周 潔, 張哨軍

武漢工程大學, 湖北 武漢 430074

0 引言

我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]強調(diào),我國建筑業(yè)發(fā)展要由大規(guī)模增量建設(shè)轉(zhuǎn)為存量提質(zhì)改造和增量結(jié)構(gòu)調(diào)整并重,從“量”的擴張轉(zhuǎn)向“質(zhì)”的提升,這需要推進智能建造技術(shù)在工程項目全壽命期的應用。近年來,建筑信息模型(BIM)在國內(nèi)外得到了廣泛應用和推廣,歐美等發(fā)達國家的建筑行業(yè)在一些大型建筑項目的設(shè)計和施工階段能成熟應用BIM技術(shù),政府也通過發(fā)布法規(guī)和政策來推動BIM技術(shù)的應用。我國政府也高度重視BIM技術(shù)的發(fā)展,發(fā)布了一系列政策文件支持BIM的推廣和應用。BIM在中國建筑行業(yè)中,包括設(shè)計、施工、運營等各個環(huán)節(jié)都得到應用。

文化設(shè)施項目大多為公共建筑,有著項目規(guī)模大、投資金額高、成本難控制、項目管理要求高[2]等特點。而項目的施工階段是工程建設(shè)項目管理參與方最多的一個階段,也是使圖紙變成實物的關(guān)鍵階段,涉及成本、進度、質(zhì)量、安全等全方面的項目管理問題[3]。基于以上背景,本文將建立一個文化設(shè)施項目施工階段BIM應用的成熟度評價體系,以期推進BIM在該類項目中能得到更好的應用。

1 模型構(gòu)建步驟

1.1 能力成熟度等級劃分

最早的成熟度評價模型是1986年由卡梅隆大學的軟件研究所提出的軟件能力成熟度模型(Capability Maturity Model,CMM)[4],用于評估和改進組織軟件開發(fā)過程成熟度的工具。該模型通過5個不同的成熟度級別來描述組織的軟件開發(fā)過程,達到使軟件開發(fā)過程標準化、科學化的目的。本文通過文獻搜索并結(jié)合文化設(shè)施項目施工階段BIM應用現(xiàn)狀,對能力成熟度等級進行了劃分,如圖1所示。

圖1 文化設(shè)施項目施工階段BIM應用能力成熟度等級

1.2 指標體系的選擇

通過文獻總結(jié)法將“文化設(shè)施項目施工階段BIM應用成熟度評價”這一研究對象劃分為幾個關(guān)鍵詞進行搜索,將文獻中的指標用表格的方式進行總結(jié),并結(jié)合專家調(diào)查法,本著全面性、針對性、獨立性原則進行指標篩選,并總結(jié)出適用于文化設(shè)施項目施工階段BIM應用的指標體系。

1.3 成熟度模型建立

本文使用粗糙集理論確定指標權(quán)重,建立標準云模型進行成熟度評價。其中,粗糙集相較于其他權(quán)重確定方法,在處理問題的過程中只利用原本就存在的數(shù)據(jù),通過屬性約簡除去冗余的屬性,使結(jié)果更加客觀;云模型利用正向云發(fā)生器將云參數(shù)變?yōu)樵频尾⑿纬稍茍D,直觀地反映評價結(jié)果。

2 相關(guān)理論概述

2.1 粗糙集

粗糙集理論是由波蘭科學家、數(shù)學家Pawlak在1982年提出來的[5],主要思想是在讓分類的能力保持不變的基礎(chǔ)上,通過屬性知識約簡的方式導出問題決策的分類規(guī)則,用于處理不完備、不確知和不精確的信息,主要涉及集合論、模糊集理論和近似推理等數(shù)學方法。

粗糙集理論作用于指標的權(quán)重確定時,可分為以下一般步驟[6]。

2.1.1 構(gòu)建決策表

2.1.2 基于粗糙集理論的屬性簡約

粗糙集的屬性簡約在確保原始信息庫分類功能不變的前提下,通過刪除某些冗余屬性,減少數(shù)據(jù)集中的不必要信息,從而提高數(shù)據(jù)分析的效率和準確性[8]?；诖植诩碚摰膶傩约s簡過程中涉及到約簡(reduction)和核(core)2個基本概念。設(shè)Q是一個等價關(guān)系族,q∈Q,有ind(Q)=ind(Q-{q}),則稱q在Q中是可被約去的知識,稱q在Q中是不必要的,否則稱q在Q中是必要的。Q中所有不可被約去的必要約簡red(Q)構(gòu)成Q的核集core(Q),有core(Q)=∩red(Q)。本文采用典型屬性約簡。

