国产BIM建模软件发展的思考：基于PCA的影响因素研究

陈 珂 陈强健 杜 鹏

(华中科技大学 土木与水利工程学院，武汉 430074)

引言

BIM技术作为建筑业高质量发展的重要支撑，受到全球建筑业的广泛关注。2020年，国家住房和城乡建设部等13个部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，将积极应用自主可控的BIM技术确立为提升我国建筑业信息化水平的重点任务[1]。BIM技术的应用离不开各类BIM软件[2]。其中，BIM建模软件(例如Autodesk Revit、PKPM BIM等)用于创建工程建造项目的数字化信息模型，为完成后续一系列基于BIM技术的工程分析与管理任务提供信息基础。在工程建造项目全生命周期中，各参与方基于BIM模型形成的统一信息平台进行有效地沟通，强化上下游协同工作[3]。

当前，我国建筑业使用的BIM建模软件既有国产软件也有国外软件。但是，相较于国外软件，国产BIM建模软件存在整体实力较弱、核心技术缺失等诸多问题，市场份额被国外软件占据，这直接导致我国建筑业面临技术“卡脖子”的风险。考虑到工程建造项目全生命周期蕴含着大量数据，长期依赖国外BIM软件使得关键数据的安全得不到保障。面向国家总体发展要求以及建筑业高质量发展规划，我国对高水平国产BIM建模软件的需求越来越迫切。在此背景下，有必要厘清影响国产BIM建模软件发展的各类因素以及因素间的系统性构成，从而提出针对性应对措施，助力国产BIM软件的发展。

近年来，国内外学者从应用企业角度研究了BIM软件的发展，如Jongsung Won 和Ghang Lee[4]认为“对需求的满足度”、“协同性”、“易用性”是软件改进的重点； Lonny Simonian和 Thomas Korman[5]指出“工程数据安全及信息权限”应当被重点关注； 黄亚江[6]则着重考虑“软件费用”、“过程服务”以及“软件适用性”。这些研究为BIM建模软件研发提供了一定的导向作用，但大多仅从单个维度进行论述，结论相对较为片面。另外，我国学者针对软件产业发展的影响因素展开了论述，如江勇[7]认为“核心技术”、“产业链合作”、”政府引导”等对软件发展有重大影响； 倪光南[8]指出“市场、软件协同、人才和投资”是软件发展中的关注重点。但该类研究并非针对BIM建模软件，且多为定性研究，也缺乏因素间的评级与层次关系。综上，当前缺乏系统论述国产BIM建模软件发展影响因素的研究。

本文立足于现有软件产业研究的相关成果，以系统论的观点将国产BIM建模软件的发展看作各种影响因素下的复杂结果，旨在通过文献分析、专家论证识别国产BIM建模软件发展影响因素。进而开展问卷调研，基于主成分分析提取关键因素，最终结合专家访谈解读关键因素，为国产BIM建模软件发展路径规划提供方向。

1 国产BIM建模软件发展影响因素识别

基于中国知网、Scopus等数据库，本研究通过检索“软件发展”、“软件国产化”、“Software Development”等关键词，筛选出23篇高相关度的学术论文，从政策环境、市场环境、研发经营和核心技术4个维度初步归纳出影响软件发展的潜在因素。为了进一步识别国产BIM建模软件发展的影响因素，并明确因素所指代的含义，本研究在文献检索的基础上，充分结合7位专家的意见(专家信息如表1)，对各影响因素进行充分论证、修订与完善，根据少数服从多数原则，确定了28个影响国产BIM建模软件发展的因素(见表2)。

表1 论证专家基本信息

表2 BIM建模软件发展的影响因素

2 基于主成分分析的关键因素识别

2.1 模型介绍

主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)旨在利用降维思想，把多个无序、分散的指标转化为少数几个综合性的指标，以较少的指标反映原数据的大部分信息，且所含的信息互不重叠[30]。该方法广泛应用于多变量分析场景，能在保证初始国产BIM建模软件发展影响因素所含信息完整性的前提下，简化影响因素体系，更有利于揭示国产BIM建模软件发展影响因素的特征和内在规律，因此适用于本研究的分析工作。

主成分分析的计算步骤如下：

(1)每个数据减去均值后除以标准差，得到标准化后的序列；

(2)在标准化处理变量数据的基础上，计算相关系数矩阵：

(1)

其中，xij(i，j=1，2，…，n)为原因素xi和xj的相关系数，其计算公式为:

(2)

(3)计算相关系数矩阵X的特征值λi及对应的特征向量μi(i=1，2，…，n)；

(4)计算各个特征值λi的主成分贡献率wi及累计贡献率ai：

(3)

