BIM應(yīng)用關(guān)鍵信息與應(yīng)用效益實證研究
——基于構(gòu)成型的PLS方法

郭 亮， 廖 羚， 陳潔瑩， 秦 毅

(廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 柳州 545006)

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)是一種基于全生命期的數(shù)據(jù)生成、分享和利用技術(shù)[1]，源于BIM技術(shù)的巨大潛在價值，近年來受到了學(xué)者和實踐人士的廣泛關(guān)注[2～4]。然而，盡管BIM在近幾年得到了廣泛發(fā)展，但當(dāng)前BIM使用范圍仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其潛力[5]。如《中國 BIM應(yīng)用調(diào)研報告(2017)》指出，有30.19%的受訪者“用一些借口來拖延所在項目的BIM應(yīng)用”，36.01%的受訪者“向同事抱怨所在項目的BIM應(yīng)用”。事實上，一些學(xué)者已注意到這一問題，并從組織制度角度進(jìn)行了解釋。如何清華等[6]對BIM應(yīng)用障礙進(jìn)行了研究，認(rèn)為BIM推廣應(yīng)用大環(huán)境不成熟、缺少統(tǒng)籌管理和綜合應(yīng)用模式是主要制約因素；Cao等[7]從制度理論的視角指出，當(dāng)前我國BIM應(yīng)用的動力主要來自制度和政策，企業(yè)的內(nèi)生動力不足，這也是新技術(shù)應(yīng)用推廣的初級階段特征；張連營等則從個體行為角度分析了設(shè)計人員對BIM的變革抵制，驗證了變革抵制傾向?qū)?BIM 采用意愿的負(fù)向作用[8]。還有學(xué)者從收益回報角度對BIM應(yīng)用障礙進(jìn)行分析。Brittany等[9]通過案例研究表明，BIM投資回報率從16%～1654%不等，但總體投資回報率小于100%。Kristen等[10]從投資回報、設(shè)計和施工投資、項目管理過程三個角度來測算BIM的價值，結(jié)果顯示，BIM在工程質(zhì)量的提升、工程進(jìn)度的保持、設(shè)計施工費用的減少上都具有一定價值，但也承認(rèn)，成功的BIM也取決于項目的大小、團(tuán)隊的溝通、成員的BIM熟練度等?？傮w來看，國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為，現(xiàn)階段BIM應(yīng)用的切實收益不能證明BIM的價值，項目參與方團(tuán)隊內(nèi)缺乏直接收益的獲得[11]。

事實上，不論從組織制度的視角還是從收益回報的視角分析，阻礙BIM應(yīng)用的最大障礙是缺乏能為項目帶來切實利益的BIM使用需求和BIM應(yīng)用目標(biāo)，也只有在此基礎(chǔ)上，才能正確建立與之匹配的組織環(huán)境，但關(guān)鍵還是要充分發(fā)揮和釋放BIM的信息價值。然而，在目前的建設(shè)項目BIM實踐中，因為信息過量反而麻痹了BIM的“信息”優(yōu)勢，例如利用激光掃描獲取的大量數(shù)據(jù)與BIM模型結(jié)合后卻無法找到發(fā)揮其“信息”價值的應(yīng)用方式。因此，哪些BIM信息能切實為項目帶來價值？這一問題的解決具有重要價值。換言之，對BIM信息進(jìn)行精簡分類，并識別有價值的信息將直接決定BIM技術(shù)的應(yīng)用效果。

整體而言，當(dāng)前有關(guān)BIM的研究主要集中在技術(shù)層面。具體概括為以下4個方面：

(1)聚焦于BIM平臺開發(fā)。代表性研究如陳麗娟等[12]以武漢某博覽項目為對象開發(fā)了基于BIM的全生命期管理平臺；陳松等[14]以上海軌道17號線為例，研究了PC構(gòu)件生產(chǎn)與施工信息管理平臺[13]；王茹等[14]開發(fā)了基于BIM技術(shù)的明清古建筑設(shè)計平臺；宋戰(zhàn)平等[15]則提出了全生命周期意義上的隧道工程BIM協(xié)同管理平臺，從階段、維度、功能、技術(shù)和用戶多個層面詳細(xì)闡述了BIM隧道協(xié)同管理平臺的初步架構(gòu)體系。總體來講，BIM平臺的研究是近幾年的研究熱點。

