绿色建筑中BIM 全流程应用价值评价体系研究

温 全，李忠富，李州扬，李天新

（大连理工大学 建设管理系，辽宁 大连 116024，E-mail：wenquan@mail.dlut.edu.cn）

我国绿色建筑经过十余年的快速发展，已由试点建设逐步发展到全国规模应用。然而在从传统建筑向绿色建筑过渡过程中，建筑信息量骤增，无论是在项目的前期设计阶段，还是在项目的施工和运营阶段，都难以依靠传统的二维图纸进行完整信息的准确传递。而BIM 能够支持建筑工程全流程的信息管理和利用，将BIM 应用于绿色建筑中，能够有效消除设计、施工及运营等各阶段的“信息孤岛”问题，实现绿色技术和绿色管理之间的平衡。

国内外学者针对BIM 对工程领域所带来的效益和BIM 在推广中所遇到的挑战进行了广泛的讨论[1，2]。Mark Kyeredey 等[3]通过研究发现，BIM 在绿色建筑中的应用关注焦点主要集中于建筑能源模型、碳排放分析和评估、室内外环境质量、光污染等方面。Hao Gao 等[4]研究了BIM 与建筑能量模型之间的数据传递方式，提出了基于BIM 的建筑能源模型（BEM）评估方法，用以开发节能建筑设计。Z.Pezeshki 等[5]对建筑能源模型（BEM）进行研究，认为BIM 信息数据库的发展是BEM 模型的基础。Johnny 等[6]审阅比较了84 篇绿色建筑中BIM 应用的文章，发现大多数都围绕着建筑生命期设计和建设阶段的环境绩效进行研究，BIM 应用于绿色建筑改造和拆除阶段环境绩效的研究较少。Nguyen 等[7]提出了一种基于BIM 的建筑设计可持续评估框架，在此框架下，BIM 从确定可持续发展水平所需的数字建筑模型中提取数据。Farzad 等[8]提出了一个将BIM、LCA、能源分析和照明模拟工具与绿色建筑认证系统相结合的自动化模型，在BIM 工具上开发插件，测量环境影响和建筑构件的物化能量。李延钊等[9]使用基于BIM 的绿色建筑设计方法，提前对建筑的太阳照射、自然光、自然通风及噪声等的优化设计进行了仿真和分析。从研究内容来看，对于绿色建筑的内涵、发展、评价和管理等方面的研究已经较为深入。从研究方法来看，绿色建筑在评价方法上充分应用了定性描述和逻辑推理，评价模型的创新和评价指标的构建研究也较为深入[10]。从研究层次来看，绿色建筑已经分别从国际、国家、地方以及建筑实体等层面进行研究[11]。从研究的时期跨度来看，绿色建筑全流程的研究已较为成熟。然而，就BIM 在绿色建筑全流程的应用而言，相关研究主要停留在设计、施工阶段，且集中于对技术本身的定性描述。因此，对BIM 进行“一站式”应用研究，通过选取合理的方法或模型建立一套科学合理的BIM 应用价值评价体系，能更好地发挥BIM技术在绿色建筑项目设计、施工、运营等阶段的数据支撑作用。

BIM 应用于绿色建筑的不同阶段，其价值主体存在区别，相应的责任和权限也存在差异，本文基于利益相关者的分类方法，从绿色建筑项目全流程出发，尝试构建绿色建筑中BIM 全流程应用价值主体分析框架，对BIM 应用价值主体进行分析，为后续进行绿色建筑BIM 全流程应用价值评价及提出应用价值提升策略奠定工作基础。

1 绿色建筑中BIM 全流程应用价值主体范围界定与识别

首先确定绿色建筑中BIM 全流程应用的关键价值主体，在此基础上借鉴Mitchell 评分法及“多维细分法”[9，12]，对BIM 应用的价值主体从主动性、影响力和利益性3 个维度进行分类研究。

