BIM情境下工程建设多主体协同效应提升路径的系统动力学分析

毛小强，李 蔚，毛晨虹

(浙江财经大学 a.建设处；b.公共管理学院，浙江 杭州 310018)

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)指的是一套技术和组织解决方案，旨在加强建筑行业的组织间协作，并提高建筑计划与设计、生产与施工、运营与维护的效率和质量[1]。在一定程度上，BIM技术的成熟度，代表了建筑信息化的程度。现阶段，我国工程建设面临着信息集成、协同和共享性差，信息传递效率和利用价值低，协同主体协同度以及建设效率不高的现状，并且工程项目的成功实施在很大程度上取决于信息在参与各方之间传递与交流的效率和有效性[2]。因此亟需一个信息集成、共享、协同的技术环境，解决信息问题，促进管理协同，提高企业绩效水平。BIM概念，作为提高效率，降低成本，减少能源需求和环境污染，实现可持续发展[3]的技术方法，作为信息化建造与管理的重要技术平台和施工各个阶段总体协同管理的有效手段[4]，将有效解决这一问题。

BIM情境下工程建设的实现是协同管理问题，而并非是技术问题[5]，工程项目协同管理是BIM技术应用在工程项目管理领域的主要作用[6]。从系统学角度看,协同管理就是要通过对有若干子系统组成的系统进行时间、空间和功能结构的重组,产生一种具有“竞争-合作-协调”的能力[7]。由于工程建设的多主体性，企业通过分工协作形成的协同效应能成倍增加产出[8]，实现工程建设的增值。大量研究表明，协同效应越强团队协作程度越高[8,9]，协同效应对于企业绩效具有显著的正向影响[10]。

文献中对于BIM情境下工程建设的研究多从BIM的优越性方面，从利益相关者之间的关系角度，而对于工程建设多主体协同效应的研究却很少。本文基于系统动力学，从协同学的角度，研究BIM情境下工程建设协同主体系统的协同效应，目的在于提高协同主体的协同意识和对BIM技术的重视，提升工程建设的管理效率，实现企业绩效水平的升值与增值，以及实现BIM技术与工程项目的价值效应。

1 工程建设协同主体系统

1.1 工程建设协同主体系统的定义

协同视角下，工程建设存在大量的集体行为，具有产生更多协同效应的潜力。美国战略管理学家Igor·Ansoff指出：协同是基于资源共享的企业之间形成共生共长、互助互促的关系[11]。由于工程项目涉及多阶段、多专业、多参与方，使得工程建设存在着多种组织关系和复杂的价值交换关系[12]，形成了一个复杂的协同建造系统。因此，本文将工程建设协同主体系统定义为：在整个建设系统中，各协同主体以协同思想为指导，基于信息技术协作平台，综合运用管理方法和手段，促使在整个建设系统中的人、财、物、技术、信息、知识等资源按照协同方式进行整合，实现资源的最优化组合与配置，进而形成一个在结构、功能等方面远远超越原有组织系统的、具有新的生命的系统[13]，达到协同效应的目的。

1.2 协同主体的识别

BIM技术为工程建设的协同管理提供了重要的技术基础，它有效地促进项目参与者在整个项目生命周期中的协作和沟通[14]。而工程建设的本质是相关的“人(利益相关者)”“物(机械设备、材料、能源)”“资金”与“环境(政策环境、施工环境、周围环境、生态环境)”在整个建设期内或者在整个生命周期内在时间轴上的协同[15]。BIM情境下工程建设协同主体系统，实质上是多利益参与主体之间的协同。利益相关者的定义最具代表性的是Freeman的观点，他认为：利益相关者是能够影响一个组织目标的实现，或者受到一个组织实现其目标过程影响的所有个体和群体。本文将BIM情境下工程建设全生命周期过程(决策阶段、实施阶段和使用阶段)中，参与决策与受决策影响的个人或团体(组织)，视为利益相关者。根据利益相关者理论以及工程建设项目全寿命周期的划分，将协同主体划分为决策协同主体、设计协同主体、管理协同主体、施工协同主体、供货协同主体、运营协同主体、监管协同主体。

