建筑信息模型生态系统形成动因分析

杨英楠，张一丹，袁 琳

(浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058)

1 研究背景

随着中国经济发展步入新常态，粗放管理的中国建造面临着迫切的转型升级需要。实践证明，信息化带动工业化是改造和提升传统建筑业的重要突破口，信息技术为建筑业技术创新和工业化所需要的多重系统交互协同提供了平台和可能，是促进新型建筑工业化的一个强有力的推手［1］。在建筑信息化发展过程中，建筑业经历了“甩图板”工程，从传统的手绘制图发展为二维的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD），全面提升了制图效率。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是继此之后的第二次行业信息化革命，将二维的图纸升级为三维的模型，并以三维模型为载体，集成工程的物理信息和过程信息。

BIM 的原始概念最早由Eastman［2］于1975 年提出，近年来在欧美等发达国家得到广泛推广应用。根据美国建筑科学研究院（National Institute of Building Sciences，NIBS）［3］对BIM 的定义，BIM 是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型。该模型中不仅有三维几何形状信息，还包括大量的非几何形状信息，如建筑构件的材料、重量、价格和进度等等，并通过开放性的数据标准实现项目相关方之间的信息共享，支持建筑工程全寿命周期管理，并面向建筑全生命周期实现信息共享和传递。美国作为最早启动建筑信息化研究的国家之一，BIM 的研究与应用一直走在世界前列。经过几十年的发展，美国的建筑工程项目基本都应用了BIM，从最初的仅在设计阶段利用BIM 实现二维到三维图纸的转换，到建设工程项目全生命周期管理，BIM 的应用点越加丰富。从学术层面的研究到行业标准的制定，BIM 在世界范围内受到工程界与学术界的极大关注。

在“互联网+”背景下，BIM 不再被简单地理解为特定技术的开发和应用，而是建筑业的系统创新，影响着行业的各个方面。以近期中国大力提倡的装配式建筑为例，其中涉及的设计、加工、采购、运输和库存等诸多环节在信息化和工业化时代将得到颠覆性改变。产品全建造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块化集成，形成了一种高度灵活、个性和数字化的产品建造模式与服务模式。在这种模式下，BIM 为建筑工程项目提供了一个连接各利益相关方进行信息交互的技术平台。这意味着，BIM作为一项系统性创新，需要技术、流程、组织、文化等多方面的支持，这些不同方面的联系构建了一个BIM 生态系统。其中，BIM 相关产品、流程和各利益相关方等形成一个复杂的交互网络、相互影响，由建筑行业内部和外部因素所共同驱动。

生态系统理论为建筑业的创新发展和BIM 形成的价值创造体系提供了新的研究视角，开辟了建筑信息化实践和学术研究的新局面，然而，目前的学术研究对于BIM 生态系统的架构及其如何形成、运行等问题尚未达成共识，这给理论指导实践造成了一定的困扰。为弥补该领域的研究空白，本文结合商业生态系统理论，分析了BIM 生态系统理论模型及其形成动因，并在此基础上提出BIM 生态系统的研究框架。

2 文献回顾

“生态系统”概念最初应用于生物学，代表了生物群落及其地理环境相互作用的自然系统［4］。1993 年，美国经济学家詹姆斯·弗·穆尔（J.F.Moore）［5］将生态系统引入到社会科学领域，开始用于解释企业及其外部环境相互作用的系统：该系统具有动态的、有目的的社会网络，企业围绕系统中的创新点竞争合作，实现集体价值最大化［6］。由于生态系统理论帮助解释了组织围绕共同目标进行协作的方式和原因，这个概念在组织和创新文献中受到越来越多的关注，但其主要应用在高科技产业中，如制造业（电动汽车产业）、信息产业（物联网、IT 行业）等，这些产业往往具有较高的技术水平和复杂的社会网络，强调创新和企业间的合作互补［7-8］。与新兴技术行业或制造业相比，建筑业属于低技术领域，具有基于项目的合作模式、组织结构分散、高度专业化、利益相关方众多、建筑产品寿命长等行业特点［9］，这些特点对建筑业管理范式的变革和技术创新的推进都构成了严峻的挑战［10］。另外，目前国内外对BIM 的研究重点主要集中于技术本身，产品数据模型和标准、设施管理和协作等问题上［11］，而对于BIM 引起的行业范式、信息交流方式、价值创造方式改变的系统性理解仍然缺乏。

