建筑信息模型（BIM）集成應(yīng)用下的工程信息流噪聲因素研究＊
——基于系統(tǒng)動力學(xué)的仿真

■ 婁南羽 姜安民 鄒品增

1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湘潭 411100

2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院 長沙 410075

3.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 長沙 410004

0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)在國外的廣泛應(yīng)用，一定程度上帶動了我國BIM 的發(fā)展，隨著人們對其概念理解的深入，BIM 技術(shù)的開發(fā)與使用不斷增加，形成了初步成果。政府部門和業(yè)主方已經(jīng)逐漸意識到BIM 技術(shù)的潛能，并對其在建設(shè)活動中的應(yīng)用提出了要求，部分設(shè)計及施工企業(yè)能將BIM 技術(shù)運用到工程項目中，在此過程中雖然取得了費用節(jié)約、工期縮短、質(zhì)量優(yōu)化等成效，但BIM 價值仍有很大一部分沒有被挖掘。當(dāng)前BIM 應(yīng)用現(xiàn)狀下，依然存在信息孤島和信息斷層的現(xiàn)象，阻礙了BIM技術(shù)的價值實現(xiàn)。

“BIM”的理念最早源于美國，BIM 不僅指一個涵蓋了所有信息的模型或者建模軟件，更重要的是代表了設(shè)計、施工和運營維護(hù)中項目管理的一種新型過程方法[1]，美國建筑行業(yè)聯(lián)盟在報告《BIM 項目實施計劃指南》中與將BIM 定義為一種建模、用模的過程，這個過程就是開發(fā)、使用和傳遞建設(shè)項目的數(shù)字化信息模型的過程，并在過程中提高建筑或設(shè)施的設(shè)計、施工和運營管理。國內(nèi)學(xué)者汪波[2]從心理學(xué)的角度分析復(fù)雜建設(shè)工程項目的信息協(xié)同與溝通意愿，重點研究利用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)衍生發(fā)展出的項目信息協(xié)同技術(shù)和信息協(xié)同工具，為項目各參與方能提供有效溝通方式的信息共享平臺，從而達(dá)到復(fù)雜建設(shè)工程項目各參與方協(xié)同管理的目標(biāo)。在國內(nèi)BIM 應(yīng)用的研究方面，蘇藝[3]以BIM 應(yīng)用于北京地鐵機電工程為案例，闡述了BIM 技術(shù)在地鐵工程機電安裝方面的應(yīng)用思路和應(yīng)用效果，金睿[4]、張建平[5]分析了施工階段中（投標(biāo)、實施和竣工）BIM 應(yīng)用及應(yīng)用特點，總結(jié)了工程施工BIM 應(yīng)用實施方案。周春波[6]、張春霞[7]、潘佳怡[8]、何清華[9]等對BIM 應(yīng)用影響因素進(jìn)行了分析與概括，政策、資金投入、軟件成熟度、BIM 模型知識產(chǎn)權(quán)的法律條款和保護(hù)措施、人員培訓(xùn)、統(tǒng)一的BIM標(biāo)準(zhǔn)和指南等都會影響B(tài)IM軟件的應(yīng)用。

通過以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的梳理，總結(jié)出如下兩點：首先，隨著項目的復(fù)雜化，項目信息管理和項目協(xié)同管理的重要性被研究者們提出，BIM 的初衷是解決信息協(xié)同問題，但國內(nèi)當(dāng)前關(guān)于BIM 應(yīng)用的研究大多針對于單個階段或者單個項目參與方的BIM 應(yīng)用，偏離了BIM的協(xié)同本質(zhì)。其次，已有的BIM 應(yīng)用影響因素的研究多是定性研究，提出了若干影響因素，但沒有定量研究各影響因素的重要程度，這使得面對BIM 應(yīng)用中所存在的問題時提出的解決方案指向性不強。

