基于DEMATEL的BIM应用效益关键影响因素及对策

申 玲， 宋家仁， 钱 经

(南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211800)

2017年2月21日，国务院办公厅发布《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，提出加快BIM技术集成应用在规划设计、施工、运维的全过程。2015年6月16日，住建部发布《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，旨在指导和推动建筑信息模型应用。BIM(Building Information Modeling)是在计算机辅助设计(CAD)等技术基础上发展起来的多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，是下一阶段建筑业的发展方向。然而，目前由于业主方缺乏BIM理念；工程项目各阶段缺乏有效管理集成与协同；BIM初期投入成本巨大；软件之间缺乏互操性等等一系列原因[1,2]，BIM应用效益的发挥面临不少挑战与阻碍；实践中大多数业主方仍然对BIM应用包括哪些效益未有明确的认知。

从当前BIM应用发展阶段来看，不仅要研究BIM技术本身，也需要分析BIM应用效益。对此，近些年来国内外学者从效益的识别、效益评价、推进对策等方面也进行了大量研究。具体综述如下：

对于BIM应用效益识别，CIFE记录了使用BIM的32个主要项目中因BIM带来的一些好处，如成本减少和控制，时间减少和控制，沟通改善以及协作提升[3]。Azhar在研究中概述了若干BIM益处，对项目的目标即成本和进度数据，提供了特定的量化指标[4]，如更快、更有效的过程信息共享，控制全寿命成本和环境数据，更好的产品质量等。Bryde 等通过研究佐证了学者Azhar的一般结论[5], 其回顾了35个BIM建设项目，基于PMBOK知识领域的成功标准划分得出频率最高的BIM的效益是成本减少与控制，变更减少和工期节约。Nawari把BIM的成功因素之一归功于创造了可持续的社区[6]。Dongping等运用问卷调查和访谈法调查了中国大陆106个涉及BIM项目的应用领域及成效，结果表明：大多数应用BIM的项目是有积极成果与效益的，同时也认为BIM运用的潜力可以在行业内更好地被探索和开发[7]。

对于BIM应用效益评价，吴蔚对BIM效益进行系统性研究，建立BIM效益评价指标体系，并以钢结构BIM应用进行案例分析[8]。袁思煌对39篇国内外相关文献进行分析，识别和提取了22个业主驱动的BIM应用效益评价指标，并以真实项目进行实证研究，并验证评价指标体系的有效性和可操作性[9]。

对于BIM应用推进对策研究，Jung，Joo认为需要把管理有效性作为BIM效益发挥的前提[10]。Eadie等研究表明：在当前一些项目中不采用BIM的最主要原因是项目团队和外部组织中缺乏专业人士和专业知识，这也可能是3D模型和BIM的利益在建设行业中没有完全实现的原因[11]。此外，该学者通过BIM用户的92个回应证明了协作能够产生最大的积极影响，流程方面比软件技术更为重要，Migilinskas等的研究也证实了该观点[12]。

然而归纳总结后发现，现有研究多基于已有案例定性分析BIM应用效益构成，尚无从影响因素去定量分析BIM应用效益发生的过程。BIM应用效益的明晰，制约着所有参与方采用BIM行为的选择，研究效益构成及形成机理迫在眉睫。鉴于BIM技术可有效减少交易费用以及改善沟通[4,13]，且交易费用研究亦是当前工程管理专业研究的热点之一，由此，本文创新性地尝试从交易费用理论视角初步研究BIM应用效益的基本构成，并分析关键影响因素，探寻BIM应用效益的形成机理，最后提出相应的对策建议，以期为业主方前瞻性地对BIM应用进行管理提供帮助，也从宏观层面为政府制定BIM推进政策提供依据。