近年来，由于建筑工业化和信息化的推进，使得创新得到更多的关注，生态系统相关理论和研究方法开始得到建筑业的关注，例如：Pulkka 等［7］通过多案例分析探讨了建筑业的特殊性对生态系统理论适用性的影响，指出生态系统概念将建筑行业的创新与价值创造联系起来，有助于理解建设项目中各个参与者之间的相互关系（共同进化）和技术创新；毛超等［12］在构建建筑工业化产业生态系统模型的基础上，以北京、上海为例，采用Lotka-Volterra 模型分析了中国建筑工业化生态系统形成的各阶段发展状态。

国内外学者也开始将生态系统理论应用到BIM研究。其中：Singh［13］针对BIM 生态系统的研究提出了3 种分析方法：（1）BIM 生态系统回顾性分析，即基于已有文献及参考资料，了解BIM 生态系统的组分及其相互关系；（2）BIM 生态系统可行性分析，即根据BIM 生态系统的组分及其关系来评估该系统中干预的预期作用；（3）BIM 生态系统影响分析，即评估该生态系统中潜在行为的短期和长期影响。Aksenova 等［14］通过长期观察BIM 在芬兰的研发和应用情况，探讨了BIM 生态系统在芬兰尚未形成的原因。此外，部分学者尝试将生态系统理论引入到BIM 的相关理论研究中，试图从BIM 的技术、工作流程、政策和组织等角度系统性地理解BIM 的运作机理和发展演化规律，例如：周红等［15］依据生态学和应用生态学的基本概念与原理，结合工程项目系统的特征提出了工程项目生态系统的概念，采用对比分析法对工程项目生态系统的层次结构、原则、组成进行了具体的分析；陈小明等［16］依据建设项目类生态系统的组成，结合产业经济学理论分析类生态系统中建设项目个体、群体的演化，探索了类生态系统的内在关系和演化模式；Liu 等［17］基于生态系统相关知识提出了BIM 生态系统的概念及其理论框架，并通过对比的方法对其层次结构和组成进行分析，研究发现BIM 相关企业之间的信任与合作关系模糊了传统组织界限，将竞争关系转化为合作，以实现可持续发展。

由此看来，生态系统理论为建筑业的创新发展和基于BIM 形成的价值创造体系提供了新的研究视角，然而，目前的学术研究对于BIM 生态系统的架构，以及系统如何形成、运行和演化发展尚未达成共识，这给理论指导实践造成了一定的困扰，因此，不仅BIM 生态系统自身的结构和系统特征需要进一步梳理，其形成机理和运行机制需要进一步揭示，其协同演化机理也需要进一步深入分析。

3 BIM 生态系统的构建

3.1 BIM 生态系统的理论模型

穆尔［18］7-21指出商业生态系统是由4 个子系统组成的：核心生态系统、竞争系统、支持系统、社会及自然环境系统，本文据此商业生态系统理论构建了BIM 生态系统的理论模型，如图1 所示。其中：

（1）核心系统，包括以核心企业为中心的供应链上的所有参与者，如直接供应商、制造商、销售者以及直接顾客。在BIM 生态系统中，核心系统包括以BIM 平台为中心的所有信息活动参与主体，在BIM 平台的支持下，项目相关方创建信息，并围绕平台进行信息的插入、提取和更新等。

（2）竞争系统，包括分享产品、服务、过程以及组织安排的直接竞争者和间接竞争者等。换言之，指的是能够完成项目建设管理的相关企业，与核心系统存在竞争关系。

（3）支持系统，指只是为了保证商业生态系统良好的运作和价值创造而提供资金、服务、标准、政策等支持的风险承担者，包括投资者、物主、贸易协会、制定标准的机构、公会以及政府部门、高校、研发机构等。