2 工程建设多主体协同效应的系统动力学模型构建

由耗散结构理论可知，一个远离平衡状态的开放系统，通过不断地与外界环境进行物质、能量和信息的交换，当系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，系统将产生自组织现象，即由无序到有序、较低有序到较高有序，并形成一种表现在功能、空间和时间上的新的有序稳定结构[16]。BIM情境下工程建设协同主体系统可以通过达到耗散结构的途径来实现自身的有序化，提高整个系统的协同度，从而达到工程建设的最终目的——增值，进而实现系统整体的发展与演化[17]。BIM情境下工程建设协同主体系统满足耗散结构的四个基本条件[18]：(1)系统处于远离平衡态；(2)系统具有开放性；(3)系统内不同要素存在非线性作用；(4)系统存在涨落作用。因此，可以通过系统动力学对BIM情境下工程建设协同主体系统进行研究，建立协同主体系统的动力学模型。

2.1 BIM情境下协同主体系统框架构建

鉴于工程建设的多主体性，BIM的价值取决于用户[19]，协同主体作为BIM技术的使用者，其价值在于实现1+1>2的协同效应。各个协同主体通过对BIM技术的应用，在一定程度上改变了传统建筑业的信息流，并且BIM技术应用的一个愿景就是允许来自多个本地设计模型的数据之间的互操作性，允许新的集成的工作方式，成为协作工具[20]。BIM技术具有可视性、协调性、模拟性、优化性以及可出图性等特点，能有效减少协同主体间的冲突矛盾、降低重复劳动与成本[21]、提高协同效率。另外，由于工程建设、协同主体间关系、BIM技术三者本身的复杂性，因此存在生产力提升的潜力也更大；同时，这三者也是系统边界内容的重要组成部分。如图1所示，BIM情境下的协同主体系统框架——“BIM-协同主体”框架，是以BIM为信息集成中心，以决策主体、设计主体、管理主体、施工主体、供货主体、运营主体和监管主体为协同主体，通过信息的交换与传输，在协同主体之间产生互动耦合。

图1 BIM情境下协同主体系统框架

2.2 模型边界变量的确定

BIM情境下，BIM协同支持水平不仅受BIM成熟度的影响，管理意识和管理水平也制约着技术应用效果[22]，同时，Jung等[23]也指出管理的有效性是BIM成功的一个原因。鉴于BIM技术在我国仍处于起步阶段，因此成本在选择创新技术方法时起着影响决策过程的重要作用[24]，故引入协同主体BIM效益期望水平变量。同时，BIM在一定程度上改变了工程建设的协同方式，BIM协同优化率是协同方式优化水平的重要影响因子。

工程建设是具有团队生产性质的联合生产，由于多方合作与合作双方之间信息的不对称，道德风险在任何一方都可能存在[25]。在工程建设中决策主体与监管主体之间、决策主体与施工主体之间、决策主体与运营主体之间普遍存在的“委托-代理”关系，以及监管主体与施工主体之间的监管与被监管的关系，是道德风险的主要来源。协同主体的努力水平[26]是影响工程建设协同主体间道德风险的一个重要指标，一个协同主体的低努力水平，可能导致多个协同主体更低效的道德风险行为，以及一个更低的协同效应水平。解决道德风险的一个有效可行的途径就是建立完善的激励制度[27]，而解决这个问题的根本途径是减少市场的信息不对称程度[28]。对于激励力量的衡量，美国心理学家弗鲁姆于1964年提出了期望理论。该理论认为，激发的力量来自效价与期望的乘积，本文将效价看做是协同主体对达到某种预期成果的偏爱程度，同时也考虑协同主体的期望程度[29]。此外，由于协同主体间的互补知识，合作对利益的影响大于竞争的影响[30]，合作程度将影响协同主体的协同效应水平。协同效应是协同度的函数，吴伟[31]仅将协同效应看做是协同效应因子和激励子系统的投入(协同度)的乘积，激励子系统的完善程度，会影响工程建设协同主体的协同意识。由于不同协同主体在同一阶段或不同阶段所占权重不同，因此赋予协同主体权重系数。本文拟将多个变量纳入模型边界变量中。