因此，本文站在全生命周期的角度，研究工程信息的產(chǎn)生、集成、存儲以及共享協(xié)同中的影響因素，并進(jìn)行因素的量化敏感分析。首先，分析BIM 集成應(yīng)用下的工程信息傳遞的效果，梳理BIM 集成應(yīng)用下的工程信息流相關(guān)影響因素；然后，對信息流進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)仿真，對影響因素進(jìn)行敏感性分析；最后，得出相應(yīng)的啟示與結(jié)論。為便于表達(dá)，文中“BIM 集成應(yīng)用下的工程信息流”簡稱為“BIM工程信息流”。

1 BIM工程信息流的噪聲因素

理想情況下的BIM 工程信息流傳遞效果是：伴隨工程的實施，信息逐漸累積并由上游完整地傳遞到下游。但在實際環(huán)境中，存在一些因素影響信息流動的各個環(huán)節(jié)，從而影響信息流傳播效果，信息學(xué)上把這些影響因素稱為干擾或噪聲。由于噪聲的影響，信息流動過程中會產(chǎn)生信息斷層，如圖1所示。

伴隨建筑全生命周期里BIM 軟件的集成應(yīng)用，從設(shè)計到施工，再到運營維護(hù)，工程信息逐漸豐富和深化的過程，可視為工程信息的反復(fù)利用與增值的過程，即信息產(chǎn)生—信息共享—信息接收的循環(huán)。噪聲因素通過干擾這3 個環(huán)節(jié)來影響信息的流動。首先對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理（見表1），根據(jù)BIM 應(yīng)用影響因素、信息流、知識流影響因素以及工程實際情況，概括總結(jié)出BIM工程信息流的13 個主要噪聲因素，按照信息產(chǎn)生—信息共享—信息接收環(huán)節(jié)的框架進(jìn)行歸納與概括，如圖2所示。

2 BIM工程信息流系統(tǒng)動力學(xué)仿真

2.1 BIM工程信息流系統(tǒng)動力學(xué)建模

2.1.1 假設(shè)條件

系統(tǒng)動力學(xué)的規(guī)范模型與其他類別模型一樣，是簡化了或者說投影了真實系統(tǒng)，即一個模型只能反映真實情況的某一方面。和實際系統(tǒng)完全一樣的模型在系統(tǒng)動力學(xué)中是無法做到的，所有模型都是在一定規(guī)范下的結(jié)果[20]。所以，在模型建立之前設(shè)定了一個視角，即做出了以下幾點假設(shè)。

圖1 信息斷層

表1 BIM工程信息流相關(guān)影響因素

圖2 BIM工程信息流噪聲因素理論框架

假設(shè)1：仿真過程中對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，系統(tǒng)中的BIM 信息流噪聲因素是按標(biāo)度進(jìn)行專家打分后歸一化的值。模型中的設(shè)計方信息存量、施工方信息存量、業(yè)主方信息存量數(shù)據(jù)不代表實際數(shù)值，反映的是各變量隨時間變化的相對值。

假設(shè)2：按信息存量來設(shè)計工程的階段劃分，當(dāng)設(shè)計方信息存量達(dá)到20 時，表示設(shè)計階段結(jié)束進(jìn)入施工階段；當(dāng)施工方信息存量達(dá)到30 時，表示施工階段結(jié)束進(jìn)入運維階段。

假設(shè)3：反饋信息代表的是工程變更信息，變更信息和工程環(huán)境等許多不可控因素相關(guān)，但其量比較小，所以假設(shè)它是一個跟業(yè)主方信息存量成正相關(guān)的很小的量。

2.1.2 因果回路圖

將BIM集成應(yīng)用下的工程信息流系統(tǒng)劃分為3個子系統(tǒng)：以設(shè)計方為責(zé)任方的設(shè)計信息子系統(tǒng)，以施工方為責(zé)任方的施工信息子系統(tǒng)，以業(yè)主方為責(zé)任方的業(yè)主信息子系統(tǒng)。以這3 個子系統(tǒng)為基本結(jié)構(gòu)，用繪圖的方式表示BIM 工程信息流系統(tǒng)中各個組成部分之間的因果關(guān)系，直觀描繪工程設(shè)計方、施工方、業(yè)主方在BIM 工程信息流系統(tǒng)中的相互作用關(guān)系，如圖3所示。