（4）社会及自然环境系统，指的是对商业生态系统产生影响的所有外部环境，包括：政治、经济、社会、科技环境等。

BIM 生态系统是由核心系统、竞争系统、支持系统和社会及自然环境系统所构成，它们之间彼此独立，但又相互联系、相互影响和相互制约。BIM生态系统模糊了地域和行业间的界限，企业之间可以为了追求共同的价值形成联盟，价值链上某一环节的企业业务可能涉及多个行业，多条价值链交叉形成价值网，行业间彼此融合。另外，在网络效应显著且尚未建立主导标准的技术行业中，有关文献表明，技术兼容性通常是获取对已有平台访问的先决条件［19］。在BIM 生态系统中，小型技术公司（或产品）可以通过联结其他相关企业，或通过建筑工程数据交换标准（Industry Foundation Classes，IFC）接口和统一的技术标准，以实现与BIM 平台的连接。

图1 BIM 生态系统理论模型

3.2 BIM 生态系统形成的效应

BIM 平台不仅仅是信息的存储载体，还是信息处理的重要手段，侧重于产品、流程和人员之间的协调与合作。BIM 的介入对工程项目信息存储和处理的影响可以从信息、信息人、信息环境这3 个角度进行分析，如表1 所示。

表1 BIM 平台介入对工程项目的影响

从信息的角度而言，BIM 的介入使得项目利益相关方通过系列信息活动形成系统性的整体，覆盖项目的全生命周期；另外，信息的数字化、多元化和集成管理，突破地理位置和组织的限制，便于信息集中管理和共享，避免信息传递中出现的失真、重复、改变等问题，减少由于信息片面或缺失而发生错误的概率。从信息人角度分析，BIM 的介入，改变了原有项目各利益相关方点对点的信息传递模式，所有的工程项目利益相关方以BIM 平台为信息枢纽，实现项目信息数据交互。BIM 介入以后，理想的信息交换模式将是以BIM 为信息平台，各参与方不再直接交换信息，而是通过BIM 信息平台来实现提取和传递信息；经过授权的信息人可通过登录BIM 平台直接获取所需数据，大大缩短了信息请求的时间，减少信息交换的频率，大幅度提升工程管理效率。另外，BIM 的介入对信息人的素质水平和信息意识提出了更高的要求，何关培［20］通过调研指出BIM 专业人才的短缺是国内BIM 推广应用的重要障碍。从信息环境的角度而言，BIM 的引入对信息技术、技术设备和信息制度等要素构成的信息环境提出了更高的要求。信息环境的完善是BIM 生态系统发展的前提，而现有的应用环境亟待完善才能发挥其正面作用，例如，建筑企业创新成本高昂，BIM 相关软件鱼龙混杂，其开发和应用任务艰巨；再者，BIM 模型及其相关文件权责不清，降低了各企业的应用积极性，急需通过立法和行政手段确立BIM 的相关知识产权。

总而言之，BIM 平台的介入将会逐渐改变原有建筑业各利益相关方之间点对点的信息传递模式，取而代之的是基于BIM 平台来实现信息交互，各利益相关方基于BIM 平台的信息活动将形成系统性的整体，覆盖项目的全生命周期。BIM 平台的建设促进了社会和行业对信息人才的培养和信息环境的建设，而这反过来也促进BIM 生态系统的形成与发展。

