董娜， 弓成， 熊峰

(四川大學 建筑與環(huán)境學院， 四川 成都 610065)

與傳統(tǒng)建筑相比，裝配式建筑因質(zhì)量好、效率高、污染少、受氣候環(huán)境約束小等特點，已經(jīng)成為我國建筑業(yè)發(fā)展的重點方向[1].建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術作為提高建筑業(yè)信息化水平的重要手段，能夠?qū)崿F(xiàn)全過程、全方位的信息化集成與管理，裝配式建筑的BIM應用也成為當前的研究熱點[2].施工階段的BIM應用直接影響裝配式建筑的施工效率、質(zhì)量和費用等關鍵問題.因此，有必要對裝配式建筑的施工BIM應用成熟度進行評價.Lee等[3]通過總結(jié)不同的成熟度模型，研究適用于其所處環(huán)境的BIM成熟度評估程序和指標，用于評估設計公司BIM成熟度指標；Abanda等[4]論證了BIM在裝配式建筑中的作用，同時探討B(tài)IM技術應用在裝配式建筑和傳統(tǒng)建筑中的效益差別；曹新穎等[5]研究了裝配式建筑構(gòu)件生產(chǎn)的工藝流程與質(zhì)量影響因素，建立BIM-RFID技術的構(gòu)件質(zhì)量管理信息系統(tǒng)及流程體系；李開[6]從業(yè)主方的角度出發(fā)，總結(jié)BIM在項目全生命周期中共有20個具體運用，并運用層次分析法和模糊綜合評價法對國內(nèi)10個典型項目進行BIM應用成熟度評價；張健等[7]研究了基于BIM的裝配式建筑集成體系，提出裝配式建筑中BIM成熟度發(fā)展層級.綜上所述，當前研究主要集中在傳統(tǒng)建筑領域的BIM應用成熟度和裝配式建筑的BIM應用點上，而對裝配式建筑施工BIM應用成熟度的研究尚未起步.本文在文獻綜述和裝配式建筑BIM應用現(xiàn)狀分析的基礎上，構(gòu)建裝配式建筑施工BIM應用成熟度評價指標，并利用熵值法和灰色關聯(lián)聚類，綜合確定指標權(quán)重，引入云模型，建立裝配式建筑施工BIM應用成熟度評價模型.

1 裝配式建筑施工BIM成熟度評價指標的建立

1.1 指標建立思路

從裝配式建筑的施工特點及裝配式建筑施工項目管理需求出發(fā)，結(jié)合裝配式建筑施工階段BIM應用情況，建立裝配式建筑施工BIM的評價指標體系.成熟度評價指標體系的構(gòu)建思路，如圖 1所示.

1.2 裝配式建筑施工特點分析

裝配式建筑具有人工成本低、效率高、工期短、質(zhì)量高、對環(huán)境污染小、浪費少等優(yōu)點[8].與傳統(tǒng)建筑施工相比，裝配式建筑施工現(xiàn)場構(gòu)件多、吊裝平面布置困難，同時現(xiàn)場存在大量裝配作業(yè)，且對構(gòu)件吊裝要求高[7].裝配式建筑現(xiàn)場吊裝施工過程，如圖2所示.

圖1 成熟度評價指標體系的構(gòu)建思路 圖2 裝配式建筑現(xiàn)場吊裝施工過程 Fig.1 Establishment path of Fig.2 Assembly process of prefabricated maturity evaluation index building construction

1.3 裝配式建筑施工項目管理需求分析

裝配式建筑對各個管理目標下的實際管理需求，如表 1所示.基于項目管理視角，裝配式建筑項目管理應滿足進度、成本、質(zhì)量、安全等四大基本管理目標， 且項目管理目標應與項目建造特點相適應.考慮到裝配式建筑構(gòu)件多、場布難、吊裝要求高等施工特點，以及裝配式建筑施工管理信息化、智能化、精細化的要求，裝配式建筑施工BIM應用還應實現(xiàn)對項目的施工方案管理、現(xiàn)場管理、空間管理[9].