(4)

(5)选择主成分，计算主成分荷载，进行综合分析。主成分荷载计算公式为:

(5)

2.2 问卷设计

本研究通过网络问卷的形式，邀请具有丰富BIM建模软件研发和使用经验的行业专家，就28个因素对国产BIM建模软件发展的影响程度进行评定，评分采用从0(无影响)至4(影响重大)的五分制。问卷调研从2019年10月开始到2019年12月结束，通过腾讯问卷平台共收回来自全国29个省份81家单位的249份数据。然后，通过三个原则剔除问题问卷：1)答题时间短于100s(平均用时的1/2)； 2)答题结果不完整； 3)答题结果呈现强规律性。同时，考虑到人员知识和经验对因素评定的影响，本研究只筛选出工作经验在5年以上的人员问卷用作分析。最终筛选出150份问卷进行下一步分析，这些问卷对应受访人员的具体工作年限分布见表3。

表3 问卷受访人员工作年限情况

2.3 数据显著性分析

根据标准化处理后的数据，本研究进行数据信度和效度的检验。变量之间的相关性由KMO和Bartlett球度检验方法判定，若KMO统计量大于0.7或Bartlett球形度检验的显著性概率p<0.05，则表明样本数据效度良好，适用于主成分分析[31]。本研究数据效度检验结果如表4所示，其中KMO统计量为0.872，Bartlett检验中显著性为0.000，该结果说明采集到的问卷数据适合主成分分析的降维处理。

表4 KMO 和Bartlett检验

2.4 主成分分析与建模

利用SPSS25.0软件分析各因素间的相关程度，输出主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率，进而提取主成分，结果如表5所示。前6个主成分解释的总方差达到71.599%(多因素前提下，方差累计贡献率达到70%～80%，则认为提取合理)，保留了原有因素的大部分信息，因此可以用这6个主成分代替原有的28个影响因素进行后续研究。

表5 主成分特征值和方差贡献率

对因子荷载进行旋转可以使提取出的主成分更具代表性、界定更加清晰[32]。本研究采用最大方差法，经旋转6次迭代后因子收敛，具体因子荷载如表6所示。

表6 旋转成分矩阵

从荷载情况得出，x8～x15在第一主成分上荷载较高，且多针对企业研发经营合作方面，因此将第一主成分定义为F1研发经营；x1～x4可归列到第二主成分F2政策环境； 第三主成分上x21～x24多涉及软件底层核心，因此将第三主成分定义为F3基础核心；x5～x7、x16可归列到第四主成分F4市场环境； 第五主成分上x18～x20多涉及软件研发工具，因此将第五主成分定义为F5研发工具；x25～x28、x17可归列到第六主成分F6软件表现。具体结果见表7。

表7 主成分因素组成

2.5 确定各因素权重

2.5.1 因素在各主成分线性组合中的系数

2.5.2 主成分的方差贡献率

方差贡献率可以看成是不同主成分的权重，由于原有因素体系可以由主成分F1～F6代替，因此影响因素模型可以看成是以这6个主成分方差贡献率为权重，对因素在这6个主成分线性组合中的系数做加权平均，得到国产BIM建模软件发展影响因素综合模型：

2.5.3 因素权重的归一化

由于所有因素的权重之和应为1，因此因素权重需要在综合模型中因素系数的基础上进行归一化处理，最终各因素权重排名如表8所示。

表8 因素权重排名

2.6 关键因素提取

对比表8国产BIM建模软件发展影响因素权重排名和表6主成分旋转后的因素荷载，可以看出两种数据分析结果在整体上保持结论的一致性。本研究根据各因素的权重排名情况，剔除权重小于0.03的6个因素，进而在剩余22个因素基础上，根据表6中的荷载大小筛选关键因素及主成分重新分类、命名。考虑到BIM建模软件的工程属性，本研究结合3位专家意见剔除F5(研发工具)等IT软件共有的影响因素，筛选出影响国产BIM建模软件发展的14个关键因素。根据因素释义及内涵，可分为政策环境、市场环境、研发经营及核心技术四个维度，与因素初步识别的维度保持一致。

如表9所示，研发经营的方差贡献率达到36.441%，表明此类因素对国产BIM建模软件发展的影响最大。政策环境以14.612%位居第二，第三位的核心技术包含基础核心与软件表现两方面，方差贡献率达到10.345%，而市场环境则以6.857%的贡献率位列第四。

