基于SEM的建設(shè)項目BIM能力成熟度測度研究

陳永鴻， 李東文， 楊建榮

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 云南 昆明 650500)

建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，步入21世紀(jì)以來在政府支持和需求推動的作用下，我國雖然在建設(shè)規(guī)模上有較大提升，但建設(shè)效率卻始終未見顯著成效，這無疑說明建筑業(yè)變革的必要性。為實現(xiàn)建設(shè)項目的可視化和量化管理，提高工程建設(shè)效率，Chuck Eastman教授提出建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)。英國BIM Task Group將BIM定義為：通過共享3D模型和智能結(jié)構(gòu)化信息的創(chuàng)建、整理和交換，加強項目全生命周期內(nèi)創(chuàng)造價值的協(xié)作[1]?，F(xiàn)階段的技術(shù)和傳統(tǒng)的建設(shè)項目組織模式已無法解決我國建設(shè)效率低的困境，因此BIM的提出無疑為建筑業(yè)變革的成功提供了可能性。在此背景下，我國政府部門出臺《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》、《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等系列文件鼓勵推進BIM應(yīng)用。目前，我國BIM應(yīng)用如火如荼，顯然已成為建筑業(yè)提升競爭力的重要措施之一。然而聲稱BIM項目的多不勝數(shù)，有BIM在一些項目中的廣泛應(yīng)用，也有僅僅在工序上被局部應(yīng)用[2]，這說明當(dāng)前建設(shè)項目中BIM應(yīng)用能力參差不齊。因此，如何測度并提升建設(shè)項目中的BIM能力成為我國BIM深層次應(yīng)用的關(guān)鍵，但國內(nèi)的研究卻較少涉及BIM能力測度問題。本文在此行業(yè)背景下，通過理論和應(yīng)用現(xiàn)狀相結(jié)合對BIM能力成熟度進行測度研究，以期為BIM在建筑業(yè)的深度和廣度應(yīng)用提供參考，并對后續(xù)研究起到拋磚引玉的作用。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 成熟度理論

成熟度研究起源于美國軟件工程行業(yè)，1991年，卡內(nèi)基美隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)提出首個成熟度模型——CMM模型，獲得行業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。成熟度的核心思想在于，通過持續(xù)演進的、具有動態(tài)尺度的標(biāo)準(zhǔn)，促使組織主體不斷地改進和完善，使得管理逐步從混亂的、不成熟的過程走向成熟、規(guī)范的開發(fā)過程[3]。隨后這一理念逐漸擴展并被應(yīng)用到其他領(lǐng)域。目前，成熟度研究無論在IT領(lǐng)域還是建筑領(lǐng)域都是炙手可熱的。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，以“成熟度”為主題搜索2010—2017年發(fā)表的期刊文獻，共6945篇。通過一一篩選后，得到與建筑行業(yè)相關(guān)的成熟度論文共142篇。通過Citespace知識圖譜軟件對142篇文獻進行可視化分析，得到建筑行業(yè)成熟度研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖1。從圖1中可以看出：在建筑領(lǐng)域，當(dāng)前的研究主要以項目管理成熟度為主，并逐步細化向BIM、風(fēng)險管理、工程造價管理、安全管理等領(lǐng)域的成熟度延伸。

圖1 建筑行業(yè)成熟度研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

1.2 BIM能力成熟度

針對BIM能力測度問題，美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)(National Building Information Modeling Standard，NBIMS)較早提出BIM能力成熟度概念，用于描述建設(shè)項目的供應(yīng)鏈運作和交換信息的水平，之后便引起了BIM領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在軟件能力成熟度、項目管理成熟度及BIM成熟度相關(guān)研究的理論基礎(chǔ)上，本文將BIM能力成熟度梳理總結(jié)為項目各參與方在建設(shè)項目全生命周期中應(yīng)用BIM的水平，促使BIM能力由低級向高級不斷發(fā)展的過程，使得建設(shè)項目中的BIM應(yīng)用逐步走向成熟。