表1 裝配式建筑的管理需求Tab.1 Management requirements of prefabricated building

1.4 裝配式建筑施工BIM應用

裝配式建筑施工階段應用BIM能夠提高施工的效率和質(zhì)量.當前，裝配式建筑施工階段的BIM應用有如下8個主要方面.

1) 構(gòu)件信息化管理方面.裝配式建筑構(gòu)件數(shù)量繁多，將構(gòu)件信息集成到BIM模型中，實現(xiàn)構(gòu)件狀態(tài)的記錄、追蹤、監(jiān)控和管理，能夠保證工程的順利實現(xiàn)[10].

2) 場地布置方面.裝配式建筑現(xiàn)場吊裝構(gòu)件及機械放置復雜，將BIM模型與場地模型集成，并結(jié)合吊裝方案和進度計劃，可以合理、高效地進行現(xiàn)場平面布置[11].

3) 吊裝機械和復雜節(jié)點模擬方面.對于裝配式建筑，節(jié)點處的連接是影響工程質(zhì)量的關鍵因素，吊裝方案合理可行是保證順利吊裝的基礎；吊裝機械模擬和復雜節(jié)點模擬有利于施工機械的合理選用和復雜節(jié)點的質(zhì)量保證[12].

4) 虛擬施工方面.將構(gòu)件的吊裝進度與3D-BIM模型集成，形成4D-BIM模型進行虛擬吊裝，可以優(yōu)化吊裝進度計劃，確保吊裝過程的順利進行[13].

5) 資金使用計劃和三算對比分析方面.將成本信息與4D-BIM模型集成建立5D-BIM模型，建立資源和資金需求計劃并與實際信息進行對比分析，有效實現(xiàn)成本動態(tài)過程控制[14].

6) 安全培訓及預警方面.基于BIM進行人員安全和現(xiàn)場安全教育培訓，制定有效的安全管理措施，并將人員及現(xiàn)場實際信息與BIM集成，實現(xiàn)施工安全實時預警[15].

7) 溝通協(xié)調(diào)平臺方面.基于BIM的可視化特點，通過BIM模型和協(xié)同平臺，把項目中的業(yè)主、設計、施工、監(jiān)理等各方有效連接在一起，實現(xiàn)實時高效的溝通[14].

8) BIM與其他技術結(jié)合方面.通過將BIM與企業(yè)資源計劃(ERP)、3D掃描、混合現(xiàn)實技術(MR)、射頻識別(RFID)，地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術結(jié)合應用，實現(xiàn)建筑管理的精細化、智能化管理[16].

1.5 裝配式建筑施工BIM成熟度評價指標

基于前述裝配式建筑施工項目管理需求分析，將BIM應用點與需求相匹配，建立裝配式建筑施工階段的BIM技術應用成熟度評價指標體系，如圖3所示.

圖3 裝配式建筑施工階段的BIM技術應用成熟度評價指標體系Fig.3 BIM application maturity evaluation index system of prefabricated building

1.6 成熟度等級評價標準

不同評價模型的成熟度等級劃分不同[17].能力成熟度模型(CMM)將成熟度劃分為初始級、可重復級、已定義級、已管理級、優(yōu)化級；Kerzner項目管理成熟度模型(K-PMMM)將成熟度劃分為通用術語、通用過程、單一方法、基準比較、持續(xù)改進；組織項目管理成熟度模型(OPM3)成熟度模型分為標準化、測量、控制、持續(xù)改進4個級別；美國項目管理解決方案公司的項目管理成熟度模型(PMS-PM3)中，成熟度分為初始過程、結(jié)構(gòu)和標準過程、組織和制度過程、管理過程、優(yōu)化過程.

