装配式建筑施工建筑信息模型应用成熟度评价

董娜， 弓成， 熊峰

(四川大学 建筑与环境学院， 四川 成都 610065)

与传统建筑相比，装配式建筑因质量好、效率高、污染少、受气候环境约束小等特点，已经成为我国建筑业发展的重点方向[1].建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术作为提高建筑业信息化水平的重要手段，能够实现全过程、全方位的信息化集成与管理，装配式建筑的BIM应用也成为当前的研究热点[2].施工阶段的BIM应用直接影响装配式建筑的施工效率、质量和费用等关键问题.因此，有必要对装配式建筑的施工BIM应用成熟度进行评价.Lee等[3]通过总结不同的成熟度模型，研究适用于其所处环境的BIM成熟度评估程序和指标，用于评估设计公司BIM成熟度指标；Abanda等[4]论证了BIM在装配式建筑中的作用，同时探讨BIM技术应用在装配式建筑和传统建筑中的效益差别；曹新颖等[5]研究了装配式建筑构件生产的工艺流程与质量影响因素，建立BIM-RFID技术的构件质量管理信息系统及流程体系；李开[6]从业主方的角度出发，总结BIM在项目全生命周期中共有20个具体运用，并运用层次分析法和模糊综合评价法对国内10个典型项目进行BIM应用成熟度评价；张健等[7]研究了基于BIM的装配式建筑集成体系，提出装配式建筑中BIM成熟度发展层级.综上所述，当前研究主要集中在传统建筑领域的BIM应用成熟度和装配式建筑的BIM应用点上，而对装配式建筑施工BIM应用成熟度的研究尚未起步.本文在文献综述和装配式建筑BIM应用现状分析的基础上，构建装配式建筑施工BIM应用成熟度评价指标，并利用熵值法和灰色关联聚类，综合确定指标权重，引入云模型，建立装配式建筑施工BIM应用成熟度评价模型.

1 装配式建筑施工BIM成熟度评价指标的建立

1.1 指标建立思路

从装配式建筑的施工特点及装配式建筑施工项目管理需求出发，结合装配式建筑施工阶段BIM应用情况，建立装配式建筑施工BIM的评价指标体系.成熟度评价指标体系的构建思路，如图 1所示.

1.2 装配式建筑施工特点分析

装配式建筑具有人工成本低、效率高、工期短、质量高、对环境污染小、浪费少等优点[8].与传统建筑施工相比，装配式建筑施工现场构件多、吊装平面布置困难，同时现场存在大量装配作业，且对构件吊装要求高[7].装配式建筑现场吊装施工过程，如图2所示.

图1 成熟度评价指标体系的构建思路 图2 装配式建筑现场吊装施工过程 Fig.1 Establishment path of Fig.2 Assembly process of prefabricated maturity evaluation index building construction

1.3 装配式建筑施工项目管理需求分析

装配式建筑对各个管理目标下的实际管理需求，如表 1所示.基于项目管理视角，装配式建筑项目管理应满足进度、成本、质量、安全等四大基本管理目标， 且项目管理目标应与项目建造特点相适应.考虑到装配式建筑构件多、场布难、吊装要求高等施工特点，以及装配式建筑施工管理信息化、智能化、精细化的要求，装配式建筑施工BIM应用还应实现对项目的施工方案管理、现场管理、空间管理[9].

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

1.4 装配式建筑施工BIM应用

装配式建筑施工阶段应用BIM能够提高施工的效率和质量.当前，装配式建筑施工阶段的BIM应用有如下8个主要方面.

1) 构件信息化管理方面.装配式建筑构件数量繁多，将构件信息集成到BIM模型中，实现构件状态的记录、追踪、监控和管理，能够保证工程的顺利实现[10].

2) 场地布置方面.装配式建筑现场吊装构件及机械放置复杂，将BIM模型与场地模型集成，并结合吊装方案和进度计划，可以合理、高效地进行现场平面布置[11].

3) 吊装机械和复杂节点模拟方面.对于装配式建筑，节点处的连接是影响工程质量的关键因素，吊装方案合理可行是保证顺利吊装的基础；吊装机械模拟和复杂节点模拟有利于施工机械的合理选用和复杂节点的质量保证[12].

4) 虚拟施工方面.将构件的吊装进度与3D-BIM模型集成，形成4D-BIM模型进行虚拟吊装，可以优化吊装进度计划，确保吊装过程的顺利进行[13].

