ANP方法在BIM实施方案决策中的应用

付冉冉，张金月

(天津大学 管理与经济学部，天津 300072)

ANP方法在BIM实施方案决策中的应用

付冉冉，张金月

(天津大学 管理与经济学部，天津 300072)

BIM技术在工程实践中彰显出强大的价值优势，在我国建筑业得到广泛关注和应用。因为BIM应用点众多，企业需要科学的决策方法，制定出适合企业实情、符合项目需求的BIM实施方案。运用网路层次分析法ANP对BIM实施方案决策进行分析，并使用超级决策软件SD求解得到最优决策结果。通过实证分析验证该决策方法对工程实践具有可行性。

建筑信息模型；网络层次分析法；决策指标体系；SD软件

近年来随着经济高速发展，我国的城市化进程加速，建筑行业迎来了黄金发展时期。在面临大好发展机遇的同时，建筑业的劳动生产率却远远低于工业和服务业。行业利益干系人的多元化和各自为利、建设流程的复杂和不连续性、信息知识管理的低效率、新兴技术采纳的相对滞后，以及创新扩散速率的低下等问题是一直以来阻碍建筑业发展的主要原因之一[1]。

兴起于20世纪70年代的BIM(Building Information Modeling)技术已经被广泛接受，并被公认为是有效解决这一问题的工具，如美国国家自然科学院(The National Academies)提出BIM这一互操作技术的广泛应用是解决建筑业上述问题的五个有效措施之一[2]。BIM从生命周期角度将建筑构件的几何信息和属性信息有机集成和管理起来，实现了建筑信息的可视化、集成化和参数化的表达，服务于建筑整个生命周期的决策和管理[3]。

BIM技术在工程建设过程中的作用体现在以下两个重要方面：一方面，BIM技术降低了工程建造各阶段的信息损失，成为解决信息孤岛问题的重要支撑[4]。事实上，BIM本身就是一个集成了建造、施工过程的各个阶段、各个参与主体、各个业务系统的集成化技术[5]。在工程建设中应用BIM技术，为各个信息孤岛搭建起连接和沟通的桥梁，从根本上解决建筑全生命周期各个阶段和各专业系统间的信息断层问题。另一方面，BIM技术成为支撑工程施工中的深化设计、预制加工、安装等主要环节的关键技术[6]。

越来越多的企业意识到BIM技术的价值优势和应用前景，对BIM由“观望”转向“实践应用”。但是，面对建筑全生命周期的BIM应用点众多，企业需要对项目的整体规划和建造目标有一个清晰的认识，对想要通过BIM技术取得哪些成果确定明确的方向，并且具备BIM得以顺利实现的软硬件条件和人才储备，从而制定合理可行的BIM实施方案，在目标实施方案的指引下选择最优的应用点组合，让BIM技术的价值优势在项目中充分体现，以取得较为满意的BIM应用效果。因此，有必要对BIM实施方案决策进行深入研究，构建一个科学、合理、可行的决策指标体系，并据此做出恰当的决策。

1 决策指标体系的构建

1.1 决策指标体系构建的原则

BIM技术的实施和推广必然带来项目建造方式革命性的变化，同时意味着企业也要以新的工作方式对项目进行规划和监管。在宏观上，企业应该遵循信息化阶段规律，正确定位企业BIM建设的现状和能力，并制定切实可行的BIM实施路线；在微观上，要根据企业BIM人才和能力、建设项目的特点、项目团队的能力、当前的技术发展水平、BIM实施成本等多个方面综合考虑切合企业自身特点的BIM实施路线[7]，如图1所示。

图1 BIM实施框架图

(1)理清需求原则[8]

理清需求原则是指企业在制定BIM实施目标时，要立足自身的资源优势和项目管理水平，明确实施BIM技术的核心目的是什么，搞清应用BIM技术来解决什么问题，BIM技术将为项目的运行和管理带来什么价值。

(2)专业为本原则[9]

BIM实施需要的专业能力是毋庸置疑的。“专业为本”原则包括建筑业务本身的专业性和软件系统应用的专业性两大方面。

(3)应用为先原则

BIM实施始终以提升企业效益、提升项目效率为核心目的。当前，很多建筑项目的参与者对BIM技术价值的理解仅停留在“华而不实”的界面和“锦上添花”的表面效果，而忽视了BIM技术在项目全生命周期给项目实施带来的成效和价值。