參考其他評價模型的成熟度等級劃分，結(jié)合BIM應用水平差異大的實際情況，將裝配式建筑施工BIM應用成熟度等級分為5個階段.考慮到裝配式建筑中BIM應用還處于起步階段，與成熟階段的差距較大，因此，在初始階段和成熟階段間設置成長階段和提高階段.在成熟階段后設置優(yōu)化階段，此階段能夠?qū)崿F(xiàn)基于BIM的智能化、自動化管理，是基于BIM的裝配式施工管理的理想化狀態(tài)[18].

基于當前的BIM技術水平和BIM應用情況，確定各成熟度等級評價標準，如表2所示.

表2 裝配式建筑施工BIM成熟度等級評價標準Tab.2 Prefabricated building construction BIM maturity level standard

通過對各指標的成熟度等級評價標準進行具體描述，有利于確定各指標成熟度等級的隸屬情況，提高評價指標體系在實際應用中的可行性，并根據(jù)成熟度評價標準確定成熟度提高路徑.

2 BIM應用成熟度指標權(quán)重

2.1 基于層次分析法的初始權(quán)重

當前，我國裝配式建筑的BIM應用相關標準及制度還不夠完善，相關應用數(shù)據(jù)的收集存在困難.裝配式建筑中的BIM應用仍處于探索階段，利用客觀數(shù)據(jù)確定指標權(quán)重可能會導致某些現(xiàn)在應用較少,對整個裝配式建筑施工管理起到重要作用的指標權(quán)重偏低，因此，選取主觀賦權(quán)法確定指標權(quán)重.

層次分析法(AHP)通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性，并給出定量表示，最后確定各指標權(quán)重及重要性.層次分析法適用于當前數(shù)據(jù)收集困難，需要專家經(jīng)驗判斷的研究情況[19].在層次分析法的基礎上，通過熵權(quán)法和灰色關聯(lián)聚類，對指標數(shù)據(jù)進行進一步的處理，綜合考慮各專家的決策信息，權(quán)重確定更加合理.AHP是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法[20].層次分析法的基本步驟如下:1) 構(gòu)造判斷矩陣；2) 計算權(quán)重向量；3) 一致性檢驗.通過層次分析法確定每一位專家的初始權(quán)重.

2.2 基于熵值法和灰色關聯(lián)聚類的權(quán)重

在層次分析法的基礎上，利用熵值法和灰色關聯(lián)度聚類法相結(jié)合，綜合考慮各個專家的決策數(shù)據(jù)，更合理地確定專家權(quán)重.先通過灰色關聯(lián)度聚類法對參與判斷的多位專家聚類，再根據(jù)熵值法確定類內(nèi)各個專家的權(quán)重，最終形成專家權(quán)重[21]，從而使看法相同、不確定性小的專家獲得較大權(quán)重，確保專家信息的合理利用.

1) 灰色關聯(lián)度聚類分析[19].設某專家利用AHP法給出的權(quán)重向量W=(ω1，ω2，ω3，…，ωn)T，其中，ω1,ω2，ω3，…，ωn表示該專家各個指標賦予的權(quán)重值.m個專家的權(quán)重向量構(gòu)成標準矩陣Q為

(1)

對Wk(i≤j；i，j，k=1，2，…，m)，計算Wi與Wj的絕對關聯(lián)度ei,j，得到關于專家變量的上三角矩陣R，即

(2)

(3)

取定臨界值t∈[0，1]，當ei,j≥t(i≠j)時，則可認為Wi與Wj可以歸為同類.閾值t越接近1，分類就越細，一般要求t>0.5.

類間賦權(quán)重時，考慮類的容量，對專家數(shù)量多的類，賦予的權(quán)重大;而對專家數(shù)量少的類，賦予的權(quán)重小.假設m個專家被分成q類，第k類(k=1，2，…，q)包含εk(εk≤m)個專家，則

(4)

式(4)中：εk為第k類專家個數(shù)；αk為第k類專家類間權(quán)重.

