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

相較于傳統(tǒng)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(yīng)用中所產(chǎn)生的長遠效益時，綠色建筑會比常規(guī)建筑更加經(jīng)濟[1]，因此應(yīng)當(dāng)將綠色建筑項目控制的重心更多地落實到效益產(chǎn)出的運營階段。建筑的運營維護階段涉及眾多利益相關(guān)者，各相關(guān)方之間的信息交互與傳遞亦十分復(fù)雜，因此有學(xué)者提出可以將BIM技術(shù)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(shù)字化共享模型，具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點，能夠加強各參與方之間的信息溝通與協(xié)同管理，從而進一步提高建筑運營的效率與質(zhì)量[3]。雖然BIM的價值應(yīng)當(dāng)貫穿建筑的全生命周期，且很大程度體現(xiàn)在運營階段，但國內(nèi)外對BIM的研究主要還是集中在設(shè)計階段與施工階段?，F(xiàn)有研究中關(guān)于BIM在建筑設(shè)計階段的內(nèi)容較為豐富，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]、機電管線設(shè)計[5]、室內(nèi)裝修設(shè)計[6]、多方協(xié)同設(shè)計[7]等方面的內(nèi)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(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者對BIM技術(shù)在運營管理中的應(yīng)用進行過一些探索，如胡振中[11]研究了國內(nèi)外BIM運維的應(yīng)用現(xiàn)狀，認為BIM技術(shù)在運維階段的應(yīng)用總體上還處于初級階段；紀博雅[12]驗證了BIM技術(shù)應(yīng)用于運營設(shè)備管理的優(yōu)越性；韓繼紅等[13]對物業(yè)管理的訴求進行調(diào)查，挖掘出BIM技術(shù)對綠色建筑智慧運營新模式的應(yīng)用價值。有學(xué)者指出，BIM效益產(chǎn)出不明確使得企業(yè)參與的積極性不高，從而在一定程度上影響了BIM的推廣應(yīng)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(yīng)用BIM技術(shù)能夠最大限度提升效益。由于當(dāng)前BIM在運營管理中還有很大應(yīng)用空間，所以應(yīng)當(dāng)關(guān)注于對BIM產(chǎn)出效益的定量化研究。

本文結(jié)合綠色建筑運營特點，充分考慮BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑運營階段所能產(chǎn)生的效益影響因素，構(gòu)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(guān)聯(lián)度，從而實現(xiàn)BIM在綠色建筑運營階段的綜合效益評價，使評價結(jié)果更為明確，為BIM應(yīng)用于綠色建筑運維管理提供評價依據(jù)。

1 BIM綠建運維管理綜合效益評價指標體系

本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑運維管理階段所能產(chǎn)生的價值點進行歸納總結(jié)，從經(jīng)濟、社會、環(huán)境3個層面對BIM產(chǎn)出效益進行概述。

1)經(jīng)濟效益

經(jīng)濟效益是指由BIM技術(shù)帶來的、能為其投資主體帶來的經(jīng)濟利益，是在綠色建筑運維管理過程中應(yīng)用BIM技術(shù)能夠產(chǎn)出的與資源節(jié)約和物業(yè)管理相關(guān)的效益。從資源節(jié)約角度上看，BIM技術(shù)能通過對設(shè)備的精細化管控和能耗監(jiān)控達到節(jié)約資源和能源的目的。從物業(yè)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(yè)務(wù)協(xié)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(shù)在制定設(shè)備維護方案和建筑日常運行管理中的應(yīng)用也在一定程度上減少了綠色建筑的物業(yè)管理成本。

2)環(huán)境效益

環(huán)境效益是指在運營階段應(yīng)用BIM技術(shù)而使綠色建筑在環(huán)境治理中節(jié)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(chǎn)生的大氣污染物、碳排放以及熱島效應(yīng)會給人類正常的生產(chǎn)生活和身體健康帶來不利影響，借助BIM技術(shù)對綠色建筑運營過程進行仿真，能夠恰當(dāng)改變其運營管理模式，在滿足室內(nèi)空間正常使用的前提下，減少能源浪費與不合理的設(shè)備使用，從而減輕對室外環(huán)境的不良影響。借助與BIM平臺相關(guān)聯(lián)的傳感裝置，可以及時探測建筑內(nèi)部的光環(huán)境、聲環(huán)境以及PM2.5，PM10等室內(nèi)主要污染物濃度，并通過及時的新風(fēng)措施改善空氣質(zhì)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(yīng)對火災(zāi)等災(zāi)害時，傳統(tǒng)運維管理主要采用響應(yīng)和救援等事后控制方式，而BIM技術(shù)能夠通過模擬演習(xí)、險情定位對災(zāi)害進行預(yù)防和報警，以事前和事中控制的方式減少損失。BIM技術(shù)在建筑資產(chǎn)管理和資料與信息管理中也有廣闊的應(yīng)用空間，這些價值點在一定程度上也能對相關(guān)的標準、規(guī)范和評估體系起到完善作用。此外，BIM出色的可視化和優(yōu)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(yīng)用進行宣傳和推廣。

構(gòu)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(chǔ)，本文通過歸納總結(jié)BIM技術(shù)產(chǎn)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(quán)，再通過模糊四元聯(lián)系數(shù)對指標進行量化，最后將評價指標的權(quán)重與模糊四元聯(lián)系數(shù)合成運算得到方案評估的結(jié)果。