1 BIM应用效益构成及其影响因素

1.1 核心概念界定

依据GB/T 51212-2016《建筑信息模型应用统一标准》，对本文相关概念定义如下：

(1)BIM应用

系指建筑信息模型在工程项目中的各种应用及项目业务流程中信息管理的统称。本文依据研究目的需要，将其界定为建筑工程项目全寿命期内建筑信息模型的建立、应用和管理。

(2)BIM应用效益

系指建筑工程项目全寿命期内因建筑信息模型的建立、应用和管理而产生的效益，包括直接效益和间接效益。

1.2 BIM应用效益的构成分析

1.2.1基于交易费用理论的工程项目总成本构成

BIM模型和信息在建筑工程生命周期中的持续传递和共享使用，很大程度上提升了工作效率及效益。因此，要识别BIM应用效益，应从交易费用视角重新对工程项目成本构成进行分类，而交易费用的节约即为BIM应用的直接效益。需要注意的是，洪伟民和王卓甫认为交易费用与发承包方式有关，而发包方式会对建设工程交易费用产生较大影响[14]。鉴于DBB(Design-Bid-Building)模式既是建筑工程最常用的发包方式，也是最能体现BIM优势的方式，由此本文以DBB模式下BIM应用为研究对象分析其效益构成。

通过文献检索发现，很多学者均以合同签订前后区分建设工程交易费用。比如，Huimin， David认为合同前交易费用包括市场调研费用、融资机会寻找、可行性研究、招投标、合同谈判、以及日常的合同前项目管理; 合同后交易费用包括日常的合同管理费用、管理索赔和变更单、争议解决[15]。洪伟民等认为建设工程总成本包含三部分：(1)合同前交易费用，包括前期咨询费、委托招标代理费、合同谈判；(2)生产费用，包括工程合同价格、施工中变更费用；(3)合同后交易费用，包括业主方管理组织费、委托监理费、争议评审费[16]。由工程建设特点及结合交易费用理论分析可知，设计阶段和运营阶段也会发生交易费用(但凡涉及签约活动必然发生交易费用)，从而结合上述分析，从设计、施工、运营阶段出发，构建交易费用视角下工程生命周期成本构成如表1所示。

从表中看出设计阶段和运维阶段的交易费用相比施工阶段较小，由于BIM应用效益主要由节约的交易费用体现，故本小节的详细阐述有助于下节的进一步分析。

表1 交易费用视角下工程项目总成本组成

1.2.2BIM应用效益构成

为简便起见，本文从直接效益和间接效益角度划分BIM应用效益，具体分析如下：

(1)BIM应用直接效益

BIM应用直接效益主要体现为交易费用的节约以及因增量成本带来工期节约使得建造成本的降低，则对比建设工程交易费用的构成分析，各阶段BIM应用效益如表2所示。

表2 交易费用视角下BIM应用直接效益构成

(2)BIM应用间接效益

BIM应用具有正外部性，有潜在的社会效益。本节从工程项目(业主方)层面和社会层面分析其间接效益，具体构成及分析详见表3。

1.3 BIM应用效益的影响因素分析

为了进一步探明BIM应用效益发生的过程，有必要对其影响因素进行深入研究。通过上述对BIM直接效益和间接效益的构成分析，本文在借鉴Analytics发布的《中国BIM应用价值研究报告》[17]的基础上，结合中国具体国情，添加政府因素的维度，建立三个新的分析维度：即从BIM市场和产业因素、BIM技术和流程因素、政府因素，与构成映射分析后初步理论得出BIM应用效益影响因素(共13个)，如表4所示。

表3 BIM应用间接效益构成

表4 BIM应用效益影响因素

2 BIM应用效益关键影响因素

2.1 DEMATEL基本原理与适用性

DEMATEL(Decision Making Trial & Evaluation Laboratory)，即决策实验室法，它是由美国学者提出的一种运用图论与矩阵论原理进行因素分析的系统工程模型。该方法通过计算每个因素的原因度与中心度，确定因素间的因果关系和每个因素在系统中的地位，将复杂的问题简单化，是进行因素分析与识别的一种有效方法[18]。它适合对复杂系统因素间的交互影响研究，剥离结果因素，从而达到缩减指标的作用。DEMATEL能充分利用专家的经验和知识来处理复杂的社会问题，尤其对那些要素关系不确定的系统更为有效。对BIM应用效益影响因素的识别与分析，现阶段借助于一批常时间研究工程数字化管理等专家的学识与智慧，以及具有BIM咨询服务经验的企业管理者的经验，以保证专家数量及构成的合理性，再利用DEMATEL法就可确定关键影响因素。

