基于模糊数学-SWOT的工程项目BIM应用战略分析

邓金涛 尹仕友 饶平平

(1.上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093; 2.上海同筑信息科技有限公司，上海 201106)

引言

BIM技术的出现给工程建设带来了信息化的革命浪潮[1]，BIM的可视化、仿真性、信息完备性等诸多优良特性不断在项目中展示出来，从政府部门到建筑行业、从BIM应用项目到员工，BIM的应用逐渐开始成为共识[2]。然而行业内许多工程项目在落实应用BIM技术时产生了不少备受议论的问题，首当其冲的就是BIM应用的总方针是什么，即BIM在项目战略上该如何选择正确的导向和类型[3]。

目前，国内建筑行业对BIM应用仍处于探索研究阶段，有些项目因BIM技术的应用得到了效益增值，有些在BIM应用的投入产出上出现了利润亏损，还有些项目因无法落实、难度大等问题而中止了BIM应用[4]。凡事预则立，不预则废，这些BIM应用探索成果已成为前车之鉴，对于项目审批期或者应用前期，预先做好BIM技术的战略分析和定位显得十分重要，这不仅关乎BIM应用的必要性以及实施导向，还影响着BIM技术应用最终产生的效益。纵观建筑工程行业的BIM应用项目成果，不难发现，BIM技术的应用在工程的信息管理、成本控制、安全保质等方面发挥了不小作用。

本文着力分析BIM应用影响因素，构建了战略分析模型，以杭海城际铁路工程BIM应用项目为例，对模型进行验证分析。

1 量化分析与因素选择

战略分析，涉及定性分析与定量分析。考究BIM是否适合应用于某一项目及应用导向如何选择时，本文以SWOT分析中的优势、劣势、机会、威胁这四个态势作为性质评估依据[5]，形成无量纲的战略定量分析。

1.1 量化合理性考虑

工程项目往往存在诸多因子影响着项目的进展与成果，这些因子又在性质和数量上显著不同。比如，对BIM在建筑工程的应用，BIM认知人员越多，越有利于推动工程数字化； 而BIM模型越精细，越有利于项目信息的高度集成。因此，结合SWOT法[6]和模糊数学变量[7]，进行因素分析。

杭海城际铁路项目工程全长约48.1km，线路在余杭境内、海宁主城区采用地下敷设方式，其余地段均采用高架敷设方式。本项目在设计施工和项目管理上进行了BIM应用，包括选线与桥隧设计、机电排布设计、模型辅助施工、信息化管理等，各要素种类诸多、体量较大，适合项目前期战略分析的量化处理。

1.2 模型层次

(1)目标层：项目BIM应用战略；

(2)评价层：优势程度S、劣势程度W、机会程度O、威胁程度T；

(3)因素层：BIM应用中优势、劣势、机会、威胁的各类影响因素。

1.3 因素确定

根据项目调研和文件查阅[8]，可得影响BIM优势与劣势的项目内部因素和影响BIM机会与威胁的外部因素，如表1、表2。

表1 影响BIM优势与劣势的项目内部因素

表2 影响BIM机会与威胁的项目外部因素

2 战略分析模型构建

2.1 战略分析逻辑结构

首先基于模糊数学的评判法，计算各因素程度的权重，综合评判BIM应用的优劣性和危机程度，再依据评判结果计算总优势、总劣势、总机会、总威胁程度； 然后基于SWOT决策法，构筑战略评估坐标系，绘制BIM应用战略包络图，并对项目的BIM应用进行SWOT判定。通过战略类型的选择及战略程度的计算，形成对BIM应用的战略地位分析。战略分析模型流程如图1。