圖1 綜合效益評價指標體系

2 基于COWA算子的指標賦權(quán)

本文所構(gòu)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(quán)方法至關(guān)重要。常用的指標賦權(quán)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(quán)。本文所構(gòu)建的綜合效益評價指標體系三級指標數(shù)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(quán)，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(quán)的合理性與準確性。

COWA算子是由我國學(xué)者徐澤水在OWA算子的基礎(chǔ)上改進而來的區(qū)間組合數(shù)有序加權(quán)算子，其內(nèi)涵是充分結(jié)合屬性加權(quán)與位置加權(quán)的方法對數(shù)據(jù)進行處理，通過對評價值的重新排序?qū)⒖赡苡绊懺u價結(jié)果的極端值放置于影響程度較小的位置，避免由于數(shù)據(jù)信息量較少而引起的某些指標的權(quán)重計算結(jié)果偏差，從而最大限度地減少主觀偏差對賦權(quán)結(jié)果造成的不合理影響[15-16]。采用COWA算子進行賦權(quán)的計算過程如下。

1)確定指標評分數(shù)據(jù)集

邀請n位專家對BIM技術(shù)在綠建運維中綜合效益評價指標Nτ的重要性打分，得到數(shù)據(jù)集(a1,a2, …,ai, …,an)。將得分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集(b0,b1, …,bj, …,bn-1)，其中b0≥b1≥bj≥bn-1。

2)計算加權(quán)向量

(1)

3)計算絕對權(quán)重

(2)

4)計算相對權(quán)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(cè)面來刻畫2個不同事物之間相互關(guān)系的一種分析方法，其核心是將事物之間的確定性聯(lián)系描述為同一性聯(lián)系與對立性聯(lián)系、將不確定性聯(lián)系描述為差異性聯(lián)系進行系統(tǒng)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(gòu)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(shù)據(jù)進行分析與綜合得到一個模糊四元聯(lián)系數(shù)，將模糊四元聯(lián)系數(shù)與指標的權(quán)重值進行合成計算，得到基于集對分析理論的評價結(jié)果以判斷項目的優(yōu)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(yōu)秀”，D2代表“良好”，D3代表“中等”，D4代表“合格”。

3)建立四元聯(lián)系數(shù)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(shù)；k為對立系數(shù)。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(chǔ)上確定計算公式，指標Xi相對于標準等級Dj的四元聯(lián)系數(shù)如下：

(7)

式中：v1,i,v2,i,v3,i為評價標準集D中的優(yōu)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(quán)系數(shù)向量；R代表同異反多元測量評價矩陣；E代表聯(lián)系分量系統(tǒng)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(yīng)用智慧園區(qū)綜合管理平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)管理、設(shè)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(quán)

為了確定各項指標的權(quán)重，本文組建專家小組獲得了18位專家的評分數(shù)據(jù)(見表1)，運用COWA算子對指標權(quán)重進行處理，得到各級指標權(quán)重?，F(xiàn)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(quán)重進行計算。先對專家評分數(shù)據(jù)按照從大到小的順序重新排列，得到新的數(shù)據(jù)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(quán)重專家打分數(shù)據(jù)

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

4.2 基于模糊集對的綜合效益評價

根據(jù)相關(guān)文獻研究以及BIM運維項目發(fā)展現(xiàn)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(yōu)秀、良好、中等、合格。根據(jù)評價標準等級的設(shè)定，將指標數(shù)據(jù)以區(qū)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(shù)據(jù)，定量指標以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)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(xiàn)值

表3 評級標準

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

(9)

根據(jù)四元聯(lián)系數(shù)考慮評價結(jié)果時，按均分原則將差異不確定系數(shù)i，j和對立系數(shù)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(jié)果得Y=0.415 8。

歸一化后聯(lián)系數(shù)Y的取值范圍為[-1, 1],依據(jù)均分原則將優(yōu)秀，良好，中等，合格4個等級的聯(lián)系數(shù)范圍劃分為4個區(qū)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(jié)果在區(qū)間[0, 0.5)內(nèi)，評定結(jié)果為良好。

同理求得經(jīng)濟維度評價結(jié)果Y=-0.667 0，評定結(jié)果為合格；環(huán)境維度Y=-0.074 9，評定結(jié)果為中等。BIM綠建運維管理綜合效益Y=-0.144 1，總評定結(jié)果為中等，可知BIM應(yīng)用效果符合預(yù)期。在算例計算過程中有以下發(fā)現(xiàn)。

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

2)將專家評分和估算數(shù)據(jù)代入評分結(jié)果中，BIM技術(shù)在綠建運維管理的社會效益中應(yīng)用效果最好，達到良好等級；在經(jīng)濟效益中的表現(xiàn)相對較差，僅達合格等級。

3)經(jīng)濟效益所占重要性最高，但表現(xiàn)值最差，因此在實際項目應(yīng)用中應(yīng)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(chǔ)上對運維成本進行優(yōu)化管控。

5 結(jié)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(quán)，依據(jù)模糊四元聯(lián)系數(shù)建立了綜合效益評價模型與方法，計算過程簡潔，結(jié)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(jīng)濟、環(huán)境、社會各維度的評價等級，通過明確細分結(jié)果抓住問題核心，從而有針對性地提出相應(yīng)的效益提升策略。