BIM应用关键信息与应用效益实证研究——基于构成型的PLS方法

郭 亮， 廖 羚， 陈洁莹， 秦 毅

(广西科技大学 土木建筑工程学院， 广西 柳州 545006)

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)是一种基于全生命期的数据生成、分享和利用技术[1]，源于BIM技术的巨大潜在价值，近年来受到了学者和实践人士的广泛关注[2～4]。然而，尽管BIM在近几年得到了广泛发展，但当前BIM使用范围仍远远低于其潜力[5]。如《中国 BIM应用调研报告(2017)》指出，有30.19%的受访者“用一些借口来拖延所在项目的BIM应用”，36.01%的受访者“向同事抱怨所在项目的BIM应用”。事实上，一些学者已注意到这一问题，并从组织制度角度进行了解释。如何清华等[6]对BIM应用障碍进行了研究，认为BIM推广应用大环境不成熟、缺少统筹管理和综合应用模式是主要制约因素；Cao等[7]从制度理论的视角指出，当前我国BIM应用的动力主要来自制度和政策，企业的内生动力不足，这也是新技术应用推广的初级阶段特征；张连营等则从个体行为角度分析了设计人员对BIM的变革抵制，验证了变革抵制倾向对 BIM 采用意愿的负向作用[8]。还有学者从收益回报角度对BIM应用障碍进行分析。Brittany等[9]通过案例研究表明，BIM投资回报率从16%～1654%不等，但总体投资回报率小于100%。Kristen等[10]从投资回报、设计和施工投资、项目管理过程三个角度来测算BIM的价值，结果显示，BIM在工程质量的提升、工程进度的保持、设计施工费用的减少上都具有一定价值，但也承认，成功的BIM也取决于项目的大小、团队的沟通、成员的BIM熟练度等。总体来看，国内外研究普遍认为，现阶段BIM应用的切实收益不能证明BIM的价值，项目参与方团队内缺乏直接收益的获得[11]。

事实上，不论从组织制度的视角还是从收益回报的视角分析，阻碍BIM应用的最大障碍是缺乏能为项目带来切实利益的BIM使用需求和BIM应用目标，也只有在此基础上，才能正确建立与之匹配的组织环境，但关键还是要充分发挥和释放BIM的信息价值。然而，在目前的建设项目BIM实践中，因为信息过量反而麻痹了BIM的“信息”优势，例如利用激光扫描获取的大量数据与BIM模型结合后却无法找到发挥其“信息”价值的应用方式。因此，哪些BIM信息能切实为项目带来价值？这一问题的解决具有重要价值。换言之，对BIM信息进行精简分类，并识别有价值的信息将直接决定BIM技术的应用效果。

整体而言，当前有关BIM的研究主要集中在技术层面。具体概括为以下4个方面：

(1)聚焦于BIM平台开发。代表性研究如陈丽娟等[12]以武汉某博览项目为对象开发了基于BIM的全生命期管理平台；陈松等[14]以上海轨道17号线为例，研究了PC构件生产与施工信息管理平台[13]；王茹等[14]开发了基于BIM技术的明清古建筑设计平台；宋战平等[15]则提出了全生命周期意义上的隧道工程BIM协同管理平台，从阶段、维度、功能、技术和用户多个层面详细阐述了BIM隧道协同管理平台的初步架构体系。总体来讲，BIM平台的研究是近几年的研究热点。

(2)探讨BIM数据兼容性问题。这方面的研究主要集中于IFC(Industry Foundation Class)，王勇等[16]建立了IFC数据扩展模型，并实例验证了IFC标准的可实施性[16]；刘照球等[17]基于IFC研究了结构分析的BIM框架；赖华辉等[18]探讨了基于IFC的城市轨道交通BIM运维模型；徐照等[19]基于WebGL(Web Graphics Library)与IFC研究了BIM模型的可视化分析方法；还有学者基于IFC研究了BIM模型的施工仿真建模方法[20]。总体而言，此领域已成为BIM研究的前沿。

(3)近些年较为关注基于BIM的可视化应用。BIM的可视化领域的研究主要集中于虚拟现实、增强现实以及混合现实技术。例如韩豫等[21～23]基于BIM和虚拟现实技术研究了施工安全知识学习和施工过程的交互应用；王廷魁等[24～26]将增强现实技术与BIM技术结合，开展了施工指导、现场培训和设备维护等方面的研究；李秉展等[27]以医院BIM模型为载体，在移动端引入混合现实技术，对故障设备快速定位，并提供基于故障概率的检修排序。