1.1 BIM 全流程应用关键价值主体的界定

依据BIM 在绿色建筑全流程中应用价值主体的定义，采用文献研究[13~15]和问卷调查的方法对BIM 应用价值主体进行初步选择，问卷发放分为电子邮件和现场发放两个环节。电子邮件发放对象主要是对BIM 技术和绿色建筑了解程度较高的专家，专家来自于建设单位、投资单位、施工单位、勘察设计单位等专业化机构中具有多年工作经验的管理人员（共计40 名）；现场问卷主要面向大连理工大学中BIM 技术和绿色建筑相关研究领域的教师（共计10 名）。

根据调查，应用价值主体的初步界定存在显著区别，前9 位利益相关者的认可度均在70%以上，因此选取70%作为关键价值主体入选标准，由此可得到绿色建筑中BIM 应用的关键价值主体为：投资单位、建设单位、施工单位、勘察/设计单位、社会公众、最终用户、运营公司、监理/咨询单位、项目所在地周围社区。

1.2 BIM 全流程应用边界的划分

建筑产品的全生命周期主要分为规划阶段、设计阶段、施工阶段、运行与维护阶段、拆除回收阶段。但BIM 技术在建筑产品的规划与拆除回收阶段应用程度较低，导致BIM 技术的应用价值不明显。因此本文将BIM 全流程应用边界定义为建筑产品的设计、施工和运营阶段。具体来说，BIM 的全流程应用主要包括设计阶段中的概念设计阶段、初步设计阶段、细部设计阶段；施工阶段中的施工准备阶段、施工阶段、竣工阶段；运营阶段中的运营与维护阶段。

为进一步理清BIM 的应用边界，本文对目前具有国际和行业影响力并应用于中国市场的32 款BIM 软件进行了分析。可知，设计阶段的BIM 应用包括能量分析、设备建模、照明分析、结构建模、结构分析、深化设计、规范检查、绿色设计、造价管理等。在施工阶段的BIM 应用包括激光测绘信息、施工质量监控、碰撞检查、4D 模拟、质量控制、实时报告、4D 施工模拟等。在运营阶段的BIM应用包括设备管理、设施管理、营运方案优化、应急方案优化。总体来看，目前BIM 全流程应用存在各寿命期阶段关联关系较弱，尚未形成体系化、结构化框架。

1.3 各阶段BIM 应用价值主体的细分

采用问卷调查及文献分析对各阶段BIM 应用核心价值主体进行界定，通过电子邮件和现场发放问卷的方式，共计发放问卷600 份，回收有效问卷374 份，有效问卷回收率80.1%。运用SPSS 软件对有效问卷进行了描述性统计和均值比较分析，分别从主动性、影响力、利益性3 方面对绿色建筑各阶段BIM 应用价值主体进行评分，评分值按照10 级李克特量表进行排序分类，并按[1，4）、[4，6）、[6，10]分划为3 个区域。根据各价值主体在不同维度上的得分平均值，将其中至少在两个维度上得分为6 分以上的价值主体，界定为绿色建筑中BIM 应用的核心价值主体（见表1）。由表中可知，绿色建筑中BIM 应用价值核心主体是动态变化的。

表1 绿色建筑各阶段BIM 应用价值主体的三维分类结果

2 绿色建筑BIM 全流程应用价值要素分析

2.1 各阶段BIM 应用价值内涵边界的界定

本文通过划定各子系统的内涵边界来确定稳定的内部价值结构，以此保证整体研究结果的可靠性与科学性。

（1）设计阶段。BIM 在建筑项目设计阶段的应用主要是紧密结合该阶段各价值主体需求和项目实际情况实现多专业的协同设计。通过采用性能分析、建模计算、规范核校、统计分析、碰撞检测等技术手段，为施工方提供可用的BIM 模型，从而保证项目的顺利进行[16]。而BIM 在绿色建筑设计阶段中的主要应用价值体现在可再生能源应用比例调整、室内环境质量标准设计、建筑敏感地段设计、节能设计优化和自然资源可循环设计等专业领域。

