公路工程建設(shè)階段BIM平臺適用性評價指標及方法

田萬利，祁帥，陳景，吳忠廣，龍云飛，蘭海亮，朱強

（1.交通運輸部科學(xué)研究院 標準與計量研究中心，北京 100029；2.包頭市交通規(guī)劃設(shè)計院，內(nèi)蒙古 包頭 014042；3.包頭市公路工程股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014040；4.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model?ing,BIM）通過對建筑工程物理特征和功能特性等信息數(shù)字化的承載和可視化的表達，可顯著提高工程建設(shè)的集成化、智慧化程度，提高施工效率[1-2]。近年來，在政府相關(guān)政策的支持下，基于BIM技術(shù)的信息化管理平臺應(yīng)運而生，在協(xié)同性、可視化等方面進行了功能擴展，被廣泛應(yīng)用于公路工程建設(shè)中。為了進一步提高公路工程建設(shè)階段應(yīng)用BIM 技術(shù)進行信息化管理的效果，對BIM平臺進行適用性評價非常重要[3]。

對BIM 平臺的評價需要建立客觀、科學(xué)的評價指標體系，很多學(xué)者對此開展了研究，如：芮雪等[4]針對BIM 施工管理平臺信息質(zhì)量評價，建立了包含信息完整性和薪資準確性的評價指標體系；王銳[5]建立了基于BIM 的建設(shè)項目集成管理系統(tǒng)效用評價指標體系；伍朝輝等[6]提出了旅游公路BIM 應(yīng)用需求指標體系；Maria等[7]和Sang等[8]針對BIM 模型與實際建筑物之間的差異建立了評價指標體系；曾凝霜等[9]和林述濤[10]基于智慧管理的需要提出了BIM 平臺系統(tǒng)功能指標要求；宋戰(zhàn)平等[11]針對隧道工程所構(gòu)建的BIM 平臺的標準化程度建立了評價指標體系，等等。上述研究成果豐富了BIM 平臺評價理論，但是這些研究所構(gòu)建的評價指標體系僅針對BIM 平臺的信息質(zhì)量、系統(tǒng)效用、標準化程度等方面中的某一方面，忽略了BIM 平臺在公路工程建設(shè)階段的適用性評價，如BIM 平臺基本要素的完整性、組織體系的科學(xué)性、平臺的協(xié)同性和平臺的可視化性等全要素是否適用于工程項目建設(shè)的評價指標體系研究尚未開展。

評價方法是實現(xiàn)評價的重要工具。目前常用的評價方法主要有層次分析法（Analytic Hierar?chy Process,AHP）、模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論、因子分析方法、多類型指標綜合評價方法、能力量化評價方法、網(wǎng)絡(luò)評價方法等[12-16]。BIM 平臺因其功能的復(fù)雜性，通常具有評價因素比較多、定性指標和定量指標共存的特點，評價指標間具有一定的模糊性和不確定性，而上述評價方法難以有效處理該問題，導(dǎo)致評價結(jié)果準確性欠佳、適用性較差。為了使評價結(jié)果更加準確，部分學(xué)者嘗試將多種方法組合使用，如將模糊數(shù)學(xué)理論與AHP 相結(jié)合，兼顧定性與定量評估，并應(yīng)用于實際項目[13]。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于BIM 平臺評價的研究取得了一定的成果，但仍存在以下不足：①尚未系統(tǒng)梳理和建立針對公路工程建設(shè)階段BIM 平臺全要素的評價指標體系；②當前采用的評價方法難以解決評估指標的模糊性問題，造成評價結(jié)果的準確性欠佳，方法的適用性較差。鑒于此，本文將系統(tǒng)梳理和分析現(xiàn)有標準規(guī)范對公路工程建設(shè)階段應(yīng)用BIM 平臺的要求，從全要素的角度出發(fā)建立適用性評價指標體系，然后將AHP 與模糊綜合評價方法結(jié)合，實現(xiàn)對BIM 平臺適用性的量化評估，以期更好地為BIM 技術(shù)在公路工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。

1 評價指標體系的建立

1.1 評價指標體系的構(gòu)建依據(jù)

