基于模糊數(shù)學(xué)-SWOT的工程項(xiàng)目BIM應(yīng)用戰(zhàn)略分析

鄧金濤 尹仕友 饒平平

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093; 2.上海同筑信息科技有限公司，上海 201106)

引言

BIM技術(shù)的出現(xiàn)給工程建設(shè)帶來了信息化的革命浪潮[1]，BIM的可視化、仿真性、信息完備性等諸多優(yōu)良特性不斷在項(xiàng)目中展示出來，從政府部門到建筑行業(yè)、從BIM應(yīng)用項(xiàng)目到員工，BIM的應(yīng)用逐漸開始成為共識[2]。然而行業(yè)內(nèi)許多工程項(xiàng)目在落實(shí)應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)產(chǎn)生了不少備受議論的問題，首當(dāng)其沖的就是BIM應(yīng)用的總方針是什么，即BIM在項(xiàng)目戰(zhàn)略上該如何選擇正確的導(dǎo)向和類型[3]。

目前，國內(nèi)建筑行業(yè)對BIM應(yīng)用仍處于探索研究階段，有些項(xiàng)目因BIM技術(shù)的應(yīng)用得到了效益增值，有些在BIM應(yīng)用的投入產(chǎn)出上出現(xiàn)了利潤虧損，還有些項(xiàng)目因無法落實(shí)、難度大等問題而中止了BIM應(yīng)用[4]。凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢，這些BIM應(yīng)用探索成果已成為前車之鑒，對于項(xiàng)目審批期或者應(yīng)用前期，預(yù)先做好BIM技術(shù)的戰(zhàn)略分析和定位顯得十分重要，這不僅關(guān)乎BIM應(yīng)用的必要性以及實(shí)施導(dǎo)向，還影響著BIM技術(shù)應(yīng)用最終產(chǎn)生的效益?？v觀建筑工程行業(yè)的BIM應(yīng)用項(xiàng)目成果，不難發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)的應(yīng)用在工程的信息管理、成本控制、安全保質(zhì)等方面發(fā)揮了不小作用。

本文著力分析BIM應(yīng)用影響因素，構(gòu)建了戰(zhàn)略分析模型，以杭海城際鐵路工程BIM應(yīng)用項(xiàng)目為例，對模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 量化分析與因素選擇

戰(zhàn)略分析，涉及定性分析與定量分析。考究BIM是否適合應(yīng)用于某一項(xiàng)目及應(yīng)用導(dǎo)向如何選擇時(shí)，本文以SWOT分析中的優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會、威脅這四個(gè)態(tài)勢作為性質(zhì)評估依據(jù)[5]，形成無量綱的戰(zhàn)略定量分析。

1.1 量化合理性考慮

工程項(xiàng)目往往存在諸多因子影響著項(xiàng)目的進(jìn)展與成果，這些因子又在性質(zhì)和數(shù)量上顯著不同。比如，對BIM在建筑工程的應(yīng)用，BIM認(rèn)知人員越多，越有利于推動工程數(shù)字化； 而BIM模型越精細(xì)，越有利于項(xiàng)目信息的高度集成。因此，結(jié)合SWOT法[6]和模糊數(shù)學(xué)變量[7]，進(jìn)行因素分析。

杭海城際鐵路項(xiàng)目工程全長約48.1km，線路在余杭境內(nèi)、海寧主城區(qū)采用地下敷設(shè)方式，其余地段均采用高架敷設(shè)方式。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工和項(xiàng)目管理上進(jìn)行了BIM應(yīng)用，包括選線與橋隧設(shè)計(jì)、機(jī)電排布設(shè)計(jì)、模型輔助施工、信息化管理等，各要素種類諸多、體量較大，適合項(xiàng)目前期戰(zhàn)略分析的量化處理。