(4)一些较为典型的应用。安培等[28～30]研究了基于BIM的超高层三维算量和工程项目成本核算方法；Chen等[31]开发了基于BIM的施工质量管理模型；宫陪松等[32]基于BIM模型对深基坑施工方案自动图审进行了研究；Xu等[33]采用3D激光技术对古建筑扫描生成数字化BIM模型，再应用 3D打印技术对古建筑构件进行复制。

梳理相关文献可知，现有与BIM信息相关的研究较少，而且多集中于信息的提取技术，或者针对某一具体的研究对象进行信息分类，鲜有文献站在BIM效益的角度研究不同类型BIM信息与BIM效益的关系。如张建平等[34]引入BIM数据标准工业基础类(IFC)，研究了空间与设备拓扑信息的提取与集成技术；薛刚等[35]对BIM构件分类体系进行了研究；余雯婷等[36]对建筑设施信息进行了分类。

综上所述，本文在梳理现有文献基础上，归纳总结现有BIM应用的信息种类，然后采用PLS(Partial least Square Method)-SEM(Structural Equation Modeling)方法探究不同BIM信息对BIM应用效益的影响，进而识别出能切实为项目带来增值的BIM信息。厘清了不同BIM信息与BIM效益间的关系，研究成果不仅可为BIM效益领域的研究提供参考，同时对BIM应用的实践具有重要指导作用。

1 BIM信息分类及其与BIM效益关系的理论模型构建

本研究结合文献调研和访谈的方式，首先总结出BIM的应用点，在此基础上归纳和提炼出所需的BIM信息，具体见如1所示。表1中构件3D信息是指表达构件外形的3D可视化图形；尺寸信息是指构件的具体尺寸；构件材质信息是指构件所用到的材料情况以及其功能属性；时间信息是指构件状态与时间的关系；工法信息是指完成某一工程所采用的特殊工法；坐标信息是指具体构件在三维空间中的位置；材质功能指标信息是指依据设计或使用功能的要求，构件所应达到的工程使用的标准；专业标准信息是指某一专业在设计时所应满足的设计规范。进一步将这些信息归纳为三维度的BIM信息构念：(1)构件物理信息，主要描述构件客观物理状态，包括构件3D信息、尺寸信息、坐标信息；(2)构件工程信息，主要指构件的工程功能信息，包括构件材质信息、构件功能指标信息、价格信息；(3)构件过程信息，这类信息是指设计和施工过程中所需要的信息，包括工法信息、时间信息、专业标准信息。

表1 BIM应用与支撑信息

李劲珉[37]对BIM效益指标进行过较为系统的研究，本文参考其成果，采用成本节约、工期节约和促进沟通三个观测变量构成BIM效益构念。并假设构件物理信息、构件工程信息和构件过程信息对BIM效益有正向影响，分别对应假设H1，H2，H3，据此建立BIM信息与BIM效益的概念模型，如图1所示。

图1 概念模型

2 数据收集及模型检验

预试问卷采用随机抽样，于2018年5月10日～2018年6月2日，取样广西、湖南、广东等地，对承包人20名有经验的BIM管理人员进行施测。正式于2018年6月26日～2018年9月30日，抽取了南宁、柳州、天津、长沙、广州等十多个地市进行调查，问卷均发放给项目负责人或公司BIM中心负责人，共发放问卷462份，回收342份。并按照以下标准对回收问卷进行筛选：(1)答案存在缺失项的；(2)问卷集中选择一个或者“中立”过多的答案；(3)回答问题存在前后矛盾现象。筛选后得到有效问卷共计289份，有效率为84.5%。

2.1 分析方法

本文采用结构方程模型(SEM)对BIM效益和BIM关键信息间的关系进行测量和分析。SEM由结构变量和观测变量构成。根据结构变量与观测变量间的因果关系，可以分为构成型模型和反映型模型。构成型模型中观测变量是结构变量的原因，观测变量影响和生成结构变量。反映型模型中结构变量是观测变量的原因，结构变量影响和生成观测变量，观测变量是结构变量在某一侧面的体现。显然，本研究中的观测题项是原因，结构变量是结果，以构件物理信息为例，它属于结构变量，由观测变量3D信息、尺寸信息、坐标信息共同构成。因此，本研究的结构方程模型属于构成型。