BIM 平臺評價指標體系是開展評價的基礎(chǔ)。通常，開展審查評價的依據(jù)主要包括國家、行業(yè)和地方頒布實施的與BIM 相關(guān)的標準和規(guī)范。近年來，公路工程領(lǐng)域相繼發(fā)布實施了《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標準》（JTG/T 2420—2021）[17]、《公路工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標準》（JTG/T 2421—2021）[18]、《公路工程施工信息模型應(yīng)用標準》（JTG/T 2422—2021）[19]等系列標準；在建筑領(lǐng)域，相繼發(fā)布了《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB 51269—2017）[20]、《建筑信息模型設(shè)計交付標準》（GB/T 51301—2018）[21]、《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范》（GB/T 25507—2010）[22]等系列標準。現(xiàn)行標準主要從BIM模型分類及編碼、設(shè)計、交付、施工應(yīng)用等方面進行了規(guī)定，可以作為構(gòu)建BIM平臺適用性評價指標體系的重要參考。

1.2 選擇評價指標的原則

公路工程建設(shè)階段BIM 平臺需要滿足工程建設(shè)的可視化集成、信息數(shù)據(jù)的動態(tài)更新、查詢和展示等需求，使得工程建設(shè)的各參與方可基于平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、共享和協(xié)同工作等。因此，要求BIM 平臺應(yīng)具有權(quán)限管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。而適用性評價的重要目的就是檢驗所建立的平臺能否實現(xiàn)上述目的和功能。因此，應(yīng)通過對現(xiàn)行的國家、行業(yè)、地方標準的梳理和分析，選擇出為實現(xiàn)上述目的和功能而必須滿足的具體要求。

1.3 建立評價指標體系

通過對相關(guān)標準的系統(tǒng)梳理和分析，構(gòu)建了包含4 個一級指標、18 個二級指標和57 個三級指標的評價指標體系，詳見圖1。其中，一級指標主要包括基本要素的完整性、組織體系的科學(xué)性、平臺的協(xié)同性和平臺的可視化性等4 個方面。

圖1 公路工程BIM平臺適用性評價指標體系

基本要素的完整性側(cè)重于實現(xiàn)工程建設(shè)各階段功能而構(gòu)造的各功能要素，主要包括施工準備、施工組織管理、施工安全管理、施工質(zhì)量管理、施工進度管理、施工成本管理、計量支付管理、模型基本要素完整性等8個二級指標。

組織體系的科學(xué)性側(cè)重于平臺功能實現(xiàn)的合理性和精細度方面，主要包括信息深度、模型幾何表達精度、模型精細度、模型分類、編碼規(guī)則等5個二級指標。

平臺的協(xié)同性側(cè)重于各參建單位之間的協(xié)作和信息共享評價，主要包括數(shù)據(jù)存儲格式、文件版本管理和信息共享及協(xié)同設(shè)計等2個二級指標。

平臺的可視化性側(cè)重于工程的可視化分析，主要包括可視化分析、方案比選功能、碰撞檢查功能等3個二級指標。

2 評價方法

為了給出科學(xué)合理的評價結(jié)論，需要對定性指標進行量化評價，因此引入了模糊綜合評價方法。該方法基于隸屬度理論，將定性指標轉(zhuǎn)化為定量指標，從多參數(shù)、多維度對被評價事物的隸屬度等級進行綜合評價[23]。

2.1 確定評價指標體系集

評價指標體系集A是評價對象的各因素所組成的集合，可以表示為A={a1,a2,…,an} 。其中，ai(i=1,2,…,n)是評價因素，n是同一層次單個因素的個數(shù)。

2.2 確定評語集

將各評價指標的評語結(jié)果進行量化以確定評語集V，V={v1,v2,…,vn} 。其中，vi(i=1,2,…,n)是評價等級標準，是對各項指標設(shè)定的不同等級的評語。

2.3 確定權(quán)重值和權(quán)向量

確定指標權(quán)重是模糊綜合評價方法中的重要內(nèi)容。通常運用AHP 對各指標的重要程度進行量化分析并確定各指標的權(quán)重大小。

首先，邀請行業(yè)內(nèi)專家，按照表1 中的指標重要性標度，對指標體系中的各指標打分。

表1 重要性標度含義表

然后，通過和積法得出判斷矩陣的最大特征根和對應(yīng)的特征向量，進而得到權(quán)重值wi和權(quán)向量W，W=(w1,w2,…,wn),=1。

2.4 構(gòu)建隸屬度矩陣

構(gòu)建評價因素集合后，需要對評價因素進行量化表征，確定每個因素被評對象對等級模糊子集的隸屬度，進而得到模糊關(guān)系矩陣。

首先，構(gòu)建單因素評價組成的模糊評價矩陣Ri=(ri1,ri2,…,rij,…,rin)。Ri是評價因素中第i個指標對應(yīng)于評價集合中每個評價標準vi,v2,…,vn的隸屬度。rij的計算公式如下：

