BIM在水利工程中应用的影响因素研究

董灵莉，丰景春,3，杨志祥，王 婷，薛 松

(1.河海大学商学院，江苏 南京 211100； 2.河海大学项目管理研究所，江苏 南京 211100；3.河海大学国际河流研究中心，江苏 南京 211100； 4.杭州市南排工程建设管理服务中心,浙江 杭州 310020)

根据美国建筑科学研究院研究成果，建筑业无效工作高达57%，高于制造业无效工作(26%)31%，建筑信息模型(Building Information Modeling， BIM)是减少建筑业无效工作的有效手段，为此需要引入欧美等国家广泛应用的BIM[1]。我国为推动BIM应用，中央及地方政府相继发布相关政策性文件。据统计，2011—2018年包含“BIM”等相关词汇的有效文件共347份[2]。这充分表明了我国对BIM的重视和极大推广。BIM在水利工程碰撞检测、三维展示等方面得到了广泛的应用，但BIM的应用范围没有涵盖水利工程全生命周期及各参建方，而且投入与产出不匹配、效率过低，究其原因之一是没有厘清影响BIM应用的关键因素。为有效促进BIM在水利工程中的应用，本文据此开展关于BIM在水利工程中应用的影响因素研究。

国内学者张建新[3]定义BIM是一种建筑集成概念，即以三维数字技术为基础的集成项目全生命周期所有数据的一种技术概念。目前，建筑业关于BIM的研究主要集中于设计、施工等方面的应用效果，关于BIM在建筑领域应用影响因素研究主要成果如下：Marshall-Ponting等[4]和Tse等[5]认为对BIM应用影响最大的是BIM标准。Howard等[6]指出软件的复杂性是影响BIM采用的主要障碍。Enshassi等[7]认为缺乏使用和培训不足是阻碍BIM应用的因素。Azhar[8]、 Matarne等[9]分别讨论了中国和约旦AEC行业BIM的当前趋势、益处和未来挑战。Migilinskas等[10]提出缺乏高层的支持是BIM采用的最大障碍。Herr等[11]提出了一个新的扩展模型来描述BIM采用过程。Chiu等[12]探讨了BIM在建筑服务工程使用的障碍。Huang等[13]研究了当前BIM在绿色建筑推广中最迫切的障碍。何清华等[14]结合项目实例，探讨分析了BIM在我国建筑业应用中的主要障碍。Olawumi等[15]研究得出三个关键因素是行业的抗等拒、对新技术的适应期长、对BIM工作流程缺乏理解。丰景春等[16]分析了BIM在国外应用过程中的主要障碍。赵颖萍[17]从TOE和UTAUT视角下研究发现环境和技术因素对BIM的应用性有直接影响。秦璇等[18]对中意两国BIM采纳障碍因素进行了对比研究。杨高升等[19]研究发现资金支持和组织学习与创新是组织提升BIM采纳的关键。以上研究成果集中于对关键、直接因素等的确定，缺乏对因素关系的深入分析，且较少涉及水利行业。关于BIM在水利工程中应用的研究成果主要如下：蒯鹏程等[20]以福建省某面板堆石坝为例，分析了BIM在水利工程全生命周期中的应用效果。姜楠等[21]认为结合BIM与VB技术可以有效提高水利工程的施工效率。田林钢等[22]分析了BIM在水利工程中应用的数据格式、行业标准等方面存在的问题，但缺乏对各问题因素关系深入的分析。闫文杰等[23]以BIM和RFID集成技术对水利工程施工现场进行监控，可有效提高施工安全管理效率。张云宁等[24]运用云物元理论，对水利工程BIM应用效益进行了评价。

综上所述，现有研究虽涉及BIM在水利工程中应用的障碍，但缺乏对各因素的深入研究。本文在以往研究的基础上，总结归纳并深入分析BIM在水利工程中应用的影响因素。首先改进解释结构模型的采用，借鉴了DEMATEL与ISM相结合时所采用的影响程度打分方法，在此基础上，结合MICMAC，确定各因素的驱动力和依赖性，对BIM在水利工程中应用的影响因素相互关系进行深度分析。

1 BIM应用影响因素的提取

采用文献计量法识别因素。在文献阅读中发现影响BIM应用因素主要包括BIM本身、行业、环境等方面，为明确BIM因素的界限，将BIM应用因素划分为技术、经济、组织、人员、行业、法律6类。综上，将因素筛选步骤分为3步：①提取归纳影响因素；②划分类别；③计算各因素出现的频率，剔除频率极低因素。根据上述筛选步骤，最终确定了19项子因素，如表1所示。