2) 熵值法確定類內(nèi)權(quán)重.熵是系統(tǒng)無序程度的度量，熵值越小，表明決策數(shù)據(jù)的混亂程度越小，邏輯更清晰，起的作用也更大.因此,應對在同類的所有專家中，給出權(quán)重向量的信息熵值越小的專家賦予更大的權(quán)重.在有n個指標，m個評價者的評估問題中，將第j個評價者的信息熵定義為

(5)

式(5)中：ωi,j為AHP得出的各個專家賦予的指標權(quán)值.

第k類專家的類內(nèi)權(quán)重βk，j為

3) 專家權(quán)重確定.專家權(quán)重由類間權(quán)重和類內(nèi)權(quán)重共同確定，則第j位專家權(quán)重λj為

λj=αkβk，j，j=1，2，…，m.

構(gòu)成的m位專家的綜合權(quán)重矩陣為A=(λ1，λ2，…，λm).

2.3 指標綜合權(quán)重確定

指標綜合權(quán)重由專家的指標權(quán)重按照專家權(quán)重線性加權(quán)構(gòu)成，最后形成綜合權(quán)重向量P,即

P=(p1，p2，…，pn)T=Q·AT.

(6)

2.4 權(quán)重確定及其結(jié)果

通過專家訪談對指標進行兩兩比較確定權(quán)重，參與本次訪談的專家共計6名，包括高校專家2名，施工企業(yè)現(xiàn)場管理人員2名，業(yè)主方項目管理人員1名，工程咨詢企業(yè)BIM管理人員1名.采用五標度打分法，其中某一專家的指標權(quán)重序列為

按照同樣方法計算出各個專家給出的指標權(quán)重，得出標準矩陣Q為

1) 求類間權(quán)重.由標準矩陣Q求得專家群組的灰色關聯(lián)矩陣R為

取定臨界值t=0.985，得到{(1，2，6)，(3，5)，(4)}三類,進而求得類間權(quán)重:α1=0.643；α2=0.286；α3=0.071.

2) 求類內(nèi)權(quán)重.各類內(nèi)權(quán)重熵: 第一類為(1，2，6)，H1=[0.478，0.281，0.241]； 第二類為(3，5)，H2=[0.560，0.440]；第三類為(4)，H3=[1].則最終各個專家權(quán)重為

3) 求綜合權(quán)重.按照式(6)，求得各個指標綜合權(quán)重，如表3所示.

表3 指標綜合權(quán)重Tab.3 Comprehensive weight of index

由表3可知：在7個一級指標中，安全管理權(quán)重最大，質(zhì)量管理權(quán)重最低，其他各指標差異不大.由指標權(quán)重可以看出，當前基于BIM的安全管理尤為重要，而質(zhì)量管理效益有待提升.在二級指標中，基于BIM的人員安全管理所占權(quán)重最大，對施工現(xiàn)場人員安全的重視程度極高，應當利用好BIM進行人員安全管理；基于BIM的場地布置和基于BIM的構(gòu)件吊裝進度管理的權(quán)重值都超過了0.095 0，其BIM應用情況對最后的成熟度評價等級有較大的影響.裝配式建筑現(xiàn)場施工人員少，各參與方大量溝通協(xié)調(diào)工作在前期進行，基于BIM的現(xiàn)場溝通管理在裝配式建筑施工中的重要性程度較于傳統(tǒng)建筑施工階段有所降低.裝配式建筑構(gòu)件大部分在工廠預制生產(chǎn)，生產(chǎn)條件好且需要通過出廠質(zhì)量檢驗，因此，基于BIM的構(gòu)件進場質(zhì)量權(quán)重較小.

基于BIM的裝配式建筑變更管理處在探索階段，其重要性在所有指標中靠后.除此之外的二級指標權(quán)重處于0.050 0～0.080 0區(qū)間內(nèi)，當BIM在人員管理、場地布置和構(gòu)架吊裝進度管理方面的應用水平提升程度有限時，應當考慮通過提高BIM在這一區(qū)間內(nèi)的應用水平，從而實現(xiàn)裝配式建筑施工BIM成熟度等級的提升.

