基于生命周期理論的裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價

王愛領(lǐng)， 蘇盟琪， 孫少楠， 郭 亮

(1. 鄭州大學 管理工程學院， 河南 鄭州 450001； 2. 華北水利水電大學 水利學院， 河南 鄭州 450046； 3. 河南省第二建設(shè)集團有限公司， 河南 鄭州 451464)

與傳統(tǒng)建筑相比，裝配式建筑因其施工污染少[1,2]、施工速度快[3]、節(jié)約人力[4,5]、資源消耗低[6,7]等特點越來越受到社會的廣泛關(guān)注，逐漸成為建筑行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的提出與發(fā)展，能夠更好地實現(xiàn)項目信息的收集、傳遞、共享與管理，促進裝配式建筑全生命周期的協(xié)調(diào)管理。目前國內(nèi)很多學者針對BIM技術(shù)與裝配式建筑的結(jié)合應(yīng)用做出了研究[8～15]，但這些研究僅探討B(tài)IM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用，并沒有對BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用能力做出評價。在BIM應(yīng)用能力評價方面，美國建筑科學協(xié)會在《美國國家BIM標準》中提出了BIM應(yīng)用能力的成熟度模型[16]，但指標過于片面，主要關(guān)注BIM應(yīng)用的技術(shù)層面；Succar等[17]提出了衡量BIM績效的五項指標，但缺乏具體評估步驟的闡述，可操作性有待考證[18]；國內(nèi)學者王美華等[19]對設(shè)計企業(yè)的BIM應(yīng)用能力進行了評價，但指標僅限于企業(yè)層面，并沒有對項目層面的BIM應(yīng)用能力做出研究；張亮等[20]對建筑企業(yè)BIM應(yīng)用能力進行了定性評估，但缺乏對BIM應(yīng)用能力的定量評估；羅嵐等[21]從BIM全生命周期應(yīng)用角度建立了BIM應(yīng)用能力的成熟度模型；王天偉等[22]構(gòu)建了建筑施工企業(yè)BIM應(yīng)用能力評價的指標體系，但缺乏對BIM應(yīng)用能力的定量評價方法。在評價方法的選取上，栗郁[23]采用主成分分析法對城市休閑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行評價，潘丹等[24]利用結(jié)構(gòu)方程模型對建筑施工項目的安全進行評價，這兩種方法在評價時均需多個樣本，對于難以獲得多樣本的研究并不適用；齊寶庫等[25]引入模糊綜合評價法對裝配式建筑的施工質(zhì)量進行了評價，李艷芳等[26]通過層次分析法對城市生態(tài)文明建設(shè)做出評價，但這兩種方法的主觀性較強，難以保證評價的有效性和客觀性。

縱觀現(xiàn)有文獻，主要集中于研究BIM在裝配式建筑中的應(yīng)用，對裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價的研究較少，且缺乏合適的定量評價方法。BIM的應(yīng)用對裝配式建筑的推廣與發(fā)展具有重要作用，探討裝配式建筑BIM應(yīng)用能力的評價方法，能夠量化分析BIM在裝配式建筑中的應(yīng)用程度，從中發(fā)現(xiàn)BIM應(yīng)用過程中存在的問題，為推動BIM在裝配式建筑中的應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)，進一步促進BIM與裝配式建筑的發(fā)展?；疑垲愒u價是灰色評價的經(jīng)典方法之一，是灰色系統(tǒng)理論與聚類分析法的結(jié)合，它兼具灰色系統(tǒng)理論和聚類分析法的優(yōu)勢，能夠解決小樣本、貧信息情況下的多指標系統(tǒng)評估問題[27]，且計算工作量小，評價結(jié)果直觀可靠，被廣泛應(yīng)用于評價類問題研究中?；诖耍疚膹难b配式建筑的全生命周期出發(fā)，構(gòu)建裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價的指標體系，并采用灰色聚類法對裝配式建筑BIM應(yīng)用能力進行評價，以期為進一步加強BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用提供理論和實踐指導(dǎo)。

1 生命周期和BIM應(yīng)用能力相關(guān)理論

1.1 生命周期理論

生命周期是指產(chǎn)品從自然界獲取資源、能源，經(jīng)開采冶煉、加工制造等生產(chǎn)過程，又經(jīng)儲存、銷售、使用消費直至報廢處置各階段的全過程，即產(chǎn)品從搖籃到墳?zāi)?，進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的整個生命周期[28]。目前生命周期理論已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為過程管理的重要工具。就裝配式建筑而言，裝配式建筑生命周期指包括規(guī)劃與設(shè)計、材料采購與構(gòu)件生產(chǎn)、建造施工、竣工交付、運營與維護直至拆除與處理在內(nèi)的全循環(huán)過程，可以將其簡單分為四個階段，即設(shè)計階段、生產(chǎn)與運輸階段、施工裝配階段和運營維護階段，各個階段的主要工作如圖1所示。

