基于COWA-模糊集对的BIM绿建运维管理综合效益分析*

李忠富，李州扬，戴利人，蔡 晋

(1.大连理工大学建设管理系，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023)

相较于传统建筑而言，绿色建筑需投入的成本往往更加高昂，但综合考虑实际应用中所产生的长远效益时，绿色建筑会比常规建筑更加经济[1]，因此应当将绿色建筑项目控制的重心更多地落实到效益产出的运营阶段。建筑的运营维护阶段涉及众多利益相关者，各相关方之间的信息交互与传递亦十分复杂，因此有学者提出可以将BIM技术引入到运维管理中[2]。

BIM(building information modeling)是表征建筑几何信息、物理信息和功能特性的数字化共享模型，具有可视化、模拟性、协调性、优化性等特点，能够加强各参与方之间的信息沟通与协同管理，从而进一步提高建筑运营的效率与质量[3]。虽然BIM的价值应当贯穿建筑的全生命周期，且很大程度体现在运营阶段，但国内外对BIM的研究主要还是集中在设计阶段与施工阶段。现有研究中关于BIM在建筑设计阶段的内容较为丰富，涵盖结构设计[4]、机电管线设计[5]、室内装修设计[6]、多方协同设计[7]等方面的内容。针对施工阶段，研究聚焦BIM在进度管理[8]、资源管理[9]以及施工冲突分析[10]中的应用。

国内学者对BIM技术在运营管理中的应用进行过一些探索，如胡振中[11]研究了国内外BIM运维的应用现状，认为BIM技术在运维阶段的应用总体上还处于初级阶段；纪博雅[12]验证了BIM技术应用于运营设备管理的优越性；韩继红等[13]对物业管理的诉求进行调查，挖掘出BIM技术对绿色建筑智慧运营新模式的应用价值。有学者指出，BIM效益产出不明确使得企业参与的积极性不高，从而在一定程度上影响了BIM的推广应用[14]。运维阶段是绿色建筑中时间周期最长、成本占比最大的阶段，因此在运维阶段应用BIM技术能够最大限度提升效益。由于当前BIM在运营管理中还有很大应用空间，所以应当关注于对BIM产出效益的定量化研究。

本文结合绿色建筑运营特点，充分考虑BIM技术应用于绿色建筑运营阶段所能产生的效益影响因素，构建BIM绿建运维管理综合效益评价指标体系，并使用COWA算子进行效益指标的重要性排序，引入集对分析理论描述效益指标与评价标准之间的关联度，从而实现BIM在绿色建筑运营阶段的综合效益评价，使评价结果更为明确，为BIM应用于绿色建筑运维管理提供评价依据。

1 BIM绿建运维管理综合效益评价指标体系

本文将BIM技术应用于绿色建筑运维管理阶段所能产生的价值点进行归纳总结，从经济、社会、环境3个层面对BIM产出效益进行概述。

1)经济效益

经济效益是指由BIM技术带来的、能为其投资主体带来的经济利益，是在绿色建筑运维管理过程中应用BIM技术能够产出的与资源节约和物业管理相关的效益。从资源节约角度上看，BIM技术能通过对设备的精细化管控和能耗监控达到节约资源和能源的目的。从物业管理角度上看，BIM作为信息集成平台为运维人员提供了资源共享途径，高效的信息沟通与业务协同可以显著提升管理人员和维修人员的工作效率。此外，BIM技术在制定设备维护方案和建筑日常运行管理中的应用也在一定程度上减少了绿色建筑的物业管理成本。

2)环境效益

环境效益是指在运营阶段应用BIM技术而使绿色建筑在环境治理中节约的货币化效益以及周边居民的健康效益。建筑运营过程中产生的大气污染物、碳排放以及热岛效应会给人类正常的生产生活和身体健康带来不利影响，借助BIM技术对绿色建筑运营过程进行仿真，能够恰当改变其运营管理模式，在满足室内空间正常使用的前提下，减少能源浪费与不合理的设备使用，从而减轻对室外环境的不良影响。借助与BIM平台相关联的传感装置，可以及时探测建筑内部的光环境、声环境以及PM2.5，PM10等室内主要污染物浓度，并通过及时的新风措施改善空气质量，为用户提供满意的工作生活空间。

