唐 浩1 郭宸志1 邢鳳超1

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.上海延華智能科技(集團)股份有限公司，上海 430073)

引言

建筑行業(yè)工程項目一般具有建設(shè)周期長、資本密集、參建方多等特點，項目信息往往會面臨信息流失量大、浪費等問題[1]。BIM技術(shù)的應(yīng)用解決了信息損失、不易保存等問題，將分離的信息集成在一起，從而實現(xiàn)成本的節(jié)約及效益的增加。通過對BIM應(yīng)用項目效益的測算，可為BIM應(yīng)用項目決策、方案比選、成本控制、質(zhì)量管理等提供科學(xué)依據(jù)，從而促進BIM技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。

目前為止，許多的研究者對BIM應(yīng)用項目效益進行了大量研究，但大多數(shù)僅從單項效益指標或定性的角度分析BIM應(yīng)用項目效益，很少從全角度上分析和總結(jié)BIM應(yīng)用項目效益情況[2-3]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，閱讀近年來關(guān)于BIM應(yīng)用效益評價相關(guān)的文獻[4-16]，總結(jié)得出BIM應(yīng)用項目效益系統(tǒng)動力學(xué)模型中的變量，并對各個變量之間的關(guān)系進行分析。根據(jù)各變量之間的因果關(guān)系，利用Vensim軟件繪制出存量流量圖，最后以實際項目為例，提取出項目中的數(shù)據(jù)并賦值于各個變量中，運用Vensim軟件對BIM應(yīng)用項目效益進行模擬和測算，獲取BIM應(yīng)用項目效益情況。

1 BIM應(yīng)用項目存量流量圖構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)動力學(xué)理論

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，SD)最初于1956年由Jay W.Forrester教授提出，是處理信息反饋系統(tǒng)動態(tài)行為的方法，利用反饋回路來描述問題的演變。所謂的反饋回路是系統(tǒng)元素的狀態(tài)、速率以及信息回路，其所對應(yīng)系統(tǒng)的三要素分別為單元、信息以及運動[17]。常使用存量流量圖、變量與方程式相結(jié)合，利用Vensim軟件模擬各個變量之間的定量關(guān)系。

存量流量圖是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，區(qū)分不同類型變量，建立變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進而刻畫出系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的相互關(guān)系。

變量與方程式是模型進行計算機模擬，分析系統(tǒng)問題的主要數(shù)學(xué)工具。系統(tǒng)動力學(xué)模型中常用的變量類型有存量、流量、輔助變量、常量。

Vensim軟件是一款可視化的建模工具，可以實現(xiàn)系統(tǒng)動力學(xué)模型的繪制、模擬、分析和優(yōu)化，并形成存儲的文檔文件。

1.2 系統(tǒng)模型中的變量

本文以項目本身出發(fā)，將影響B(tài)IM應(yīng)用效益的因素變量分為存量、流量、輔助變量、常量。通過文獻統(tǒng)計匯總分析得到四類變量的含義及具體內(nèi)容，如表1～3。再結(jié)合各變量間的因果關(guān)系和前人的研究經(jīng)驗[4-16]，利用Vensim軟件建立存量流量圖(如圖1)，對BIM應(yīng)用項目效益情況進行模擬分析。

(1)輔助變量

本文建立的存量流量模型中輔助變量共計23個，如表1所示。

表1 變量說明表—輔助變量

序號變量名稱序號變量名稱1BIM投入成本13疲勞2物資損耗率14進度壓力3剩余工作任務(wù)15管理者能力4人工費用16管理協(xié)助5優(yōu)化機械費17施工效率6優(yōu)化材料費18施工工藝優(yōu)化7員工安全意識19技術(shù)影響因子8安全事故率20工作錯誤率9安全事故賠償費21工程成本10工作任務(wù)22員工數(shù)量11工作強度23安全管理監(jiān)控水平12工作時間

(2)存量和流量

本文建立的存量流量模型中流量和存量共計10個，如表2所示。

表2 變量說明表—流量和存量

序號變量名稱類型序號變量名稱類型1單位時間工程量流量6工程返工存量2單位時間材料費流量7材料費存量3每日工程返工量流量8機械成本存量4單位時間工資成本流量9已完成工作量存量5每日機械成本流量10人工成本存量