2.1.3 歸一處理得到屬性權(quán)重

基于粗糙集理論中的屬性依賴度的概念,定義指標體系U上決策指標對條件指標C的依賴度為:

(1)

式中:|U|為約簡后指標的數(shù)量,γC(D)越接近1就表示D對C的依賴程度越大。

計算剔除某一指標Ci之后決策指標D對條件指標C-ci的依賴程度為:

(2)

第i個指標對決策指標的重要性可表示為:

σCD(ci)=γC-γC-ci(D)

(3)

其中i=1,2,…,m。

歸一化運算第i個條件指標的權(quán)重系數(shù)為:

(4)

2.2 云模型

云模型理論主要涉及到云數(shù)字特征和云發(fā)生器2個核心內(nèi)容[6]。云模型是一種反映綜合評價的隨機性與模糊性的決策方法,通過云發(fā)生器實現(xiàn)定性到定量的相互轉(zhuǎn)換[9],主要使用期望Ex、熵En和超熵He3個數(shù)字特征來描述一個定性概念。在利用云模型評價成熟度時,需要建立標準云模型作為評價基礎(chǔ)。

其數(shù)字特征(Ex,En,He)的計算如下。

(5)

采用加權(quán)平均算術(shù)法將各指標層的評語云(子云)轉(zhuǎn)化為要素層的評價云(子云),最終轉(zhuǎn)化為目標層的綜合云(父云)[10],其轉(zhuǎn)化計算公式如下。

(6)

3 指標體系的選擇及模型建立

3.1 確定評價指標

通過上述方法,可歸納總結(jié)出適用于文化設(shè)施項目施工階段BIM應用的指標體系。由于篇幅限制,這里直接給出指標選擇結(jié)果(見表1)。

表1 文化設(shè)施項目施工階段BIM應用成熟度評價指標

3.2 基于粗糙集的評價指標權(quán)重確定

3.2.1 構(gòu)建決策表

為了使分析更具真實性,減少專家的主觀隨意性,本文采取線下一對一發(fā)放問卷調(diào)查法,邀請10位行業(yè)經(jīng)驗豐富的工作者,采取0-1打分法生成原始的信息決策表,其中0表示不重要,1表示中立,2表示重要,此種方式得到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù),在一定程度上減少專家對指標的主觀影響。由于篇幅原因,這里只例舉施工前準備的二級指標決策表(見表2)。

表2 施工前準備的二級指標決策評價數(shù)據(jù)

其中:U={1,2,…,10}為論域,C={A1,A2,…,A6}為條件屬性,D為決策屬性。

3.2.2 基于粗糙集理論的屬性簡約

根據(jù)條件屬性與決策屬性將粗糙集的知識劃分論域,劃分結(jié)果如表3所示。

表3 施工前準備基于屬性的信息系統(tǒng)劃分

根據(jù)粗糙集的典型屬性約簡算法,可得到信息系統(tǒng)劃分結(jié)果,如表4所示。

表4 施工前準備剔除某條件屬性后的信息系統(tǒng)劃分

由表4可得:pos{C-{Ai}}(D)≠posC(D) (i=1,2,…,6),所以C的D核為{A1,A2,A3,A4,A5,A6},即無需對施工前準備的二級指標進行約簡,同理經(jīng)驗證可得,對其他一級指標下的二級指標也無需約簡,也驗證了上文提到的指標選取原則。

3.2.3 歸一處理得到屬性權(quán)重

根據(jù)式(1)～(4)計算指標權(quán)重。

ω(A4)=ω(A5)

綜上,得到施工前準備下指標權(quán)重分配向量。

ωA=(A1,A2,A3,A4,A5,A6)=(0.125,0.125,0.250,0.125,0.125,0.250)。

同理可得其他要素層下指標層的權(quán)重分配向量。

ωB=(B1,B2,B3,B4)=(0.267,0.267,0.267,0.200)