（2）施工阶段。绿色建筑在全流程中应实现绿色施工，这就意味着在施工全过程中，不仅要保证质量、成本、工期、安全等基本要求，还要通过技术进步和科学管理，最大限度的减少对环境的负面影响，最终实现节能、节地、节水、节材和环境保护的目标[17]。在此过程中应用BIM 可以降低生态与自然环境因建筑施工而带来的破坏，通过科学管理来提高建筑施工质量和效率，减少资源与施工材料的浪费。BIM 在绿色施工方面的应用主要包括优化场地布置、实时进度控制、施工前的碰撞监测、施工方案的3D 渲染、资源使用控制和施工进度实时控制等。

（3）运营阶段。绿色建筑的运营管理是实现绿色建筑的关键阶段[17]，在绿色建筑运营阶段，要通过对其初始运行期（一般为第一年）的能耗进行分析考察，来检验物业在能源管理方面是否高效与合理，检验能源消耗系统能否达到设计目标，以便指导实际运营后该建筑及其设备系统的高效和正常运转。因此，在建筑运营阶段BIM 应用将有利于建立行之有效的管理模式，例如节水管理、节电管理、建筑智能化管理、生活垃圾处理以及绿色建筑的宣传推广等。同时，BIM 在此阶段可以有效的对建筑室内环境质量、光环境、通风系统、热舒适度、声环境等多个方面进行评估，达到对绿色建筑进行主、客观结合的综合评估，进而对绿色建筑项目进行再优化。

2.2 各阶段BIM 应用价值要素的描述性统计分析

为提高获取数据的有效性，本文采用现场填写和访谈相结合的方式，对绿色建筑中BIM 全流程应用各价值主体的价值要素进行研究，受访人针对BIM 应用价值主体的价值需求重要性程度进行评分，调查问卷采用五级李克特量表正向评分，并根据以下3个准则对绿色建筑中BIM全流程应用各价值主体的价值需求要素进行选择：问卷中各项指标得分数据的标准差小于确定样本量所用样本的标准差；选取平均值大于3 的各项指标，以便能够有效地测试调查问卷的有效性及真实性；为保证题项的一致性，通过多种句式阐述问卷中同一题项以达到最大限度地规避调查者理解偏差。问卷调查期间进行了2 次小范围问卷预测试，初选得到的55 个BIM 应用价值主体的价值需求要素，通过描述性统计分析法来验证其可靠性与科学性，如表2 所示。

调查数据是否服从正态分布，将对后续分析与研究产生重要影响，在偏度绝对值小于3，峰度绝对值小于10 的情况下，代表着样本基本上服从于正态分布[18]。由表2 可知，各题项均值处在2.55~4.57 之间，标准偏差处在0.626~1.320 之间，偏度处在-2.164~0.5386 之间，峰度处在-1.154~5.767 之间。可见，偏度与峰度均能满足正态分布要求，则55 个价值要素均能服从于正态分布，均可作为绿色建筑中BIM 全流程应用价值要素进行下一步工作研究。

基于以上描述性分析结果，在BIM 应用价值内涵边界、时限边界的约束下，对55 个价值要素进行分类，结果如表3 所示。

表2 绿色建筑施工阶段BIM 技术价值主体的三维分类结果

3 绿色建筑中BIM 全流程应用价值标准识别与分析

3.1 设计阶段价值标准识别与分析

绿色建筑设计阶段BIM 应用价值标准选择将在一定程度上影响BIM 在后续阶段中的应用效果及应用价值的实现[19]。该阶段BIM 应用价值标准应是对各价值主体的价值需求要素的归纳、总结与凝练。因此本文采用因子分析方法，通过设计自填式问卷对各价值需求要素在BIM 应用价值评价中的认同情况进行量化打分，针对各价值需求要素分值的数据结构，再通过探索性因子分析的方法对各价值标准进行降维，从而获得价值标准。研究累计发放600 份调查问卷，发放对象有投资单位、建设单位、施工单位、勘察/设计单位、社会公众、运营公司、监理/咨询单位等专业领域涵盖质量、安全、成本和进度的多位专家，并且面向最终用户、项目所在地周围社区群众发放了部分问卷，最终回收462份，回收率达到77%。经过筛选其中有效问卷374份，有效率为80.1%，其有效问卷数量达到一般要求。