表1 BIM影响因素

2 基于ISM模型的BIM应用影响因素层级确定

解释结构模型(ISM)用于描述影响因素之间是否存在相关性。本文通过构建BIM影响因素的解释结构模型来分析各因素之间的层级关系，为促进BIM在我国水利工程深入应用提供依据。

2.1 BIM影响因素之间关系的确定

通过Delphi来确定影响因素之间的关系，邀请12位BIM相关工作人员对BIM应用影响因素之间的关系进行打分，每位专家按照无影响0、低影响1、中影响2、高影响3的原则进行打分。对得到的12份数据进行加权平均处理得到相互关系矩阵，进行验证之后，取阈值2.3。取值试验表明，取2.3作为划分影响因素有无关系的阈值，所得到的影响因素之间的层次级别以及层级关系更清晰明显。本文在以往传统0、1打分基础上进行改进，使研究更加准确、客观。

2.2 邻接矩阵A和可达矩阵M的建立

邻接矩阵A是系统内两两要素之间关系的数字化表示。为构建解释结构模型，以上述得到的影响因素相互关系为依据建立邻接矩阵。邻接矩阵A的元素用aij表示，转化规则如下：

式中：Si为第i个影响因素；Sj为系统要素。若存在任何一条通路从要素Si指向要素Sj，则称Si可达Sj。可达矩阵M描述的是一个Si与另一个系统要素Sj之间是否存在连接的通路，以邻接矩阵A为基础，运用布尔矩阵运算法则，建立可达矩阵M，若矩阵A能够满足以下条件：

A+I≠(A+I)2≠(A+I)3≠…≠(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M

(2)

式中：n为邻接矩阵的阶数；k为影响因素编号，k

(A+I)6=(A+I)7=M

(3)

2.3 BIM影响因素层级关系的确定

2.3.1影响因素的ISM模型构建

为建立ISM模型，需对各因素进行层级划分。首先从可达矩阵中提取出可达集R(Si)和先行集Q(Si)。可达集是指所有要素Si可以到达的要素所形成的集合，用R(Si)表示，记为

R(Si)={Sj|Sj∈N,rij=1}

(4)

式中：R(Si)为可达矩阵中的系统要素Si行中所有元素为1的列所对应的节点组成集合；N为所有要素的集合；rij为可达矩阵的元素。先行集是指所有到达要素Si的要素所形成的集合，用Q(Si)表示，记为

Q(Si)={Si|Si∈N,rij=1}

(5)

式中：Q(Si)为可达矩阵中系统要素Sj列中所有元素为1的行所对应的节点组成集合。基于此，将可达集和先行集提取出来，首先确定首层因素集，确定因素集的计算规则为

L1={Si|R(Si)∩Q(Si)=R(Si)} (i=0,1,…,k)

(6)

对可达矩阵首层因素的可达集、先行集以及交集进行归纳，如表2所示。根据R(Si)∩Q(Si)=R(Si)的条件进行层级分解，从表可知R(S2)∩Q(S2)=R(S2)、R(S5)∩Q(S5)=R(S5)、R(S6)∩Q(S6)=R(S6)、R(S7)∩Q(S7)=R(S7)，故S2、S5、S6、S7为首层影响因素。将S2、S5、S6、S7从上表中去掉，得到第二层情况，依次进行划分，直至产生最后一层因素。以此为基础，构建ISM模型如图1所示。

图1 影响因素的ISM模型

表2 首层因素的可达集合和先行集合

2.3.2影响因素层次分析

a.直接影响因素层(顶层)。包括软件兼容性、配置及升级费用、培训员工费用和时间，收益。这4个因素是影响BIM应用的直接影响因素。

b.核心影响因素层(2～4层)。包括BIM软件完善程度、BIM应用模式、BIM软件本土化程度、BIM软件开发程度、BIM的应用计划和方案、人员思维模式、组织内部各参与方的协调工作能力、BIM应用案例和经验。该层在系统中起到传递影响的作用，属于中间影响因素。①如果参与工程项目各方的协调工作能力不是很高，BIM的使用就会失去应有的价值，企业则会采取措施对BIM应用计划和方案做出调整。若工程项目中缺乏应用BIM的工程案例和经验，企业在使用BIM上会缺乏足够的指导性，故会反复调整BIM的应用计划和方案以求达到最好。②组织内部采用BIM的应用计划和方案直接影响BIM的应用模式。各企业内部制定的BIM应用计划和方案，影响着BIM在各阶段的使用方式，即对BIM的应用模式产生直接的影响。③由模型结构可知BIM软件功能完善程度和BIM应用模式导致BIM技术带来的收益不明确。若BIM软件在功能方面还未完善，使用方会对BIM的使用效果产生怀疑，BIM技术所带来的效益也就不确定。BIM如何应用则会直接影响企业对员工的培训方式，进而培训的时间和费用会不同。

c.根本影响因素层(底层)。法律责任界限、BIM标准合同文本、BIM知识产权、行业的统一标准和指南、行业主管部门的支持力度、对BIM的认识、BIM人才数量。该层因素作为系统的根本因素，对上层其他因素产生直接或间接的影响。拥有完善的法律环境、政府部门的强大支持，BIM方面足够的专家人才将在外部环境上对促进BIM在我国水利工程的应用提供强有力的支持。