(3)常量

本文建立的存量流量模型中常量共計16個，如表3所示。

表3 變量說明表—常量

序號變量名稱序號變量名稱1BIM協(xié)調(diào)管理平臺9其他費用2BIM可視化交底10原始機械費3BIM審圖11員工工資4BIM施工模擬12安全事故賠償均值5設(shè)計變更工程量13材料單價6VR安全教育比例14硬件費用7BIM合同費用15軟件費用8加班工資16初始工程量

本文所包含的變量共49個。其中存量5個，流量5個，輔助變量23個，常量16個。

1.3 模型的建立

(1)建模目的

本文主要研究BIM技術(shù)對項目建造過程中的經(jīng)濟效益，模擬BIM技術(shù)對項目的影響，更加直觀地看出BIM技術(shù)的經(jīng)濟效益。從前人的研究可知BIM技術(shù)的應(yīng)用模式和方法在設(shè)計階段以及施工階段已經(jīng)很成熟，研究方向逐步延伸到運維階段。在構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型時，選取進度、質(zhì)量、成本以及安全四個板塊進行分析BIM技術(shù)的經(jīng)濟效益，并借助于Vensim軟件的仿真功能對模型進行仿真分析，為BIM技術(shù)的發(fā)展提供有效的應(yīng)用措施，確定科學(xué)合理的評價模型，為BIM技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供科學(xué)合理的價值評價依據(jù)。

(2)模型假設(shè)

所謂的模型是用抽象的方式來表現(xiàn)現(xiàn)實中的一種或幾種情況。模型的構(gòu)造離不開假設(shè)。假設(shè)的作用相當于界定模型的適用范圍，優(yōu)化和簡化模型的分析過程，并且假設(shè)的提出使得模型更具有針對性。本文所構(gòu)建的系統(tǒng)動力學(xué)模型也作以下假設(shè)：

①不考慮BIM技術(shù)應(yīng)用過程的間接效益。本文研究BIM技術(shù)的應(yīng)用效益僅選取研究結(jié)果中的直接效益，雖然BIM應(yīng)用過程中存在眾多隱形效益，例如社會效益等，但是這類價值難以測算和量化，與項目建設(shè)階段五大指標存在較小的關(guān)聯(lián)，本身不具有普遍性；

②不考慮施工方、設(shè)計方、業(yè)主方等BIM參建方的差異，本文建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型是以項目本身為單位，不考慮企業(yè)之間的應(yīng)用水平差異以及參建方之間的應(yīng)用深度、應(yīng)用項的差異；

③項目建造過程不能延期，只能通過增加工人數(shù)量、工作強度或者工作時間趕工。

在以上假設(shè)的前提下，根據(jù)各變量之間的因果關(guān)系，忽略一些次要變量或者難以量化的變量，利用Vensim軟件建立BIM技術(shù)的工程項目效益存量流量圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用BIM技術(shù)的工程項目效益分析存量流量圖

2 案例分析

2.1 項目概況

項目總用地面積40 000m2，總建筑面積46 550m2，項目總建筑高度為33.9m。項目主要功能包括辦公區(qū)域、公共服務(wù)區(qū)域和主體展示區(qū)域。辦公區(qū)域采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，公共服務(wù)區(qū)域采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，主體展示區(qū)域則采用空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。該項目中，BIM應(yīng)用項如表4所示。

表4 BIM應(yīng)用項

序號BIM應(yīng)用項內(nèi) 容1BIM模型制作Revit用于二次結(jié)果深化,Tekla用于鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計,Rhino用于幕墻深化設(shè)計,Navisworks用于機電管線優(yōu)化設(shè)計,Synchro Pro用于施工模擬,BIM 360Glue用于現(xiàn)場記錄;2BIM應(yīng)用管理平臺整合應(yīng)用,協(xié)調(diào)多方作業(yè);3BIM圖紙審查BIM技術(shù)碰撞檢查,經(jīng)過機電深化設(shè)計的BIM應(yīng)用,碰撞消除高達90%;4三維交底創(chuàng)建BIM模型族庫,視頻輔助現(xiàn)場交底;5施工方案模擬模擬動畫展示,排查不合理施工方案;6鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計對原結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和優(yōu)化;7幕墻深化設(shè)計利用Rhino軟件優(yōu)化幕墻結(jié)構(gòu)面積;8施工進度模擬模擬進度,對施工安排進行調(diào)整;9BIM+VR技術(shù)應(yīng)用 設(shè)置VR安全虛擬體驗館,模擬施工安全事故發(fā)生現(xiàn)場。