4 BIM 生态系统形成的动因

4.1 BIM 生态系统形成的必要

建筑业是中国的主要经济支柱型产业，具有体量大但信息化水平低的特点，存在着严重的信息不对称、信息传递损失和重复创建等问题，影响了项目建设成本的控制。已有研究表明信息化手段已成为控制建设项目成本和周期的有效途径，国内企业面对竞争激烈的建筑市场，迫切需要通过信息化技术打造自身核心竞争力，并借助信息平台促进不同系统与企业间的协调合作和信息融合［21］。建筑业不仅要解决“信息孤岛”问题，还要由内而外地在每个“岛屿”间建立生态联系。建筑业在长期的发展过程中，由于碎片化和专业割裂，脱离了以建筑作为最终产品的理念，忽视了各专业之间的关联性、产业的系统性［22］。建设项目的全过程涉及了建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、政府等多个利益相关方，信息技术为项目建设所涉及的信息生产、收集、传递、存储和应用等活动以及行业发展所需要的多重系统和众多利益相关方的交互协同提供了平台和可能。BIM 技术覆盖建筑工程全生命周期的特性将彻底改变整个行业固有的“信息孤岛”问题，用更高程度的数字化及信息整合对包括设计、招投标、施工和运维在内的建筑全产业链进行优化。可以说，BIM 的引入给建筑业带来了范式、信息交流方式以及价值创造方式的改变。随着行业专业化程度提高，BIM 基于一套共享的核心技术和技术标准，通过建筑信息共享将各利益相关方之间的关系从过去的割裂状态向协同合作转变［8］，并通过资源优化配置和产品互补实现各方的价值共创［23］。BIM平台将不同来源的信息和专业知识汇集在一起，通过分工与协作充分实现所有数据的潜力发挥，改变了传统的建筑行业碎片化的信息处理方式和点对点的信息传递模式（如图2），为建筑行业带来了新的管理模式；建筑企业的绩效也不再仅仅取决于其内部实力，还取决于企业所嵌入的网络的效率，依赖于各相关方在技术和社会上互补共存，以及大量且系统的知识交流和非市场治理［24］。另外，面对日益严峻的环境问题，粗放的中国建造需要升级和转型，这需要以工业化和信息化为核心。BIM 作为促进中国新型工业化和建筑信息化发展重要的技术和技术平台，它的发展和演变直接影响中国建筑业的管理模式。迈进“互联网+”时代的建筑业，不能再是一个个割裂的、以各自利益为目标的专业主体，需要依托BIM 技术平台进化为一个合作共赢、信息互通的生态系统。

图2 传统的工程项目信息传递模式

面对建筑行业的复杂性，生态系统理论提供了一个全面的、知识结构良好的概念，其基本经济逻辑属于Bygballe 等［25］提出的网络导向模型，该模型的主要特点是强调组织间的关系，承诺、信用以及知识和资源共享被视为提高效率和实现创新的重要途径［26］。生态系统理论整体考虑了正式和非正式的合作关系以及外部环境对价值创造活动的影响，有助于理解项目中不同实体之间的复杂关系，同时描述组织间的互动关系（相互竞争、共同演化）。

4.2 BIM 生态系统形成的条件

图3 BIM 生态系统形成的过程

BIM 生态系统的形成需要转变建筑业的传统思维方式和运作模式，以适应信息时代对大数据分析的要求。BIM 平台汇集了不同来源的数据信息和专业知识，其核心是建筑物的标准化数字表达，共享并管理结构化数据，包括空间关系、地理信息和建筑构件属性等数据和信息。另外，数据的规模、自主协调所涉及的集成化管理、无缝协作网络和智能数据等还需要新的技术和硬件的配合，例如，物联网将工程项目全生命周期的所有资产、机械器具、系统或站点连接到网络，扩大了BIM 的使用范围，而这需要大量的传感器和设备实时接收和发送数据，以及高性能的智能计算框架处理数据并整合分析流程，以提供积极主动的整体决策，使所有项目相关方受益［27］。物联网为大数据分析提供了丰富的数据来源以供分析，通过因特网（即“云”）提供计算服务，如服务器、数据库、网络、高性能计算等［28］，实现低成本、高速度和全球规模的实时协作，提高生产力、性能和可靠性。因此，理想的BIM 平台是一个支持大数据，具有基于IFC 标准的BIM 引擎和用于处理IoT 数据的物联网中心（IoT Hub）的平台，该平台托管在云中，以实现BIM 模型与其他利益相关方的协作和链接［27］。