借助SPSS 软件获得探索性因子分析的旋转成分矩阵，如表4 所示，前4 个因子累计方差贡献率为70.068%，足够反映此阶段价值要素的信息量。因此根据旋转矩阵，提炼的4 个价值标准及其对应的价值需求（见表5）。由此可知，绿色建筑设计主要包括环境价值、经济价值、社会价值和功能价值。

表3 绿色建筑中BIM 全流程应用的价值要素

表4 设计阶段旋转成分矩阵

表5 绿色建筑设计阶段BIM 应用价值标准

3.2 施工阶段价值标准识别与分析

施工阶段各价值需求要素因子分析结果如表6所示。存在6 个因子特征值大于1，且累计方差贡献率为82.659%。因此本文在施工阶段共提取6 类应用价值标准（见表7），分别为环境价值、安全价值、实体价值、功能价值、经济价值和社会价值。

3.3 运营阶段价值标准识别与分析

运营阶段BIM 应用价值需求要素因子分析结果如表8 所示。发现5 个因子特征值大于1，故可提取5 个主成分因子，且累计方差贡献率为78.952%。提取的5 类应用价值标准及其对应的价值需求要素如表9 所示，主要包括功能、环境、经济、管理与社会价值。综合分析不同阶段的应用标准可知，经济价值、功能价值、社会价值和环境价值贯穿绿色建筑BIM 应用的全流程各个阶段。此外，设计阶段更加强调功能价值，施工阶段专注于实现安全价值、实体价值，而运营阶段则更加侧重于功能价值和管理价值。

表6 施工阶段旋转成分矩阵

表7 绿色建筑施工阶段BIM 应用价值标准

表8 旋转成分矩阵

表9 绿色建筑运营阶段BIM 应用价值标准

4 绿色建筑中BIM 全流程应用价值评价体系构建

基于以上分析，本文构建了BIM 全流程应用价值评价体系，如图1 所示。BIM 在设计、施工和运营阶段的全流程应用价值主要体现在3 个层面，分别是价值主体、价值要素以及价值标准。价值主体由专家评分确定的9 个主要利益相关者构成，而价值要素则通过文献综述和问卷调查的方式，针对不同阶段的核心价值主体，确定相关的应用价值边界，筛选应用价值要素。在此基础上，通过因子分析，凝练出BIM 全流程应用在不同阶段的价值标准，最终形成基于“价值主体—价值要素—价值标准”的绿色建筑BIM 全流程应用价值评价体系综合框架。

图1 绿色建筑中BIM 全流程应用价值评价体系结构图

5 结语

本文依据价值分解结构有关原则，运用SPSS统计方法，研究绿色建筑中BIM 全流程应用价值的系统结构，通过深度访谈及问卷调查方式进行各阶段价值要素的识别及分析，系统分析了绿色建筑各阶段BIM 应用价值子系统所涉及的价值主体、价值要素以及价值标准，构建了较为完整的BIM 全流程应用价值评价体系。绿色建筑中BIM 应用核心价值主体在不同阶段是动态变化的，在不同的BIM 应用阶段，涉及的价值要素与价值主体均存在动态变化，且收集的价值要素评价数据符合正态分布；通过因子分析，BIM 全流程应用的价值标准主要包括经济、社会、环境、功能、实体、安全和管理等7个方面，而各个阶段根据工作特征其价值标准侧重点又略有不同。