(2)探討B(tài)IM數(shù)據(jù)兼容性問題。這方面的研究主要集中于IFC(Industry Foundation Class)，王勇等[16]建立了IFC數(shù)據(jù)擴展模型，并實例驗證了IFC標(biāo)準(zhǔn)的可實施性[16]；劉照球等[17]基于IFC研究了結(jié)構(gòu)分析的BIM框架；賴華輝等[18]探討了基于IFC的城市軌道交通BIM運維模型；徐照等[19]基于WebGL(Web Graphics Library)與IFC研究了BIM模型的可視化分析方法；還有學(xué)者基于IFC研究了BIM模型的施工仿真建模方法[20]。總體而言，此領(lǐng)域已成為BIM研究的前沿。

(3)近些年較為關(guān)注基于BIM的可視化應(yīng)用。BIM的可視化領(lǐng)域的研究主要集中于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實以及混合現(xiàn)實技術(shù)。例如韓豫等[21～23]基于BIM和虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究了施工安全知識學(xué)習(xí)和施工過程的交互應(yīng)用；王廷魁等[24～26]將增強現(xiàn)實技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，開展了施工指導(dǎo)、現(xiàn)場培訓(xùn)和設(shè)備維護(hù)等方面的研究；李秉展等[27]以醫(yī)院BIM模型為載體，在移動端引入混合現(xiàn)實技術(shù)，對故障設(shè)備快速定位，并提供基于故障概率的檢修排序。

(4)一些較為典型的應(yīng)用。安培等[28～30]研究了基于BIM的超高層三維算量和工程項目成本核算方法；Chen等[31]開發(fā)了基于BIM的施工質(zhì)量管理模型；宮陪松等[32]基于BIM模型對深基坑施工方案自動圖審進(jìn)行了研究；Xu等[33]采用3D激光技術(shù)對古建筑掃描生成數(shù)字化BIM模型，再應(yīng)用 3D打印技術(shù)對古建筑構(gòu)件進(jìn)行復(fù)制。

梳理相關(guān)文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有與BIM信息相關(guān)的研究較少，而且多集中于信息的提取技術(shù)，或者針對某一具體的研究對象進(jìn)行信息分類，鮮有文獻(xiàn)站在BIM效益的角度研究不同類型BIM信息與BIM效益的關(guān)系。如張建平等[34]引入BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)，研究了空間與設(shè)備拓?fù)湫畔⒌奶崛∨c集成技術(shù)；薛剛等[35]對BIM構(gòu)件分類體系進(jìn)行了研究；余雯婷等[36]對建筑設(shè)施信息進(jìn)行了分類。

綜上所述，本文在梳理現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)現(xiàn)有BIM應(yīng)用的信息種類，然后采用PLS(Partial least Square Method)-SEM(Structural Equation Modeling)方法探究不同BIM信息對BIM應(yīng)用效益的影響，進(jìn)而識別出能切實為項目帶來增值的BIM信息。厘清了不同BIM信息與BIM效益間的關(guān)系，研究成果不僅可為BIM效益領(lǐng)域的研究提供參考，同時對BIM應(yīng)用的實踐具有重要指導(dǎo)作用。

1 BIM信息分類及其與BIM效益關(guān)系的理論模型構(gòu)建

本研究結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研和訪談的方式，首先總結(jié)出BIM的應(yīng)用點，在此基礎(chǔ)上歸納和提煉出所需的BIM信息，具體見如1所示。表1中構(gòu)件3D信息是指表達(dá)構(gòu)件外形的3D可視化圖形；尺寸信息是指構(gòu)件的具體尺寸；構(gòu)件材質(zhì)信息是指構(gòu)件所用到的材料情況以及其功能屬性；時間信息是指構(gòu)件狀態(tài)與時間的關(guān)系；工法信息是指完成某一工程所采用的特殊工法；坐標(biāo)信息是指具體構(gòu)件在三維空間中的位置；材質(zhì)功能指標(biāo)信息是指依據(jù)設(shè)計或使用功能的要求，構(gòu)件所應(yīng)達(dá)到的工程使用的標(biāo)準(zhǔn)；專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息是指某一專業(yè)在設(shè)計時所應(yīng)滿足的設(shè)計規(guī)范。進(jìn)一步將這些信息歸納為三維度的BIM信息構(gòu)念：(1)構(gòu)件物理信息，主要描述構(gòu)件客觀物理狀態(tài)，包括構(gòu)件3D信息、尺寸信息、坐標(biāo)信息；(2)構(gòu)件工程信息，主要指構(gòu)件的工程功能信息，包括構(gòu)件材質(zhì)信息、構(gòu)件功能指標(biāo)信息、價格信息；(3)構(gòu)件過程信息，這類信息是指設(shè)計和施工過程中所需要的信息，包括工法信息、時間信息、專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息。