2.1.3 存量流量圖

以因果回路圖為模板進(jìn)一步明確各變量的性質(zhì)，繪制存量流量圖。存量流量圖以更加直觀的方式表達(dá)系統(tǒng)各因素之間的邏輯關(guān)系，是模型運行的基礎(chǔ)。通過對BIM 集成應(yīng)用下的工程信息流系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間因果關(guān)系的深入分析，和變量性質(zhì)確定，繪制出BIM 集成應(yīng)用下的工程信息流系統(tǒng)存量流量圖，如圖4所示。BIM 工程信息流系統(tǒng)動力學(xué)變量集合如表2所示，其中，為了方便起見，將設(shè)計方簡稱為D、施工方簡稱為C、業(yè)主方簡稱為O。

2.1.4 結(jié)構(gòu)方程設(shè)計及說明

（1）狀態(tài)變量方程。

D信息存量=INTEG(D信息產(chǎn)生量+D信息接收量);

C信息存量=INTEG(C信息接受量+C信息產(chǎn)生量);

O信息存量=INTEG(O信息接受量+O信息產(chǎn)生量);

（2）流率變量方程。

D 信息產(chǎn)生量=IF THEN ELSE(D 信息存量-25<=0,D 信息存量*((D-BIM 軟件成熟度+專業(yè)間協(xié)調(diào)度+DBIM 人才+D 軟件購買和培訓(xùn)投入度+D 領(lǐng)導(dǎo)支持度)/5*PULSE(0,6),0；)。

D 表示BIM 設(shè)計信息存量到達(dá)20時，工程設(shè)計部分的信息已經(jīng)全部被表達(dá)出來，設(shè)計方不再產(chǎn)生信息。

C 信息接收量=DELAY1(D 信息共享量*(施工方設(shè)計階段參與度+信息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性)/2+反饋信息量，1)。

由于從設(shè)計方接受的信息要通過接口轉(zhuǎn)換，存在一段轉(zhuǎn)換時間，這段轉(zhuǎn)換時間用一階延遲函數(shù)表示，假設(shè)施工方對接受的信息進(jìn)行二次加工發(fā)生在設(shè)計方共享行為的1個時間單位以后。

C 信息產(chǎn)生量=C 信息存量*(現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、硬件系統(tǒng)+C-BIM 軟件成熟度+C-BIM 人才+C 軟件購買和培訓(xùn)投入+C領(lǐng)導(dǎo)支持度)/5*PULSE(6,24);

O 信息接受量=C 信息共享量*信息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性+D信息共享量*信息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性;

圖3 BIM工程信息流系統(tǒng)因果回路圖

圖4 BIM工程信息流系統(tǒng)存量流量圖

O信息產(chǎn)生量=O信息存量*0.1*(BIM運維軟件成熟度+O-BIM 人才+O-軟件購買和培訓(xùn)投入)/3*(1-PULSE(0,24))。

運營階段的基礎(chǔ)信息是在設(shè)計階段BIM 信息和施工階段的BIM 信息的基礎(chǔ)上簡化而來，假設(shè)精簡后保留了10%的BIM信息。

（3）輔助變量方程。

D信息共享量=D信息產(chǎn)生量*信息共享意愿;

C信息共享量=C信息產(chǎn)生量*信息共享意愿;

信息共享意愿=(BIM知識產(chǎn)權(quán)+法律完善度)/2;

D-BIM 人才=WithLookup(D-軟件購買和培訓(xùn)投入,([(0,0)-(1,1)],(0,0),(0.25,0.045),(0.5,0.1),(0.75,0.25),(0.9,0.55),(1,1)));

C-BIM 人才=WithLookup(C-軟件購買和培訓(xùn)投入,([(0,0)-(1,1)],(0,0),(0.25,0.05),(0.5,0.2),(0.7,0.4),(0.85,0.65),(1,1)))。

