基于生命周期理论的装配式建筑BIM应用能力评价

王爱领， 苏盟琪， 孙少楠， 郭 亮

(1. 郑州大学 管理工程学院， 河南 郑州 450001； 2. 华北水利水电大学 水利学院， 河南 郑州 450046； 3. 河南省第二建设集团有限公司， 河南 郑州 451464)

与传统建筑相比，装配式建筑因其施工污染少[1,2]、施工速度快[3]、节约人力[4,5]、资源消耗低[6,7]等特点越来越受到社会的广泛关注，逐渐成为建筑行业未来的发展趋势。BIM(Building Information Modeling)技术的提出与发展，能够更好地实现项目信息的收集、传递、共享与管理，促进装配式建筑全生命周期的协调管理。目前国内很多学者针对BIM技术与装配式建筑的结合应用做出了研究[8～15]，但这些研究仅探讨BIM技术在装配式建筑中的应用，并没有对BIM技术在装配式建筑中的应用能力做出评价。在BIM应用能力评价方面，美国建筑科学协会在《美国国家BIM标准》中提出了BIM应用能力的成熟度模型[16]，但指标过于片面，主要关注BIM应用的技术层面；Succar等[17]提出了衡量BIM绩效的五项指标，但缺乏具体评估步骤的阐述，可操作性有待考证[18]；国内学者王美华等[19]对设计企业的BIM应用能力进行了评价，但指标仅限于企业层面，并没有对项目层面的BIM应用能力做出研究；张亮等[20]对建筑企业BIM应用能力进行了定性评估，但缺乏对BIM应用能力的定量评估；罗岚等[21]从BIM全生命周期应用角度建立了BIM应用能力的成熟度模型；王天伟等[22]构建了建筑施工企业BIM应用能力评价的指标体系，但缺乏对BIM应用能力的定量评价方法。在评价方法的选取上，栗郁[23]采用主成分分析法对城市休闲产业的发展进行评价，潘丹等[24]利用结构方程模型对建筑施工项目的安全进行评价，这两种方法在评价时均需多个样本，对于难以获得多样本的研究并不适用；齐宝库等[25]引入模糊综合评价法对装配式建筑的施工质量进行了评价，李艳芳等[26]通过层次分析法对城市生态文明建设做出评价，但这两种方法的主观性较强，难以保证评价的有效性和客观性。

纵观现有文献，主要集中于研究BIM在装配式建筑中的应用，对装配式建筑BIM应用能力评价的研究较少，且缺乏合适的定量评价方法。BIM的应用对装配式建筑的推广与发展具有重要作用，探讨装配式建筑BIM应用能力的评价方法，能够量化分析BIM在装配式建筑中的应用程度，从中发现BIM应用过程中存在的问题，为推动BIM在装配式建筑中的应用提供指导依据，进一步促进BIM与装配式建筑的发展。灰色聚类评价是灰色评价的经典方法之一，是灰色系统理论与聚类分析法的结合，它兼具灰色系统理论和聚类分析法的优势，能够解决小样本、贫信息情况下的多指标系统评估问题[27]，且计算工作量小，评价结果直观可靠，被广泛应用于评价类问题研究中。基于此，本文从装配式建筑的全生命周期出发，构建装配式建筑BIM应用能力评价的指标体系，并采用灰色聚类法对装配式建筑BIM应用能力进行评价，以期为进一步加强BIM技术在装配式建筑中的应用提供理论和实践指导。

1 生命周期和BIM应用能力相关理论

1.1 生命周期理论

生命周期是指产品从自然界获取资源、能源，经开采冶炼、加工制造等生产过程，又经储存、销售、使用消费直至报废处置各阶段的全过程，即产品从摇篮到坟墓，进行物质转化的整个生命周期[28]。目前生命周期理论已经在多个领域得到应用，成为过程管理的重要工具。就装配式建筑而言，装配式建筑生命周期指包括规划与设计、材料采购与构件生产、建造施工、竣工交付、运营与维护直至拆除与处理在内的全循环过程，可以将其简单分为四个阶段，即设计阶段、生产与运输阶段、施工装配阶段和运营维护阶段，各个阶段的主要工作如图1所示。