图1 战略分析模型流程图

2.2 模糊综合评判与各因素程度的计算

将影响BIM应用的优势、劣势、机会和威胁的因素变量的定性变量进行量化处理，建立关于工程项目BIM应用模糊综合评判的数学模型。

2.2.1 模糊判断

设定因素集U=[u1，u2，…，un]与评价集V=[v1，v2，…，vm]，设各因素的权重分别为V上的模糊子集A，记A=[a1，a2，…，an]，其中，ai为第i个因素ui所对应的权值。

对第i个因素的单因素评判向量为V上的模糊子集Ci=[ci1，ci2，…，cim]，于是单因素判断矩阵C为

则对该评判对象的模糊综合评判结果是V上的模糊集：

2.2.2 因素集U的选取

在评估BIM应用的优劣性时，以专家评分方式对四个方面的因素i进行估值。

以技术领域为例，涉及BIM软硬件部署、BIM技术种类、BIM应用分布、BIM应用时间这四个因素，由熟悉技术领域的专家逐一加以评分，并确定每个评分把握度。

式中，ti(k)为专家k对因素ui的评价分；

ai(kl)为专家k对ui评分下限；

ai(kg)为专家k对ui评分上限；

pi(kl)为专家k对ui评分的把握度下限；

pi(kg)为专家k对ui评分的把握度上限；

例如，某专家对某因素的评分为8～9分，把握度为0.6～0.8。则有

t=[(8+9)/2]×[(0.6+0.8)/2]=5.95。

2.2.3 专家选取

设专家的职称Z1、工龄Z2、技术专长Z3三部分的信息集为Z={Z1，Z2，Z3}，各部分信息权重值集为s={s1，s2，s3}，构建BIM战略专家选取模型计算函数M(k)：

M(k)=s1·Z1(k)+s2·Z2(k)+s3·Z3(k)

为了保证专家选取的客观性，贴合指标量化实际，对职称和技术专长做定性的离散化处理，对工龄做连续性研究。

(1)职称分

根据行业通用的职称等级分类，按正高级、副高级、中级和初级来对专业人士分类[9]，分值依次为90分、80分、70分、60分。

(2)工龄分

按技术专家的常规要求，工龄5年及以上才可参与该领域评审工作，这时工龄越大，工龄分越高。同时，考虑到专家的身体条件和接受BIM新理念的程度等，若专家年纪超过退休年龄60岁，则呈一定衰减。

式中，t为年纪，a、b、c、d为系数。

(3)技术专长分

由于专家技术专长对BIM深层次理解产生影响，因此对技术专长做以下处理：每发表1篇论文、专著或发明，计1分，上限30； 每参与1次项目，计2分，上限40； 每参与1次评审或得1次奖，计1分，上限30。

构造好专家选取模型函数后，进行对应的计算和归纳。每个领域调研30个专业人士，以技术领域为例，得分数如图2所示。

图2 技术领域专业人员得分的分布图

BIM战略评审专家选取得分情况近似服从正态分布，以置信水平为0.95，取单侧置信上限所有人数为专家数，可以得出约为5人，因此对每个领域分值最高的5人作为BIM战略评审专家。

2.2.4 评判集V的确定

在评判BIM应用的优劣性时，在此以优势、无明显优劣、劣势三个等级来决定程度评判，即V=[优势、无明显优劣、劣势]。

根据文献资料经验，由于因素相互作用十分复杂，评价项目BIM应用的优势、劣势时，划分界定如下：评分ti<6定为“优势”； 评分3≤ti<6定为“无明显优劣”；ti<3定为“劣势”。设单因素评价值t的取值区间为[0，10]，则区间被划分为[0，3]、(3， 6)及[6，10]。

2.2.5 单因素评判矩阵Cn×m确定

对本项目BIM应用进行技术领域单因素优劣性评定时，在上述四个因素、三个等级的条件下，单因素评判矩阵为C4×3，则根据各专家评分值在三类优劣等级的隶属度来确定矩阵值[9-10]。