1.2 模型層次

(1)目標(biāo)層：項(xiàng)目BIM應(yīng)用戰(zhàn)略；

(2)評價(jià)層：優(yōu)勢程度S、劣勢程度W、機(jī)會程度O、威脅程度T；

(3)因素層：BIM應(yīng)用中優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會、威脅的各類影響因素。

1.3 因素確定

根據(jù)項(xiàng)目調(diào)研和文件查閱[8]，可得影響B(tài)IM優(yōu)勢與劣勢的項(xiàng)目內(nèi)部因素和影響B(tài)IM機(jī)會與威脅的外部因素，如表1、表2。

表1 影響B(tài)IM優(yōu)勢與劣勢的項(xiàng)目內(nèi)部因素

表2 影響B(tài)IM機(jī)會與威脅的項(xiàng)目外部因素

2 戰(zhàn)略分析模型構(gòu)建

2.1 戰(zhàn)略分析邏輯結(jié)構(gòu)

首先基于模糊數(shù)學(xué)的評判法，計(jì)算各因素程度的權(quán)重，綜合評判BIM應(yīng)用的優(yōu)劣性和危機(jī)程度，再依據(jù)評判結(jié)果計(jì)算總優(yōu)勢、總劣勢、總機(jī)會、總威脅程度； 然后基于SWOT決策法，構(gòu)筑戰(zhàn)略評估坐標(biāo)系，繪制BIM應(yīng)用戰(zhàn)略包絡(luò)圖，并對項(xiàng)目的BIM應(yīng)用進(jìn)行SWOT判定。通過戰(zhàn)略類型的選擇及戰(zhàn)略程度的計(jì)算，形成對BIM應(yīng)用的戰(zhàn)略地位分析。戰(zhàn)略分析模型流程如圖1。

圖1 戰(zhàn)略分析模型流程圖

2.2 模糊綜合評判與各因素程度的計(jì)算

將影響B(tài)IM應(yīng)用的優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會和威脅的因素變量的定性變量進(jìn)行量化處理，建立關(guān)于工程項(xiàng)目BIM應(yīng)用模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 模糊判斷

設(shè)定因素集U=[u1，u2，…，un]與評價(jià)集V=[v1，v2，…，vm]，設(shè)各因素的權(quán)重分別為V上的模糊子集A，記A=[a1，a2，…，an]，其中，ai為第i個(gè)因素ui所對應(yīng)的權(quán)值。

對第i個(gè)因素的單因素評判向量為V上的模糊子集Ci=[ci1，ci2，…，cim]，于是單因素判斷矩陣C為

則對該評判對象的模糊綜合評判結(jié)果是V上的模糊集：

2.2.2 因素集U的選取

在評估BIM應(yīng)用的優(yōu)劣性時(shí)，以專家評分方式對四個(gè)方面的因素i進(jìn)行估值。

以技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槔婕癇IM軟硬件部署、BIM技術(shù)種類、BIM應(yīng)用分布、BIM應(yīng)用時(shí)間這四個(gè)因素，由熟悉技術(shù)領(lǐng)域的專家逐一加以評分，并確定每個(gè)評分把握度。

式中，ti(k)為專家k對因素ui的評價(jià)分；

ai(kl)為專家k對ui評分下限；

ai(kg)為專家k對ui評分上限；

pi(kl)為專家k對ui評分的把握度下限；

pi(kg)為專家k對ui評分的把握度上限；

例如，某專家對某因素的評分為8～9分，把握度為0.6～0.8。則有

t=[(8+9)/2]×[(0.6+0.8)/2]=5.95。

2.2.3 專家選取

設(shè)專家的職稱Z1、工齡Z2、技術(shù)專長Z3三部分的信息集為Z={Z1，Z2，Z3}，各部分信息權(quán)重值集為s={s1，s2，s3}，構(gòu)建BIM戰(zhàn)略專家選取模型計(jì)算函數(shù)M(k)：

M(k)=s1·Z1(k)+s2·Z2(k)+s3·Z3(k)