2.2 參數(shù)估算

(1)常量參數(shù)的確定

根據(jù)項目數(shù)據(jù)，對模型中參數(shù)進行賦值，賦值方式一般根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析或者類似問題估算。本模型參數(shù)的估值如表5所示。

表5 參數(shù)估值情況

名稱數(shù)值名稱數(shù)值硬件費用50萬元優(yōu)化機械費52.7萬元軟件費用30萬元優(yōu)化材料費389.72萬元BIM合同費用290萬元安全事故賠償80萬元其他費用40萬元BIM協(xié)調(diào)管理平臺0.8人工費用56萬元BIM可視化交底0.85原始機械費3 200元/天BIM施工模擬值0.87員工工資6 000元/月ⅤR安全教育比例0.76加班工資50元/小時設(shè)計變更工程量1 206 m2初始工程量1 340 m2材料單價3 000元·m-2

(2)表函數(shù)的確定

針對系統(tǒng)模型中無法利用數(shù)學(xué)方程式表達的變量關(guān)系，本文選取表函數(shù)的方式進行確定。表函數(shù)是采用離散曲線的形式確定變量之間的因果聯(lián)系，表函數(shù)離散值的確定通常采用歷史數(shù)據(jù)或者研究數(shù)據(jù)進行測算及表達。本文利用表函數(shù)表示的變量有員工安全意識、員工數(shù)量等共計9項。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)調(diào)研以及文獻分析[4-16]，表函數(shù)的情況如表6～14所示。將確定的常量參數(shù)、表函數(shù)賦值于圖1存量流量模型中，利用Vensim軟件對項目效益進行模擬和測算，最后的模擬結(jié)果見3.4節(jié)。

表6 VR安全教育比例與員工安全意識表函數(shù)

序號123456VR安全教育比例00.20.40.60.81員工安全意識0.40.540.620.750.830.95

表7 進度壓力與員工數(shù)量表函數(shù)

序號123456進度壓力0.090.110.210.30.40.5員工數(shù)量151721252833序號789101112進度壓力0.60.70.80.911.2員工數(shù)量3957566582104

表8 施工工藝優(yōu)化與技術(shù)影響因子表函數(shù)

序號12345施工工藝優(yōu)化0.60.650.70.750.8技術(shù)影響因子0.870.890.910.930.97序號6789施工工藝優(yōu)化0.850.90.951技術(shù)影響因子11.011.021.03

施工工藝通常根據(jù)國家規(guī)范要求進行合理的安排，一般都是固定的。但是，有的企業(yè)會進行技術(shù)創(chuàng)新，以此來提高項目的進度、質(zhì)量以及成本等等。應(yīng)用BIM技術(shù)后，對施工工藝以及施工方案進行模擬和優(yōu)化，提高項目進度、質(zhì)量以及成本等影響因素的比例。

表9 安全管理監(jiān)控水平與BIM協(xié)調(diào)管理平臺函數(shù)

序號1234567BIM協(xié)調(diào)管理平臺00.20.40.60.80.91安全管理監(jiān)控水平0.40.580.620.870.911.011.03

表10 BIM協(xié)調(diào)管理平臺與管理者能力表函數(shù)

物資損耗率與BIM協(xié)調(diào)管理平臺造成的物資管理能力以及施工工藝優(yōu)化造成的技術(shù)優(yōu)化因子有關(guān)聯(lián)。因此，物資損耗率=0.5*管理者能力+0.5*施工工藝優(yōu)化，用影響因子代替公式表達。

表11 物資損耗率與影響因子表函數(shù)

表12 進度壓力與工作強度的表函數(shù)

序號12345進度壓力00.0920.1710.2780.318工作強度00.0220.0570.0920.105序號6789進度壓力0.4070.60.81工作強度0.1490.511

表13 進度壓力與工作時間的表函數(shù)

序號123456進度壓力00.10.20.30.40.5工作時間888888.5序號7891011進度壓力0.60.70.80.91工作時間8.5910.512.515

表14 疲勞與工作時間的表函數(shù)

序號12345678工作時間8888.59.510.51215疲勞00.10.20.40.60.80.91

2.3 模型檢驗與運行

本文利用Vensim軟件，根據(jù)時間變化對BIM應(yīng)用進行了系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建。在系統(tǒng)動力學(xué)模型繪制和變量方程編輯完成后，對資料進行分析來直接檢驗，判斷模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性。然后分析工程建造過程變化趨勢來運行檢驗，驗證模型仿真結(jié)果有效性。最后通過改變模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)，分析其指標的敏感程度，模型檢驗運行過程如圖2。

