基于灰靶模型的BIM辅助施工安全管理绩效评价

王双双，崔庆宏,2,*，李 敏，陈雨田

(1.青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

2018年我国建筑业总产值达到235 086亿元，相比2017年提升了9.88%，占当年国内生产总值的26.1%[1]，作为我国的先导性产业之一，建筑业的持续健康发展对我国国民经济的稳定增长有着举足轻重的影响。与此同时，建筑业也是世界上最危险的工作环境之一，工程建设过程中存在的诸多不确定性因素导致施工安全事故屡屡发生。在我国，建筑业施工安全事故的伤亡率更是居高不下，是仅低于矿山行业的第二大危险行业，仅在2018年，房屋市政工程施工安全事故就达734起，死亡人数达840人，同比2017年事故数增多42起、上升6.1%，死亡人数增多33人、上升4.1%[2]。频发的安全事故给社会和企业酿成了不可逆的人力和财力损失，已逐渐成为阻碍建筑行业健康可持续发展的重大问题[3]，亟需革新管理模式与技术手段，提升施工安全管理效果。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)这一理念的提出，为推动建筑业信息化的发展提供了技术手段。

国内外学者围绕施工安全管理中BIM技术的应用做出了大量研究。COLLINS等通过收集脚手架工程安全危害的数据，纳入BIM中，使4D BIM可以在整个施工过程中使用，提前告知安全管理部门潜在危险并给出缓解建议和预防措施[4]。PARK等提出了一种集成BLE位置检测、BIM危险源识别与云通信平台的实时现场安全监控系统框架，可以获取工人的实时位置，并通过一个案例成功展示了该系统检测不安全因素及收集分析工人轨迹潜在安全危害的能力，证实了该框架在辅助施工现场监测过程、改善施工现场安全性等方面的有效性[5]。夏杨等将BIM技术与云计算、识别射频技术(RFID)集成，建立了一个通过实现高处坠落安全的信息化管理的建筑工人高处坠落安全预警系统，有效减少了事故的发生[6]。其在施工安全管理领域的重要作用也被越来越多的学者认可。但是，目前针对施工安全管理领域中BIM的推广应用普遍还存有诸多疑惑：①在施工安全管理中应用BIM的投入是否实现了其最大的利用价值，即基于BIM的施工安全管理模式的绩效水平还不明确；②评估基于BIM的施工安全管理绩效水平牵涉诸多界说范围不清晰、信息模糊的情况，难以准确衡量和表达。这些问题导致诸多企业在是否于施工安全管理中应用和实施BIM技术，以及如何制定BIM实施策略才能实现项目最大效率方面存在着困惑，以至于限制了施工行业BIM技术的进一步发展。

基于此，国内外学者探索了一些测试BIM技术在施工安全管理中应用表现的手段。AHMAD等以文献回顾的形式分析了BIM技术在安全风险管理中应用的一些作用，如消除了一些风险和冲突，改善可视化和预制过程，建模可持续性模拟，改善项目沟通协调，减少变更和返工风险等[7]。GUO等将BIM技术与设计安全规则相结合开发出一种可自动识别设计过程中可能出现的安全隐患的安全设计方法，并验证了该方法的有效性；与传统的安全管理方法相比，基于BIM的管理方法实现了自动化，减少了安全检查的时间和人力成本，提高了施工安全管理的效率[8]。张立茂等认为BIM在危险源识别、优化安全计划、安全教育培训等方面有较大的实用性，相比其他模式，其能够有效识别并减少风险和损失，提升安全管理效率[9]。综合分析当前学者针对BIM技术在施工安全管理中的运用、基于BIM的施工安全管理绩效评价方面主要围绕在定性层面，且多集中于绩效指标的识别等方面，而缺乏进一步对于绩效评价的定量定性相结合的评价体系。因此，从施工企业角度出发，对基于BIM技术的施工安全管理的绩效进行科学评价并提出改善措施，综合定性与定量方法测算施工安全管理中BIM技术的真正应用价值，从而帮助施工企业准确衡量运用BIM技术进行施工安全管理这一模式的绩效水平，以便及时调整BIM技术应用决策，实现项目既定管理目标，提升自身经济社会效益是很有必要的。

鉴于此，本文结合BIM技术在施工安全管理中的应用效益等相关研究，建立了基于博弈论组合赋权的灰靶模型，可以很好地用于解决基于BIM的施工安全管理绩效水平评价中的多属性衡量冲突问题，为企业科学合理评估项目的施工安全管理绩效水平提供理论依据、参考框架及方法支持，有助于分析BIM技术在施工安全管理应用中存在的不足，探索更为有效的安全管理机制，进一步推动BIM技术的行业进步。