5) 资金使用计划和三算对比分析方面.将成本信息与4D-BIM模型集成建立5D-BIM模型，建立资源和资金需求计划并与实际信息进行对比分析，有效实现成本动态过程控制[14].

6) 安全培训及预警方面.基于BIM进行人员安全和现场安全教育培训，制定有效的安全管理措施，并将人员及现场实际信息与BIM集成，实现施工安全实时预警[15].

7) 沟通协调平台方面.基于BIM的可视化特点，通过BIM模型和协同平台，把项目中的业主、设计、施工、监理等各方有效连接在一起，实现实时高效的沟通[14].

8) BIM与其他技术结合方面.通过将BIM与企业资源计划(ERP)、3D扫描、混合现实技术(MR)、射频识别(RFID)，地理信息系统(GIS)等技术结合应用，实现建筑管理的精细化、智能化管理[16].

1.5 装配式建筑施工BIM成熟度评价指标

基于前述装配式建筑施工项目管理需求分析，将BIM应用点与需求相匹配，建立装配式建筑施工阶段的BIM技术应用成熟度评价指标体系，如图3所示.

图3 装配式建筑施工阶段的BIM技术应用成熟度评价指标体系Fig.3 BIM application maturity evaluation index system of prefabricated building

1.6 成熟度等级评价标准

不同评价模型的成熟度等级划分不同[17].能力成熟度模型(CMM)将成熟度划分为初始级、可重复级、已定义级、已管理级、优化级；Kerzner项目管理成熟度模型(K-PMMM)将成熟度划分为通用术语、通用过程、单一方法、基准比较、持续改进；组织项目管理成熟度模型(OPM3)成熟度模型分为标准化、测量、控制、持续改进4个级别；美国项目管理解决方案公司的项目管理成熟度模型(PMS-PM3)中，成熟度分为初始过程、结构和标准过程、组织和制度过程、管理过程、优化过程.

参考其他评价模型的成熟度等级划分，结合BIM应用水平差异大的实际情况，将装配式建筑施工BIM应用成熟度等级分为5个阶段.考虑到装配式建筑中BIM应用还处于起步阶段，与成熟阶段的差距较大，因此，在初始阶段和成熟阶段间设置成长阶段和提高阶段.在成熟阶段后设置优化阶段，此阶段能够实现基于BIM的智能化、自动化管理，是基于BIM的装配式施工管理的理想化状态[18].

基于当前的BIM技术水平和BIM应用情况，确定各成熟度等级评价标准，如表2所示.

表2 装配式建筑施工BIM成熟度等级评价标准Tab.2 Prefabricated building construction BIM maturity level standard

通过对各指标的成熟度等级评价标准进行具体描述，有利于确定各指标成熟度等级的隶属情况，提高评价指标体系在实际应用中的可行性，并根据成熟度评价标准确定成熟度提高路径.

2 BIM应用成熟度指标权重

2.1 基于层次分析法的初始权重

当前，我国装配式建筑的BIM应用相关标准及制度还不够完善，相关应用数据的收集存在困难.装配式建筑中的BIM应用仍处于探索阶段，利用客观数据确定指标权重可能会导致某些现在应用较少,对整个装配式建筑施工管理起到重要作用的指标权重偏低，因此，选取主观赋权法确定指标权重.

层次分析法(AHP)通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，并给出定量表示，最后确定各指标权重及重要性.层次分析法适用于当前数据收集困难，需要专家经验判断的研究情况[19].在层次分析法的基础上，通过熵权法和灰色关联聚类，对指标数据进行进一步的处理，综合考虑各专家的决策信息，权重确定更加合理.AHP是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法[20].层次分析法的基本步骤如下:1) 构造判断矩阵；2) 计算权重向量；3) 一致性检验.通过层次分析法确定每一位专家的初始权重.

2.2 基于熵值法和灰色关联聚类的权重

在层次分析法的基础上，利用熵值法和灰色关联度聚类法相结合，综合考虑各个专家的决策数据，更合理地确定专家权重.先通过灰色关联度聚类法对参与判断的多位专家聚类，再根据熵值法确定类内各个专家的权重，最终形成专家权重[21]，从而使看法相同、不确定性小的专家获得较大权重，确保专家信息的合理利用.