圖1 裝配式建筑生命周期各階段的主要工作

裝配式建筑生命周期的核心是以信息化為主線的集成，通過信息的交流、傳遞、豐富與共享實現(xiàn)項目生命周期的協(xié)調(diào)管理。將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式建筑全過程的數(shù)據(jù)信息集成，促進裝配式建筑生命周期的管理和控制，從而提高裝配式建筑設(shè)計、生產(chǎn)、施工等的效率，有利于裝配式建筑的推廣與發(fā)展。

1.2 BIM應(yīng)用能力

BIM技術(shù)是建筑行業(yè)最有前瞻性的發(fā)展之一，在BIM技術(shù)的支持下可以數(shù)字化建造一座建筑的一個或多個準確的虛擬模型。BIM技術(shù)以特殊方式創(chuàng)建、使用和共享全生命周期數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程全過程的數(shù)字建造，該技術(shù)引起了建筑業(yè)的二次革命。在應(yīng)用BIM技術(shù)過程中，BIM應(yīng)用能力并沒有明確的定義。文獻[29]將BIM專業(yè)應(yīng)用人才能力劃分為工程能力和BIM能力，工程能力是指某種特定工作任務(wù)的完成能力，BIM能力是指應(yīng)用BIM技術(shù)、方法和流程提高工作任務(wù)質(zhì)量和效率的能力?；诖耍瑢IM應(yīng)用能力作如下定義：BIM應(yīng)用能力是指利用BIM技術(shù)、方法和流程解決工程項目管理中的實際問題，以提高工程項目進度、質(zhì)量、成本、安全等方面管理質(zhì)量和效率的能力。BIM應(yīng)用能力評價就是用定性或定量方法對BIM應(yīng)用能力進行綜合測度的過程。對BIM技術(shù)應(yīng)用能力進行評價，能夠定量化分析和確定BIM在特定項目中的應(yīng)用程度，找出應(yīng)用能力的薄弱點，從而為加強BIM技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價模型

2.1 裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價指標體系

本文從全生命周期的角度出發(fā)，對有關(guān)BIM技術(shù)在裝配式建筑中應(yīng)用的文獻[8～15]進行梳理，提取出BIM技術(shù)在裝配式建筑全生命周期的應(yīng)用點，并參考DB11T 1069-2014《民用建筑信息模型設(shè)計標準》[30]和《上海市建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用指南》[31]，對提取出的BIM應(yīng)用點進行豐富和補充，確保裝配式建筑BIM應(yīng)用點的全面性和準確性，并以這些BIM應(yīng)用點作為裝配式建筑BIM應(yīng)用能力的評價指標；在此基礎(chǔ)上，采用專家調(diào)查法，邀請BIM專家對提取的BIM應(yīng)用能力評價指標的全面性、科學性、可操作性、一致性和獨立性等進行商討，結(jié)合專家意見對評價指標進行修改，并結(jié)合裝配式建筑BIM應(yīng)用的實際情況，最終確定裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價的指標體系，如圖2所示。需要指出的是，數(shù)據(jù)的傳遞與共享貫穿裝配式建筑全生命周期，本文將其劃入施工裝配階段，重點考察裝配式建筑施工裝配階段的數(shù)據(jù)傳遞與共享能力。各個二級指標的解釋與說明見表1。

圖2 裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價指標體系

表1 各二級指標的解釋與說明

續(xù)表

2.2 指標權(quán)重確定

權(quán)重的確定方法有德爾菲法、層次分析法、環(huán)比評分法等，但這些方法的主觀性較強，評價結(jié)果具有較強的主觀隨意性。熵權(quán)法是一種根據(jù)指標變異性大小來確定指標權(quán)重的客觀賦權(quán)法。一般地，若某個指標的信息熵越小，表明指標的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用越大，其權(quán)重也就越大。熵權(quán)法能夠保證指標權(quán)重的客觀性和準確性，確保評價結(jié)果真實可靠，因此，本文選擇熵權(quán)法確定各指標的權(quán)重，具體步驟如下：

(1)構(gòu)造決策矩陣A。根據(jù)專家對各二級指標的重要程度進行打分構(gòu)造決策矩陣A=(aij)m×n。其中aij為第i個專家對第j個指標的打分值，m為專家數(shù)，n為指標數(shù)量。

(2)標準化決策矩陣。為了消除各個指標之間量綱的不同，對決策矩陣進行標準化處理。標準化后的矩陣R為：

(1)

(3)計算各指標的信息熵ej。

(2)

(4)確定各指標的權(quán)重wj。

(3)

最終，得到裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價指標的權(quán)重w=(w1,w2,…,wn)。

2.3 灰色聚類評價

灰色聚類法是灰色系統(tǒng)理論與聚類分析法的結(jié)合，是將灰色系統(tǒng)理論中的白化函數(shù)引入聚類分析法，將聚類對象對于不同聚類指標所擁有的白化數(shù)，按照若干灰數(shù)進行歸納，從而判斷聚類對象屬于哪一類，以此做出評價[32]。以下為灰色聚類評價的具體步驟[33]。

2.3.1 劃分灰類

灰類劃分的詳細程度可由評價指標的復(fù)雜程度決定[34]。根據(jù)行業(yè)關(guān)于BIM1.0，BIM2.0，BIM3.0的相關(guān)理解，參考BIM應(yīng)用能力的實際情況，結(jié)合專家意見將評價對象劃分為3個等級(見表2)，據(jù)此將二級指標取值范圍也相應(yīng)劃分為3個灰類，具體量化值采用5分制，詳見表3。