3 BIM影响因素的MICMAC分析

3.1 MICMAC模型的构建

本文以构建的ISM模型为基础，进一步建立MICMAC模型，对19项因素进行更深入的分析。MICMAC模型能够识别各影响因素的驱动力和依赖性。根据驱动力和依赖性两个指标的数值大小，将要素分为自治类、联系类、依赖类、驱动类。依据分类结果，可以找到BIM深入应用的策略。各因素的驱动力和依赖性可以通过对可达矩阵的行和列分别求和的方法来确定，如表3所示。

表3 各因素驱动力和依赖性

一般来说，若因素具有较强的驱动力，表示其对其他因素有着巨大的影响；若因素具有较强的依赖性，表示其深受其他因素的强烈影响。据表3可得，S1、S2、S5、S8、S16属于自治类因素；S3、S4、S6、S7、S9、S10、S13属于依赖类因素；S11、S12、S14、S15、S17、S18、S19属于驱动类因素，为系统的关键因素。可见，该结果与ISM结果基本一致。

3.2 基于MICMACBIM的影响因素结果分析

a.自治类因素：软件功能、软件兼容性、软硬件配置及升级费用、各参与方的协调工作能力、应用案例和经验属于该类因素。该类因素的驱动力和依赖性较弱，比较容易克服。

b.依赖类因素：软件本土化程度、软件自主开发程度、培训员工费用和时间、BIM带来的收益、BIM的应用计划和方案、应用模式、人员思维模式转变能力属于该类因素。MICMAC模型显示，S7的依赖性最强，深受BIM软件功能完善程度、BIM应用模式的影响。从独立类和依赖类因素可知，S2、S5、S6、S7的驱动力最弱，对其他因素的影响较弱，是ISM模型中的表层因素。

c.联系类因素：在本文构建的ISM模型中不具备这种层级关系的因素。

d.驱动力因素：对BIM的认识、BIM专家人才的数量、行业统一标准和指南、行业主管部门的支持力度、法律责任界限、BIM标准合同示范文本、BIM模型的知识产权属于该类因素。驱动力因素具有较强的驱动力，位于ISM模型的底层，属于根本影响因素。

3.3 MICMAC模型与ISM模型的内在联系

根据上述MICMAC模型结果的分析，可发现MICMAC模型中的驱动力因素、依赖类因素分别与ISM模型中的根本因素、直接因素相对应。以上内在联系可从两个模型的结构特点来分析。

a.ISM模型中的底层因素属于系统中的根本因素，对其他因素往往有着较大的影响；而MICMAC模型中的驱动类因素具有较强的驱动力，对其他因素的影响较大。因此，ISM模型中的底层因素往往与MICMAC模型中的驱动类因素一一对应。

b.位于ISM模型顶层的因素即直接因素，深受其他因素的影响，而对其他因素的影响较小；MICMAC模型中的依赖类因素具有较强的依赖性，较弱的驱动力，不易影响其他因素，却受其他因素的强烈影响。故ISM模型中的直接因素往往与MICMAC模型中的依赖类因素相对应。

4 结 论

a.对BIM的认识、BIM专家人才的数量、行业统一标准和指南、行业主管部门的支持力度，法律责任界限、BIM标准合同示范文本、BIM模型的知识产权位于系统的底层，具有较强的驱动力和较低的依赖性，对其他因素产生较大的影响，需对该类因素给予高度重视。行业主管部门应加大对BIM的支持力度，在教育和软硬件配置方面给予企业一定的支持，出台相应的鼓励和优惠政策。完善相关法律合同示范文本、明确法律责任、建立保护BIM模型知识产权机制将会在法律环境方面促进BIM在我国水利工程更深入的应用。

b.软件兼容性、软硬件配置及升级费用、培训员工费用和时间、BIM带来的收益具有较弱的驱动力和较强的依赖性，是影响BIM应用的直接因素。该类因素深受其他因素的影响，说明该类因素的解决需通过对其他因素进行解决。比如BIM带来的收益的提升可通过完善软件功能来解决。

本文模型分析是以主观分析为基础的定性分析模型，在分析上还存在很多局限性，未来应结合定量分析法对本研究做进一步的改进，为促进BIM在我国水利工程的应用提供更有力的理论依据。