若五位技术领域专家对某因素的评分均落在[6，10]区间内，则可得出该因素在评价矩阵R中有优势的隶属度为5/5=1，再从其他因素考虑该BIM应用处于优势的隶属度为4/5=0.8，属“无明显优劣”的隶属度为1/5=0.2，属“劣势”的隶属度为0。以软硬件部署为例，业主单位具有雄厚的预算和技术资源基础，专家对该因素评分的劣势隶属度为0，具有一定合理性。通过计算单因素评价矩阵中各数值，最后可得该BIM应用在技术领域的单因素评价矩阵：

2.2.6 确定各因素加权矩阵A

确定综合评判中的权数至关重要，通过五位专家采用满分10分的评分法进行打分，算出每位专家对各因素的评价值，将同因素评价值求和平均，通过全因素评分比确定权数值ai，最后得出该评判的权数矩阵A。

如技术领域的权数矩阵为：

A=[0.22，0.3，0.225，0.255]

2.2.7 计算综合评判矩阵B

对该项目BIM应用技术领域综合评判矩阵为：

标准化处理，得B=[0.6860，0.1490，0.1650]

可知该项目BIM应用技术领域各因素评判结果是优势占68.6%，无明显优劣占14.9%，劣势占16.5%。

延拓至其他几个方面的影响因素模糊分析，可以得出BIM应用在优劣上的评判总结结果，如表3。

表3 BIM应用优劣评判表 %

同理，在评判BIM应用的机会、威胁时，可进行单因素模糊综合评判。

最终得出BIM应用在危机上的评判总结结果，如表4。

表4 BIM应用危机评判表 %

2.3 总优势、总劣势、总机会和总威胁程度的计算

根据表1、表2，可提取出优势、劣势、机会、威胁在各态势的程度值。即：

S=[0.8668， 0.3514， 0.5616， 0.686]

W=[0.0242， 0.0848， 0.1， 0.165]

O=[0.5735， 0.6142， 0.6292， 0.463]

T=[0.0285， 0.0592， 0.1042， 0.292]

利用态势函数公式(见表5)。

表5 各态势函数公式

可计算出总程度值，如表6。

表6 SWOT总程度值

2.4 四维度雷达图的建立

以总优势程度S，总劣势程度W，总机会程度O和总威胁程度T等四个参数变量各为雷达极点，构成四维度雷达图。为了使图形的数据对比分析更直观，将各程度值乘以100，见图3。

图3 四维度SWOT雷达图

由图3可知，该项目BIM应用优势和机会均很大，同时外在因素会产生一定的威胁，进行战略定位应考虑BIM应用外部因素的影响以及项目内部资源发挥的充分性。

2.5 构建战略评估坐标系

将四维度雷达图作为战略评估图形基础，以优势程度值、劣势程度值所在方向为横轴(即优劣轴)，记为X轴，以机会程度值、威胁程度值所在方向为横轴(即危机轴)，记为Y轴，建立战略评估平面坐标系。其中优势S在X轴正方向，劣势W在X轴负方向，机会O在Y轴正方向，威胁T在Y轴负方向，坐标轴边界点即为雷达图极点S1、O1、W1、T1，数值为S1、O1、W1、T1。连接四点形成包络线，包络线所围成的图形S1W1O1T1即为战略包络图，此战略包络图则表示为该项目中BIM应用的战略地位，如图4所示。

图4 战略评估坐标系

2.6 战略类型选择

根据战略包络图来求解战略中心，计算出战略偏向角与战略深度，以此来对项目的BIM应用战略类型的进行选择。

2.6.1 战略类型区划分

不同类型项目BIM应用的战略类型具有偏向性，根据本项目实际背景，将战略类型按坐标系进行轴对角线划分，分出八个偏向区域：优势发挥区[0，π/ 4)，机会把握区[π/4，π/ 2)，进取克难区[π/2，3π/ 4)，收整补短区[3π/4，π)，战略退出区[π，5π/ 4)，战略回避区[5π/4，3π/ 2)，收整避难区[3π/2，7π/ 4)，保优克难区[7π/4，2π)。