然后，根據(jù)隸屬度子集構(gòu)建相應(yīng)指標的模糊評價矩陣，并對模糊評價矩陣進行復(fù)合運算和歸一化處理，得到上一級指標的隸屬度判斷值。按照同樣的方法對其他指標進行運算，得到最終的模糊關(guān)系矩陣：

2.5 計算評價向量

在確定模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重向量后，需要進行模糊綜合評價向量的計算。通常需要采用加權(quán)平均模糊算子，該算子兼顧了各評價指標的權(quán)重，較好地體現(xiàn)了整體性。

2.6 模糊綜合評價結(jié)果計算與分析

將權(quán)重向量W與模糊關(guān)系矩陣R相乘，得到總目標評價向量Z：

對每個等級賦值，得到行向量A=(a1,a2,…,an)，綜合得分F為：

3 實證分析

3.1 案例簡介

為了實現(xiàn)高效協(xié)同的管理目標，某公路工程建設(shè)項目根據(jù)建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理和BIM 咨詢等單位的需求，建立了包括項目整體預(yù)覽、數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建與數(shù)據(jù)儲存、協(xié)同工作、關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成、構(gòu)件庫管理、進度管理、質(zhì)量管理、安全管理、成本管理等功能的BIM 平臺，使工程項目建設(shè)全過程的進度、質(zhì)量、安全、成本等受控。

3.2 BIM平臺評價

3.2.1 確定BIM平臺評價指標集

根據(jù)圖1 所示的評價指標體系，建立評價指標集。其中一級評價指標集為A={A1,A2,A3,A4} 。同理，可得到二級評價指標集和三級評價指標集。

3.2.2 確定權(quán)重集

邀請行業(yè)內(nèi)25位專家，對指標體系中同層次指標與上一層次指標進行兩兩比較以確定指標的相對重要性。在專家判斷的基礎(chǔ)上構(gòu)建判斷矩陣，進行一致性檢驗。

3.2.3 確定因素模糊評價

對各評價指標的評語進行量化，得到V={V1,V2,V3,V4}={10,8,6,4}。V1表示建立的平臺能夠很好地支撐工程建設(shè)，完全符合相關(guān)技術(shù)標準和設(shè)計要求；V2表示建立的平臺能夠支撐工程建設(shè)，符合相關(guān)技術(shù)標準和設(shè)計要求；V3表示建立的平臺基本上能夠支撐工程建設(shè)，但還有需要改進或補充的內(nèi)容；V4表示建立的平臺對工程建設(shè)支撐作用較差，不符合相關(guān)技術(shù)標準和設(shè)計要求。邀請原25 位專家按照評語量化值對平臺進行打分，進而構(gòu)建判斷矩陣，運用和積法求得評價指標對應(yīng)的隸屬度子集，再對結(jié)果進行歸一化處理，最終可得到一級指標隸屬度，結(jié)果見表2。

表2 BIM 平臺一級指標隸屬度

結(jié)合上述評價結(jié)果，由式（2）計算總目標評價向量，結(jié)果見表3。

表3 BIM平臺評價結(jié)果

3.2.4 綜合評價結(jié)果

根據(jù)評語集V={1 0,8,6,4}，按照式（3）可求得BIM 平臺綜合評價量化值F=9.58。這表明，構(gòu)建的BIM 平臺能夠很好地支撐該工程建設(shè)，基本符合相關(guān)技術(shù)標準。

3.3 BIM平臺評價結(jié)果分析與優(yōu)化建議

3.3.1 指標權(quán)重分析與建議

通過綜合評價結(jié)果，明確了BIM 平臺構(gòu)建的重點。該指標體系中，一級指標權(quán)重集為{0.314,0.227,0.186,0.273}，表明評價體系中一級指標的重要性為基本要素完整性（A1）>平臺的可視化性（A4）>組織體系的科學(xué)性（A2）>平臺的協(xié)同性（A3）。進一步說明平臺構(gòu)建時應(yīng)側(cè)重將工程基本要素全面覆蓋，保證所構(gòu)建的平臺能夠全面反映和展示實際工程建設(shè)狀況。因此，后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)項目構(gòu)建平臺時，應(yīng)首先對目標工程進行詳細剖析和多次核查，與參建單位進行充分溝通、研討，明確平臺所應(yīng)包含的組件要素、需求等，保證所構(gòu)建的平臺能夠包含目標工程參建單位所需要的各項功能要素。平臺的可視化性（A4）所占的一級指標權(quán)重為第二大，說明工程項目參建單位對可視化展示和管理比較重視，與引入平臺對工程項目進行可視化管理的目標一致。