在此基础上，BIM 生态系统的形成还需要满足系统构成的3 个条件：（1）系统是由很多组分组成的；（2）各成分不是孤立的，而是彼此互相联系、互相作用的；（3）系统具有独立的特定的功能［29］。工程项目涉及了多方主体，包括建设单位、设计单位、施工单位、监理单位以及后期的运营单位等，不同的组织实体遵循不同的业务流程，并在项目中实现不同的企业目标，体现了生态系统的多样性。项目各相关方通过一系列的生产活动相互作用，涉及了巨量且频繁的物质循环、能量流动、信息传递、人口流动和价值增值等活动，从而形成了一系列物质流、能量流、信息流、人流和资金流等系统流，构成了整个生态系统的交互体系。BIM 的介入主要影响了项目相关方信息插入、传递和更新的方式，其最终目的都是通过提高信息传递效率来实现工程项目的价值增值，体现为全生命周期成本控制、施工效率控制、设计和质量控制、决策支持和风险控制等。

4.3 BIM 生态系统形成的动力

BIM 生态系统形成过程中主要受到了两种作用力的驱动，一种是源于核心企业（网络）的引力作用，另一种是环境变化带来的推力作用［30］，如图3 所示。

4.3.1 BIM 生态系统形成的引力

工程项目参与方以建筑物或构筑物为目标产出物，进行一系列离散的、为项目增值的生产活动。传统的项目管理模式中，设计单位、施工单位等项目相关方之间长期处于割裂状态，为了追求各自阶段性的利益而忽视整体目标，难以做到以项目共同价值为核心的管理及决策；项目各相关方存在对彼此之间信息传递的迫切需要，但不通畅的信息传递在一定程度上影响了工程的建设效率和质量。随着BIM 的引入，BIM 平台在工程项目相关方向的信息传递过程中承担起了重要的桥梁作用，占据信息传递的最核心位置，决定了各相关方之间的信息传递效率；并且，依托于平台和共享标准，BIM 在信息活动中所处的核心地位引发了一种特殊的“场”，吸引更多潜在进入机构加入到该平台，通过信息化协同来实现多参与方协同工作模式和集体价值的创造。

另外，随着工程总承包模式的推广，企业可以受业主委托，按照合同约定对建设项目的设计、采购、施工、试运行等实行全过程或若干阶段的承包。这一模式强调了各方利益完全依赖于项目的整体收益，解决了各方由于利益矛盾不能进行有效合作和信息共享等弊端，促进了建设项目管理模式的变更。所有相关方和专业人员在建设项目全生命周期内依托于BIM 技术平台实现高效整合和跨职能协作，项目更大程度地实现了信息共享，同时也有利于BIM 平台吸引更多单位加入，提高整体的竞争优势。

4.3.2 BIM 生态系统形成的推力

工程项目所处的外部环境是一个由自然、经济、社会等构成的复合环境，其复杂性和不确定性为BIM 生态系统的形成带来了机遇与挑战。中国建筑行业发展至今，生产能力大量过剩，市场过度竞争，存在着明显的产业结构问题，BIM 的潜在效益吸引了部分企业进行信息化改革。首先，信息技术和信息思维的快速发展，使得建筑信息模型不仅仅局限于模型可视化，还实现了从设计、施工到运维的更广阔的应用，从而推动了BIM 的应用。而且，随着市场需求的细化和深入，工程项目对企业的专业化和合作提出了更高的要求，企业间的合作互补推动了BIM 生态系统的建立。加上近年国家和各级地方政府的大力推动，相关部门结合地方发展特点出台了大量政策、规范、标准和指导意见：2011 年5 月，住建部发布了《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》，并提出在“十二五”期间基本实现建筑企业信息系统的普及应用，加快BIM、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用；随后，李克强总理在十二届全国人大三次会议的政府工作报告中首次提出了“互联网+”行动计划。在“互联网+”行动计划和国家建筑信息化与工业化两化融合的大背景下，建筑业面临信息化改革，需要转变发展方式、提质增效。近年来国内相关政策不断加码，BIM 标准有序完善，2016 年年底住建部出台首个BIM 应用国标，于 2017 年正式实施。随着政府重视程度的提高以及企业提高自身竞争力的需求，国内BIM 应用有望步入加速普及阶段，进一步推动BIM 生态系统的形成。