本研究使用偏最小二乘(PLS)方法作为结构方程建模技术，并采用SmartPLS 3.0来完成具体操作。PLS使用成分提取的理念，是一种将主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、路径分析和回归模型结合在一起的技术[38]，在一个结构方程模型中可以对多个因变量进行估计，并可以对非正态分布数据进行处理。与基于协方差的SEM技术相比，PLS不仅可以处理包含构成型和反映型潜变量的混合模型，还具有以下优势：(1)PLS适用于测量未知分布的测量题项，识别关键的驱动因素；(2)可以有效地使用小样本，而基于协方差的SEM则需要200以上的样本量；(3)适合应用于早期的理论发展和测试，这与本研究的探索性本质非常吻合[39]。

2.2 测量模型分析

由于本研究涉及构成型测量模型，需要检验构成型构念的多重共线性问题。检验结果如表2所示，构件物理信息等12个测量指标的VIF值都小于5，满足构成型测量模型的前提要求。构成型测量模型需要对构成指标的路径系数进行显著性检验，路径系数需大于0.2的标准，且显著才具有效度。由表2可知，各观测题项权重均大于0.2，且在0.05水平上显著。潜变量的区别效度可以通过相关性进行判断，由表3可知，各构念间的相关系数小于0.7的标准，代表测量模型有较好的区别效度。

表2 测量模型分析

表3 构念相关关系

2.3 结构模型分析

运用SmartPLS 3.0对理论模型进行了分析，结果如表4所示，三种BIM关键信息与BIM效益存在显著关系，解释能力R2为0.335，因此，结构模型具有较高的解释力。

表4 路径检验结果

2.4 结果分析与讨论

依据检验结果，三类BIM关键信息中，构件工程信对BIM效益影响最大(0.484)，其次是构件物理信息(0.279)，虽然构件过程信息对BIM效益也有正面影响，但影响最小(0.136)。

(1)构件工程信息主要由材料功能信息和造价信息组成，此类信息对设计优化和造价控制有直接影响，这可能是对BIM效益产生较大影响的主要原因。在我国的建设项目情境中，施工图滞后、业主需要变化导致的工程变更等问题经常出现，从而使招标阶段的工程量、材料选择与施工阶段不一致，而传统方法无法及时对信息进行更新，常常会影响原有的施工计划和各方的经济效益。而基于BIM的构件信息存在于BIM模型之中，无论是什么因素影响到了构件工程信息的变动，通过BIM模型可以在短时间内提供出将要施工区域的构件材质、工程量和造价信息。

(2)构件物理信息主要基于3D可视化，它是BIM应用的基础信息。构件物理信息是BIM各项应用的基础，不容易对BIM效益产生直接作用，或者说构件物理信息对BIM效益的影响不容易衡量，但此类信息在提高不同参建主体协同效率和安装工程的碰撞检查方面有直接作用，从这一角度分析，虽然无法直接衡量构件物理信息产生的BIM效益，但其对BIM效益的积极作用是被普遍认可的。只是从直观的认识上这类信息对BIM效益的作用没有构件工程信息明显而已。

(3)构件过程信息则主要体现了建设过程中信息的动态管理和应用，虽然本研究证实了其对BIM效益的积极作用，但却是三者中影响最小的。这可能有两方面原因：1)施工过程中的信息搜集不及时、不准确，导致无信息可用；2)目前还没有找到一种合适的过程信息应用模式，无法使过程信息产生效益。不难看出，目前我国对BIM信息的应用还处在初级阶段，主要通过设计优化和造价管控的路径来实现BIM应用效益。而施工过程信息的应用还有巨大潜力。这也是未来BIM应用研究的关切点。

3 结 语

本研究在文献研究的基础上，总结了三类BIM应用关键信息，采用PLS-SEM方法对这三类信息与BIM效益的关系进行了研究，并识别出现阶段对BIM效益具有促进作用的主要信息，即构件工程信息和构件物理信息，构件过程信息虽有影响但不明显。因此，在BIM实践中，管理者应注意构件工程信息和构件物理信息的提取与应用，尤其是构件工程信息，它是直接产生BIM效益的主要信息来源。同时，也应关注构件过程信息，此类信息的应用价值有巨大潜力，可能会成为未来BIM效益增值的重要价值点。本文对BIM关键信息与BIM效益间的关系进行了探索性研究和实证分析，为BIM实践提供了可靠建议。但是，研究仍然存在一些不足之处，后续研究需要对此进行完善：本研究数据采集主要集中于房建行业，交通、港行等其他行业可能会有不同的研究结果；其次，研究中BIM关键信息总结为三类，并选用了代表性题项来进行表征，但随着技术的进步和发展，观测题项也需要随之调整。