2.3 工程建设多主体协同效应因果回路图的建立

系统动力学认为，系统的行为模式与特性主要取决于其内部的动态结构与反馈机制[32]。BIM情境下工程建设协同主体系统是一个动态的、非平衡的、开放的自组织系统，由协同主体间复杂的非线性相互作用构成了多个一阶正、负反馈回路，形成一个复杂的组合反馈回路。系统动力学模型建立的基础是因果关系的构建，它可以清楚地描述系统的动态运行及逻辑关系。由相关模型边界变量及其相互关系，建立工程建设多主体协同效应因果回路图，如图2所示。由于激励力的产生是效价和期望值的乘积，如果效价和期望值不同向变化，则很难判断激励力的增加或减少，因此为简化表示，假设协同主体协同效应水平和BIM协同支持水平正向影响协同主体效价、协同主体协同效应期望水平和协同主体BIM效益期望水平。

图2 BIM情境下工程建设协同主体协同效应因果回路图

在该因果回路图中，通过完善企业间的激励制度，达到减少道德风险率和增加协同主体协同度的目的，从而提高协同主体协同度和协同效应水平，进而又能反馈到激励制度的完善程度。协同主体协同效应的提高也使得协同主体协同效应期望水平和协同主体效价增加，二者的增加是形成激励力的基础，激励力是激发人行为的心理过程，进而实现协同主体协同意识、协同主体协同度和协同效应水平的增加；同时，协同主体BIM效益期望水平的增加，不仅会提高协同主体管理意识，也会产生激励力，从而提高协同主体管理意识、管理水平、BIM协同支持水平和协同主体BIM效益期望水平。其他正、负反馈回路不再一一赘述。

2.4 系统动力学模型构建

因果回路图只能描述反馈结构中变量之间的影响和作用，不能表示不同性质变量的区别。而在系统流图中，由状态变量、速率变量、辅助变量和外生变量共同构成的反馈系统，能清晰地反应影响反馈系统动态性能的累积效应。根据工程建设协同主体系统协同效应的因果回路图，建立BIM情境下工程建设多主体协同效应系统流图，如图3所示。在该系统流图中，协同主体权重系数是表示某一协同主体在协同主体系统中的重要程度。BIM协同优化率，指的是投入BIM技术来进行人财物投入所产生的综合效益、程度的表示，即BIM技术投入与综合效益之比。协同意识系数是协同主体协同意识的影响系数。协同方式优化率表示对原有协同方式进行优化的投入，与优化后的协同方式带来的协同效益之比。协同主体协同效应因子是协同主体协同效应水平的影响因子。BIM协同支持水平表示BIM技术能够支持的协同管理和技术分析的能力。协同主体协同效应水平是指协同主体在多种协同因素的作用下，产生协同效应时的效益水平。在图中可以看出存在多个某一变量对于另一变量的影响因子，本文就存在的多个影响因子不一一叙述。该系统流图不仅体现了变量间的复杂关系，也体现了系统的复杂性。

2.5 系统动力学模型分析

图4 协同主体协同效应水平因果图

由图4可知，协同主体协同效应水平是协同效应水平变化量的函数，而影响速率变量的因子包括：BIM协同支持对协同效应因子、协同主体协同度因子、协同主体协同效应因子、协同主体权重系数。协同主体权重系数是普遍存在的，但其对于协同效应的影响是不能忽略的，由于工程信息的庞杂性，在一定程度上，信息就是效益，各个协同主体实现信息共享最大化与综合效益最大化的协同，是协同主体权重系数对于协同效应的最大贡献。