3)社会效益

社会效益是无法用货币衡量的间接价值，是指不仅属于投资者，而且能与社会其他成员共享的效益。在应对火灾等灾害时，传统运维管理主要采用响应和救援等事后控制方式，而BIM技术能够通过模拟演习、险情定位对灾害进行预防和报警，以事前和事中控制的方式减少损失。BIM技术在建筑资产管理和资料与信息管理中也有广阔的应用空间，这些价值点在一定程度上也能对相关的标准、规范和评估体系起到完善作用。此外，BIM出色的可视化和优化性能可提高用户体验的满意度，通过提升用户认知对BIM应用进行宣传和推广。

构建合理的评价指标体系是进行综合效益评价的前提和基础，本文通过归纳总结BIM技术产出价值，提炼出如图1所示的综合效益评价指标体系。由于指标体系中包含许多定性衡量指标，因此本文使用COWA算子对评价指标进行赋权，再通过模糊四元联系数对指标进行量化，最后将评价指标的权重与模糊四元联系数合成运算得到方案评估的结果。

图1 综合效益评价指标体系

2 基于COWA算子的指标赋权

本文所构建的BIM绿建运维管理综合效益评价指标体系包含10项二级指标和32项三级指标，因此，在综合效益评价流程中为众多指标选取合理的赋权方法至关重要。常用的指标赋权方法如层次分析法比较适合指标要素较少的项目，熵值法受主观因素影响较小，但需要的样本信息量大，因此需要采用其他方法进行指标赋权。本文所构建的综合效益评价指标体系三级指标数量较多，主客观指标信息不完备，引入COWA算子对指标进行赋权，不仅可以处理多指标之间的重要性排序，还可以削弱专家偏好对指标打分造成的不利影响，能够最大限度地保证指标赋权的合理性与准确性。

COWA算子是由我国学者徐泽水在OWA算子的基础上改进而来的区间组合数有序加权算子，其内涵是充分结合属性加权与位置加权的方法对数据进行处理，通过对评价值的重新排序将可能影响评价结果的极端值放置于影响程度较小的位置，避免由于数据信息量较少而引起的某些指标的权重计算结果偏差，从而最大限度地减少主观偏差对赋权结果造成的不合理影响[15-16]。采用COWA算子进行赋权的计算过程如下。

1)确定指标评分数据集

邀请n位专家对BIM技术在绿建运维中综合效益评价指标Nτ的重要性打分，得到数据集(a1,a2, …,ai, …,an)。将得分数据按照从大到小的顺序重新排序，并以0作为起始序号进行新的编号，得到新的数据集(b0,b1, …,bj, …,bn-1)，其中b0≥b1≥bj≥bn-1。

2)计算加权向量

(1)

3)计算绝对权重

(2)

4)计算相对权重

(3)

3 基于模糊集对的综合效益评价模型

集对分析理论是从同、异、反3个侧面来刻画2个不同事物之间相互关系的一种分析方法，其核心是将事物之间的确定性联系描述为同一性联系与对立性联系、将不确定性联系描述为差异性联系进行系统研究与分析[17]。模糊综合评价是将边界不清且不容易量化的因素进行量化的一种综合评价方法，其核心是构造等级模糊子集来量化反映被评价事物的指标，并通过模糊变换原理将各指标进行综合。

模糊集对分析需把指标值原始数据进行分析与综合得到一个模糊四元联系数，将模糊四元联系数与指标的权重值进行合成计算，得到基于集对分析理论的评价结果以判断项目的优劣等级[18-19]。具体计算步骤如下。

1)确定评价对象的指标集X

X={X1,…,Xi,…,Xn},i=1,2,…,n

(4)

2)确定评价标准集D

D={D1,…,Dj,…,Dm},j=1,2,…,m

(5)

本文取m=4，即D1代表“优秀”，D2代表“良好”，D3代表“中等”，D4代表“合格”。

3)建立四元联系数μ

μ=a+bi+cj+dk

(6)