表1 BIM應(yīng)用與支撐信息

李勁珉[37]對BIM效益指標(biāo)進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，本文參考其成果，采用成本節(jié)約、工期節(jié)約和促進(jìn)溝通三個觀測變量構(gòu)成BIM效益構(gòu)念。并假設(shè)構(gòu)件物理信息、構(gòu)件工程信息和構(gòu)件過程信息對BIM效益有正向影響，分別對應(yīng)假設(shè)H1，H2，H3，據(jù)此建立BIM信息與BIM效益的概念模型，如圖1所示。

圖1 概念模型

2 數(shù)據(jù)收集及模型檢驗

預(yù)試問卷采用隨機抽樣，于2018年5月10日～2018年6月2日，取樣廣西、湖南、廣東等地，對承包人20名有經(jīng)驗的BIM管理人員進(jìn)行施測。正式于2018年6月26日～2018年9月30日，抽取了南寧、柳州、天津、長沙、廣州等十多個地市進(jìn)行調(diào)查，問卷均發(fā)放給項目負(fù)責(zé)人或公司BIM中心負(fù)責(zé)人，共發(fā)放問卷462份，回收342份。并按照以下標(biāo)準(zhǔn)對回收問卷進(jìn)行篩選：(1)答案存在缺失項的；(2)問卷集中選擇一個或者“中立”過多的答案；(3)回答問題存在前后矛盾現(xiàn)象。篩選后得到有效問卷共計289份，有效率為84.5%。

2.1 分析方法

本文采用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)對BIM效益和BIM關(guān)鍵信息間的關(guān)系進(jìn)行測量和分析。SEM由結(jié)構(gòu)變量和觀測變量構(gòu)成。根據(jù)結(jié)構(gòu)變量與觀測變量間的因果關(guān)系，可以分為構(gòu)成型模型和反映型模型。構(gòu)成型模型中觀測變量是結(jié)構(gòu)變量的原因，觀測變量影響和生成結(jié)構(gòu)變量。反映型模型中結(jié)構(gòu)變量是觀測變量的原因，結(jié)構(gòu)變量影響和生成觀測變量，觀測變量是結(jié)構(gòu)變量在某一側(cè)面的體現(xiàn)。顯然，本研究中的觀測題項是原因，結(jié)構(gòu)變量是結(jié)果，以構(gòu)件物理信息為例，它屬于結(jié)構(gòu)變量，由觀測變量3D信息、尺寸信息、坐標(biāo)信息共同構(gòu)成。因此，本研究的結(jié)構(gòu)方程模型屬于構(gòu)成型。

本研究使用偏最小二乘(PLS)方法作為結(jié)構(gòu)方程建模技術(shù)，并采用SmartPLS 3.0來完成具體操作。PLS使用成分提取的理念，是一種將主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、路徑分析和回歸模型結(jié)合在一起的技術(shù)[38]，在一個結(jié)構(gòu)方程模型中可以對多個因變量進(jìn)行估計，并可以對非正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。與基于協(xié)方差的SEM技術(shù)相比，PLS不僅可以處理包含構(gòu)成型和反映型潛變量的混合模型，還具有以下優(yōu)勢：(1)PLS適用于測量未知分布的測量題項，識別關(guān)鍵的驅(qū)動因素；(2)可以有效地使用小樣本，而基于協(xié)方差的SEM則需要200以上的樣本量；(3)適合應(yīng)用于早期的理論發(fā)展和測試，這與本研究的探索性本質(zhì)非常吻合[39]。

2.2 測量模型分析

由于本研究涉及構(gòu)成型測量模型，需要檢驗構(gòu)成型構(gòu)念的多重共線性問題。檢驗結(jié)果如表2所示，構(gòu)件物理信息等12個測量指標(biāo)的VIF值都小于5，滿足構(gòu)成型測量模型的前提要求。構(gòu)成型測量模型需要對構(gòu)成指標(biāo)的路徑系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，路徑系數(shù)需大于0.2的標(biāo)準(zhǔn)，且顯著才具有效度。由表2可知，各觀測題項權(quán)重均大于0.2，且在0.05水平上顯著。潛變量的區(qū)別效度可以通過相關(guān)性進(jìn)行判斷，由表3可知，各構(gòu)念間的相關(guān)系數(shù)小于0.7的標(biāo)準(zhǔn)，代表測量模型有較好的區(qū)別效度。