1) 灰色关联度聚类分析[19].设某专家利用AHP法给出的权重向量W=(ω1，ω2，ω3，…，ωn)T，其中，ω1,ω2，ω3，…，ωn表示该专家各个指标赋予的权重值.m个专家的权重向量构成标准矩阵Q为

(1)

对Wk(i≤j；i，j，k=1，2，…，m)，计算Wi与Wj的绝对关联度ei,j，得到关于专家变量的上三角矩阵R，即

(2)

(3)

取定临界值t∈[0，1]，当ei,j≥t(i≠j)时，则可认为Wi与Wj可以归为同类.阈值t越接近1，分类就越细，一般要求t>0.5.

类间赋权重时，考虑类的容量，对专家数量多的类，赋予的权重大;而对专家数量少的类，赋予的权重小.假设m个专家被分成q类，第k类(k=1，2，…，q)包含εk(εk≤m)个专家，则

(4)

式(4)中：εk为第k类专家个数；αk为第k类专家类间权重.

2) 熵值法确定类内权重.熵是系统无序程度的度量，熵值越小，表明决策数据的混乱程度越小，逻辑更清晰，起的作用也更大.因此,应对在同类的所有专家中，给出权重向量的信息熵值越小的专家赋予更大的权重.在有n个指标，m个评价者的评估问题中，将第j个评价者的信息熵定义为

(5)

式(5)中：ωi,j为AHP得出的各个专家赋予的指标权值.

第k类专家的类内权重βk，j为

3) 专家权重确定.专家权重由类间权重和类内权重共同确定，则第j位专家权重λj为

λj=αkβk，j，j=1，2，…，m.

构成的m位专家的综合权重矩阵为A=(λ1，λ2，…，λm).

2.3 指标综合权重确定

指标综合权重由专家的指标权重按照专家权重线性加权构成，最后形成综合权重向量P,即

P=(p1，p2，…，pn)T=Q·AT.

(6)

2.4 权重确定及其结果

通过专家访谈对指标进行两两比较确定权重，参与本次访谈的专家共计6名，包括高校专家2名，施工企业现场管理人员2名，业主方项目管理人员1名，工程咨询企业BIM管理人员1名.采用五标度打分法，其中某一专家的指标权重序列为

按照同样方法计算出各个专家给出的指标权重，得出标准矩阵Q为

1) 求类间权重.由标准矩阵Q求得专家群组的灰色关联矩阵R为

取定临界值t=0.985，得到{(1，2，6)，(3，5)，(4)}三类,进而求得类间权重:α1=0.643；α2=0.286；α3=0.071.

2) 求类内权重.各类内权重熵: 第一类为(1，2，6)，H1=[0.478，0.281，0.241]； 第二类为(3，5)，H2=[0.560，0.440]；第三类为(4)，H3=[1].则最终各个专家权重为

3) 求综合权重.按照式(6)，求得各个指标综合权重，如表3所示.

表3 指标综合权重Tab.3 Comprehensive weight of index

由表3可知：在7个一级指标中，安全管理权重最大，质量管理权重最低，其他各指标差异不大.由指标权重可以看出，当前基于BIM的安全管理尤为重要，而质量管理效益有待提升.在二级指标中，基于BIM的人员安全管理所占权重最大，对施工现场人员安全的重视程度极高，应当利用好BIM进行人员安全管理；基于BIM的场地布置和基于BIM的构件吊装进度管理的权重值都超过了0.095 0，其BIM应用情况对最后的成熟度评价等级有较大的影响.装配式建筑现场施工人员少，各参与方大量沟通协调工作在前期进行，基于BIM的现场沟通管理在装配式建筑施工中的重要性程度较于传统建筑施工阶段有所降低.装配式建筑构件大部分在工厂预制生产，生产条件好且需要通过出厂质量检验，因此，基于BIM的构件进场质量权重较小.

基于BIM的装配式建筑变更管理处在探索阶段，其重要性在所有指标中靠后.除此之外的二级指标权重处于0.050 0～0.080 0区间内，当BIM在人员管理、场地布置和构架吊装进度管理方面的应用水平提升程度有限时，应当考虑通过提高BIM在这一区间内的应用水平，从而实现装配式建筑施工BIM成熟度等级的提升.

3 基于云模型的BIM应用成熟度评价

3.1 云模型

云模型主要是利用期望Ex、熵En、超熵He等3个特征数值来描述一个定性概念，并通过云发生器实现定性和定量的相互转换.应用云模型进行成熟度评价能够体现评价过程存在的模糊性和随机性，也能较为全面地利用评价信息，减少评价结果的偏差.

