基于SEM和云物元的水利工程BIM應(yīng)用效益評價

張云寧,施陸燕,秦 韜,宋亮亮

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

2002年開始,國際建筑業(yè)以BIM(building information modeling)為發(fā)展核心,展開一系列建筑信息化的相關(guān)研究。BIM是基于開放標(biāo)準(zhǔn)(IFC)建立的,最終目的是實現(xiàn)建設(shè)項目各參與者間的信息協(xié)作[1],進(jìn)而降低風(fēng)險,減少資源浪費。2003年,美國政府提出了BIM實行計劃,并從2007年開始運用BIM進(jìn)行重點項目的空間規(guī)劃[2]。BIM在歐美、日本等國家的發(fā)展已較為成熟,而在我國仍處于初級發(fā)展階段。目前,國家正在大力推廣BIM在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用。中華人民共和國交通運輸部于2018年3月發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)公路水運工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,提出逐步實現(xiàn)BIM技術(shù)在公路水運工程的廣泛應(yīng)用;中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2018年5月發(fā)布《城市軌道交通工程BIM應(yīng)用指南》,提出應(yīng)建立全生命技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與管理體系,推動各參建方共享多維BIM信息。通過集成BIM平臺各協(xié)作方信息,實現(xiàn)對建筑能耗的預(yù)先分析,有助于基礎(chǔ)設(shè)施項目的可持續(xù)發(fā)展。

目前,對建筑領(lǐng)域BIM應(yīng)用的研究多從BIM構(gòu)建和BIM評價兩方面進(jìn)行。①在BIM構(gòu)建方面,學(xué)者們的研究階段從設(shè)計、施工延伸到建筑全生命周期[1,3-7],并逐步開始側(cè)重于針對一類項目進(jìn)行BIM平臺化管理[8-9]。②在BIM評價方面的研究包括BIM建模效率評價[10]、BIM應(yīng)用風(fēng)險評價[11-12]、BIM能力評價[12]和BIM應(yīng)用效益評價等[2,13-15]。而作為關(guān)系到國計民生的基礎(chǔ)設(shè)施,水利工程BIM應(yīng)用受到諸多學(xué)者的關(guān)注。Ollero等[16]以羅安達(dá)/安哥拉港口浮動集裝箱碼頭設(shè)計為例,認(rèn)為BIM非常適合于開發(fā)常見的非常規(guī)項目。Peschken等[17]對BIM在通航水道建設(shè)中應(yīng)用進(jìn)行了分析,認(rèn)為應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)化組件和水利工程專用元素開始創(chuàng)建分類和屬性。趙繼偉等[18]認(rèn)為構(gòu)建BIM管理平臺可以有效解決水利工程“信息孤島”問題。王仁超等[9]運用BIM建立了混凝土壩工程施工信息模型,實現(xiàn)了信息共享和資源動態(tài)信息實時監(jiān)測。王永生等[19]探索了無人機實景建模在水利工程BIM中的應(yīng)用,建立了水庫粗模和精模快速生成的技術(shù)流程。還有學(xué)者對水利工程BIM與RFID[6]、VB[8]和3D WebGIS[20]等技術(shù)的集成進(jìn)行了研究,結(jié)果表明這些技術(shù)在水利工程BIM管理、施工作業(yè)和水閘模型構(gòu)建等方面可以發(fā)揮實際作用。孫少楠等[21]以水電工程BIM能力成熟度為研究視角,構(gòu)建了BIM信息交互成熟度評價模型,將信息、組織和交互方式列入研究范疇。

綜上所述,大部分學(xué)者對水利工程BIM的研究集中于模型構(gòu)建、設(shè)計、施工管理等內(nèi)容,對水利工程BIM應(yīng)用情況的分析與評價研究成果較少。BIM在我國發(fā)展仍處于初級階段,其應(yīng)用需耗費大量資金,現(xiàn)階段運用BIM的基礎(chǔ)設(shè)施項目更看重BIM的項目管理模式和平臺化應(yīng)用。因此,對水利工程BIM應(yīng)用效益進(jìn)行分析和評價,一方面有助于了解水利工程BIM的實際應(yīng)用情況,另一方面可以明確目前BIM應(yīng)用的優(yōu)勢和短板,進(jìn)而提出具有實踐意義的改進(jìn)措施。

1 水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)