(4)统筹协调原则

BIM应用不是一个人的事，也不是一个团队的事，可能也不是单一项目参与方的事，项目参与方的协调配合是通过实施BIM技术实现项目价值最大化的基础和前提。

1.2 问卷调查与数据收集

基于上述BIM实施方案制定的原则，结合文献研究和工程实践案例研究，梳理总结出较为全面的企业BIM实施方案决策指标，如表1所示。

表1 BIM实施方案决策指标体系

在此基础上，结合我国工程实践背景，设计调查问卷，借助电子沟通渠道，主要通过Email发放和回收问卷。问卷共分为三个部分，即企业基本情况、个人基本信息和BIM实施方案决策影响因素，其中第三部分是调查问卷的核心，共包括13个题项，均采取普通的1～5分打分制的李克特量表，问卷人对所列决策指标的重要程度进行打分，1～5分依次表示为非常不重要、不重要、一般、重要、非常重要5个层级。问卷调查的对象主要是建设单位/开发商、设计单位、施工单位/承包商、BIM咨询单位的相关专业从业人员。

问卷调研分为试调研和正式调研两步。试调研阶段，获得了7位拥有5年以上BIM实施经验的项目管理人员的配合，填写问卷，并反馈填写问卷时存在歧义、不解等问题的地方，提出题项调整建议。本文针对相关专业意见对问卷的格式、内容、措辞等进行了部分修改，形成了最终问卷。在前期试调查的基础上，将调整、修改后的问卷终稿开展正式调研，进行了大规模的问卷发放。经过统计筛选，共发放了150份问卷，

最终回收112份，其中有效问卷95份，调查问卷的有效回收率是84.8%。

1.3 数据有效性分析

为了检验调查问卷设计的合理性和科学性，需要对其进行信度和效度分析。

信度就是检验量表的一致性、可靠性和稳定性。本文采用L.J.Cronbach的内部一致性信度系数α，即Cronbach α系数来衡量问卷的信度。一般认为，问卷的Cronbach α系数在0.70以上则可以接受。本文各量表的信度检验结果如表2所示。

表2 各量表信度检验

由表2可知，四个量表的Cronbachα系数均在0.7以上，表明其均具有较高的信度，同时也证明了本研究所使用量表的内部一致性及内部结构良好。

采用因子分析对BIM应用目标决策因素量表的数据有效性进行分析。本研究针对BIM应用目标决策影响因素量表中的13个题项进行因子分析，通过分析提取了4个因子，这与原始量表的模块构成一致，说明该子量表具有很好的结构效度。如表3、4所示。

表3 KMO和Bartlett的检验

1.4 决策指标体系的构建

依据调查问卷的统计结果，建立了BIM实施方案决策指标体系。该决策指标体系包括四个一级指标，即BIM实施资源、BIM执行能力、BIM应用对项目参与方的价值以及BIM应用对项目的价值，其下又包括13个二级指标，如表1所示。

表4 BIM实施方案决策指标旋转后因子荷载矩阵

2 BIM实施方案决策指标体系的量化研究

决策指标体系的各个因素之间相互关联性强，如BIM应用资源中的资金投入会直接影响BIM人力资源和基础设施配备，而BIM人力资源也会影响BIM团队资质，不同元素组之间、同一元素组的不同元素之间存在着依赖和反馈关系。因此，本文选择网络层次分析法(ANP)，对BIM实施方案决策进行量化研究。

2.1 ANP理论概述

网络层析分析法ANP，其提出者为美国T.L.Saaty教授[10]。作为著名的运筹学家，他在1996年提出了这一新型决策方法，也是以不同角度对层次分析的一种扩展。其主要针对决策问题中反馈性及依赖性的情形。使用这种方法，使得一些无结构及半结构问题得到了简化，并以递阶层次结构体现出来。

ANP的典型层次结构包括两部分：一是控制层，二是元素层。元素之间和元素组之间可以是相互依存、反馈的，构成相互影响的网络结构[11]。

2.2 ANP在BIM实施方案决策中的应用

基于ANP的BIM实施方案决策模型如图2所示。

图2 BIM实施方案决策的ANP模型

2.2.1 指标权重的确定

设ANP的控制层中有准则元素B1,B2,…,Bn，控制层下的网络层有元素组Bil,Bi2,…,Bij，其中i=1,2,…,n,以控制层元素为准则，以网络层元素为次准则，元素组中元素按其对Bij的影响力大小进行优势度比较，两两元素进行比较，构造判断矩阵：

对其进行一致性检验。首先计算一致性指标C.I.=λmax-n/(n-1)，(其中n为判断矩阵的阶数)，计算一致性比率C.R.=C.I./R.I.。当C.R.<0.1时，则认为该判断矩阵具有满意的一致性，否则就需调整判断矩阵，直到通过一致性检验为止。

