王雙雙，崔慶宏,2,*，李 敏，陳雨田

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設(shè)管理研究中心，青島 266525)

2018年我國建筑業(yè)總產(chǎn)值達到235 086億元，相比2017年提升了9.88%，占當年國內(nèi)生產(chǎn)總值的26.1%[1]，作為我國的先導性產(chǎn)業(yè)之一，建筑業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展對我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)定增長有著舉足輕重的影響。與此同時，建筑業(yè)也是世界上最危險的工作環(huán)境之一，工程建設(shè)過程中存在的諸多不確定性因素導致施工安全事故屢屢發(fā)生。在我國，建筑業(yè)施工安全事故的傷亡率更是居高不下，是僅低于礦山行業(yè)的第二大危險行業(yè)，僅在2018年，房屋市政工程施工安全事故就達734起，死亡人數(shù)達840人，同比2017年事故數(shù)增多42起、上升6.1%，死亡人數(shù)增多33人、上升4.1%[2]。頻發(fā)的安全事故給社會和企業(yè)釀成了不可逆的人力和財力損失，已逐漸成為阻礙建筑行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重大問題[3]，亟需革新管理模式與技術(shù)手段，提升施工安全管理效果。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)這一理念的提出，為推動建筑業(yè)信息化的發(fā)展提供了技術(shù)手段。

國內(nèi)外學者圍繞施工安全管理中BIM技術(shù)的應(yīng)用做出了大量研究。COLLINS等通過收集腳手架工程安全危害的數(shù)據(jù)，納入BIM中，使4D BIM可以在整個施工過程中使用，提前告知安全管理部門潛在危險并給出緩解建議和預(yù)防措施[4]。PARK等提出了一種集成BLE位置檢測、BIM危險源識別與云通信平臺的實時現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)框架，可以獲取工人的實時位置，并通過一個案例成功展示了該系統(tǒng)檢測不安全因素及收集分析工人軌跡潛在安全危害的能力，證實了該框架在輔助施工現(xiàn)場監(jiān)測過程、改善施工現(xiàn)場安全性等方面的有效性[5]。夏楊等將BIM技術(shù)與云計算、識別射頻技術(shù)(RFID)集成，建立了一個通過實現(xiàn)高處墜落安全的信息化管理的建筑工人高處墜落安全預(yù)警系統(tǒng)，有效減少了事故的發(fā)生[6]。其在施工安全管理領(lǐng)域的重要作用也被越來越多的學者認可。但是，目前針對施工安全管理領(lǐng)域中BIM的推廣應(yīng)用普遍還存有諸多疑惑：①在施工安全管理中應(yīng)用BIM的投入是否實現(xiàn)了其最大的利用價值，即基于BIM的施工安全管理模式的績效水平還不明確；②評估基于BIM的施工安全管理績效水平牽涉諸多界說范圍不清晰、信息模糊的情況，難以準確衡量和表達。這些問題導致諸多企業(yè)在是否于施工安全管理中應(yīng)用和實施BIM技術(shù)，以及如何制定BIM實施策略才能實現(xiàn)項目最大效率方面存在著困惑，以至于限制了施工行業(yè)BIM技術(shù)的進一步發(fā)展。

基于此，國內(nèi)外學者探索了一些測試BIM技術(shù)在施工安全管理中應(yīng)用表現(xiàn)的手段。AHMAD等以文獻回顧的形式分析了BIM技術(shù)在安全風險管理中應(yīng)用的一些作用，如消除了一些風險和沖突，改善可視化和預(yù)制過程，建?？沙掷m(xù)性模擬，改善項目溝通協(xié)調(diào)，減少變更和返工風險等[7]。GUO等將BIM技術(shù)與設(shè)計安全規(guī)則相結(jié)合開發(fā)出一種可自動識別設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的安全隱患的安全設(shè)計方法，并驗證了該方法的有效性；與傳統(tǒng)的安全管理方法相比，基于BIM的管理方法實現(xiàn)了自動化，減少了安全檢查的時間和人力成本，提高了施工安全管理的效率[8]。張立茂等認為BIM在危險源識別、優(yōu)化安全計劃、安全教育培訓等方面有較大的實用性，相比其他模式，其能夠有效識別并減少風險和損失，提升安全管理效率[9]。綜合分析當前學者針對BIM技術(shù)在施工安全管理中的運用、基于BIM的施工安全管理績效評價方面主要圍繞在定性層面，且多集中于績效指標的識別等方面，而缺乏進一步對于績效評價的定量定性相結(jié)合的評價體系。因此，從施工企業(yè)角度出發(fā)，對基于BIM技術(shù)的施工安全管理的績效進行科學評價并提出改善措施，綜合定性與定量方法測算施工安全管理中BIM技術(shù)的真正應(yīng)用價值，從而幫助施工企業(yè)準確衡量運用BIM技術(shù)進行施工安全管理這一模式的績效水平，以便及時調(diào)整BIM技術(shù)應(yīng)用決策，實現(xiàn)項目既定管理目標，提升自身經(jīng)濟社會效益是很有必要的。