1.1 水利工程BIM應(yīng)用效益內(nèi)涵

根據(jù)GB/T51212—2016《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,BIM應(yīng)用指在建設(shè)項目全生命周期,建筑信息模型的應(yīng)用和平臺化、信息化管理,而BIM應(yīng)用效益即指由BIM構(gòu)建、使用和管理產(chǎn)生的效益。多數(shù)學(xué)者將BIM應(yīng)用效益分為直接效益和間接效益[22]。據(jù)此,本文對水利工程BIM應(yīng)用效益做出如下定義:水利工程BIM應(yīng)用效益是指在水利工程的設(shè)計、施工以及運行維護(hù)階段,由于使用BIM進(jìn)行模型構(gòu)建、信息化和平臺化應(yīng)用帶來的效果和收益。

水利與建筑都屬于土建類專業(yè),隨著科技革命與顛覆性技術(shù)(BIM智慧建造、工業(yè)化建造、綠色建造、3D打印技術(shù)等)的出現(xiàn),水利與建筑工程都朝著智能化、精益化、綠色化、更高運行速度的方向發(fā)展。水利與建筑有著相類似的技術(shù)革新與發(fā)展方向,由于對水利工程BIM應(yīng)用效益的研究較少,本文借鑒了建筑領(lǐng)域BIM應(yīng)用效益的相關(guān)研究。Bryde等[13]認(rèn)為成本降低、時間管理是BIM應(yīng)用效益中最經(jīng)常被研究的部分,BIM最大的優(yōu)勢在于減少施工階段的變更,其次是提高項目質(zhì)量和減少深化設(shè)計時間。Han等[14]認(rèn)為BIM應(yīng)用效益包括決策效率、成本控制和施工管理等要素。Makelainen等[15]提出設(shè)計績效是追蹤BIM效益的四個維度之一。申玲等[22]從交易費用視角出發(fā),認(rèn)為BIM應(yīng)用直接效益包括合同前、后交易費用降低和生產(chǎn)成本降低,間接效益包括項目層面的管理改善、流程改進(jìn)、品牌影響力擴大等因素和社會層面的行業(yè)信息化、教育理念、資源與環(huán)保等因素。琚娟[23]基于ROI,認(rèn)為縮短工期、節(jié)約成本和提高質(zhì)量是BIM產(chǎn)生的主要實際收益。董娜等[2]基于業(yè)主驅(qū)動視角,將BIM應(yīng)用效益分為成本、工期、質(zhì)量、安全、可持續(xù)、企業(yè)競爭力和管理水平7個方面。

另一方面,水利工程具有社會效益高、復(fù)雜性大、施工周期長、影響范圍廣等特點,BIM應(yīng)用可以降低水利工程全生命周期管理的復(fù)雜性,降低施工風(fēng)險,提高資源利用效率和運營管理效率,最終提升水利工程的可持續(xù)性。

本文借鑒GBT 24001—2016《環(huán)境管理體系要求及使用指南》的分類方法,將原材料和自然資源的使用與能源使用這兩個方面綜合概述為資源與能源,結(jié)合上述學(xué)者的研究成果,以水利工程可持續(xù)性為研究視角,從經(jīng)濟、資源與能源、技術(shù)、管理4個維度出發(fā),對BIM應(yīng)用效益進(jìn)行評價。

1.2 評價指標(biāo)選取

水利工程BIM應(yīng)用的經(jīng)濟效益指投資BIM帶來的回報[23]和成本控制[15,22]。

水利工程BIM應(yīng)用的資源與能源效益指BIM應(yīng)用帶來的資源、能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù):BIM與EcotectTM等軟件的結(jié)合使用,可在設(shè)計階段對建筑能耗進(jìn)行分析,并做出降低能耗的設(shè)計改進(jìn)。

水利工程BIM應(yīng)用的管理效益指BIM在促進(jìn)項目進(jìn)度、質(zhì)量、安全管理[2]等方面的作用,同時將減少工程變更、加強信息共享和協(xié)調(diào)配合列入研究范疇[13-14]。

水利工程BIM應(yīng)用的技術(shù)效益體現(xiàn)為水利工程BIM應(yīng)用的成熟度,成熟的BIM體系可以更好地服務(wù)于水利工程全生命周期,發(fā)揮BIM平臺的信息化和集成優(yōu)勢,促進(jìn)水利工程項目管理水平的提升。本文從BIM設(shè)計表達(dá)精度、BIM平臺化水平、BIM信息化程度和BIM與其他信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合程度來評價技術(shù)效益。BIM信息化程度指BIM平臺中包含的信息數(shù)量和所處階段,從設(shè)計階段的工程幾何、材質(zhì)信息到施工階段的項目管理業(yè)務(wù)信息。BIM信息化著重體現(xiàn)在運營階段,通過將數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器、設(shè)備資料等數(shù)據(jù)文件掛接于BIM,可以實現(xiàn)水利工程的巡查維護(hù)、安全監(jiān)測和資產(chǎn)管理;通過將庫區(qū)雨量站、水文站的水雨情等信息接入BIM,建設(shè)水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng),可以實現(xiàn)防洪度汛的功能。