表9 国产BIM建模软件发展关键影响因素

3 结果讨论

在识别出国产BIM建模软件发展的关键影响因素的基础上，本研究通过与至少具有10年BIM建模软件研发与应用经验的23位行业专家分别进行45～60分钟的多轮深度访谈，对关键影响因素进行进一步解读。

3.1 研发经营维度

资金配置和人才配置对国产BIM建模软件发展的影响较为突出。中小型软件企业承受更大的资金压力，亟需启动资金开辟市场、支持软件商业化以及后续研发工作。而大型软件企业具备更丰富的融资渠道、更充实的资源储备，在资金配置方面的顾虑较小，且大型软件企业更容易承担软件技术攻坚任务，因此其更关注人才的层次、规模及结构。此外，BIM建模软件的研发需求和实际复杂应用场景紧密结合，再加上当前国产BIM建模软件亟需解决的核心技术缺失的重大技术难题，使得产学研合作在BIM软件发展中的角色愈发重要。

3.2 政策环境维度

法律规定成为政策环境中最重要的因素，这表明诸如软件许可、企业认证、知识产权等法规是国产BIM建模软件发展的重要基础。随后是相关扶持政策，例如通过税收优惠政策、投融资政策等，鼓励研发生产要素投入，加大对软件研发、应用、服务企业的财政、金融支持。标准规范是BIM建模软件发展所面对的又一关键问题，包括BIM建模软件研发标准、应用体系标准及交付标准等。这些标准是工程知识、技术应用模式等综合而成的结晶。在受访专家中，有11位表示，当前国产BIM建模软件标准缺失，导致软件研发缺少基础数据标准、应用与交付缺少标准流程模式，软件研发与推广难度不断增大。因此，亟需通过各种举措加快软件技术框架、应用模式等标准化体系建设，加强行业深度研究。

3.3 核心技术维度

核心技术维度包含软件基础核心和软件表现两方面。其中，基础核心作为第三主成分，方差贡献率为7.291%，超过软件表现的3.054%。因此，基础核心相关因素的荷载值虽然低于软件表现相关因素，但数据库、图形引擎等基础性共性技术仍旧是核心技术维度最重要的因素之一。换句话说，只有在底层基础数据模型、核心引擎等方面实现自主可控，才能从根本上增强国产BIM建模软件在全产业链上的竞争力。另外，在专业设计等应用场景下需要使用多个软件才能完整地解决问题，要求软件间形成畅通的数据交换机制，对BIM建模软件的数据集成与交换能力、可拓展性等，即软件协同方面提出了更高要求。在软件表现方面，复杂模型的处理能力等性能表现和功能丰富性的重要性突出。相对于功能丰富性，用户更看重BIM建模软件的性能优越性。同时，有6位受访专家表示，用户希望BIM建模软件能够丰富与其工作场景有高关联度的针对性功能。例如，结构设计领域的用户希望软件针对结构设计拓展功能丰富性，实现专业场景下深化功能、计算精度等的提升。

3.4 市场环境维度

同类产品竞争成为市场环境维度中的关键因素，这表明随着当前市场份额被国外BIM建模软件占据，用户习惯、工程数据依存等问题使用户难以对其使用的软件进行大规模替换，国产BIM建模软件的发展将面临巨大的后发劣势。同时，盗版软件恶化了竞争环境，影响相关软件研发企业的利润保障。此外，有9位受访专家表示市场需求是BIM建模软件研发的导向。软件企业需通过积极布局深度市场调研，以应用为牵引，打造符合市场需求、面向未来的高水平BIM建模软件。

4 结语

本研究较为完整地识别出国产BIM建模软件发展影响因素，基于主成分的降维与权重分析，系统论证了关键因素，即政策环境、市场环境、研发经营及核心技术4个维度的14个因素，并通过专家访谈进行了关键因素解读。研究结果为发展我国自主可控的BIM建模软件提供了路径规划方向。

基于分析结果，本研究针对国产BIM建模软件发展提出以下建议：

(1)制定科学的研发部署，规划合理的资源配置，确保能够进行可持续的研发活动。 完善人才培养体系，改善人才层次结构，健全人才激励措施，打造国产BIM建模软件产业人才队伍。

(2)做好顶层设计，加大资源投入与政策支持力度。 建立公平竞争的商业市场体系，健全有序规范的法律标准，并加强软件知识产权的保护力度。

(3)加快BIM建模软件接口、协议、数据等重点标准体系建设与应用。积极布局图形引擎等核心技术攻坚，提升软件性能，丰富软件功能，加强不同软件间的协同。

(4)推动产学研用合作深度，建立软件合作生态。以企业为主导，邀请高校科研院所等积极参与。以需求驱动技术落地，发挥工程应用牵引的效应。