國外以成熟的項目案例為基礎(chǔ)，提出視角不同的BIM能力成熟度模型。通過文獻研究，將BIM能力成熟度模型匯總為表1。

表1 國外BIM能力成熟度模型統(tǒng)計

其中，NBIMS CMM(Capability Maturity Model)是提出較早的BIM能力成熟度測度模型，該模型從11個指標(biāo)對BIM能力進行測量[4～6,8～12]。BIM能力指數(shù)通過對所有指標(biāo)的測量結(jié)果加權(quán)求和得出，劃分5個成熟度級別與BIM能力指數(shù)相映。在NBIMS CMM 中并未對維度有具體的劃分，但主要聚焦于過程和技術(shù)兩個維度。為了提升BIM能力成熟度模型的可靠性，相繼出現(xiàn)的BIM Maturity Matrix[5,11～14]，BIM Quick Scan[5,6,9,11,14～16]，VDC(Virtual Design and Construction) Scorecard[6,7,11,12,16,17,19]，BIM Proficiency Matrix[4～6,9,13,14,16]，BIM Maturity Index[9,16,19]等測度模型，都在其體系中加入政策等相關(guān)維度。除此之外，BIM Assessment Profile主要通過賓夕法尼亞州立大學(xué)發(fā)布的BIM應(yīng)用的關(guān)鍵組件和步驟指南來評估BIM能力成熟度水平[9]。BIM Cloud Score被提出專用于評估BIM建模技術(shù)成熟度[11]。Owner’s BIM CAT主要從業(yè)主的角度出發(fā)，對其BIM能力進行測度[6,16]。值得一提的是，Porwal等[20]提出組織和人的問題成為了當(dāng)前BIM實施的最大挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)有的BIM能力成熟度模型一方面關(guān)鍵維度未同時體現(xiàn)(如NBIMS CMM缺乏對組織和人員維度的測度)，另一方面測度方法存在缺陷(如BIM Proficiency Matrix賦予所有維度及指標(biāo)相同的權(quán)重)。因此有必要對BIM能力成熟度進一步研究。

通過中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫以關(guān)鍵詞“BIM成熟度”進行檢索刪選后，得到相關(guān)期刊論文21篇。使用知識圖譜軟件Citespace對相關(guān)論文進行分析，得到BIM能力成熟度關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖2。從圖2中可以看出國內(nèi)針對BIM能力成熟度的研究尚處于起步階段。目前，下載量最高的深圳大學(xué)黃園及哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔曉的兩篇碩士論文中，從技術(shù)因素、組織過程因素、合約標(biāo)準(zhǔn)(政策)因素三個維度出發(fā)，對BIM能力成熟度進行測度研究[21,22]；王美華等[23]從設(shè)計企業(yè)的角度，利用層次分析法對設(shè)計企業(yè)的BIM應(yīng)用能力進行實證研究。但由于我國引進BIM技術(shù)較晚，發(fā)展不成熟，先前研究存在以下兩個局限：首先，國內(nèi)BIM能力成熟度研究多從施工、設(shè)計等企業(yè)角度或建設(shè)項目的施工階段等單一方面出發(fā)，不能對BIM能力成熟度進行全面的測度；其次，主要借鑒國外BIM能力成熟度模型，未將建設(shè)項目中的BIM應(yīng)用本土化，難以精確得出BIM能力成熟度水平。因此，非常有必要在實際調(diào)研和國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建BIM能力成熟度模型，為國內(nèi)BIM能力成熟度提供適宜的測度體系，為BIM在建筑業(yè)的深度和廣度應(yīng)用提供參考。

圖2 BIM能力成熟度研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

2 BIM能力成熟度測度指標(biāo)體系

從上述國內(nèi)外BIM能力成熟度模型中，表2初步梳理歸納了28個評價指標(biāo)并統(tǒng)計各指標(biāo)在這些模型中出現(xiàn)的頻率。

表2 國內(nèi)外BIM能力成熟度模型指標(biāo)統(tǒng)計

續(xù)表

注：表中模型分別為模型的簡稱。其中，BIM MM(Cui)指哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔曉的BIM成熟度模型，BIM MM(Huang)為深圳大學(xué)黃園的BIM成熟度模型，其它均為國外十種成熟度模型