綜上所述,水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)見表1。

2 基于SEM的水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)賦權(quán)

采用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM),對表1中所示評價指標(biāo)進(jìn)行驗證性因子分析,有以下兩個目的:①運用SEM分析,可以通過模型擬合指標(biāo)判斷評價體系構(gòu)建的有效性和適應(yīng)性;②運用SEM分析得到觀測指標(biāo)的路徑系數(shù),借此計算觀測指標(biāo)權(quán)重,這是定性與定量分析相結(jié)合的方法,具有科學(xué)性。

在梳理文獻(xiàn)、專家訪談的基礎(chǔ)上得到與評價指標(biāo)相對應(yīng)的測量表,采用Likert5級量表進(jìn)行打分,1代表效益非常小,2代表效益較小,3代表效益一般,4代表效益較大,5代表效益非常大。主要調(diào)查對象是高校中進(jìn)行水利工程BIM相關(guān)研究時間在2年以上的學(xué)者,以及具有2年以上水利工程BIM實際操作或管理經(jīng)驗的人員。通過郵件發(fā)放、現(xiàn)場填寫、網(wǎng)絡(luò)調(diào)查等形式,在江蘇、上海、浙江、福建、廣西、廣東等地共計發(fā)放210份調(diào)查問卷,回收問卷178份,回收率84.8%;剔除無效問卷32份,最終得到有效問卷146份,有效率為82.0%。對問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如下。

表1 水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)選取

2.1 信度、效度分析

首先用SPSS對問卷的信度、效度進(jìn)行分析,以檢驗問卷的可靠性和有效性。

最常用的測量問卷信度的方法是克隆巴赫信度系數(shù)(Cronbach’sα)方法,主要衡量指標(biāo)是校正項總計相關(guān)性(CITC)、項已刪除的α系數(shù)和Cronbach’sα系數(shù)。

常用的測量問卷效度的方法是探索性因子分析方法,主要衡量指標(biāo)是KMO值與巴特(Bartlett’s)球形檢驗值。

信度分析結(jié)果表明,量表的Cronbach’sα系數(shù)為0.830,大于0.8,表明量表整體具有較好的一致性。其余結(jié)果如表2所示,各條目CITC值均大于0.3,符合標(biāo)準(zhǔn);同時,刪除該項后的α值小于整體α值,量表條目無需進(jìn)行刪除或修改。

采用因子分析法計算結(jié)構(gòu)效度,運用KMO值和Bartlett’s球形檢驗,判斷數(shù)據(jù)是否適合做因子分析及其有效性。效度分析表明,總體KMO值為0.810,大于0.7,Sig.值為0.000,小于0.05,符合條件,可以進(jìn)行因子分析。其余結(jié)果見表2,累計解釋總方差為70.342%,大于50%,表明因子選取情況較好;各因子負(fù)荷均大于0.5,表明因子隸屬于相應(yīng)維度。

表2 量表信度、效度分析

2.2 驗證性因子分析

信度、效度檢驗通過后,運用AMOS軟件進(jìn)行驗證性因子分析(CFA)。一階CFA結(jié)果表明,經(jīng)濟、資源與能源、技術(shù)和管理4個潛變量間相關(guān)性均大于0.750,因素間存在高度相關(guān),可能存在更高階因素同時對4個潛變量產(chǎn)生影響;同時一階CFA模型的X2=61.488(P=0.437);自由度df=81;X2/df=0.759,小于2.000;近似誤差的平方根(RMSEA)=0.003,小于0.050;修正的擬合優(yōu)度指數(shù)(AGFI)=0.921,大于0.9適配度指標(biāo),均符合標(biāo)準(zhǔn),因此繼續(xù)進(jìn)行二階CFA,結(jié)果如圖1所示。

圖1 水利工程BIM應(yīng)用效益二階CFA(標(biāo)準(zhǔn)化模型)

圖1表明,經(jīng)濟、資源與能源、技術(shù)和管理的因素負(fù)荷量分別為0.82、0.79、0.85和0.87,均大于0.71,其余各觀測指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)在0.72～0.87之間,符合0.50～0.95之間的要求。估計參數(shù)中無負(fù)的誤差變異量,標(biāo)準(zhǔn)誤差估計值很小,模型基本適配度良好,水利工程BIM應(yīng)用效益作為共同因素具有可行性。