鑒于此，本文結(jié)合BIM技術(shù)在施工安全管理中的應(yīng)用效益等相關(guān)研究，建立了基于博弈論組合賦權(quán)的灰靶模型，可以很好地用于解決基于BIM的施工安全管理績效水平評價中的多屬性衡量沖突問題，為企業(yè)科學合理評估項目的施工安全管理績效水平提供理論依據(jù)、參考框架及方法支持，有助于分析BIM技術(shù)在施工安全管理應(yīng)用中存在的不足，探索更為有效的安全管理機制，進一步推動BIM技術(shù)的行業(yè)進步。

1 評價指標體系

1.1 基于BIM的施工安全管理績效評價指標體系

基于BIM的施工安全管理績效評價指標體系應(yīng)當符合合理性、可操作性、科學性等要求，并可以給施工企業(yè)運用BIM技術(shù)進行安全管理起到科學引導作用。而平衡計分卡(Balanced Score Card，BSC)從財務(wù)、顧客、內(nèi)部運營過程、學習和成長四個維度進行績效考核的方式，滿足了企業(yè)績效評估中財務(wù)指標和非財務(wù)指標、短期目標和長期目標、結(jié)果考核與過程控制、內(nèi)部人員和外部人員、定量指標與定性指標及戰(zhàn)略和管理之間的有效平衡[10]，可以較好地適用于施工企業(yè)對基于BIM的施工安全管理績效水平的評估。因此，本文借鑒平衡計分卡相關(guān)原理及已有BIM效益文獻研究[11-13]對其進行擴充，并結(jié)合BIM技術(shù)在施工安全管理中應(yīng)用和績效研究相關(guān)文獻資料的梳理，訪問專家人員意見，最終構(gòu)建了施工企業(yè)管理視角的包含財務(wù)、產(chǎn)品、組織、戰(zhàn)略和內(nèi)部管理流程5個維度、13個指標的基于BIM的施工安全管理的績效評價指標體系，并給出計算公式，具體見表1。

表1 基于BIM的施工安全管理績效評價指標體系

1.2 評價指標權(quán)重的確定

1)數(shù)據(jù)標準化。設(shè)A = {A1,A2,...,Am}為待評決策方案集，C={C1,C2,...,Cn} 為待評屬性集，得到原始決策矩陣Y=(yij)m×n(yij為第i個項目的第j個屬性下的原始數(shù)據(jù)，i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)。指標屬性量綱的不同可能會影響評價結(jié)果的準確性，為保證各屬性指標的方向一致應(yīng)對各指標數(shù)據(jù)yij(i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)實施無量綱化處理，使得各指標間歸一化。

(1)

(2)

從而獲得標準化決策矩陣X=(xij)m×n(xij為第i個項目的第j個屬性下的標準化數(shù)據(jù)，i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)。

2)G1法計算主觀權(quán)重。G1法是在AHP法的基礎(chǔ)上得出的一種改良的主觀權(quán)重計算方法，其相對AHP法更為簡捷、直觀，且易于操作，計算工作量減少，并且無須構(gòu)造判斷矩陣對指標屬性進行一致性檢驗[14]。其具體步驟為：

①序關(guān)系。由專家對各指標屬性間的重要性進行排序，如果依據(jù)某一評價準則評價屬性Ci比Cj重要時，記為Ci>Cj，對于評價屬性集C={C1,C2,...,Cn} ，專家依序選擇出自己認為最重要的一個屬性，記為C1>C2>C3>...>Cn，則唯一確定了序關(guān)系。

表2 rj賦值

②相鄰指標間的相對重要度。用相鄰指標Cj與Cj-1的重要程度之比來表示相對重要程度，可以表示為rj=Cj-1/Cj,(j=n,n-1,n-2,...,2)，rj的賦值見表2。

③權(quán)重系數(shù)。根據(jù)專家給出的rj賦值，得出第n個屬性的主觀權(quán)重為

(3)

(4)

3)改進熵權(quán)法計算客觀權(quán)重。熵權(quán)法通過熵值的大小判斷有效信息量，熵值愈小，代表該指標屬性包含的有效信息量愈多，則指標的權(quán)重愈大；反之，則愈小[15]。改進的熵權(quán)法克服傳統(tǒng)熵權(quán)法的弊端，應(yīng)用范圍更具備普適性，運用改進熵權(quán)法計算客觀權(quán)重，其詳細計算步驟為：

①計算第j個指標的信息熵：

(5)

②計算第j個指標的差異系數(shù)：gj=1-ej

(6)