為了保證專家選取的客觀性，貼合指標(biāo)量化實(shí)際，對職稱和技術(shù)專長做定性的離散化處理，對工齡做連續(xù)性研究。

(1)職稱分

根據(jù)行業(yè)通用的職稱等級分類，按正高級、副高級、中級和初級來對專業(yè)人士分類[9]，分值依次為90分、80分、70分、60分。

(2)工齡分

按技術(shù)專家的常規(guī)要求，工齡5年及以上才可參與該領(lǐng)域評審工作，這時(shí)工齡越大，工齡分越高。同時(shí)，考慮到專家的身體條件和接受BIM新理念的程度等，若專家年紀(jì)超過退休年齡60歲，則呈一定衰減。

式中，t為年紀(jì)，a、b、c、d為系數(shù)。

(3)技術(shù)專長分

由于專家技術(shù)專長對BIM深層次理解產(chǎn)生影響，因此對技術(shù)專長做以下處理：每發(fā)表1篇論文、專著或發(fā)明，計(jì)1分，上限30； 每參與1次項(xiàng)目，計(jì)2分，上限40； 每參與1次評審或得1次獎(jiǎng)，計(jì)1分，上限30。

構(gòu)造好專家選取模型函數(shù)后，進(jìn)行對應(yīng)的計(jì)算和歸納。每個(gè)領(lǐng)域調(diào)研30個(gè)專業(yè)人士，以技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槔梅謹(jǐn)?shù)如圖2所示。

圖2 技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員得分的分布圖

BIM戰(zhàn)略評審專家選取得分情況近似服從正態(tài)分布，以置信水平為0.95，取單側(cè)置信上限所有人數(shù)為專家數(shù)，可以得出約為5人，因此對每個(gè)領(lǐng)域分值最高的5人作為BIM戰(zhàn)略評審專家。

2.2.4 評判集V的確定

在評判BIM應(yīng)用的優(yōu)劣性時(shí)，在此以優(yōu)勢、無明顯優(yōu)劣、劣勢三個(gè)等級來決定程度評判，即V=[優(yōu)勢、無明顯優(yōu)劣、劣勢]。

根據(jù)文獻(xiàn)資料經(jīng)驗(yàn)，由于因素相互作用十分復(fù)雜，評價(jià)項(xiàng)目BIM應(yīng)用的優(yōu)勢、劣勢時(shí)，劃分界定如下：評分ti<6定為“優(yōu)勢”； 評分3≤ti<6定為“無明顯優(yōu)劣”；ti<3定為“劣勢”。設(shè)單因素評價(jià)值t的取值區(qū)間為[0，10]，則區(qū)間被劃分為[0，3]、(3， 6)及[6，10]。

2.2.5 單因素評判矩陣Cn×m確定

對本項(xiàng)目BIM應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)領(lǐng)域單因素優(yōu)劣性評定時(shí)，在上述四個(gè)因素、三個(gè)等級的條件下，單因素評判矩陣為C4×3，則根據(jù)各專家評分值在三類優(yōu)劣等級的隸屬度來確定矩陣值[9-10]。

若五位技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜覍δ骋蛩氐脑u分均落在[6，10]區(qū)間內(nèi)，則可得出該因素在評價(jià)矩陣R中有優(yōu)勢的隸屬度為5/5=1，再從其他因素考慮該BIM應(yīng)用處于優(yōu)勢的隸屬度為4/5=0.8，屬“無明顯優(yōu)劣”的隸屬度為1/5=0.2，屬“劣勢”的隸屬度為0。以軟硬件部署為例，業(yè)主單位具有雄厚的預(yù)算和技術(shù)資源基礎(chǔ)，專家對該因素評分的劣勢隸屬度為0，具有一定合理性。通過計(jì)算單因素評價(jià)矩陣中各數(shù)值，最后可得該BIM應(yīng)用在技術(shù)領(lǐng)域的單因素評價(jià)矩陣：