BIM 人才因為軟件和培訓(xùn)投入的增加而增長，但是由于設(shè)計方承擔(dān)著建模的重?fù)?dān)，設(shè)計類BIM 軟件比施工類BIM 軟件難度大，所以增長速度會有所區(qū)別，用表函數(shù)來區(qū)別他們之間的差別。

D-軟件購買和培訓(xùn)投入=(政府要求、政策支持度+D利益感知+D領(lǐng)導(dǎo)支持度)/3;

C-軟件購買和培訓(xùn)投入=(政府要求、政策支持度+C利益感知+C領(lǐng)導(dǎo)支持度)/3;

D利益感知,C利益感知=業(yè)主利益分配合理度

2.2 BIM工程信息流系統(tǒng)動力學(xué)模型運行

2.2.1 初值選取及參數(shù)設(shè)定

選用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim PLE 對BIM 工程信息流系模型進(jìn)行仿真，模型的初始條件和時間邊界設(shè)計如下。

INITIAL TIME=0（初始時間=0）;

FINAL TIME=60（結(jié)束時間=60）;

TIME STEP=0.5（時間步距=0.5）;

Units for Time:Month（時間單元：月）;

Integration Type:Euler（積分類型：歐拉積分法）;

本文以5年為仿真周期，1 個月為步長長度，即仿真時間內(nèi)一共有60個步長。其次，需要在模擬之前確定以下變量的初始值。因為系統(tǒng)動力學(xué)模型的仿真結(jié)果很大程度上由其邏輯結(jié)構(gòu)而不由變量的具體數(shù)值決定，同時也因為BIM 工程信息流系統(tǒng)的不能以具象衡量，因此參考現(xiàn)有文獻(xiàn)參數(shù)和采取問卷調(diào)查和相結(jié)合的方式進(jìn)行賦值。

首先，對專家的打分結(jié)果進(jìn)行平均處理，將平均后的結(jié)果統(tǒng)計到電子表格中，為了讓所有變量具備統(tǒng)一的基礎(chǔ)，對平均值做加權(quán)平均的歸一處理，即所有變量值控制在了0～1之間。BIM 軟件成熟度和領(lǐng)導(dǎo)支持度兩項需要按參與方分類處理，處理結(jié)果如表3所示。

狀態(tài)變量初值代表了BIM 工程信息流相關(guān)因素的初始狀態(tài)，本模型中涉及的狀態(tài)變量有設(shè)計方信息存量、施工方信息存量和業(yè)主方信息存量，由于本文的最終目的不是對BIM 工程信息進(jìn)行量上的測定，因此對于信息存量的初值允許設(shè)置成一個模糊不精確的數(shù)就能夠達(dá)到仿真條件。通常情況下工程信息的種類、格式眾多，要實現(xiàn)各種類單位的統(tǒng)一基本不可能，故而不設(shè)置單位。假設(shè)設(shè)計方信息存量為2，施工方BIM 信息存量為1，業(yè)主方BIM信息存量為0。

表2 BIM工程信息流系統(tǒng)變量表

表3 常數(shù)賦值表

2.2.2 變量敏感度分析

在本模型中，專業(yè)協(xié)調(diào)度、設(shè)計BIM 軟件成熟度、施工BIM 軟件成熟度、政府要求、政策支持度、利益分配合理度，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性等屬于常量，改變其賦值，可以清晰地辨別其對系統(tǒng)的影響。

（1）專業(yè)協(xié)調(diào)度對系統(tǒng)的影響。

不改變模型的結(jié)構(gòu)和其他變量的值，對專業(yè)協(xié)調(diào)度取0.6、0.8，考察其對業(yè)主方信息存量、設(shè)計方信息產(chǎn)量的影響，模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。其中，圖中曲線2都是初始基準(zhǔn)值，曲線1是將基準(zhǔn)值調(diào)減0.1后信息量的仿真圖。曲線3是將基準(zhǔn)值調(diào)增0.1后信息量的仿真圖。