表2 BIM等級劃分標準

表3 灰類劃分與取值范圍

2.3.2 確定中心點三角白化權(quán)函數(shù)

中心點三角白化權(quán)函數(shù)不存在兩個以上灰類交叉現(xiàn)象，規(guī)范性更強，優(yōu)于端點三角白化權(quán)函數(shù)[35]。因此本文選擇中心點三角白化權(quán)函數(shù)來構(gòu)建指標的白化權(quán)函數(shù)。

(4)

(5)

(6)

2.3.3 計算綜合聚類系數(shù)

(7)

式中：xij為一級指標i下二級指標j的得分；ηij為一級指標i下二級指標j的權(quán)重。

2.3.4 計算綜合評價系數(shù)

裝配式建筑BIM應(yīng)用能力綜合評價系數(shù)τk的計算公式為：

(8)

式中：ηi為一級指標i的權(quán)重。

3 裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價實例

某高端人才樓項目設(shè)計標準為二星綠色建筑，建造方式為裝配式，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻/框架/裝配式，整個工程由12個主樓，3個配套用房及地下兩層停車庫，其中5～18層為裝配式構(gòu)件層，裝配率達53%。本工程是首個省內(nèi)大體量混凝土裝配式建筑，裝配式構(gòu)件種類多，施工周期短，工程質(zhì)量要求高，管線布置錯綜復(fù)雜。本工程應(yīng)用BIM技術(shù)，業(yè)主方、設(shè)計方、監(jiān)理方、施工方、BIM咨詢方共同運用同一管理平臺。以該裝配式建筑項目為例，對其生命周期的BIM應(yīng)用能力進行評價。

3.1 確定指標權(quán)重

邀請5位裝配式建筑及BIM方面的專家對各級指標的重要程度進行打分，以此構(gòu)造指標權(quán)重的決策矩陣。專家打分的具體標準如表4所示。

表4 指標重要等級標準

設(shè)計階段的指標權(quán)重決策矩陣為：

由式(1)得到標準化處理的矩陣為：

由式(2)(3)可以得到相應(yīng)各二級指標的信息熵和相對權(quán)重，結(jié)果如表5所示。

表5 設(shè)計階段各二級指標信息熵和相對權(quán)重

同理，可以得出各級指標的權(quán)重。裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價指標體系綜合權(quán)重如表6所示。

表6 裝配式建筑BIM應(yīng)用能力評價指標體系的權(quán)重

3.2 灰色聚類評價

邀請專家對該裝配式建筑項目的BIM應(yīng)用情況進行考察，并根據(jù)考察結(jié)果對各個指標的BIM應(yīng)用程度進行打分，取專家的平均值作為各個指標的值。

3.2.1 計算中心點三角白化權(quán)函數(shù)

將各個指標的值代入式(4)～(6)，計算各個指標的中心點三角白化權(quán)函數(shù)值，得到的結(jié)果如表7所示。

3.2.2 計算綜合聚類系數(shù)

3.2.3 計算綜合評價系數(shù)

根據(jù)式(8)，計算裝配式建筑BIM應(yīng)用能力的綜合評價值，結(jié)果見表7最后一行。

表7 各指標的中心點三角白化權(quán)函數(shù)值

3.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)灰類劃分最大原則，可以得到該裝配式建筑項目的BIM應(yīng)用能力等級為二級，同時根據(jù)各指標的權(quán)重，可以看出影響該項目BIM應(yīng)用能力的關(guān)鍵因素為部品部件深化設(shè)計C14、部品部件加工深化設(shè)計C21、裝配方案確定C34、BIM三維模型可用性和傳遞性C11，這四個指標在提高BIM應(yīng)用能力中具有重要作用，在后期工程的BIM應(yīng)用過程中，項目業(yè)主可以選擇BIM實力較強的設(shè)計單位和構(gòu)件生產(chǎn)商，同時加大人員的BIM技術(shù)培訓(xùn)，著重加強這些指標的BIM應(yīng)用能力，從而提高項目整體的BIM應(yīng)用能力。

4 結(jié) 語

依據(jù)生命周期理論，結(jié)合裝配式建筑的特點，構(gòu)建了基于灰色聚類的BIM應(yīng)用能力評價模型，并結(jié)合案例驗證了模型的有效性。該模型不但可以評價出項目的BIM應(yīng)用能力等級，也可以找出影響B(tài)IM應(yīng)用能力的關(guān)鍵因素，企業(yè)可以參考評價結(jié)果，從關(guān)鍵因素入手，提高項目的BIM應(yīng)用能力。

數(shù)據(jù)傳遞與共享貫穿裝配式建筑的整個生命周期，本文構(gòu)建指標時，僅考慮施工裝配階段，后續(xù)研究需要進一步考慮這一指標，進一步完善評價指標體系。本評價模型沒有與裝配率相結(jié)合，未來可以考慮裝配率的影響，擴大數(shù)據(jù)量，使結(jié)論更具有說服力。