3.2 评语云模型

建立评价等级集合V={V1，V2，V3，V4，V5}，将对应的评分标准区间定义为(0，1]，(1，2]，(2，3]，(3，4]，(4，5].通过区间数和正态云模型的转换关系式，得到反映各等级定性概念云模型的数字特征(Ex，En，He)[22].

文中采用二阶正态云模型.正态分布中，对于某一概念，其对应的云对象位于[Ex-3En，Ex+3En]之外的云滴为小概率事件，一般不予考虑.故Ex，En，He的计算式分别为

(7)

式(7)中：S为常数，根据评价语言模糊程度确定；Cmin，Cmax分别为分值区间的左、右边界.

表4 成熟度等级评语云模型Tab.4 Maturity level review cloud model

S取0.01[23]，设置云滴数N为1 000，由各成熟度等级的评分标准和数字特征得到成熟度等级评语云模型，如表4所示.

3.3 确定隶属度

综合考虑所有评价人员的评价结果，可得到综合单一指标成熟度隶属度μi，j，l为

(8)

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

3.4 确定成熟度等级

建立二级指标成熟度隶属度矩阵Ci=(μi,1，μi,2),i=1，2，…，7.对应指标层的权重矩阵分别为Pi=(pi,1，pi,2),i=1，2，…，7.准则层隶属度矩阵为D=(D1，D2，…,D7)，D1，D2，…，D7为一级指标的各成熟度等级隶属度矩阵，则

Di=PiCi，i=1，2，…，7.

(9)

一级的指标权重矩阵为E=(E1，E2，…,E7)，E1，E2，…，E7为一级指标的权重，则项目综合隶属度矩阵G为

G=ED=(g1，g2，g3，g4，g5).

(10)

式(10)中：g1，g2，g3，g4，g5为评价结果对成熟度各个等级的隶属度，根据最大隶属度原则确定项目成熟度等级.

4 工程案例

4.1 案例背景

该项目为地上6层，地下1层的办公楼用房，框架结构，建筑面积为6 500 m2.地下部分采用传统混凝现浇方式施工，地上部分采用装配式施工方式，预制范围包括柱、叠合梁、叠合楼板、外墙板、楼梯、女儿墙，单体预制率约为65%.

4.2 成熟度评价

邀请参与该项目的10位专家进行评分，其中，施工项目管理人员3名、施工企业管理人员2名、业主方管理人员2名、工程咨询人员1名，BIM研究专家2名.依据表4建立的评语云模型计算，得到成熟度等级隶属度，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].

对应指标层的权重矩阵为Pi(i=1，…，7)，则指标层的成熟度等级隶属度为

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].

总的评价结果为

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

根据最大隶属度原则，该项目的施工BIM应用成熟度等级处于成长阶段，其对于提高阶段的隶属度0.285 1大于初始阶段的隶属度0.136 4，可以看出该项目的BIM应用水平由成长阶段向提高阶段发展的趋势.

相较于其他方面，BIM装配式建筑施工管理下的质量管理、施工方案管理和空间管理中应用水平总体较低.该项目想要提高装配式建筑施工BIM应用成熟度，首先，应当考虑提高BIM在质量管理、施工方案管理和空间管理中的应用水平；然后，结合各二级指标的隶属度情况和成熟度等级评价标准，确定其所处阶段及提升路径.

以施工方案管理中基于BIM的吊装机械模拟为例，由C4可以得出，其目前处于成长阶段.根据成熟度等级评价标准，可以判断该项目应用BIM能够实现吊装机械运行模拟，而下一成熟度阶段要求该项目应用BIM实现吊装机械需求计划的制定.由此可以得出，基于BIM的吊装机械模拟成熟度提升路径，将吊装机械运行模拟模型和装配式建筑实际建造模型相结合，进行施工模拟；确定吊装机械的基本需求如数量、型号、类型等，并根据时间信息，确定各个阶段现场实际施工机械的种类及数量；最后，安排合理机械进出场，实现基于BIM的吊装机械需求计划制定，使基于BIM的吊装机械模拟成熟度由成长阶段向提高阶段发展.

5 结束语

BIM与装配式建筑结合有助于建筑业转变传统的粗放型生产方式.针对当前装配式建筑BIM应用水平差异大、应用效果不明显的问题，从施工阶段入手，建立装配式建筑施工BIM的成熟度评价模型.该模型能够全面量化评价项目的BIM应用情况，并根据成熟度评价标准，确定提升路径.同时，还可以作为新建项目BIM应用目标和实施规划的参考，有助于促进BIM在装配式建筑中的深度应用，从而实现建筑业的精益建造.