圖5 專業(yè)協(xié)調(diào)度對業(yè)主方信息存量的影響

圖6 專業(yè)協(xié)調(diào)度對設(shè)計方信息產(chǎn)量的影響

從圖5可知，專業(yè)協(xié)調(diào)度的變化對業(yè)主方BIM 信息存量的增減存在影響，但影響較小。從圖6可知，提高專業(yè)協(xié)調(diào)度縮短了設(shè)計階段所耗費的時間，這一方面意味著整個項目工期的縮短，另一方面意味著設(shè)計方工作效率的提高。因此，設(shè)計階段各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)度的增長可以提高設(shè)計方的工作效率。

（2）政府要求政策支持度對系統(tǒng)的影響。

不改變模型的結(jié)構(gòu)和其他變量的值，對政府要求、政策支持度取0.6、0.8，考察其對業(yè)主方信息存量、設(shè)計方信息產(chǎn)量和施工方信息產(chǎn)量的影響，模擬結(jié)果如圖7～9 所示。其中，圖中曲線2 都是初始基準(zhǔn)值，曲線1 是將基準(zhǔn)值調(diào)減0.1 后信息量的仿真圖。曲線3 是將基準(zhǔn)值調(diào)增0.1后信息量的仿真圖。

從圖7可知，政府要求、政策支持度的影響較專業(yè)協(xié)調(diào)度影響大。對比圖8和圖9可發(fā)現(xiàn)，政府要求、政策支持度對施工方BIM信息產(chǎn)量影響更大。

（3）利益分配合理度，信息標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性對系統(tǒng)的影響。

圖7 政府要求、政策支持度對業(yè)主方信息存量的影響

圖8 政府要求、政策支持度對設(shè)計方信息產(chǎn)量的影響

圖9 政府要求、政策支持度對施工方信息產(chǎn)量的影響

不改變模型的結(jié)構(gòu)和其他變量的值，對利益分配合理度取0.4、0.6，對信息標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性取0.5、0.7，考察其對業(yè)主方信息存量的影響，模擬結(jié)果如圖10-11 所示。其中，圖中曲線2 都是初始基準(zhǔn)值，曲線1 是將基準(zhǔn)值調(diào)減0.1 后信息量的仿真圖，曲線3 是將基準(zhǔn)值調(diào)增0.1 后信息量的仿真圖。

圖10 利益分配合理度對業(yè)主方信息存量的影響

圖11 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性對業(yè)主方信息存量的影響

從圖10-11可知，利益分配合理度，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性對BIM 工程信息流的影響都比較大，而且比前文分析的政府要求、政策支持度的影響更大。對比兩圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利益分配合理度水平較低時，改變其值對設(shè)計方BIM 信息存量影響更明顯，即低的利益分配合理度比高的利益分配合理度更敏感。

（4）設(shè)計BIM 軟件成熟度、施工BIM 軟件成熟度對系統(tǒng)的影響。

不改變模型的結(jié)構(gòu)和其他變量的值，對設(shè)計BIM 軟件成熟度取0.8，對施工BIM 軟件成熟度取0.5，考察其對業(yè)主方BIM 信息存量的影響，模擬結(jié)果如圖12-13 所示。其中，圖中曲線1 都是初始基準(zhǔn)值。曲線2 是將基準(zhǔn)值調(diào)增0.1后信息量的仿真圖。

對比圖12-13可知，設(shè)計BIM 軟件成熟度、施工BIM 軟件成熟度的提高都能增加BIM 工程信息流，但設(shè)計BIM 軟件成熟度對業(yè)主方BIM 信息存量的影響小于施工BIM 軟件成熟度對業(yè)主方BIM 信息存量的影響，施工BIM 軟件成熟度影響程度與前文分析的政府要求、政策支持度、利益分配合理度以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性的影響程度相當(dāng)。