2.2.6 確定各因素加權(quán)矩陣A

確定綜合評判中的權(quán)數(shù)至關(guān)重要，通過五位專家采用滿分10分的評分法進(jìn)行打分，算出每位專家對各因素的評價(jià)值，將同因素評價(jià)值求和平均，通過全因素評分比確定權(quán)數(shù)值ai，最后得出該評判的權(quán)數(shù)矩陣A。

如技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)數(shù)矩陣為：

A=[0.22，0.3，0.225，0.255]

2.2.7 計(jì)算綜合評判矩陣B

對該項(xiàng)目BIM應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域綜合評判矩陣為：

標(biāo)準(zhǔn)化處理，得B=[0.6860，0.1490，0.1650]

可知該項(xiàng)目BIM應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域各因素評判結(jié)果是優(yōu)勢占68.6%，無明顯優(yōu)劣占14.9%，劣勢占16.5%。

延拓至其他幾個(gè)方面的影響因素模糊分析，可以得出BIM應(yīng)用在優(yōu)劣上的評判總結(jié)結(jié)果，如表3。

表3 BIM應(yīng)用優(yōu)劣評判表 %

同理，在評判BIM應(yīng)用的機(jī)會、威脅時(shí)，可進(jìn)行單因素模糊綜合評判。

最終得出BIM應(yīng)用在危機(jī)上的評判總結(jié)結(jié)果，如表4。

表4 BIM應(yīng)用危機(jī)評判表 %

2.3 總優(yōu)勢、總劣勢、總機(jī)會和總威脅程度的計(jì)算

根據(jù)表1、表2，可提取出優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會、威脅在各態(tài)勢的程度值。即：

S=[0.8668， 0.3514， 0.5616， 0.686]

W=[0.0242， 0.0848， 0.1， 0.165]

O=[0.5735， 0.6142， 0.6292， 0.463]

T=[0.0285， 0.0592， 0.1042， 0.292]

利用態(tài)勢函數(shù)公式(見表5)。

表5 各態(tài)勢函數(shù)公式

可計(jì)算出總程度值，如表6。

表6 SWOT總程度值

2.4 四維度雷達(dá)圖的建立

以總優(yōu)勢程度S，總劣勢程度W，總機(jī)會程度O和總威脅程度T等四個(gè)參數(shù)變量各為雷達(dá)極點(diǎn)，構(gòu)成四維度雷達(dá)圖。為了使圖形的數(shù)據(jù)對比分析更直觀，將各程度值乘以100，見圖3。

圖3 四維度SWOT雷達(dá)圖

由圖3可知，該項(xiàng)目BIM應(yīng)用優(yōu)勢和機(jī)會均很大，同時(shí)外在因素會產(chǎn)生一定的威脅，進(jìn)行戰(zhàn)略定位應(yīng)考慮BIM應(yīng)用外部因素的影響以及項(xiàng)目內(nèi)部資源發(fā)揮的充分性。

2.5 構(gòu)建戰(zhàn)略評估坐標(biāo)系

將四維度雷達(dá)圖作為戰(zhàn)略評估圖形基礎(chǔ)，以優(yōu)勢程度值、劣勢程度值所在方向?yàn)闄M軸(即優(yōu)劣軸)，記為X軸，以機(jī)會程度值、威脅程度值所在方向?yàn)闄M軸(即危機(jī)軸)，記為Y軸，建立戰(zhàn)略評估平面坐標(biāo)系。其中優(yōu)勢S在X軸正方向，劣勢W在X軸負(fù)方向，機(jī)會O在Y軸正方向，威脅T在Y軸負(fù)方向，坐標(biāo)軸邊界點(diǎn)即為雷達(dá)圖極點(diǎn)S1、O1、W1、T1，數(shù)值為S1、O1、W1、T1。連接四點(diǎn)形成包絡(luò)線，包絡(luò)線所圍成的圖形S1W1O1T1即為戰(zhàn)略包絡(luò)圖，此戰(zhàn)略包絡(luò)圖則表示為該項(xiàng)目中BIM應(yīng)用的戰(zhàn)略地位，如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)略評估坐標(biāo)系