2.3 權(quán)重計算

根據(jù)已有研究[11,24],對各指標(biāo)賦權(quán)的計算公式如下:

(1)

式中:Pi為指標(biāo)i的權(quán)重,pi為指標(biāo)i的路徑系數(shù)(圖1中箭頭上方的數(shù)字);n為同一潛變量對應(yīng)的觀察變量個數(shù)。根據(jù)式(1),對水利工程BIM應(yīng)用效益各指標(biāo)賦權(quán)如表3所示。

表3 水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)賦權(quán)

3 基于云物元的水利工程BIM應(yīng)用效益評價模型

3.1 云物元理論

物元可拓評價方法的基本原理是[25]:設(shè)有待評價事物M,評價事物特征C,各評價事物特征所對應(yīng)的量值標(biāo)準(zhǔn)V,則Q=(M,C,V)即為待評價事物的基本物元。假設(shè)評價模型中包含了n個特征,則物元模型可以表示為:

Q=(M,Ci,Vi)=

(2)

云模型是用來描述定性概念與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換模型,可以表示不確定性概念的隨機性與模糊性。一般用(Ex,En,He)來表示云的數(shù)字特征,其中Ex是指期望值或域中的中心值,En是熵,表示評價事物的模糊度,He則為熵En的模糊度。通過將云模型理論引入物元可拓模型中,從而構(gòu)建改進(jìn)后基于云物元的評價模型:

(3)

3.2 基于云物元的水利工程BIM應(yīng)用效益評價模型構(gòu)建

3.2.1確定水利工程BIM應(yīng)用效益等級標(biāo)準(zhǔn)云

根據(jù)GB/T51301—2018《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》和中國水利水電勘測設(shè)計協(xié)會發(fā)布的《水利水電BIM標(biāo)準(zhǔn)體系》,結(jié)合專家意見和相關(guān)文獻(xiàn)資料[26-29],將水利工程BIM應(yīng)用效益分為4個等級,從1級到4級分別對應(yīng)較差、合格、良好和優(yōu)秀,各指標(biāo)界限值如表4所示。

表4 水利工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)等級界限

將指標(biāo)的區(qū)間數(shù)值看作是雙約束的指標(biāo)[Cmin,Cmax],將其轉(zhuǎn)換成云表示,計算公式如下:

(4)

(5)

He=a

(6)

式中a是常量,可以根據(jù)每個具體指標(biāo)的隨機性調(diào)整。以投資回報指標(biāo)為例,在分別確定Ex和En的條件下,根據(jù)Matlab軟件編碼,建立He在0.002、0.005、0.008、0.01這4種條件下的云模型,見圖2。根據(jù)對云模糊性和隨機性的要求,當(dāng)He=0.008時云模型具有較為適中的模糊性,利于取得更為準(zhǔn)確的隸屬度。綜合考慮選取當(dāng)He=0.008的風(fēng)險云(圖2(c))作為深化設(shè)計程度指標(biāo)的He值。

根據(jù)式(4)～(6),將表4的指標(biāo)界限值轉(zhuǎn)換為水利工程可持續(xù)性等級指標(biāo)界限云模型,計算結(jié)果如表5所示。

(a) He=0.002 (b) He=0.005

(c) He=0.008 (d) He=0.01

表5 水利工程BIM應(yīng)用效益等級評價標(biāo)準(zhǔn)云模型

3.2.2綜合評判矩陣

根據(jù)可拓理論的定義,采取非對稱貼近度、關(guān)聯(lián)函數(shù)等計算待評價模型關(guān)聯(lián)度。由于引入云模型,使用云模型的隸屬度來表示某個指標(biāo)關(guān)于評價等級的關(guān)聯(lián)度,計算公式如下:

(7)

由式(7)計算得各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而組成綜合判斷矩陣D。

(8)

3.2.3綜合關(guān)聯(lián)度計算

在得出各指標(biāo)與評價等級之間的關(guān)聯(lián)度后,結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重,計算準(zhǔn)則層對評價等級的關(guān)聯(lián)度:

(9)

式中Xi為指標(biāo)Ci的權(quán)重。同樣,利用式(9)原理計算目標(biāo)層對于評價等級的關(guān)聯(lián)度,依據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則,確定水利工程持續(xù)性評價等級。