图1 装配式建筑生命周期各阶段的主要工作

装配式建筑生命周期的核心是以信息化为主线的集成，通过信息的交流、传递、丰富与共享实现项目生命周期的协调管理。将BIM技术应用于装配式建筑，能够实现装配式建筑全过程的数据信息集成，促进装配式建筑生命周期的管理和控制，从而提高装配式建筑设计、生产、施工等的效率，有利于装配式建筑的推广与发展。

1.2 BIM应用能力

BIM技术是建筑行业最有前瞻性的发展之一，在BIM技术的支持下可以数字化建造一座建筑的一个或多个准确的虚拟模型。BIM技术以特殊方式创建、使用和共享全生命周期数据，实现工程全过程的数字建造，该技术引起了建筑业的二次革命。在应用BIM技术过程中，BIM应用能力并没有明确的定义。文献[29]将BIM专业应用人才能力划分为工程能力和BIM能力，工程能力是指某种特定工作任务的完成能力，BIM能力是指应用BIM技术、方法和流程提高工作任务质量和效率的能力。基于此，对BIM应用能力作如下定义：BIM应用能力是指利用BIM技术、方法和流程解决工程项目管理中的实际问题，以提高工程项目进度、质量、成本、安全等方面管理质量和效率的能力。BIM应用能力评价就是用定性或定量方法对BIM应用能力进行综合测度的过程。对BIM技术应用能力进行评价，能够定量化分析和确定BIM在特定项目中的应用程度，找出应用能力的薄弱点，从而为加强BIM技术在工程项目中的应用提供指导依据。

2 装配式建筑BIM应用能力评价模型

2.1 装配式建筑BIM应用能力评价指标体系

本文从全生命周期的角度出发，对有关BIM技术在装配式建筑中应用的文献[8～15]进行梳理，提取出BIM技术在装配式建筑全生命周期的应用点，并参考DB11T 1069-2014《民用建筑信息模型设计标准》[30]和《上海市建筑信息模型技术应用指南》[31]，对提取出的BIM应用点进行丰富和补充，确保装配式建筑BIM应用点的全面性和准确性，并以这些BIM应用点作为装配式建筑BIM应用能力的评价指标；在此基础上，采用专家调查法，邀请BIM专家对提取的BIM应用能力评价指标的全面性、科学性、可操作性、一致性和独立性等进行商讨，结合专家意见对评价指标进行修改，并结合装配式建筑BIM应用的实际情况，最终确定装配式建筑BIM应用能力评价的指标体系，如图2所示。需要指出的是，数据的传递与共享贯穿装配式建筑全生命周期，本文将其划入施工装配阶段，重点考察装配式建筑施工装配阶段的数据传递与共享能力。各个二级指标的解释与说明见表1。

图2 装配式建筑BIM应用能力评价指标体系

表1 各二级指标的解释与说明

续表

2.2 指标权重确定

权重的确定方法有德尔菲法、层次分析法、环比评分法等，但这些方法的主观性较强，评价结果具有较强的主观随意性。熵权法是一种根据指标变异性大小来确定指标权重的客观赋权法。一般地，若某个指标的信息熵越小，表明指标的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用越大，其权重也就越大。熵权法能够保证指标权重的客观性和准确性，确保评价结果真实可靠，因此，本文选择熵权法确定各指标的权重，具体步骤如下：

(1)构造决策矩阵A。根据专家对各二级指标的重要程度进行打分构造决策矩阵A=(aij)m×n。其中aij为第i个专家对第j个指标的打分值，m为专家数，n为指标数量。

(2)标准化决策矩阵。为了消除各个指标之间量纲的不同，对决策矩阵进行标准化处理。标准化后的矩阵R为：

(1)

(3)计算各指标的信息熵ej。

(2)

(4)确定各指标的权重wj。

(3)

最终，得到装配式建筑BIM应用能力评价指标的权重w=(w1,w2,…,wn)。

2.3 灰色聚类评价

灰色聚类法是灰色系统理论与聚类分析法的结合，是将灰色系统理论中的白化函数引入聚类分析法，将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白化数，按照若干灰数进行归纳，从而判断聚类对象属于哪一类，以此做出评价[32]。以下为灰色聚类评价的具体步骤[33]。