③確定第j個指標的客觀權(quán)重：

(7)

4)博弈論組合賦權(quán)。博弈論組合賦權(quán)法的根本理念即是于多種方法計算的權(quán)重中摸索協(xié)調(diào)或讓步，以求最小化評價屬性各個權(quán)重與最優(yōu)權(quán)重的誤差，進而確定一個比較均衡的組合權(quán)重向量[16]。它通過對主、客觀權(quán)重進行科學協(xié)調(diào)地優(yōu)化組合，進而確定最優(yōu)的組合權(quán)重，可以同時保留兩種賦權(quán)法的長處，并能優(yōu)化單一權(quán)重計算方法的不足，確保最終結(jié)果的真實性與精確性[17]。

記W=(w1,w2,...,wj)T為評價指標的權(quán)向量，構(gòu)建主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的任意線性組合：

Wk=η1α+η2β

(8)

式中：η1，η2為線性組合系數(shù)，ηk>0；{W|W=η1α+η2β,ηq>0,q=1,2}為評價指標全部有可能取值的權(quán)向量集。

建立權(quán)向量優(yōu)化模型，尋求最優(yōu)權(quán)向量：min|η1α+η2β-W(k)|2,(k=1,2)

(9)

其中，W(k)為第k種方案計算得到的基本權(quán)向量集合，因為在文中選擇G1法、改進熵權(quán)法確定屬性指標的主、客觀權(quán)重，所以W1=α，W2=β。

依據(jù)矩陣的微分相關(guān)性質(zhì)，計算獲得權(quán)重向量優(yōu)化模型最優(yōu)一階導數(shù)條件：

(10)

由式(10)計算可得到最優(yōu)組合系數(shù)(η1,η2)，并按下式對η1，η2作標準化處理：

(11)

最后，計算得出最優(yōu)組合權(quán)重：W*=η1*α+η2*β。

(12)

2 基于灰靶模型的績效評價模型

灰靶(Grey Target)模型是一種用于應(yīng)對模糊信息的多目標屬性決策方法[18]。其基本原理是在決策點中尋求一個標準模式，即靶心，分別計算各待評方案到靶心的接近度，即靶心距，并通過對比其大小對評價方案的優(yōu)劣程度排序[19]。

uij=[xijwj]

(13)

對第j列，將max{x1j,x2j,...,xmj} 所在行列位置的對應(yīng)值記為+uj，+uj即為灰靶決策方案的最優(yōu)效果向量，將其稱為決策屬性的正靶心。

+u= {+u1,+u2,...,+un}。

對第j列，將min{x1j,x2j,...,xmj} 所在行列位置的對應(yīng)值記為-uj，-uj即為灰靶決策方案的最劣效果向量，將其稱為決策屬性的負靶心。

-u= {-u1,-u2,...,-un}。

計算方案Ai的加權(quán)群正、負靶心距：

(14)

(15)

加權(quán)群正靶心距愈小、加權(quán)群負靶心距愈大，代表待評價方案愈優(yōu)。綜合考量加權(quán)群正、負靶心距，計算出各待評方案的群偏離靶心度Si，通過比較群偏離靶心度Si的大小得到各待評決策方案優(yōu)劣程度排序。

(16)

3 實例驗證

3.1 確定指標評價值及標準化處理

以某施工企業(yè)下5組BIM項目資料為樣本數(shù)據(jù)，得到評價指標體系。評價指標中，C2是成本型指標，其他指標則是效益型指標。5組項目待評指標屬性的原始數(shù)據(jù)見表3，按式(1)(2)標準化，最終獲得標準化矩陣X。

表3 待評項目各指標評價值及各權(quán)重

3.2 確定指標權(quán)重

利用G1法、改進熵權(quán)法依次計算得到主、客觀權(quán)重，再依據(jù)博弈論思想得到組合權(quán)重。結(jié)合式(8)—(10)計算得到主、客觀權(quán)重向量的最優(yōu)線性組合系數(shù)(η1，η2)，經(jīng)過標準化處理，最終確定為(0.7862，0.2138) ，并確定最優(yōu)組合權(quán)重W*。利用G1法、改進熵權(quán)法和博弈論組合賦權(quán)法分別計算得到的各權(quán)重見表3。

表4 各BIM項目的靶心距

3.3 確定綜合靶心距

根據(jù)max{x1j，x2j，…，xmj}原則確定指標正靶心，根據(jù)min{x1j，x2j，…，xmj}原則確定指標負靶心。結(jié)合式(14 )(15)分別確定5組待評價BIM項目的正、負靶心距，再結(jié)合式(16)計算出偏離靶心度Si，結(jié)果見表4。