基于DEMATEL的BIM应用效益影响因素相互影响关系研究的首要工作是以专家、利益相关者调查和访谈等方式统计分析各因素间相互影响关系，构建各因素间的直接影响矩阵V[19]：

(1)

式中：vij为因素i对因素j的直接影响程度；i为整数，取值范围为1≤i≤n；j为整数，取值范围为1≤j≤n；当i=j时，因为不考虑因素自身的影响，vij=0

直接影响程度可采用0～1，0～4，1～9等标度确定。将直接影响矩阵V进行规范化处理，得到规范化直接影响矩阵X，然后X相加得到综合影响矩阵Z，在此基础上就可计算出每个因素对其它因素的影响度A和被影响度B，每个因素的中心度M和原因度U，从而确定因素间的因果关系以及每个因素在系统中的地位。步骤及计算公式如下：

(1)计算X

规范化处理V，以分析因素间的间接影响。计算式为：

(2)

式中：0 ≤xij≤1

(2)计算Z

综合矩阵Z由规范化后的直接影响矩阵X1，X2，…，Xn相加构成的。计算式为：

Z=X1+X2+…+Xn=(zij)n×n

(3)

当n趋近无穷大时，可采取Z=X(I -X)-1相近计算，I 代表单位矩阵。

(3)计算A和B、M和U

A代表该因素对其他所有因素的综合影响值，等于Z中的行和。B代表该因素受其它所有因素的综合影响值，等于Z中的列和。计算式为：

(4)

(5)

式中：1≤i≤n, 1≤j≤n。

M代表该因素在系统中的重要性程度，等于综合影响矩阵Z中的行和与列和之和。原因度U代表该因素与其他因素的因果逻辑关系程度，等于综合影响矩阵Z中的行和与列和之差。若为正，代表该因素对其他因素的影响大，称原因因素；若为负，则代表该因素受其他因素的影响大，称结果因素。计算式为：

M=Ai+Bj

(6)

U=Ai-Bi

(7)

2.2 影响因素间因果关系及各因素的地位

2.2.1构造直接影响矩阵V

选择专家40人(高校数字建造方向以及可持续建造方向教师10人，业主方12人，设计单位8人，施工单位6人，咨询/监理单位4人)作为此次专家群体，采用0 ～ 4 标度(0-无影响；1-影响较弱；2-影响弱；3-影响强；4-影响很强)对因素间的直接关联程度进行打分。

对打分结果分析并取平均值作为对应因素的直接影响程度，则构建各因素间的直接影响矩阵如表5所示。

表5 BIM应用效益影响因素直接影响矩阵

2.2.2计算X和Z

根据上述方法，可计算得到规范化矩阵X和Z，受篇幅所限，相关过程不再赘述。

2.2.3计算A和B，M和U

基于上述基本原理，可运用MATLAB软件编程来得出各因素的A和B，M和U，结果见表6。

表6 BIM应用效益影响因素综合影响关系

2.3 原因-结果图绘制及结果分析

借助MATLAB软件编程，可绘制、确定及生成各因素所在位置图(将x轴和y轴分别命名为因素的中心度和原因度)，如图1所示。

图1 BIM应用效益影响因素的原因-结果

由表6和图1可得：中心度排名前四位：b2，b4，b1，b8；原因度排名前四位：b8，b13，b3，b9；原因度为负的有：b4，b10，b1，b11，b6，b7，b5。

中心度前4位的是BIM需求及价值验证b2、多企业协作b4、BIM技能b1、软件数据互用性b8。相应的中心度为：4.017，3.882，3.785，3.599。说明这4个因素在BIM应用效益系列影响因素中具有关键作用。

原因度前4位的因素是：软件数据互用性b8、激励政策b13、BIM理念b3、各方交付物界定b9。相应的原因度为：1.212，0.898，0.691，0.659。说明这4个因素容易影响其它因素。

原因度为负的因素为：多企业协作b4、三维族库b10、BIM技能b1、软件集成b11、合同条款b6、软件功能性b7、设计原因b5。相应的原因度为：-1.033，-0.871，-0.681，-0.571，-0.280，-0.186，-0.166。说明这些因素受其它因素影响。

3 相关对策建议

中心度是评价因素重要性的指标，据此可以提取关键影响因素并提出促进BIM效益发挥的具体对策建议。从结果分析可知，影响BIM应用效益的重点因素是BIM需求及价值验证、多企业协作、BIM技能、软件数据互用性。建议如下：

