施工企業(yè)智慧建造效益評價(jià)研究

崔慶宏，李 敏，陳雨田，胡現(xiàn)存

(1.青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.堪培拉大學(xué)設(shè)計(jì)與建筑環(huán)境學(xué)院，堪培拉 2617)

智慧建造是智慧城市、智能建筑的延伸，加快了建筑工業(yè)化的進(jìn)程。為推動(dòng)其發(fā)展，2020年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合出臺的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，要加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，并明確提出到2035年中國將全面實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化。在此背景下，智慧建造得到了廣泛關(guān)注，劉占省等[1]從理論上對智慧建造的內(nèi)涵與發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，并對智慧建造的應(yīng)用情況進(jìn)行了深入研究；姚輝彬等[2]以承包商為研究對象，對其智慧建造能力進(jìn)行了評價(jià)和分析；李強(qiáng)年等[3]通過DEMATEL模型定量分析了影響智慧建造施工成本的關(guān)鍵因素；楊昆[4]概括分析了智慧建造體系的組成，并利用這一體系實(shí)現(xiàn)了成本的精細(xì)化管理和控制。

施工企業(yè)智慧建造效益是指在智慧建造施工階段發(fā)揮主要作用的施工企業(yè)實(shí)施智慧建造所取得的凈收益，即智慧建造應(yīng)用后所帶來的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、戰(zhàn)略等方面產(chǎn)出與成本、時(shí)間、資源等方面投入的差值。作為智慧建造手段的信息化新技術(shù)，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)的深化應(yīng)用為智慧建造的發(fā)展增添了動(dòng)力，大大提升了智慧建造的智能程度。但隨著智慧建造的應(yīng)用推廣，大部分學(xué)者對智慧建造的研究更多地偏向于工程的應(yīng)用分析和理論部分，且更多地涉及成本管控，針對智慧建造效益評價(jià)的研究卻寥寥無幾。因此，筆者建立施工企業(yè)智慧建造效益評價(jià)體系，通過組合數(shù)有序加權(quán)平均算子(Combination Ordered Weighted Averaging，C-OWA)對指標(biāo)進(jìn)行合理賦權(quán)，并運(yùn)用灰色聚類評價(jià)法對智慧建造項(xiàng)目效益進(jìn)行評價(jià)，為施工企業(yè)在智慧建造過程中的決策和評價(jià)提供思路和參考。

一、智慧建造效益評價(jià)指標(biāo)體系的建立

構(gòu)建智慧建造效益評價(jià)指標(biāo)體系是智慧建造效益評價(jià)的首要前提，指標(biāo)的科學(xué)性及完備性程度對評價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣起著關(guān)鍵性作用。BIM技術(shù)是智慧建造的核心，相當(dāng)于智慧建造的“大腦”，在智慧建造應(yīng)用中起著最主要的作用，因此，筆者在傳統(tǒng)建造和施工階段BIM效益指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上[5-8]，結(jié)合施工企業(yè)智慧建造的特點(diǎn)和要求[1-2，4]，對智慧建造效益各個(gè)方面的重要影響因素進(jìn)行分析，建立了涵蓋7個(gè)主要因素指標(biāo)及20個(gè)下級要素指標(biāo)的效益評價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

表1 施工企業(yè)智慧建造效益評價(jià)指標(biāo)體系

二、基于C-OWA算子的指標(biāo)賦權(quán)方法

OWA算子(Ordered Weighted Averaging)是由Yager[9]教授提出的有序加權(quán)平均算子，趙金先等[10]通過改進(jìn)提出的組合數(shù)有序加權(quán)平均算子(C-OWA)能將專家給出的評價(jià)數(shù)據(jù)最小極端化，從而在一定程度上弱化了主觀偏好帶來的不利影響，使指標(biāo)賦權(quán)更加客觀合理。確定指標(biāo)權(quán)重的步驟[11]如下：