圖12 設(shè)計BIM軟件成熟度對業(yè)主方信息存量影響

圖13 施工BIM軟件成熟度對業(yè)主方信息存量影響

3 結(jié)論與建議

3.1 研究結(jié)論

利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim 進(jìn)行BIM 工程信息流系統(tǒng)的仿真，發(fā)現(xiàn)政府要求及政策支持度、業(yè)主利益分配合理度以及BIM 規(guī)范的統(tǒng)一性對系統(tǒng)影響比較大，施工類BIM 軟件成熟度對系統(tǒng)的影響比設(shè)計類BIM 軟件成熟度影響大。為了達(dá)到BIM 信息的順暢流動，實現(xiàn)BIM 技術(shù)的價值最大化，可以從消除上述主要的噪聲因素著手。

3.2 相關(guān)建議

（1）加速BIM政策落地。

政府建設(shè)行政主管部門，可以發(fā)揮其監(jiān)督者的導(dǎo)向作用，直接帶動建筑市場變化。近幾年的建筑業(yè)相關(guān)政策文件雖然多次提及BIM，如《2011-2015 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《BIM 技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)意見》等，但并非專項的BIM 推廣政策，BIM 在文件中一筆帶過，或者是在概念、理念上的推廣，沒有涉及BIM 具體實現(xiàn)措施、BIM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立、工程數(shù)據(jù)的安全性等核心問題。因此，應(yīng)進(jìn)一步加速BIM政策落地。

（2）開發(fā)效益創(chuàng)造新途徑。

設(shè)計方在爭取自己應(yīng)得收益的同時，可以積極開辟效益創(chuàng)造新途徑。首先，由于業(yè)主方是BIM 應(yīng)用的直接和最大受益者，所以由業(yè)主方承擔(dān)一部分設(shè)計方、施工方BIM 應(yīng)用初期的軟（硬）件的購買、BIM 培訓(xùn)、聘用BIM 專家、工作量增加等引起的費用增加。但是，設(shè)計方不能將BIM 技術(shù)僅僅作為追加設(shè)計費的一種手段，可以嘗試通過企業(yè)BIM 構(gòu)件庫的建立和長期維護(hù)與云技術(shù)、大數(shù)據(jù)的結(jié)合，將BIM 構(gòu)件庫當(dāng)作一種資源，提高模型構(gòu)件庫資源的復(fù)用能力，開辟收益新途徑。

（3）深化BIM施工應(yīng)用。

加拿大BIM 學(xué)會按照產(chǎn)品字母順序?qū)IM 相關(guān)軟件做過調(diào)查研究，該調(diào)查一共包含79 個BIM 軟件，其中62 個（約80%）供設(shè)計使用，僅25 個軟件可以應(yīng)用于施工。這說明現(xiàn)在依舊是設(shè)計應(yīng)用占據(jù)大部分市場的現(xiàn)狀，BIM 軟件在施工方向的成熟度和深度相對落后。仿真結(jié)果表明，施工BIM 軟件應(yīng)用對BIM 工程信息流的影響程度大于設(shè)計BIM 軟件的影響，所以對于BIM 軟件的研發(fā)應(yīng)向施工階段側(cè)重，深化BIM 施工階段的應(yīng)用。BIM 可以與數(shù)字化生產(chǎn)、裝配式施工結(jié)合，提高建筑工業(yè)化水平；與物聯(lián)網(wǎng)、移動技術(shù)結(jié)合，提高施工現(xiàn)場協(xié)同工作效率；與3D 打印、測量和定位等硬件設(shè)備結(jié)合，提高生產(chǎn)效率和精度。

（4）統(tǒng)一BIM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國建筑行業(yè)主要采用的是國外軟件開發(fā)商研發(fā)的BIM 軟件和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，但這些軟件和標(biāo)準(zhǔn)是針對國外建筑行業(yè)情況開發(fā)的，與中國建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范適配度不高。從長遠(yuǎn)利益出發(fā)，我國建筑行業(yè)需要在統(tǒng)一平臺上，研發(fā)符合我國國情的BIM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和軟件。