协同效应是协同主体协同度与协同效应因子共同作用的结果[32]，对于协同主体协同度的因果关系，如图5所示。协同主体协同度是激励机制、激励力、协同方式优化以及道德风险率的函数。激励制度对协同主体协同度具有直接或间接的作用，体现在激励制度对于协同度的和对信息对称、协同意识的影响因子；由协同主体效价和协同效应期望形成的激励力，能提高协同主体的协同意识，进而提高协同主体协同度。协同方式的优化，一方面体现在BIM技术对于信息流的集成与共享，能减弱或消除协同主体间的信息摩擦，增强信息碰撞，提高信息利用效率，从而提高协同主体协同度；另一方面体现在协同主体的管理创新，无论是自主创造还是引进已有的管理理念或管理方法、管理结构、管理过程和管理技能[33]，对于促进协同主体协作、提高生产力和组织绩效[34]都有重要意义。在多个影响因子的作用下，各个协同主体之间产生耦合效应，能提高协同主体间协同度，从而影响工程建设协同主体协同效应水平，进而能够实现工程建设的增值与升值。

图5 协同主体协同度因果图

同样，由图6可知，BIM协同支持水平是BIM协同支持水平变化量的函数。在BIM成熟度因子以及协同主体管理意识、管理水平因子的作用下，也即从技术和管理两方面，有助于实现较高协同支持水平的BIM技术。同时，影响BIM协同支持水平变化量还有协同主体权重系数，协同主体对于BIM的权重不仅体现在协同主体对BIM技术的支持、引进、运用与发展，还体现在协同主体对于BIM技术人才和管理人才的培养，主要表现在各个协同主体的努力水平。基于“BIM-协同主体”框架的动力学模型，形成了一种人机交互系统，促进协同主体管理意识与水平，提高BIM成熟度，从而正向影响BIM协同支持水平变化量，实现较高的BIM协同支持水平和协同主体协同效应水平。

图6 BIM协同支持水平因果图

BIM情境下的协同主体系统是一个社会技术系统[35]，是10%的技术问题与90%的社会文化问题[5]，协同管理是提高系统协同效应的关键。由图7可以看出，在协同主体系统中，协同主体意识是管理水平的主要影响因素；同时，协同主体BIM效益期望水平、协同主体协同效应水平和激励力这三个影响因子又作用于管理意识。协同主体管理意识正向影响协同主体管理水平，协同主体管理水平提高，能减少协同主体间矛盾，促进协同主体对工程建设的控制和管理，提高协同主体协同水平。

图7 协同主体管理水平因果图

3 结 论

本文通过对协同主体协同效应的系统分析，得出影响BIM情境下工程建设协同主体协同效应的重要因素，首先，成熟的BIM技术与较高的协同管理水平是提高BIM协同支持水平的动力因素，高协同支持水平的BIM技术是实现高协同效应的技术基础，完善激励机制、优化协同方式、增强激励力和降低道德风险率是提高协同主体协同度的重要影响因子，同时也是提高协同主体协同效应水平的重要基础。另外，基于工程建设的7个协同主体，提高BIM情境下工程建设协同主体协同效应需要所有协同主体的共同努力，需要把握好协同主体权重因子，才能实现协同主体协同效应的共赢。

此外，本文也存在一定的局限性，由于赋予了协同主体权重系数，这使得涉及多个协同主体的多个变量，包括各个协同主体的期望水平、效价、协同水平、努力水平等，以及信息对称程度、协同主体间矛盾程度、协同方式优化水平等变量的衡量，变得很难去定量化，且对于权重系数的赋予也没有一个统一的或者特定的标准。另一方面，通过以上分析，如何定量分析工程建设协同主体协同效应和协同主体权重系数的赋予标准，这将是接下来可进一步研究的两个问题。