ωE=(E1,E2,E3,E4,E5)=(0.231,0.231,0.231,0.154,0.154)

ωF=(F1,F2,F4,F5)=(0.182,0.182,0.182,0.273,0.182)

ωH=(H1,H2,H3)=(0.333,0.333,0.333)

ωN=(N1,N2,N3,N4)=(0.235,0.235,0.294,0.235)

根據(jù)問卷調(diào)查可得到要素層(一級指標)的判斷矩陣,借助Matlab由矩陣的幾何平均法求得權(quán)重ω=(A,B,E,F,H,N)=(0.165 9,0.186 2,0.186 2,0.165 9,0.147 8,0.147 8)。

3.3 基于云模型的成熟度評價

3.3.1 建立標準評價云模型

本文在建立評價云模型時,基于云模型的理論,采用黃金分割法在評分標準分值區(qū)間[0,1]上劃分等級,通過區(qū)間數(shù)和正態(tài)云模型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到各級定性概念云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)。

由二階正態(tài)云發(fā)生器,將成熟度評價標準分值區(qū)間的數(shù)值特征和云滴數(shù)N得到相應的評價云,本文云滴數(shù)N設(shè)置為1 400,得到標準評價云模型如表5所示,標準評價云云圖如圖2所示。

表5 標準評價云模型

圖2 標準評價云云圖

3.3.2 評價方法

根據(jù)不同的實際項目,邀請與項目相關(guān)的人員進行指標打分,將定性的指標定量化,利用3.2節(jié)的計算方法得出數(shù)字特征(Ex,En,He),基于標準評價云云圖,借助Matlab利用正態(tài)云發(fā)生器將云參數(shù)變?yōu)樵频尾⑿纬稍茍D,根據(jù)可視化云圖得出評價結(jié)果,決策者根據(jù)評價結(jié)果提出改進措施。

4 案例分析

某體育活動中心由訓練館、競賽廳及配套設(shè)施組成,為文化設(shè)施項目,其建筑總長度214 m,總寬度117 m,總高度29.14 m,總建筑面積37 200 m2,是一個綜合體育場館。

為評價該項目施工階段BIM技術(shù)應用情況,邀請6名本項目相關(guān)工作人員進行打分,由云模型的定義及公式,借助Matlab進行數(shù)據(jù)分析,可以得到此項目的各層評價云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He),其目標層云模型的數(shù)字特征(Ex,En,He)=(0.419 7,0.270 5,0.033 4),將目標層數(shù)字特征帶入標準評價云模型中,其評價云云圖如圖3所示,可判斷出本項目施工階段BIM應用成熟度為認知級與重用級交叉處?；诒疚牡陌咐?應更好地建立BIM應用體系,利用BIM與各參與方各專業(yè)協(xié)同化作業(yè),技術(shù)工作與管理工作應加快實現(xiàn)標準化文檔化的步伐。

圖3 評價云云圖

5 結(jié)束語

在其他BIM應用成熟度評價方法中,儲天罡[11]利用AMOS軟件、采用修正指數(shù)法求得潛在指標權(quán)重,利用云模型進行成熟度評價,分析出某一項目施工過程BIM成熟度等級為2級,即集成BIM。李妍蓓[12]利用層次分析法和熵權(quán)法確定權(quán)重,采用云模型進行成熟度評價,通過案例分析出某水廠擴建項目運維階段BIM應用為提高階段。與這些方法相比,本文提出的粗糙集-云模型評價方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果更加簡潔明晰,評價結(jié)果更為清楚明確。

通過粗糙集-云模型方法建立的BIM應用成熟度評價模型,能有效地評價出文化設(shè)施項目在施工階段的BIM應用情況,決策者可以根據(jù)評價結(jié)果提出改進措施,通過這些措施促使項目更加順利的建設(shè)。該模型可推進BIM技術(shù)在文化設(shè)施項目中的更好應用,本文也根據(jù)實例驗證了該模型的適用性,但研究存在一定的局限性,有待進一步完善修正BIM評估模型。