最终，在环境的支持下，项目相关方将通过竞争和合作关系逐步形成以价值共享、平台和标准以及缝隙空间的创造能力为基础的BIM 生态系统。平台和标准是BIM 生态系统形成的基础，基于平台的共享核心技术和技术标准，各项目相关方得以形成相互联系和作用的整体。规定成员之间的关系是系统的重要支持部分和构建基础，价值共享是企业的共同目标，生态系统通过项目相关方的互动，超越价值链考虑更广泛的系统级的价值创造。企业生态系统有效运行的另一重要部分是缝隙空间的创造能力，生态系统的建立可能诞生新的市场空间，善于发现并创造新的缝隙市场有利于企业发展多种生存能力甚至发展新的企业类型。

5 BIM 生态系统的研究框架

本文基于生态系统理论构建了BIM 生态系统的理论模型，探讨了BIM 生态系统的形成动因，但是，BIM 生态系统的架构及其如何运行、演化等问题还有待进一步探索。BIM 生态系统是一个动态的、不断进化的系统，为了全面深入地理解BIM 生态系统，可以分阶段递进式地解决以下三部分问题：

（1）BIM 生态系统要素成分及其联系；

（2）BIM 生态系统各要素的功能及系统运转机理；

（3）BIM 生态系统演化动力和机理。

基于对上述问题的思考，本文构建了BIM 生态系统的研究框架（如图4），从系统形成、系统架构、系统运转和系统演化的角度，详细地介绍了每一部分的研究目的、理论基础、研究内容、研究方法和预期结果，以期为后续研究提供基本的研究思路。除了从静态的角度对系统构成要素、结构特征等进行分析外，还需要从动态的角度进一步分析其运转模式和演化模式，包括个体与个体、群体与群体、系统与环境之间的关系分析，必要时还需要通过定量研究的方法和仿真手段模拟生态系统的运转和发展演化。

图4 BIM 生态系统的研究框架

6 结论

建筑业作为中国国民经济发展的支柱性产业，在创造地区生产总值的同时，其发展过程中的很多问题也日益暴露出来，建筑业的转型升级迫在眉睫。相比起美国等发达国家，中国的建筑工业化和信息化的发展仍处于初级阶段，在很大程度上依赖于政府政策的推进，尚未形成一个自组织的生态系统和高效运行的体系，然而，在发展过程中出现的生态化现象已经引起国内外学者的关注。本文对当前国内外有关建筑业生态系统的研究成果进行了梳理，根据穆尔［18］17-21提出的商业生态系统理论构建了BIM 生态系统的理论模型，并探讨了BIM 生态系统的形成可能产生的效应。分析表明，BIM 平台的介入将会逐渐改变原有建筑业各利益相关方之间点对点的信息传递模式，取而代之的是基于BIM 平台的信息交互模式，各利益相关方基于BIM 平台的信息活动将形成系统性的整体，覆盖项目的全生命周期。

本文在分析BIM 生态系统理论模型的基础上，根据BIM 生态系统的起源并结合分工与协作、环境变化的形成条件，探讨了BIM 生态系统形成的动因。BIM 生态系统形成过程主要受到了两种作用力的驱动，一种是源于核心企业（网络）的引力作用，另一种是环境变化带来的推力作用。依托于BIM 平台和共享标准，BIM 在信息活动中所处的核心地位引发了一种特殊的“场”，吸引更多潜在进入机构加入到该平台，通过信息化协同来实现多参与方协同工作模式和集体价值的创造，提高整体的竞争优势。同时，近年来国家和各级地方政府大力推动建筑业信息化发展，相关部门结合地方发展特点出台了大量政策、规范、标准和指导意见，进一步推动了BIM 生态系统的形成。

本研究对BIM 生态系统的成因和理论模型进行了初步探讨，伴随着BIM 生态系统的形成、发展和演化，很多问题有待进一步探讨，基于文献调研和对这些问题的思考，本文最后提出了BIM 生态系统的研究框架，为下一步研究提供了基本的思路。