圖2 模型檢驗運行過程

2.4 BIM應(yīng)用情況的仿真與分析

通過對比項目是否應(yīng)用BIM技術(shù)兩種情況的差異，分析BIM技術(shù)的效益情況。本模型參數(shù)的估算是根據(jù)項目建造數(shù)據(jù)進行選擇，模型仿真結(jié)果也刻畫了項目中BIM技術(shù)的應(yīng)用效益。

(a)人工成本模擬

(b)員工數(shù)量模擬圖3 模型人工成本部分模擬結(jié)果

針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中人工成本部分進行分析，如圖3所示。圖3(a)揭示了項目人工成本的變化趨勢，圖3(b)揭示了項目新增員工數(shù)量的變化趨勢。

由圖可知，根據(jù)模型的仿真結(jié)果，應(yīng)用BIM技術(shù)人工成本為4.51萬元，未應(yīng)用BIM技術(shù)人工成本為21.76萬元，差距為17.25萬元。項目初期，新增相同數(shù)量的施工人員，應(yīng)用BIM技術(shù)項目僅需1-2天便可以完成所有新增工程量，而未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目，需要18-20天才可以完成相同數(shù)量的工程量。因此，造成了成本差異17.25萬元。由于工程量以及進度壓力發(fā)生了變化，新增員工人數(shù)也相應(yīng)的變化，直到新增人數(shù)為0。此項模擬結(jié)果也印證了BIM技術(shù)可以減少項目建造工期，避免項目延期。

圖4展示了項目材料費用的模擬情況。由圖4可知，應(yīng)用BIM技術(shù)項目材料費用要低于未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目，且二者的差距逐漸拉大，造成這一現(xiàn)象的原因在于應(yīng)用BIM技術(shù)有利于減小項目材料的損耗率和項目工程返工量的減少。

圖4 模型材料費模擬結(jié)果

對工程成本進一步分析，選取累計人工成本以及材料成本進行分析，隨著項目的建造過程的推進，應(yīng)用BIM技術(shù)的項目的人工成本和材料成本均低于未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目，而且隨著項目建造過程，兩者的差距越來越大。

圖5展示了項目工程返工量的疊加情況，未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目工程返工現(xiàn)象日益減少，應(yīng)用BIM技術(shù)有利于減少工程返工，且BIM技術(shù)產(chǎn)生的效果十分明顯，二者之間的差距接近三倍。根據(jù)模型結(jié)果分析，工程返工的影響因素包括工程錯誤率和施工速率。本文依次對其進行分析。

圖5 模型工程返工模擬結(jié)果

圖6展示了模型工程錯誤率的模型情況，未應(yīng)用BIM技術(shù)項目的工程錯誤率在面對進度壓力初期，錯誤率高達0.686，隨著工程進度壓力的減小，工程錯誤率逐漸降低，最后工程錯誤率的值保持在0.246穩(wěn)定不變。而應(yīng)用BIM技術(shù)的項目，在項目建造初期，錯誤率就保持在0.097穩(wěn)定不變。結(jié)合存量流量圖，由于BIM技術(shù)的應(yīng)用，使得項目施工方案和施工技術(shù)有所提高，減少由項目施工技術(shù)水平導(dǎo)致的錯誤率的產(chǎn)生，其次基于BIM技術(shù)的可視化輔助項目施工交底，有助于項目工作錯誤率的減少，進而反映到工程返工量的表現(xiàn)上。

圖6 模型工程出錯率模擬結(jié)果

除此之外，工作出錯率還和疲勞程度、管理協(xié)助等影響因素有關(guān)。本文將進一步對項目工作時間、工作強度、疲勞、和管理協(xié)助四個要素進行分析，模型模擬結(jié)果如圖7所示。

由于應(yīng)用BIM技術(shù)后項目施工工期延誤僅1-2天，工作時間、工作強度、疲勞、和管理協(xié)助四個要素橫向分析，其模擬結(jié)果反映不明顯。但是對比項目未應(yīng)用BIM技術(shù)的工程項目，兩者之間的差距則較為明顯。

應(yīng)用BIM技術(shù)后，工作時間、工作強度、疲勞僅持續(xù)一天，管理協(xié)助指標一直處于較高水平。結(jié)果表明，應(yīng)用BIM可以減少項目施工人員的工作時間、工作強度、疲勞度，還提高了施工人員之間的管理協(xié)助能力。