(1)邀請n位專家，采用0～10打分法對同一級別指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行打分，建立初始決策數(shù)據(jù)集ai={a1，a2，…，an}，如a1={7，6，6，9，7，5}，將原始的數(shù)據(jù)從大到小遞減排序，得到新的數(shù)據(jù)集bi={b0，b1，…，bn-1}，其中，b0≥b1≥…≥bn-1，如b1={9，7，7，6，6，5}。

(1)

式中：i為專家序號；j為針對第i位專家打分賦權(quán)所取的序數(shù)，i=j+1。

(3)通過權(quán)重βj+1為評價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，獲得指標(biāo)ai的絕對權(quán)重。

(2)

(4)計(jì)算指標(biāo)ai的相對權(quán)重。

(3)

三、智慧建造效益灰色聚類評價(jià)模型

1.智慧建造效益測度界定

為將智慧建造效益定量化，在總結(jié)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對智慧建造效益的測度進(jìn)行界定。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，假設(shè)對效益評估之前可能得到效益評估結(jié)果的概率在理論上是完全等同的，那么可以將效益測度的界定范圍均等劃分。同時(shí)，為使效益評估更科學(xué)，要盡最大可能提高最高等級的界定測度值，擴(kuò)大最低等級的測度范圍，增大智慧建造項(xiàng)目能夠被評為最高級別的難度，以提高智慧建造效益水平。

設(shè)定智慧建造效益測度取值范圍為[0，10]，且將效益測度劃分為優(yōu)、良、合格、差4個(gè)等級(見表2)。

表2 智慧建造綜合效益測度

2.白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類評價(jià)

智慧建造效益評估中，大多數(shù)評價(jià)指標(biāo)由于很難得到真實(shí)的客觀數(shù)據(jù)而難以定量計(jì)算，導(dǎo)致評價(jià)效果容易受到評價(jià)專家的主觀偏好、實(shí)踐認(rèn)知等因素的干擾，造成評價(jià)信息失真和丟失等問題。由于施工企業(yè)智慧建造效益評價(jià)處于這種信息透明的白色系統(tǒng)與信息未知的黑色系統(tǒng)之間的灰色信息系統(tǒng)，故采用經(jīng)典的灰色聚類評價(jià)方法對其進(jìn)行評價(jià)。

(1)確定評價(jià)灰類及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將智慧建造效益指標(biāo)的等級設(shè)定為“優(yōu)、良、合格、差”，其對應(yīng)的數(shù)值分別為4，3，2，1，如果某評價(jià)指標(biāo)介于兩個(gè)等級之間，則取值為3.5，2.5，1.5。各效益指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 智慧建造效益指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(2)建立各灰類的白化權(quán)函數(shù)及計(jì)算相應(yīng)的灰色系數(shù)

(3)構(gòu)建灰色聚類矩陣

(4)

(4)進(jìn)行灰色聚類評估

根據(jù)計(jì)算式Mi=Wi·Ri，對二級指標(biāo)進(jìn)行聚類評價(jià)，得出綜合聚類矩陣M0=(M1，M2，…，M7)T；對一級指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，Z=W0·M0；為避免由最大權(quán)值原則確定灰類引起的數(shù)據(jù)丟失問題，將綜合效益測定閾值設(shè)定為U=(9.5，8，6，2.5)T；智慧建造綜合效益值為W=Z·U；再根據(jù)表2界定的效益測度判斷智慧建造綜合效益水平。

四、案例分析

筆者對某工程的智慧建造項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分析，該項(xiàng)目采用BIM技術(shù)、4D可視化、GIS(Geographic Information System)技術(shù)、云計(jì)算、智能化、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。運(yùn)用C-OWA算子對各級指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，使用灰色聚類評價(jià)方法對各指標(biāo)效益的評分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而對施工企業(yè)智慧建造效益進(jìn)行綜合定量評價(jià)，為施工企業(yè)提高智慧建造效益提供思路和參考。

1.C-OWA算子確定權(quán)重

以一級指標(biāo)賦權(quán)為例，邀請6位智慧建造領(lǐng)域的專家對各指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分(見表5)。