3 基于云模型的BIM應用成熟度評價

3.1 云模型

云模型主要是利用期望Ex、熵En、超熵He等3個特征數(shù)值來描述一個定性概念，并通過云發(fā)生器實現(xiàn)定性和定量的相互轉(zhuǎn)換.應用云模型進行成熟度評價能夠體現(xiàn)評價過程存在的模糊性和隨機性，也能較為全面地利用評價信息，減少評價結(jié)果的偏差.

3.2 評語云模型

建立評價等級集合V={V1，V2，V3，V4，V5}，將對應的評分標準區(qū)間定義為(0，1]，(1，2]，(2，3]，(3，4]，(4，5].通過區(qū)間數(shù)和正態(tài)云模型的轉(zhuǎn)換關系式，得到反映各等級定性概念云模型的數(shù)字特征(Ex，En，He)[22].

文中采用二階正態(tài)云模型.正態(tài)分布中，對于某一概念，其對應的云對象位于[Ex-3En，Ex+3En]之外的云滴為小概率事件，一般不予考慮.故Ex，En，He的計算式分別為

(7)

式(7)中：S為常數(shù)，根據(jù)評價語言模糊程度確定；Cmin，Cmax分別為分值區(qū)間的左、右邊界.

表4 成熟度等級評語云模型Tab.4 Maturity level review cloud model

S取0.01[23]，設置云滴數(shù)N為1 000，由各成熟度等級的評分標準和數(shù)字特征得到成熟度等級評語云模型，如表4所示.

3.3 確定隸屬度

綜合考慮所有評價人員的評價結(jié)果，可得到綜合單一指標成熟度隸屬度μi，j，l為

(8)

μi，j=(μi，j，1，μi，j，2，μi，j，3，μi，j，4，μi，j，5).

3.4 確定成熟度等級

建立二級指標成熟度隸屬度矩陣Ci=(μi,1，μi,2),i=1，2，…，7.對應指標層的權(quán)重矩陣分別為Pi=(pi,1，pi,2),i=1，2，…，7.準則層隸屬度矩陣為D=(D1，D2，…,D7)，D1，D2，…，D7為一級指標的各成熟度等級隸屬度矩陣，則

Di=PiCi，i=1，2，…，7.

(9)

一級的指標權(quán)重矩陣為E=(E1，E2，…,E7)，E1，E2，…，E7為一級指標的權(quán)重，則項目綜合隸屬度矩陣G為

G=ED=(g1，g2，g3，g4，g5).

(10)

式(10)中：g1，g2，g3，g4，g5為評價結(jié)果對成熟度各個等級的隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則確定項目成熟度等級.

4 工程案例

4.1 案例背景

該項目為地上6層，地下1層的辦公樓用房，框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為6 500 m2.地下部分采用傳統(tǒng)混凝現(xiàn)澆方式施工，地上部分采用裝配式施工方式，預制范圍包括柱、疊合梁、疊合樓板、外墻板、樓梯、女兒墻，單體預制率約為65%.

4.2 成熟度評價

邀請參與該項目的10位專家進行評分，其中，施工項目管理人員3名、施工企業(yè)管理人員2名、業(yè)主方管理人員2名、工程咨詢?nèi)藛T1名，BIM研究專家2名.依據(jù)表4建立的評語云模型計算，得到成熟度等級隸屬度，即