(a)工作強度

(b)工作時間

(c)疲勞

(d)管理協(xié)助圖7 模型施工效率四要素模擬結(jié)果

未應(yīng)用BIM技術(shù)的模擬情況顯示，施工過程工作強度一直處于較高強度狀態(tài)。起始四天內(nèi)，工作強度達到了滿值，隨著項目工程量的減少，工作強度逐漸降低，直到第十八天，才恢復(fù)正常。工作時間指標與工作強度指標變化情況類似，起始階段工作時間最多，隨著項目工程量的完成，工作時間逐漸減少，工作進展到第十一天時，工作時間恢復(fù)正常狀態(tài)。施工工人疲勞度與工作時間存在因果關(guān)系，變化趨勢保持一致。項目期初，由于員工數(shù)量的增加，導(dǎo)致施工團隊管理協(xié)助水平減低，隨著項目施工的推進，員工之間的管理協(xié)助水平逐漸增加，第十一天時，管理協(xié)助水平與應(yīng)用BIM技術(shù)后的管理協(xié)助水平保持一致。

圖8 模型工程成本模擬結(jié)果

圖8展示了應(yīng)用BIM項目與未應(yīng)用BIM項目的工程成本變化曲線。由圖8可知，應(yīng)用BIM技術(shù)前期項目成本高于未應(yīng)用BIM技術(shù)的工程成本，造成這一現(xiàn)象的原因是BIM技術(shù)前期投入導(dǎo)致。但是，經(jīng)過項目施工模擬以及施工方案優(yōu)化，前期產(chǎn)生的BIM投入費用的差異逐步在縮小，在項目開始施工時，兩者之間的成本差異很快就被反轉(zhuǎn)，并隨著項目建造過程的推進，BIM應(yīng)用效益日益突顯，應(yīng)用BIM技術(shù)的項目與未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目的成本差異越來越明顯。

綜上所述，應(yīng)用BIM技術(shù)可以在很大程度上減少工程返工現(xiàn)象發(fā)生，降低工程返工率以及工程錯誤率，進而提高工程質(zhì)量、節(jié)約項目成本，避免工期延誤。與此同時，BIM技術(shù)應(yīng)用還減少了項目的進度壓力，降低工程事故發(fā)生率，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。經(jīng)過系統(tǒng)動力學(xué)模型的仿真模型，應(yīng)用BIM技術(shù)的工程成本較未應(yīng)用BIM技術(shù)的工程成本差異較為明顯，根據(jù)模擬分析結(jié)果，應(yīng)用BIM技術(shù)后，較未應(yīng)用BIM技術(shù)產(chǎn)生經(jīng)濟效益估算為619.7萬元。與實際應(yīng)用BIM產(chǎn)生的經(jīng)濟效益627.2萬元基本一致。

3 結(jié)論

本文采用系統(tǒng)動力學(xué)理論構(gòu)建BIM應(yīng)用項目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過分析各變量之間的關(guān)系，繪制出存量流量圖進行BIM應(yīng)用項目的經(jīng)濟效益模擬和測算。利用Vensim軟件進行存量流量圖繪制、模型的檢驗。根據(jù)實際項目提供的數(shù)據(jù)，在Vensim軟件中模擬BIM應(yīng)用項目效益情況，并選取工程成本、工程錯誤率、工程返工工程量、工作時間、工作強度、疲勞、管理協(xié)助等影響因素對比分析未應(yīng)用BIM技術(shù)的項目的數(shù)據(jù)情況，證明了BIM技術(shù)的應(yīng)用為工程帶來了極大效益。本文主要結(jié)論如下：

(1)結(jié)合實際應(yīng)用案例和工程建造數(shù)據(jù)，對模型中的參數(shù)和方程進行估算和定義，模擬項目應(yīng)用BIM技術(shù)后的工程成本變化以及項目各影響因素的變化幅度，測算BIM應(yīng)用效益情況，并驗證了模型的可行性和合理性，使得測算結(jié)果更加準確合理。

(2)模擬應(yīng)用BIM工程項目與未應(yīng)用BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)比較，可知項目應(yīng)用BIM技術(shù)后，可減少項目設(shè)計錯誤數(shù)量、減少工程返工的發(fā)生、降低工程錯誤率、提高工程質(zhì)量、節(jié)省項目建造成本、減少項目的進度壓、減低工程事故發(fā)生率、緩解施工工人工作強度和疲勞感，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。