3.1 业主方应提高领导力，从生命周期推行BIM技术，发挥最大化效益

此因素和Analytics研究结果[17]相一致，其调研发现：业主方需求的增加以及更多展示BIM应用价值的硬性指标被认定为关键因素。众多研究也证明在BIM实施过程中业主是最大获益方这一观点，具体可参见上文表2，3中对生命周期内业主方的BIM应用获益的详细分析；而笔者也曾和鲁班企业人员交流过，真实的案例发现BIM技术投入可为业主方带来5～10倍的投资回报率。同时，业主方需具备一定的领导力才能取得项目的成功，这点与Jung ，Joo研究结果[10]亦相吻合。经查阅资料得，2016年4月20日，Dodge公司发布《复杂建筑项目的BIM影响测度》报告，调查发现提高BIM应用效益的主要因素来自于业主方有力的管理。因此，在BIM的推进中，业主方必须树立自己是最大受益者这样的理念，并且组建自己的BIM团队，拥有实施BIM的强领导力，鼓励全生命周期运用BIM技术，发挥BIM应用最大价值。

3.2 各企业相互配合与协作，减少交易费用，提高直接效益

各利益相关者的全力配合是项目取得成功的必要条件。虽然内部BIM技能对企业十分重要，但BIM真正强大的效益只有在多家企业相互协作并有效插入、获取、更新和修改模型数据时才能体现出来，这与Eadi研究成果[11]相一致，他强调协作和流程方面比软件技术更为重要，能够产生最大的积极影响。而在工程各阶段间，模型信息有效传达则依赖于专业管理人员的交接。因此，当各方具备相应的BIM技能，基于BIM的主动协作使得沟通交流更加顺畅，减少信息偏差，减少交易费用；而且也会增加外部性效益(政府需要辅以一定的配套激励措施弥补此部分收益)，提高直接效益，并加速行业信息化进程。

3.3 加大对成员的BIM技能培训，提高直接与间接效益

BIM应用效益的提高，离不开具备BIM技能的成员。各参建方应本着合作共赢的态度，对业主方而言，加大对工程师的培训力度，掌握BIM基本技能，才能更好地管理承包方。对承包方而言，通过人员技能培训，一方面增强自己的企业软实力，在员工面前树立好的形象，提高无形效益，另一方面有利于在业主方展示自己公司的实力，有利于长期合作。同时各方BIM技能的良好掌握也确保了项目模型信息和数据的完整性，对于项目后期运营管理极其重要，大大降低运营成本，为业主方提高直接效益。

3.4 促进软件数据互用性，发挥模型数据的传递价值，促进BIM应用实施

自2007年以来，DD&A一直在研究设计和施工业内各软件之间的数据互联互通问题。虽然方便数据集交换的数据标准(比如IFC)已经有所改进，但很多从业者仍把“互用性缺乏”列为主要挑战。DD&A发现：互用性的增强将有助于提升BIM效益，这与中国的调研结果贴合，尤其是对于更大且更复杂项目中协作实施基于BIM的流程的影响更为突出。因此，建议依托软件公司、高校及科研机构，加强建设符合我国工程现行管理方式的数据标准，开发相应的工程管理软件或插件，充分应用已有的软件数据信息，可以大大提高不同工作的无缝连接，减少信息损失。

4 结 语

BIM技术作为建筑业信息化的重要组成部分，必将对整个建筑生产模式的改变产生重大影响，并促进建设行业信息共享与协同工作。本文在对当前BIM应用研究前沿深刻综述的基础上，创新性地基于交易费用理论明晰了BIM应用效益的基本构成，并据此从BIM市场和产业因素、BIM技术和流程因素、政府因素三个维度进行影响因素剖析，通过DEMATEL方法结合专家打分来对因素间的相互关系及其地位进行确定，研究结果发现：BIM需求及价值验证、多企业协作、BIM技能、软件数据互用性四个方面是关键影响因素，并提出具体的对策建议。该研究期望为BIM知识领域研究提供新的思路与方法，也可为业主方选择BIM应用以及BIM应用中提高效益提供有益的决策参考。

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