表5 指標(biāo)權(quán)重評分?jǐn)?shù)據(jù) 分

以指標(biāo)P1賦權(quán)為例，將指標(biāo)P1的評分從大到小遞減排序，得bi=(10，10，10，9，8，6)。由式(1)可計(jì)算權(quán)重

βj=(0.031 25，0.156 25，0.312 50，0.312 50，0.156 25，0.031 25)

由式(2)計(jì)算指標(biāo)P1的絕對權(quán)重

同理，可得指標(biāo)P2～P7的絕對權(quán)重

由式(3)計(jì)算一級指標(biāo)的相對權(quán)重

Wi=(0.164，0.160，0.142，0.118，0.116，0.133，0.167)

各二級指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算方法同上，結(jié)果如表6所示。

表6 智慧建造效益指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

2.灰色聚類評價(jià)

邀請5家具有資質(zhì)條件的智慧建造科研機(jī)構(gòu)和單位，從中選取10位專家對指標(biāo)P1～P7進(jìn)行打分。為保證評分的科學(xué)性和可靠性，邀請的都是長期從事智慧建造領(lǐng)域研究的高級工程師、高校教授和博士等專業(yè)人士，這些專家具有豐富的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在智慧建造效益評價(jià)方面有很深刻的見解。根據(jù)10位專家打分情況構(gòu)造灰色評價(jià)矩陣

由表4的白化權(quán)函數(shù)和式(4)構(gòu)造灰色聚類權(quán)矩陣

合成各權(quán)重向量與聚類矩陣，構(gòu)造各指標(biāo)的灰色評價(jià)矩陣

綜合聚類評價(jià)結(jié)果為

Z=W0·M0=[0.40，0.42，0.18，0]

智慧建造綜合效益值為

W=Z·U=8.24

由表2可知，該項(xiàng)目智慧建造綜合效益級別為“良”，與傳統(tǒng)建造相比，產(chǎn)生少量效益但未獲得顯著效益。同理可得各一級指標(biāo)的效益綜合評價(jià)值：W1=8.30，W2=8.42，W3=8.46，W4=8.28，W5=8.08，W6=7.83，W7=8.39。按指標(biāo)效益值從大到小排序?yàn)閃3>W2>W7>W1>W4>W5>W6，各一級指標(biāo)效益同樣都達(dá)到“良”等級，未達(dá)到“優(yōu)”等級。

五、結(jié) 語

智慧建造為傳統(tǒng)的建筑行業(yè)注入了新的活力，實(shí)施智慧建造可以節(jié)約建造成本和縮短工期，提升建造質(zhì)量、安全水平和可持續(xù)性，提升企業(yè)的戰(zhàn)略高度和管理水平，為企業(yè)和社會帶來巨大效益，進(jìn)而提升中國建造的核心競爭力，加快建筑工業(yè)化進(jìn)程。筆者根據(jù)當(dāng)前研究成果和智慧建造特點(diǎn)，構(gòu)建了施工企業(yè)智慧建造效益評價(jià)體系，利用C-OWA算子確定權(quán)重，可以很好地削弱評價(jià)數(shù)據(jù)極端值造成的賦權(quán)失真，確保所賦的權(quán)重更加科學(xué)合理，運(yùn)用灰色聚類的數(shù)學(xué)模型既符合智慧建造效益具有相對灰色信息的特性，又能將評價(jià)數(shù)據(jù)客觀而全面地反映到評價(jià)結(jié)果中，并根據(jù)評價(jià)結(jié)果分析判斷現(xiàn)有智慧建造的效益水平，對施工過程效益提升有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

運(yùn)用所建立的評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)例計(jì)算可知，該項(xiàng)目一級評價(jià)指標(biāo)效益值由大到小排序依次為質(zhì)量提升、工期節(jié)約、管理水平提升、成本節(jié)約、安全提升、可持續(xù)性提升、戰(zhàn)略提升。其中，可持續(xù)性提升和戰(zhàn)略提升的效益水平對綜合效益的影響較低，決策者應(yīng)予以重視，加強(qiáng)對其所屬指標(biāo)的具體管理，進(jìn)一步提升整體項(xiàng)目的效益水平。