式中：a为同一度；b为偏同差异度；c为偏反差异度；d为对立度；i和j为差异不确定系数；k为对立系数。其中a，b，c，d∈[0,1]，且a+b+c+d=1；i∈[0,1]，j∈[-1,0]，k=-1，有时i，j，k不取值，仅作为符号标记。

本文的评价指标均为效益型指标，在参考文献[18-19]的基础上确定计算公式，指标Xi相对于标准等级Dj的四元联系数如下：

(7)

式中：v1,i,v2,i,v3,i为评价标准集D中的优秀，良好，中等等级的门限值；Xi为评价指标值。

4)确定综合评价公式

(8)

式中：W代表权系数向量；R代表同异反多元测量评价矩阵；E代表联系分量系统矩阵。

4 算例分析

本文选取上海某绿色建筑为算例样本，建筑类型为普通办公建筑，该项目应用智慧园区综合管理平台，能够实现管理、设计、施工和运维全过程的BIM控制。

4.1 基于COWA算子的指标赋权

为了确定各项指标的权重，本文组建专家小组获得了18位专家的评分数据(见表1)，运用COWA算子对指标权重进行处理，得到各级指标权重。现以一级指标的计算过程为例，以指标N1为例对评价指标的权重进行计算。先对专家评分数据按照从大到小的顺序重新排列，得到新的数据集(5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 4, 4, 4, 3, 3, 3, 3)。

表1 一级指标权重专家打分数据

同理可求得各二级指标和三级指标权重值，将各层级指标进行合成运算后得到各项指标权重的最终权重结果。

4.2 基于模糊集对的综合效益评价

根据相关文献研究以及BIM运维项目发展现状，本文将BIM绿建运维管理综合效益评价分为4个等级，即优秀、良好、中等、合格。根据评价标准等级的设定，将指标数据以区间分级的方式进行等级划分。定性指标以专家打分的方式获得数据，定量指标以实际数据为基础进行无量纲处理。以社会效益为例进行算例演示，效益指标值和评级标准如表2，3所示。

表2 评价指标表现值

表3 评级标准

根据式(7)计算社会效益指标相对于评价标准D的四元联系数，将评价矩阵与指标权重合成运算得到社会效益维度下评价结果Y：

(9)

根据四元联系数考虑评价结果时，按均分原则将差异不确定系数i，j和对立系数k的取值确定在三等分点处，即i=0.333，j=-0.333，k=-1，代入评价结果得Y=0.415 8。

归一化后联系数Y的取值范围为[-1, 1],依据均分原则将优秀，良好，中等，合格4个等级的联系数范围划分为4个区间[0.5, 1]，[0, 0.5)，[-0.5, 0)，[-1, -0.5)。

本文得出的社会效益维度评价结果在区间[0, 0.5)内，评定结果为良好。

同理求得经济维度评价结果Y=-0.667 0，评定结果为合格；环境维度Y=-0.074 9，评定结果为中等。BIM绿建运维管理综合效益Y=-0.144 1，总评定结果为中等，可知BIM应用效果符合预期。在算例计算过程中有以下发现。

1)在权重计算中，专家对经济效益赋予的重要度更高，对社会效益的关注度相对较少。

2)将专家评分和估算数据代入评分结果中，BIM技术在绿建运维管理的社会效益中应用效果最好，达到良好等级；在经济效益中的表现相对较差，仅达合格等级。

3)经济效益所占重要性最高，但表现值最差，因此在实际项目应用中应对BIM平台和传感器等进行合理布控，简化运维人员工作流程，在控制成本投入的基础上对运维成本进行优化管控。

5 结语

本文借助COWA算子对BIM绿建运维管理综合效益评价指标进行赋权，依据模糊四元联系数建立了综合效益评价模型与方法，计算过程简洁，结果较明确。通过本文的评价方法，不仅能够得出综合效益的评价等级，还可细分得到经济、环境、社会各维度的评价等级，通过明确细分结果抓住问题核心，从而有针对性地提出相应的效益提升策略。