)用,本文也根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證了該模型的適用性,但研究存在一定的局限性,有待進(jìn)一步完善修正BIM評(píng)估模型。