從測度指標(biāo)中可以看出，國內(nèi)外現(xiàn)有BIM能力成熟度研究普遍從技術(shù)、經(jīng)濟、管理、環(huán)境、信息、過程、組織、合約標(biāo)準(zhǔn)等維度出發(fā)。通過AHP(Analytic Hierarchy Process)等相關(guān)方法確定建設(shè)項目中BIM能力的關(guān)鍵影響指標(biāo)，從而建立BIM能力成熟度模型。由于我國應(yīng)用BIM技術(shù)較晚，始終未構(gòu)建出全面的BIM能力成熟度模型。

為降低測度體系的局限性，將國內(nèi)外BIM能力成熟度測度指標(biāo)統(tǒng)計出現(xiàn)頻率小于3的指標(biāo)剔除。根據(jù)指標(biāo)無相關(guān)性原則，將各方的協(xié)調(diào)和交接過程與利益相關(guān)者的溝通過程組合成參與方協(xié)調(diào)過程；將利益方對BIM的認(rèn)可度和高層領(lǐng)導(dǎo)支持度組合成BIM支持度；將制定BIM執(zhí)行計劃與質(zhì)量控制計劃合并為BIM執(zhí)行計劃。因我國建筑業(yè)的行業(yè)背景，對設(shè)計單位、施工單位等單位中的項目負(fù)責(zé)人及現(xiàn)場人員進行深度訪談并梳理總結(jié)后，添加政策因素、數(shù)據(jù)響應(yīng)速度、組織架構(gòu)作為測度指標(biāo)。本文以已有研究的維度劃分為基礎(chǔ)，結(jié)合實際建設(shè)項目BIM應(yīng)用環(huán)境，從組織、技術(shù)、個人三個層面將測度指標(biāo)進一步梳理歸納為過程管理、組織安排、技術(shù)能力、信息能力、人員、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)六個維度，圖3為本文構(gòu)建的BIM能力成熟度測度體系。

圖3 BIM能力成熟度測度體系

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 調(diào)查問卷設(shè)計與分析

為了確保BIM能力成熟度研究的科學(xué)性和可靠度，采用結(jié)構(gòu)化問卷形式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。首先針對上述BIM能力成熟度測度體系設(shè)計調(diào)查量表。第一輪問卷調(diào)查主要對象為建筑行業(yè)內(nèi)的專家，第一輪問卷調(diào)查的同時咨詢專家意見。根據(jù)調(diào)查信效度及專家建議修改形成正式的調(diào)查量表。正式的調(diào)查量表主要分為兩部分，第一部分為調(diào)查對象個人背景資料；第二部分為BIM能力成熟度測度資料。其次，采取Likert 5級量表法讓調(diào)查對象給各指標(biāo)對BIM能力成熟度的影響程度進行度量，其中，1～5由低到高依次代表了各指標(biāo)對BIM能力成熟度的重要程度。調(diào)查量表按照隨機原則發(fā)放，采取網(wǎng)絡(luò)發(fā)放的途徑共發(fā)放問卷210份，篩選剔除無效問卷后，剩余有效問卷 192份，回收有效率約91%。調(diào)查過程中有效問卷和量表題項比大于普遍認(rèn)可值6∶1，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果較可信[24]。調(diào)查對象針對建設(shè)項目各參與方，主要包括業(yè)主單位、施工單位、設(shè)計單位、顧問單位及科研教育單位的BIM相關(guān)人員，其中技術(shù)人員與管理人員各占43%。

3.2 數(shù)據(jù)的信度和效度檢驗

為了解數(shù)據(jù)樣本的可靠性，采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)樣本進行信度檢驗。信度檢驗主要采取Cronbach’sα系數(shù)，普遍認(rèn)為Cronbach’sα系數(shù)至少應(yīng)大于0.5。通過SPSS 22.0軟件中的可靠性分析，分析結(jié)果如表3所示。從表3可以看出每個維度的系數(shù)值都超過0.5且量表的總系數(shù)值達到較佳水平(大于0.9)，說明該調(diào)查量表具有較高的信度。