3.4 結(jié)果分析

1)基于BIM的施工安全管理績效水平整體分析。從表4可以看出，項目1、項目3、項目5偏離靶心度Si值大于0.08，績效水平評價等級為優(yōu)秀；項目2、項目4偏離靶心度Si值較低，等級為一般。樣本中績效水平優(yōu)秀項目占總數(shù)的60%，一般項目占樣本總數(shù)的40%，說明該施工企業(yè)參與的項目基于BIM的施工安全管理效果整體較好，但也存有某些項目安全管理中BIM技術(shù)使用效果較差的情況。

為了更直觀地體現(xiàn)評價結(jié)果，本文依據(jù)Si值范圍設(shè)定基于BIM的施工安全管理績效水平評價等級標準，見表5。

表5 基于BIM的施工安全管理績效 水平評價等級劃分標準

2)基于BIM的施工安全管理績效水平項目個體分析。由表4可知，該企業(yè)5組項目其基于BIM的施工安全管理績效水平按照Si值從高到低依次為P3，P5，P1，P4，P2，與實際情況相符。

對于評價等級為優(yōu)秀的項目，項目3評價結(jié)果最好，是因為該評價項目的安全事故發(fā)生率最低，使項目在人員安全、事故控制等各方面都獲得了滿足，其次，項目的安全管理制度完善及落地性也較高，因此，績效評價水平優(yōu)秀。項目1評價結(jié)果較好的原因是其投資回報率較高，能夠使施工安全管理中應(yīng)用BIM技術(shù)投入的人力、物力、財力利用價值達到最大，沒有造成投入資源的浪費，并且項目的危險源動態(tài)識別與管控效果較好。對于項目5，其在投資回報率、安全事故發(fā)生率、施工安全資料完整度、業(yè)主滿意度等方面均表現(xiàn)良好，其評價結(jié)果因此相對較好。

對于基于BIM的施工安全管理績效水平較差的項目2和項目4，項目2雖然投資回報率與其他項目相比較高，但其在施工安全資料完整度、BIM人才培養(yǎng)、安全管理制度完善及落地性、加強各專業(yè)交流配合、安全管理提升效率方面與其他項目相比均較低，說明在該項目安全管理中，項目管理人員對項目管理資料、制度完善等重視不夠，BIM技術(shù)的人才培養(yǎng)和各專業(yè)交流配合度不高，安全管理效率提升情況較差，因此造成評價結(jié)果較差。項目4投資回報率與其他項目相比偏低，另外其在企業(yè)競爭優(yōu)勢提升方面效果也不明顯，說明該項目在施工安全管理中應(yīng)用BIM技術(shù)的投入沒有實現(xiàn)其最大效益，沒有很好地減少安全事故等造成的損失改善企業(yè)競爭優(yōu)勢，績效水平較差。

4 結(jié)束語

1)將BIM應(yīng)用到施工安全管理中可以有效實現(xiàn)項目協(xié)同和數(shù)據(jù)集成，解決傳統(tǒng)安全管理模式下的信息化程度低、各專業(yè)溝通不協(xié)調(diào)、安全管理效率低下等問題，為企業(yè)及社會節(jié)省巨大時間及經(jīng)濟成本。本研究結(jié)合現(xiàn)階段施工安全管理領(lǐng)域BIM的應(yīng)用特點，從財務(wù)、產(chǎn)品、組織、內(nèi)部管理流程、戰(zhàn)略5個層次構(gòu)建了基于BIM的施工安全管理績效水平評價指標體系，拓寬了平衡計分卡四維的理念，豐富了基于BIM的施工安全管理績效評價體系。

2)基于博弈論理念對G1法與改進熵權(quán)法計算得到的主、客觀權(quán)重優(yōu)化，降低了由單一權(quán)重計算方法可能造成的誤差，兼顧了客觀準確性與主觀可理解性，使得評價指標權(quán)重更加合理化。其次，引入灰靶模型建立績效水平評估模型，構(gòu)建了基于BIM的施工安全管理績效水平綜合評價模型，該模型能夠有效處理指標數(shù)據(jù)不清晰等不確定性問題，實現(xiàn)對評價指標的量化，更為準確客觀地反映各因素對基于BIM的施工安全管理績效水平的影響和具體項目所處的實際安全管理狀態(tài)，給施工企業(yè)衡量項目安全管理中BIM技術(shù)的應(yīng)用價值與項目前期BIM應(yīng)用效益目標的設(shè)定提供一種新思路。

3)通過樣本實例證明了該模型的可實施性，該方法能給施工企業(yè)評估項目基于BIM的施工安全管理模式的績效水平提供科學借鑒，并可根據(jù)評價結(jié)果及時達成對弱項環(huán)節(jié)的排查，對于施工企業(yè)評估安全管理績效水平，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，及時調(diào)整BIM技術(shù)實施決策具有良好的實踐意義，并能進一步促進BIM技術(shù)的行業(yè)發(fā)展。