C1=[0.102 1,0.303 3,0.295 3,0.199 1,0.100 1,0.153 0,0.404 0,0.295 3,0.099 5,0.050 0],

C2=[0.203 5,0.403 6,0.294 2,0.098 7,0.000 0,0.203 8,0.504 6,0.291 7,0.000 0,0.000 0],

C3=[0.000 0,0.100 9,0.248 6,0.399 7,0.250 7,0.102 1,0.252 7,0.296 6,0.248 6,0.100 0],

C4=[0.102 3,0.404 8,0.393 6,0.099 3,0.000 0,0.303 9,0.502 8,0.193 3,0.000 0,0.000 0],

C5=[0.051 1,0.151 8,0.348 8,0.348 1,0.100 2,0.102 1,0.303 3,0.295 3,0.199 2,0.100 1],

C6=[0.051 1,0.151 7,0.298 5,0.348 5,0.150 2,0.000 0,0.106 2,0.314 5,0.367 3,0.212 1]，

C7=[0.303 5,0.402 4,0.196 0,0.098 1,0.000 0,0.253 6,0.403 0,0.245 0,0.098 4,0.000 0].

對應指標層的權(quán)重矩陣為Pi(i=1，…，7)，則指標層的成熟度等級隸屬度為

D1=P1C1=[0.135 5,0.369 4,0.294 0,0.133 7,0.067 2],

D2=P2C2=[0.203 7,0.475 1,0.292 4,0.028 8,0.000 0],

D3=P3C3=[0.041 4,0.162 5,0.268 1,0.338 4,0.189 6],

D4=P4C4=[0.200 3,0.452 4,0.296 2,0.051 0,0.000 0],

D5=P5C5=[0.090 1,0.267 5,0.308 0,0.234 3,0.100 1],

D6=P6C6=[0.037 0,0.139 2,0.302 9,0.353 7,0.167 2],

D7=P7C7=[0.281 3,0.402 6,0.217 8,0.098 3,0.000 0].

總的評價結(jié)果為

G=[0.136 4,0.316 0,0.285 1,0.185 0,0.077 5].

根據(jù)最大隸屬度原則，該項目的施工BIM應用成熟度等級處于成長階段，其對于提高階段的隸屬度0.285 1大于初始階段的隸屬度0.136 4，可以看出該項目的BIM應用水平由成長階段向提高階段發(fā)展的趨勢.

相較于其他方面，BIM裝配式建筑施工管理下的質(zhì)量管理、施工方案管理和空間管理中應用水平總體較低.該項目想要提高裝配式建筑施工BIM應用成熟度，首先，應當考慮提高BIM在質(zhì)量管理、施工方案管理和空間管理中的應用水平；然后，結(jié)合各二級指標的隸屬度情況和成熟度等級評價標準，確定其所處階段及提升路徑.

以施工方案管理中基于BIM的吊裝機械模擬為例，由C4可以得出，其目前處于成長階段.根據(jù)成熟度等級評價標準，可以判斷該項目應用BIM能夠?qū)崿F(xiàn)吊裝機械運行模擬，而下一成熟度階段要求該項目應用BIM實現(xiàn)吊裝機械需求計劃的制定.由此可以得出，基于BIM的吊裝機械模擬成熟度提升路徑，將吊裝機械運行模擬模型和裝配式建筑實際建造模型相結(jié)合，進行施工模擬；確定吊裝機械的基本需求如數(shù)量、型號、類型等，并根據(jù)時間信息，確定各個階段現(xiàn)場實際施工機械的種類及數(shù)量；最后，安排合理機械進出場，實現(xiàn)基于BIM的吊裝機械需求計劃制定，使基于BIM的吊裝機械模擬成熟度由成長階段向提高階段發(fā)展.

5 結(jié)束語

BIM與裝配式建筑結(jié)合有助于建筑業(yè)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的粗放型生產(chǎn)方式.針對當前裝配式建筑BIM應用水平差異大、應用效果不明顯的問題，從施工階段入手，建立裝配式建筑施工BIM的成熟度評價模型.該模型能夠全面量化評價項目的BIM應用情況，并根據(jù)成熟度評價標準，確定提升路徑.同時，還可以作為新建項目BIM應用目標和實施規(guī)劃的參考，有助于促進BIM在裝配式建筑中的深度應用，從而實現(xiàn)建筑業(yè)的精益建造.