各二級指標的權(quán)重如圖2所示。

圖2 二級指標權(quán)重

從圖2 可以看到，在一級指標基本要素完整性（A1）中，模型基本要素完整性（A18）、施工質(zhì)量管理（A14）、施工進度管理（A15）、施工組織管理（A12）、施工安全管理（A13）等5 個指標的權(quán)重較大，均超過了0.140。其中：模型基本要素完整性（A18）所占比重最大，這與一級指標相吻合，說明在平臺構(gòu)建過程中，應(yīng)充分分析目標工程所包含的路線、路基、路面、橋梁、涵洞、隧道等分部分項工程的情況，并將其全部納入平臺中。同時，還應(yīng)注意施工質(zhì)量管理（A14）、施工進度管理（A15）、施工組織管理（A12）、施工安全管理（A13）等功能要素的實現(xiàn)，這些功能是利用平臺進行可視化、精細化、信息化管理的重要支撐。在一級指標平臺的可視化性（A4）中，可視化分析（A41）所占的比重最大，進一步說明平臺在開展公路工程設(shè)施與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)分析、重難點工程展示、結(jié)構(gòu)受力分析、穩(wěn)定性分析等方面具有重要的作用，是平臺構(gòu)建過程中應(yīng)關(guān)注的重點。

3.3.2 隸屬度評價結(jié)果分析與優(yōu)化建議

各一級指標的隸屬度如圖3所示。

圖3 一級指標隸屬度

從圖3 可以看到，一級指標隸屬度整體處于較好的水平，其中基本要素的完整性、平臺的協(xié)同性、平臺的可視化性3 個一級指標對“很好（V1）”的隸屬度均大于0.8，且都不存在“較差（V4）”的情況。平臺的協(xié)同性對“很好（V1）”的隸屬度最大，達到了0.966，說明該平臺的協(xié)同性功能建設(shè)較好。而組織體系的科學(xué)性（A2）對“很好（V1）”的隸屬度為0.795，是4 個一級指標中最小的，且存在“較差”的情況，因此是該平臺進一步完善和改進的重點。

各二級指標的隸屬度情況如圖4所示。

從圖4 可以看到，信息深度（A21）、模型幾何表達精度（A22）、模型精細度（A23）等存在“較差（V4）”的情況，需要進一步加以優(yōu)化和改進。并且，信息深度（A21）對“很好（V1）”的隸屬度最小，僅為0.688，是該平臺需要重點優(yōu)化和改進的內(nèi)容，需要根據(jù)工程項目的實際情況和參建單位的需要，進一步提高工程各主要部件的信息深度。而計量支付管理（A17）、協(xié)同設(shè)計（A32）等指標對“很好（V1）”的隸屬度最大，表明該平臺可以很好地支撐工程項目的計量支付和協(xié)同管理。

圖4 二級指標隸屬度

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)梳理和分析了現(xiàn)行與BIM 相關(guān)的國家和行業(yè)標準，結(jié)合平臺的功能要求，構(gòu)建了包含4 個一級指標、18 個二級指標和57 個三級指標的BIM 平臺適用性評價指標體系。為了解決指標體系中存在的定性指標間模糊性和不確定性問題，引入了AHP 和模糊綜合評價法，設(shè)計了BIM平臺適用性評價方法。運用所構(gòu)建的指標體系和評價方法對某公路工程項目的BIM 平臺進行評價，結(jié)果表明該BIM 平臺能夠很好地支撐該工程項目的建設(shè)。通過對評價結(jié)果的進一步分析，提出了對該平臺的改進建議。下一步考慮將所構(gòu)建的指標體系和方法應(yīng)用在更多的BIM 平臺評價工作中，通過實踐、總結(jié)、優(yōu)化，不斷地完善這一指標體系和評價方法。