表3 信度檢驗結(jié)果

為了驗證測度模型中指標(biāo)體系的效度，采用SPSS 22.0軟件對調(diào)查量表進行效度檢驗。檢驗結(jié)果如表4所示。該量表的KMO值為0.873，其值大于0.5通過檢驗；其顯著水平p為0.000，小于0.05，說明維度之間存在一定關(guān)聯(lián)性，適用于因子分析。

表4 KMO 與 Bartlett 檢驗

通過對調(diào)查量表的信度及效度檢驗后，量表的可靠性和有效性得到了檢驗，說明量表中的題項較好地反映了BIM能力成熟度模型中的影響指標(biāo)，可以通過該量表進行進一步分析。

4 BIM能力成熟度模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling，SEM)整合了因素分析與路徑分析兩種統(tǒng)計方法，研究各變量間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，驗證構(gòu)建模型的假設(shè)是否合理，模型是否正確，并修正模型中存在的問題[25]。SEM的優(yōu)勢如下：(1)SEM既能在分析中考慮測量誤差，又可以分析潛變量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系；(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型的擬合程度對模型中的指標(biāo)等進行修正，用最終得到的模型來進行權(quán)重確定以增加測度的信度和效度，比常見的層次分析法及模糊綜合評價法更具有說服力；(3)建設(shè)項目中BIM能力成熟度自變量較多且不易精準(zhǔn)測量，所以， SEM更加適用于建設(shè)項目中的BIM能力成熟度測度研究。

4.1 模型研究假設(shè)

基于對BIM能力成熟度的文獻回顧并結(jié)合測度體系的建立，本文提出如下假設(shè)：

H1：技術(shù)能力對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響；

H2：過程管理對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響；

H3：組織安排對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響；

H4：信息能力對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響；

H5：人員對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響；

H6：應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對BIM能力成熟度產(chǎn)生正相關(guān)影響。

4.2 驗證性因素分析

基于圖3所示的測度體系和模型中的研究假設(shè)，運用AMOS 22.0軟件建立建設(shè)項目BIM能力成熟度模型架構(gòu)。極大似然法具有一致性、無偏性是可能性最大的一種優(yōu)良估計，應(yīng)用也最為廣泛，所以本文中將經(jīng)過檢驗具有高信度的問卷數(shù)據(jù)帶入結(jié)構(gòu)方程模型，采用軟件內(nèi)置的極大擬然法進行模型參數(shù)估計和顯著性檢驗，得到初始建設(shè)項目BIM能力成熟度模型。

通過CFI，CMIN/df，GFI，RMR，PGFI，RMSEA，PNFI等指標(biāo)對初始建設(shè)項目建設(shè)過程中BIM能力成熟度模型進行適配性檢驗。通過適配性檢驗發(fā)現(xiàn)，拒絕虛無假設(shè)，表示理論模型與實際數(shù)據(jù)適配度存在欠缺，需要對模型進行修正。遵循模型修正原則，依次從MI值大的路徑或相關(guān)關(guān)系進行模型修正，本文通過增加模型指標(biāo)之間殘差的相關(guān)關(guān)系進行修正。通過釋放測量指標(biāo)殘差之間的關(guān)系后，得到模型修正前后適配度檢驗結(jié)果如表5所示，修正后模型路徑系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果如表6所示。根據(jù)表5，6的分析結(jié)果顯示，在模型適配度方面，本文研究選擇的適配度指標(biāo)CFI，CMIN/df，GFI，RMR，PGFI，RMSEA，PNFI分別為0.9，1.71，0.86，0.05，0.68，0.06，0.68，GFI基本滿足，其余均達到最低值，表明理論模型與實際數(shù)據(jù)適配度較好；在模型顯著性方面，過程管理、組織安排、信息能力、技術(shù)能力、人員、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)分別為0.73，0.78，0.77，0.83，0.84，0.95，6個潛變量與建設(shè)項目中BIM能力成熟度間關(guān)系存在且顯著，本文的基本假設(shè)得到驗證。修正后的建設(shè)項目BIM能力成熟度模型如圖4所示，此修正模型通過模型適配度檢驗及顯著性檢驗，為最佳匹配模型。