表2 測量模型分析

表3 構(gòu)念相關(guān)關(guān)系

2.3 結(jié)構(gòu)模型分析

運用SmartPLS 3.0對理論模型進(jìn)行了分析，結(jié)果如表4所示，三種BIM關(guān)鍵信息與BIM效益存在顯著關(guān)系，解釋能力R2為0.335，因此，結(jié)構(gòu)模型具有較高的解釋力。

表4 路徑檢驗結(jié)果

2.4 結(jié)果分析與討論

依據(jù)檢驗結(jié)果，三類BIM關(guān)鍵信息中，構(gòu)件工程信對BIM效益影響最大(0.484)，其次是構(gòu)件物理信息(0.279)，雖然構(gòu)件過程信息對BIM效益也有正面影響，但影響最小(0.136)。

(1)構(gòu)件工程信息主要由材料功能信息和造價信息組成，此類信息對設(shè)計優(yōu)化和造價控制有直接影響，這可能是對BIM效益產(chǎn)生較大影響的主要原因。在我國的建設(shè)項目情境中，施工圖滯后、業(yè)主需要變化導(dǎo)致的工程變更等問題經(jīng)常出現(xiàn)，從而使招標(biāo)階段的工程量、材料選擇與施工階段不一致，而傳統(tǒng)方法無法及時對信息進(jìn)行更新，常常會影響原有的施工計劃和各方的經(jīng)濟效益。而基于BIM的構(gòu)件信息存在于BIM模型之中，無論是什么因素影響到了構(gòu)件工程信息的變動，通過BIM模型可以在短時間內(nèi)提供出將要施工區(qū)域的構(gòu)件材質(zhì)、工程量和造價信息。

(2)構(gòu)件物理信息主要基于3D可視化，它是BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)信息。構(gòu)件物理信息是BIM各項應(yīng)用的基礎(chǔ)，不容易對BIM效益產(chǎn)生直接作用，或者說構(gòu)件物理信息對BIM效益的影響不容易衡量，但此類信息在提高不同參建主體協(xié)同效率和安裝工程的碰撞檢查方面有直接作用，從這一角度分析，雖然無法直接衡量構(gòu)件物理信息產(chǎn)生的BIM效益，但其對BIM效益的積極作用是被普遍認(rèn)可的。只是從直觀的認(rèn)識上這類信息對BIM效益的作用沒有構(gòu)件工程信息明顯而已。

(3)構(gòu)件過程信息則主要體現(xiàn)了建設(shè)過程中信息的動態(tài)管理和應(yīng)用，雖然本研究證實了其對BIM效益的積極作用，但卻是三者中影響最小的。這可能有兩方面原因：1)施工過程中的信息搜集不及時、不準(zhǔn)確，導(dǎo)致無信息可用；2)目前還沒有找到一種合適的過程信息應(yīng)用模式，無法使過程信息產(chǎn)生效益。不難看出，目前我國對BIM信息的應(yīng)用還處在初級階段，主要通過設(shè)計優(yōu)化和造價管控的路徑來實現(xiàn)BIM應(yīng)用效益。而施工過程信息的應(yīng)用還有巨大潛力。這也是未來BIM應(yīng)用研究的關(guān)切點。

3 結(jié) 語

本研究在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了三類BIM應(yīng)用關(guān)鍵信息，采用PLS-SEM方法對這三類信息與BIM效益的關(guān)系進(jìn)行了研究，并識別出現(xiàn)階段對BIM效益具有促進(jìn)作用的主要信息，即構(gòu)件工程信息和構(gòu)件物理信息，構(gòu)件過程信息雖有影響但不明顯。因此，在BIM實踐中，管理者應(yīng)注意構(gòu)件工程信息和構(gòu)件物理信息的提取與應(yīng)用，尤其是構(gòu)件工程信息，它是直接產(chǎn)生BIM效益的主要信息來源。同時，也應(yīng)關(guān)注構(gòu)件過程信息，此類信息的應(yīng)用價值有巨大潛力，可能會成為未來BIM效益增值的重要價值點。本文對BIM關(guān)鍵信息與BIM效益間的關(guān)系進(jìn)行了探索性研究和實證分析，為BIM實踐提供了可靠建議。但是，研究仍然存在一些不足之處，后續(xù)研究需要對此進(jìn)行完善：本研究數(shù)據(jù)采集主要集中于房建行業(yè)，交通、港行等其他行業(yè)可能會有不同的研究結(jié)果；其次，研究中BIM關(guān)鍵信息總結(jié)為三類，并選用了代表性題項來進(jìn)行表征，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，觀測題項也需要隨之調(diào)整。