4 算例分析

以廣西壯族自治區(qū)某水利樞紐工程為例,項目總庫容7.1億m3,通航標(biāo)準(zhǔn)2 000 t級。運用BIM進(jìn)行設(shè)計模型構(gòu)建、4D施工進(jìn)度管控和5D動態(tài)成本跟蹤,在運行維護(hù)階段還通過BIM將水文站、庫區(qū)雨量站信息整合,預(yù)測未來一定周期內(nèi)庫區(qū)洪峰流量,達(dá)到防洪度汛的目的。在該水庫項目中,BIM應(yīng)用效益包括縮短深化設(shè)計工期,減少工程變更,縮減塔吊、鋼材、人工等費用。邀請4位全程參與水庫BIM應(yīng)用的專家和管理人員對定性指標(biāo)進(jìn)行打分,對定量指標(biāo)則直接計算,最終得到各指標(biāo)值如表6所示。

表6 水利樞紐工程BIM應(yīng)用效益評價指標(biāo)值

結(jié)合表3與表6,運用式(7)和Matlab編程得到各指標(biāo)相對于評價等級的關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見表7。根據(jù)式(9)計算各準(zhǔn)則層關(guān)聯(lián)度和效益評價等級,結(jié)果見表8。根據(jù)最大隸屬度原則,可知安徽某水庫項目BIM應(yīng)用效益等級為3,BIM應(yīng)用效益良好。

由表7和表8可見,廣西某水利樞紐工程BIM應(yīng)用效益處于3級,但有向4級發(fā)展的趨勢,其中:①資源與能源效益為3級,指標(biāo)層中材料損耗效益值最高,達(dá)到了4級;②技術(shù)效益為3級,指標(biāo)層中BIM平臺化程度最低為2級,BIM與其他技術(shù)的融合性最高,為4級;③經(jīng)濟效益為4級,指標(biāo)層中投資回報效益最低,只有3級;④管理效益為4級,安全管理和質(zhì)量控制處于4級水平,進(jìn)度控制、溝通與配合處于3級水平,變更則為2級。總體而言,經(jīng)濟、管理效益最好,資源與能源、技術(shù)效益較好,但BIM在平臺化水平、變更減少方面則表現(xiàn)一般,僅達(dá)到合格水平。

表7 水利樞紐工程BIM應(yīng)用效益指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

表8 水利樞紐工程BIM應(yīng)用效益綜合關(guān)聯(lián)度和評價等級

5 結(jié) 語

本文從水利工程BIM應(yīng)用效益視角出發(fā),構(gòu)建了以經(jīng)濟、資源和能源、技術(shù)、管理為準(zhǔn)則的BIM應(yīng)用效益評價體系,運用SEM和云物元分別進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)和評價模型構(gòu)建,最后對廣西某水利樞紐工程進(jìn)行了案例分析。據(jù)此,提出以下建議:

a. 加強水利工程BIM平臺建設(shè)。一方面,從項目層次出發(fā),與水利工程流域GIS相結(jié)合,利用BIM平臺匯集區(qū)域信息,實現(xiàn)交互信息融合分析;另一方面,從參與者角度,建立各參與方與BIM的接口,使設(shè)計、施工、材料供應(yīng)、運行維護(hù)等各單位能及時應(yīng)對獲取最新項目信息,利于信息共享和協(xié)同工作。

b. 推廣使用BIM對水利工程進(jìn)行資產(chǎn)管理。在施工階段,設(shè)計圖紙、工程文件、設(shè)備資料和進(jìn)度等信息均應(yīng)掛接在BIM平臺,并與由數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成的安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成,及時預(yù)測未來風(fēng)險和變更。

c. 建立水利工程BIM技術(shù)實施保障,充分發(fā)揮BIM平臺提升管理效益的重要作用。應(yīng)從實施組織、實施方案、BIM平臺的更新和維護(hù)三方面入手,結(jié)合水利工程類型和BIM需求,建立BIM技術(shù)實施保障,保持并提升BIM的管理優(yōu)勢。

本文還存在一些不足:在運用SEM對指標(biāo)賦權(quán)時,調(diào)查問卷僅涉及長江三角洲和東南沿海地區(qū),具有地域性,因此指標(biāo)權(quán)重不能體現(xiàn)其他省市的實際情況;僅對單個水利工程進(jìn)行了算例分析,缺少參照和對比。因此,在后續(xù)研究中,應(yīng)將調(diào)查范圍擴大,對比指標(biāo)權(quán)重的地域性變化,同時對多個水利工程BIM項目進(jìn)行評價分析,借此了解全國水利工程BIM應(yīng)用的基本水平和各地區(qū)發(fā)展水平,以根據(jù)水利工程BIM應(yīng)用的地域特點提出不同發(fā)展對策。