表5 模型修正前后適配度檢驗

表6 修正后模型路徑系數(shù)及顯著性檢驗

圖4 建設(shè)項目BIM能力成熟度模型

4.3 指標(biāo)權(quán)重確定

從表7中的權(quán)重系數(shù)可以看出潛變量對建設(shè)項目中BIM能力成熟度的影響排序由高到低為應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(0.194)>人員(0.171)>技術(shù)能力(0.169)>組織安排(0.159)>信息能力(0.157)>過程管理(0.15)；觀察變量中對建設(shè)項目BIM能力成熟度影響較大的指標(biāo)為BIM執(zhí)行計劃(0.415)、員工技能經(jīng)驗(0.545)、BIM軟件能力(0.227)、BIM職責(zé)安排(0.2)、數(shù)據(jù)交換(0.309)、參與方協(xié)調(diào)過程(0.301)。當(dāng)建設(shè)項目涉及BIM應(yīng)用且資源緊缺時，為節(jié)省資源且保證項目質(zhì)量，對BIM應(yīng)用的管理應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮上述變量。

表7 BIM能力成熟度模型測度指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

5 結(jié)論與展望

從潛在變量視角對BIM能力成熟度的最終結(jié)果來看，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的影響最大為0.194。本文在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對建設(shè)項目中BIM能力影響的理論研究[26]基礎(chǔ)上，實證了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對建設(shè)項目中的BIM能力成熟度影響程度顯著。同時，也反映出我國建筑市場依靠人情世故進行交易現(xiàn)象較為廣泛和在建設(shè)過程中不按規(guī)范進行操作現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致現(xiàn)階段我國建設(shè)項目BIM市場較混亂，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的缺失已成為我國BIM應(yīng)用能力提升的關(guān)鍵障礙。因此，相關(guān)政府部門應(yīng)加強協(xié)作，出臺較為成熟的BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)規(guī)范建設(shè)項目中的BIM應(yīng)用。

從觀察變量視角，已有的研究基于理論和案例分析，認(rèn)為員工技能經(jīng)驗、BIM軟件能力、數(shù)據(jù)交換、參與方協(xié)調(diào)過程是建設(shè)項目中BIM應(yīng)用的關(guān)鍵[27～31]。本文通過模型分析計算，實證已有理論及案例研究結(jié)論的同時，也說明建設(shè)項目中BIM執(zhí)行計劃(0.415)、BIM職責(zé)安排(0.2)對BIM能力成熟度的間接影響顯著。本文結(jié)論以實際建設(shè)項目中反映出來的職責(zé)落實不到位、任務(wù)沖突等現(xiàn)象相對應(yīng)。因此，在建設(shè)項目中，應(yīng)根據(jù)建設(shè)項目的需要及實際情況，量身打造BIM執(zhí)行計劃；加強相關(guān)人員BIM培訓(xùn)，落實員工職責(zé)；加強各參與方間的協(xié)調(diào)合作，充分應(yīng)用BIM技術(shù)為建設(shè)項目管理提供數(shù)據(jù)交換、共享平臺，降低沖突風(fēng)險，確保建設(shè)項目成功及各參與方實現(xiàn)共贏。

本文從建設(shè)項目BIM應(yīng)用的角度出發(fā)，在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出具有本土化特色的BIM能力成熟度指標(biāo)體系并使用結(jié)構(gòu)方程建立模型，通過模型計算分析出BIM能力成熟度的主要影響指標(biāo)，為BIM在我國建筑業(yè)的深度和廣度應(yīng)用提供參考。本文雖取得一定意義的結(jié)論，但在研究設(shè)計上存在一些不足：通過問卷調(diào)查的方式獲取的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實情況可能存在微小的偏差；BIM能力成熟度不是靜態(tài)問題，從動態(tài)的角度出發(fā)更有助于BIM能力的提升。在后續(xù)的研究中應(yīng)進一步優(yōu)化。