网路层元素的相互影响的排序向量组合起来就得到一个在控制元素下的超矩阵：

对矩阵W进行归一化处理，得到特征矩阵：

矩阵W与矩阵P相乘，得到加权超矩阵，其每列的和为1，其中的元素就是网络层各个元素的权重。

2.2.2 ANP的实现

网络层次分析法的SD软件(Super Decision)是由美国Expert Choice公司研发的，该软件实现了由T.L.Saaty教授提出的网络层次分析法[12]。SD软件可以构造具有依存和反馈的决策模型，并利用网络层次分析法的超矩阵计算得到计算结果，最后结合决策背景进行结果分析。

3 实证分析

为验证基于网络层次分析法ANP的BIM实施方案决策模型的科学性和合理性，本文将通过实证分析来检验决策模型的可操作性和实用性。

3.1 项目背景

某建筑工程项目M是一改扩建项目，该建筑原是一工业园区的集中仓库，现在园区整体改造，由原来的“工业为主”向“服务”与“工业”并重发展，根据园区改建工作组的整体规划，计划将原来的集中仓库改扩建成产业园区的生态科技园，用于科技展览、承办各类交流活动。该项目存在以下三大难点：第一，基于现有的建筑结构，搭建建筑信息模型，以最小的变动，获得最佳的项目改扩建效果；第二，争取把该项目做成省级绿色建筑示范项目，解决成本与项目目标之间的平衡问题；第三，满足业主提出的集成项目交付要求，为项目后期的运营维护提供数据支持。

3.2 备选的BIM实施方案

为最大限度达成业主对项目的要求，满足项目改扩建的功能要求，从重点攻克上述三个项目难点出发，项目管理团队A初步提出了两个备选的BIM应用方案。

方案一：从“追求整体完美”角度出发，考虑在项目全生命周期应用BIM技术，以传统项目管理的三大目标(即降低成本、提高质量、提升效率)为主要决策指标，同时满足项目在绿建、精益、可持续方面(下文简称“其他”)的要求。

方案二：以“重点突破，力求整体最佳”的决策理念，立足业主的项目期望和项目自身的特点，将BIM应用重点放在实现绿色建筑、精益建造方面，同时，在项目投资资金允许的情况下，最大限度提升各项项目管理指标。

3.3 基于ANP的BIM实施方案决策

首先，根据以上对项目基本情况的分析和研究，构建本案例的决策指标体系，并将其输入到SD软件中，如图3所示。

图3 项目M的BIM实施方案决策模型

通过专家打分构建判断矩阵并进行一致性检验，然后计算加权超矩阵以及极限矩阵，最后得到各指标综合权重以及排序，如表5所示。

表5 最终指标权重及排序结果

3.4 结果分析

通过超级决策软件SD的计算和分析，两个方案的决策结果如图4所示。

图4 项目M的决策结果

超级决策软件SD关于两个备选方案给出了三种类型的相对权重，如图4所示，位于图表最右边的一列是总权重(Totals)，它是所有因素统一化时备用方案因素的对应权重；标准权重即Normals，相对权重统一化是在备用方案元素的总权重前提上进行，本案例中，方案一和方案二的标准分别是0.4680、0.5320；位于第一列的理想权重(Ideals)是将标准权重最大的那个元素的权重值(设为q)设定为1，然后用1/q分别乘以其他元素的权重值，本案例中，方案二的理想权重是1，方案一的理想权重是0.8796。

因此，基于ANP的BIM应用目标决策分析，应该优先考虑采用方案二。

4 结论

通过对BIM实施框架的分析，基于BIM实施方案决策的四点原则，从实施BIM的资源、能力到BIM带来的价值三个维度构建了决策指标体系，综合考虑了BIM应用给项目参建各方带来的价值，体现了BIM技术的协调性、过程性的特点。在运用ANP对BIM实施方案进行决策时，为简化模型而忽略了政策标准层面的指标因素。但是，随着国家级的标准政策的陆续出台，BIM实施方案决策也会受其影响，需要对决策指标体系进行进一步的研究和完善，以确保方案决策的可行性。

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(责任编辑：马金发)

Application of ANP Theory in BIM Decision Method

FU Ranran，ZHANG Jinyue

(Department of Management,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

BIM technology has already attracted broad attention and been widely applied in AEC industry in recent years,for its huge advantage in construction management.Faced with numerous BIM application points,the enterprises need to develop a BIM implementation plan which is to meet the requirements of project.This study uses the ANP method to make BIM application decision with the help of SD software.At last,one project case is used to verify the feasibility of the decision-making method.

：Building Information Modeling(BIM)；the Analytic Network Process(ANP)；decision system；super decision software

2014-12-09

国家自然科学基金资助项目(NSFC71272147)

付冉冉(1990—)，女，硕士研究生；通讯作者：张金月(1972—)，男，副教授，研究方向：工程项目管理、BIM、知识管理.

1003-1251(2015)05-0076-06

C934

A