2.6 戰(zhàn)略類型選擇

根據(jù)戰(zhàn)略包絡(luò)圖來求解戰(zhàn)略中心，計(jì)算出戰(zhàn)略偏向角與戰(zhàn)略深度，以此來對項(xiàng)目的BIM應(yīng)用戰(zhàn)略類型的進(jìn)行選擇。

2.6.1 戰(zhàn)略類型區(qū)劃分

不同類型項(xiàng)目BIM應(yīng)用的戰(zhàn)略類型具有偏向性，根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際背景，將戰(zhàn)略類型按坐標(biāo)系進(jìn)行軸對角線劃分，分出八個(gè)偏向區(qū)域：優(yōu)勢發(fā)揮區(qū)[0，π/ 4)，機(jī)會把握區(qū)[π/4，π/ 2)，進(jìn)取克難區(qū)[π/2，3π/ 4)，收整補(bǔ)短區(qū)[3π/4，π)，戰(zhàn)略退出區(qū)[π，5π/ 4)，戰(zhàn)略回避區(qū)[5π/4，3π/ 2)，收整避難區(qū)[3π/2，7π/ 4)，保優(yōu)克難區(qū)[7π/4，2π)。

對于同類型項(xiàng)目BIM應(yīng)用的戰(zhàn)略類型受應(yīng)用深度影響，根據(jù)本項(xiàng)目應(yīng)用流程，與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離在f值以下的區(qū)域?yàn)閼?yīng)用淺區(qū)，距離在f值的區(qū)域?yàn)閼?yīng)用深區(qū)。

2.6.2 戰(zhàn)略中心的確立

戰(zhàn)略包絡(luò)線S1O1W1曲線公式為：

戰(zhàn)略包絡(luò)線S1T1W1曲線公式為：

聯(lián)立上述公式，可以得出本項(xiàng)目BIM應(yīng)用戰(zhàn)略中心坐標(biāo)為P(18.5，15.9)。

2.6.3 戰(zhàn)略偏向角的計(jì)算

根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化法，將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系。

以X軸正方向?yàn)?度，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)指向戰(zhàn)略中心點(diǎn)的方向即為戰(zhàn)略方向，戰(zhàn)略方向與X軸正方向構(gòu)成的夾角即為戰(zhàn)略偏向角，設(shè)為φ(0≤φ≤2π)，則有

可得本項(xiàng)目的戰(zhàn)略偏向角為φ=40.68°。

2.6.4 戰(zhàn)略深度r的計(jì)算

以坐標(biāo)原點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)與戰(zhàn)略中心點(diǎn)間的距離為戰(zhàn)略深度，設(shè)為r，則有

可得本項(xiàng)目的戰(zhàn)略深度為r=24.39，

則根據(jù)戰(zhàn)略類型劃分，選擇優(yōu)勢發(fā)揮區(qū)—應(yīng)用深區(qū)，如圖5所示。

圖5 戰(zhàn)略類型選擇

2.7 戰(zhàn)略影響程度k確定

為了分析BIM應(yīng)用的戰(zhàn)略影響程度，引入正影響區(qū)和負(fù)影響區(qū)兩個(gè)概念。根據(jù)戰(zhàn)略坐標(biāo)系下的包絡(luò)圖，不難分析出：

(1)戰(zhàn)略坐標(biāo)系第一象限為正影響區(qū)，反映了BIM應(yīng)用項(xiàng)目外部機(jī)會與內(nèi)在優(yōu)勢兩因素共同作用產(chǎn)生的正面影響。戰(zhàn)略包絡(luò)圖在該區(qū)的面積即為正影響面，設(shè)為ASO。