对于同类型项目BIM应用的战略类型受应用深度影响，根据本项目应用流程，与坐标原点的距离在f值以下的区域为应用浅区，距离在f值的区域为应用深区。

2.6.2 战略中心的确立

战略包络线S1O1W1曲线公式为：

战略包络线S1T1W1曲线公式为：

联立上述公式，可以得出本项目BIM应用战略中心坐标为P(18.5，15.9)。

2.6.3 战略偏向角的计算

根据坐标转化法，将直角坐标系转化为极坐标系。

以X轴正方向为0度，逆时针方向旋转，坐标原点指向战略中心点的方向即为战略方向，战略方向与X轴正方向构成的夹角即为战略偏向角，设为φ(0≤φ≤2π)，则有

可得本项目的战略偏向角为φ=40.68°。

2.6.4 战略深度r的计算

以坐标原点为出发点，坐标原点与战略中心点间的距离为战略深度，设为r，则有

可得本项目的战略深度为r=24.39，

则根据战略类型划分，选择优势发挥区—应用深区，如图5所示。

图5 战略类型选择

2.7 战略影响程度k确定

为了分析BIM应用的战略影响程度，引入正影响区和负影响区两个概念。根据战略坐标系下的包络图，不难分析出：

(1)战略坐标系第一象限为正影响区，反映了BIM应用项目外部机会与内在优势两因素共同作用产生的正面影响。战略包络图在该区的面积即为正影响面，设为ASO。

表7 不同类型工程BIM应用实际情况与战略模型计算结果

(2)第三象限为负影响区，反映了BIM应用项目外部威胁与内在劣势两因素共同作用产生的负面影响。战略包络图在该区的面积即为负影响面，设为AWT。

由此，战略程度系数设为k，即有

可看出，ASO值相对增大，k值增大，即BIM应用项目战略影响程度增强；AWT值相对增大，k减小，即BIM应用项目战略影响程度减弱。代入面积，可得本项目战略程度系数为k=0.92。

3 模型检验

为了保证BIM战略模型的适用性和有效性，选择不同类型的工程项目及对应BIM应用情况并进行模型计算，结果如表7。

对比实际应用情况和模型计算结果，可以从表格中看出，轨道交通、管廊等工程成功案例能反映战略模型对BIM应用程度的正确判断，而房屋建筑、桥隧等工程也能从模型计算中分析出不良预兆。

4 结论

(1)杭海城际铁路工程BIM应用项目中，模糊评估结果可看出，该项目BIM应用优势总程度远大于劣势总程度，威胁程度低于机会程度，所以该项目参与单位应发挥好人力资源丰富优质、项目经费充足等优势，着力于铁路工程技术难点(如选线方案、复杂环境施工方式等)进行BIM研究，取长补短使BIM技术得以科学应用。

(2)战略地位评估中，该项目BIM应用位于优势进取战略区，战略负影响区面积较小。说明该项目参与企业实力相对劣势少，威胁也相对较低。而战略坐标系上，威胁程度相对机会程度较小，但不可忽略，面对外界环境时，应适当调整战略，尽量减少项目涉及的威胁(譬如行业发展BIM发生的价值变化)。因此，整体上对BIM应用采取开放的进取型战略，并进行深度应用。

(3)改进后的战略分析，以模糊综合评判代替传统专家评估，减少了主观影响，提高了评估因素的准确性和量化因素的合理性，使BIM应用战略评估更具可操作性，最后利用BIM实际应用项目，验证出了模型的合理性。

(4)本文将模糊层次分析法和SWOT方法相结合，合理地将四大态势程度量化，数形结合地反映出各种因素综合作用对BIM应用决策的影响，此方法逻辑清晰，利于程序化计算，可随因素变化而做出新的分析，同时有助于项目单位或团队对BIM进行战略化具体分析，提供了科学参考。