2.3.1 划分灰类

灰类划分的详细程度可由评价指标的复杂程度决定[34]。根据行业关于BIM1.0，BIM2.0，BIM3.0的相关理解，参考BIM应用能力的实际情况，结合专家意见将评价对象划分为3个等级(见表2)，据此将二级指标取值范围也相应划分为3个灰类，具体量化值采用5分制，详见表3。

表2 BIM等级划分标准

表3 灰类划分与取值范围

2.3.2 确定中心点三角白化权函数

中心点三角白化权函数不存在两个以上灰类交叉现象，规范性更强，优于端点三角白化权函数[35]。因此本文选择中心点三角白化权函数来构建指标的白化权函数。

(4)

(5)

(6)

2.3.3 计算综合聚类系数

(7)

式中：xij为一级指标i下二级指标j的得分；ηij为一级指标i下二级指标j的权重。

2.3.4 计算综合评价系数

装配式建筑BIM应用能力综合评价系数τk的计算公式为：

(8)

式中：ηi为一级指标i的权重。

3 装配式建筑BIM应用能力评价实例

某高端人才楼项目设计标准为二星绿色建筑，建造方式为装配式，结构形式为剪力墙/框架/装配式，整个工程由12个主楼，3个配套用房及地下两层停车库，其中5～18层为装配式构件层，装配率达53%。本工程是首个省内大体量混凝土装配式建筑，装配式构件种类多，施工周期短，工程质量要求高，管线布置错综复杂。本工程应用BIM技术，业主方、设计方、监理方、施工方、BIM咨询方共同运用同一管理平台。以该装配式建筑项目为例，对其生命周期的BIM应用能力进行评价。

3.1 确定指标权重

邀请5位装配式建筑及BIM方面的专家对各级指标的重要程度进行打分，以此构造指标权重的决策矩阵。专家打分的具体标准如表4所示。

表4 指标重要等级标准

设计阶段的指标权重决策矩阵为：

由式(1)得到标准化处理的矩阵为：

由式(2)(3)可以得到相应各二级指标的信息熵和相对权重，结果如表5所示。

表5 设计阶段各二级指标信息熵和相对权重

同理，可以得出各级指标的权重。装配式建筑BIM应用能力评价指标体系综合权重如表6所示。

表6 装配式建筑BIM应用能力评价指标体系的权重

3.2 灰色聚类评价

邀请专家对该装配式建筑项目的BIM应用情况进行考察，并根据考察结果对各个指标的BIM应用程度进行打分，取专家的平均值作为各个指标的值。

3.2.1 计算中心点三角白化权函数

将各个指标的值代入式(4)～(6)，计算各个指标的中心点三角白化权函数值，得到的结果如表7所示。

3.2.2 计算综合聚类系数

3.2.3 计算综合评价系数

根据式(8)，计算装配式建筑BIM应用能力的综合评价值，结果见表7最后一行。

表7 各指标的中心点三角白化权函数值

3.3 评价结果分析

根据灰类划分最大原则，可以得到该装配式建筑项目的BIM应用能力等级为二级，同时根据各指标的权重，可以看出影响该项目BIM应用能力的关键因素为部品部件深化设计C14、部品部件加工深化设计C21、装配方案确定C34、BIM三维模型可用性和传递性C11，这四个指标在提高BIM应用能力中具有重要作用，在后期工程的BIM应用过程中，项目业主可以选择BIM实力较强的设计单位和构件生产商，同时加大人员的BIM技术培训，着重加强这些指标的BIM应用能力，从而提高项目整体的BIM应用能力。

4 结 语

依据生命周期理论，结合装配式建筑的特点，构建了基于灰色聚类的BIM应用能力评价模型，并结合案例验证了模型的有效性。该模型不但可以评价出项目的BIM应用能力等级，也可以找出影响BIM应用能力的关键因素，企业可以参考评价结果，从关键因素入手，提高项目的BIM应用能力。

数据传递与共享贯穿装配式建筑的整个生命周期，本文构建指标时，仅考虑施工装配阶段，后续研究需要进一步考虑这一指标，进一步完善评价指标体系。本评价模型没有与装配率相结合，未来可以考虑装配率的影响，扩大数据量，使结论更具有说服力。