表7 不同類型工程BIM應(yīng)用實(shí)際情況與戰(zhàn)略模型計(jì)算結(jié)果

(2)第三象限為負(fù)影響區(qū)，反映了BIM應(yīng)用項(xiàng)目外部威脅與內(nèi)在劣勢兩因素共同作用產(chǎn)生的負(fù)面影響。戰(zhàn)略包絡(luò)圖在該區(qū)的面積即為負(fù)影響面，設(shè)為AWT。

由此，戰(zhàn)略程度系數(shù)設(shè)為k，即有

可看出，ASO值相對增大，k值增大，即BIM應(yīng)用項(xiàng)目戰(zhàn)略影響程度增強(qiáng)；AWT值相對增大，k減小，即BIM應(yīng)用項(xiàng)目戰(zhàn)略影響程度減弱。代入面積，可得本項(xiàng)目戰(zhàn)略程度系數(shù)為k=0.92。

3 模型檢驗(yàn)

為了保證BIM戰(zhàn)略模型的適用性和有效性，選擇不同類型的工程項(xiàng)目及對應(yīng)BIM應(yīng)用情況并進(jìn)行模型計(jì)算，結(jié)果如表7。

對比實(shí)際應(yīng)用情況和模型計(jì)算結(jié)果，可以從表格中看出，軌道交通、管廊等工程成功案例能反映戰(zhàn)略模型對BIM應(yīng)用程度的正確判斷，而房屋建筑、橋隧等工程也能從模型計(jì)算中分析出不良預(yù)兆。

4 結(jié)論

(1)杭海城際鐵路工程BIM應(yīng)用項(xiàng)目中，模糊評估結(jié)果可看出，該項(xiàng)目BIM應(yīng)用優(yōu)勢總程度遠(yuǎn)大于劣勢總程度，威脅程度低于機(jī)會程度，所以該項(xiàng)目參與單位應(yīng)發(fā)揮好人力資源豐富優(yōu)質(zhì)、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)充足等優(yōu)勢，著力于鐵路工程技術(shù)難點(diǎn)(如選線方案、復(fù)雜環(huán)境施工方式等)進(jìn)行BIM研究，取長補(bǔ)短使BIM技術(shù)得以科學(xué)應(yīng)用。

(2)戰(zhàn)略地位評估中，該項(xiàng)目BIM應(yīng)用位于優(yōu)勢進(jìn)取戰(zhàn)略區(qū)，戰(zhàn)略負(fù)影響區(qū)面積較小。說明該項(xiàng)目參與企業(yè)實(shí)力相對劣勢少，威脅也相對較低。而戰(zhàn)略坐標(biāo)系上，威脅程度相對機(jī)會程度較小，但不可忽略，面對外界環(huán)境時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整戰(zhàn)略，盡量減少項(xiàng)目涉及的威脅(譬如行業(yè)發(fā)展BIM發(fā)生的價(jià)值變化)。因此，整體上對BIM應(yīng)用采取開放的進(jìn)取型戰(zhàn)略，并進(jìn)行深度應(yīng)用。

(3)改進(jìn)后的戰(zhàn)略分析，以模糊綜合評判代替?zhèn)鹘y(tǒng)專家評估，減少了主觀影響，提高了評估因素的準(zhǔn)確性和量化因素的合理性，使BIM應(yīng)用戰(zhàn)略評估更具可操作性，最后利用BIM實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，驗(yàn)證出了模型的合理性。

(4)本文將模糊層次分析法和SWOT方法相結(jié)合，合理地將四大態(tài)勢程度量化，數(shù)形結(jié)合地反映出各種因素綜合作用對BIM應(yīng)用決策的影響，此方法邏輯清晰，利于程序化計(jì)算，可隨因素變化而做出新的分析，同時(shí)有助于項(xiàng)目單位或團(tuán)隊(duì)對BIM進(jìn)行戰(zhàn)略化具體分析，提供了科學(xué)參考。