1 评价指标体系

1.1 基于BIM的施工安全管理绩效评价指标体系

基于BIM的施工安全管理绩效评价指标体系应当符合合理性、可操作性、科学性等要求，并可以给施工企业运用BIM技术进行安全管理起到科学引导作用。而平衡计分卡(Balanced Score Card，BSC)从财务、顾客、内部运营过程、学习和成长四个维度进行绩效考核的方式，满足了企业绩效评估中财务指标和非财务指标、短期目标和长期目标、结果考核与过程控制、内部人员和外部人员、定量指标与定性指标及战略和管理之间的有效平衡[10]，可以较好地适用于施工企业对基于BIM的施工安全管理绩效水平的评估。因此，本文借鉴平衡计分卡相关原理及已有BIM效益文献研究[11-13]对其进行扩充，并结合BIM技术在施工安全管理中应用和绩效研究相关文献资料的梳理，访问专家人员意见，最终构建了施工企业管理视角的包含财务、产品、组织、战略和内部管理流程5个维度、13个指标的基于BIM的施工安全管理的绩效评价指标体系，并给出计算公式，具体见表1。

表1 基于BIM的施工安全管理绩效评价指标体系

1.2 评价指标权重的确定

1)数据标准化。设A = {A1,A2,...,Am}为待评决策方案集，C={C1,C2,...,Cn} 为待评属性集，得到原始决策矩阵Y=(yij)m×n(yij为第i个项目的第j个属性下的原始数据，i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)。指标属性量纲的不同可能会影响评价结果的准确性，为保证各属性指标的方向一致应对各指标数据yij(i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)实施无量纲化处理，使得各指标间归一化。

(1)

(2)

从而获得标准化决策矩阵X=(xij)m×n(xij为第i个项目的第j个属性下的标准化数据，i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)。

2)G1法计算主观权重。G1法是在AHP法的基础上得出的一种改良的主观权重计算方法，其相对AHP法更为简捷、直观，且易于操作，计算工作量减少，并且无须构造判断矩阵对指标属性进行一致性检验[14]。其具体步骤为：

①序关系。由专家对各指标属性间的重要性进行排序，如果依据某一评价准则评价属性Ci比Cj重要时，记为Ci>Cj，对于评价属性集C={C1,C2,...,Cn} ，专家依序选择出自己认为最重要的一个属性，记为C1>C2>C3>...>Cn，则唯一确定了序关系。

表2 rj赋值

②相邻指标间的相对重要度。用相邻指标Cj与Cj-1的重要程度之比来表示相对重要程度，可以表示为rj=Cj-1/Cj,(j=n,n-1,n-2,...,2)，rj的赋值见表2。

③权重系数。根据专家给出的rj赋值，得出第n个属性的主观权重为

(3)

(4)

3)改进熵权法计算客观权重。熵权法通过熵值的大小判断有效信息量，熵值愈小，代表该指标属性包含的有效信息量愈多，则指标的权重愈大；反之，则愈小[15]。改进的熵权法克服传统熵权法的弊端，应用范围更具备普适性，运用改进熵权法计算客观权重，其详细计算步骤为：

①计算第j个指标的信息熵：

(5)

②计算第j个指标的差异系数：gj=1-ej

(6)

③确定第j个指标的客观权重：

(7)

4)博弈论组合赋权。博弈论组合赋权法的根本理念即是于多种方法计算的权重中摸索协调或让步，以求最小化评价属性各个权重与最优权重的误差，进而确定一个比较均衡的组合权重向量[16]。它通过对主、客观权重进行科学协调地优化组合，进而确定最优的组合权重，可以同时保留两种赋权法的长处，并能优化单一权重计算方法的不足，确保最终结果的真实性与精确性[17]。

记W=(w1,w2,...,wj)T为评价指标的权向量，构建主观权重和客观权重的任意线性组合：

Wk=η1α+η2β

(8)

式中：η1，η2为线性组合系数，ηk>0；{W|W=η1α+η2β,ηq>0,q=1,2}为评价指标全部有可能取值的权向量集。

建立权向量优化模型，寻求最优权向量：min|η1α+η2β-W(k)|2,(k=1,2)

(9)

其中，W(k)为第k种方案计算得到的基本权向量集合，因为在文中选择G1法、改进熵权法确定属性指标的主、客观权重，所以W1=α，W2=β。

依据矩阵的微分相关性质，计算获得权重向量优化模型最优一阶导数条件：

(10)

由式(10)计算可得到最优组合系数(η1,η2)，并按下式对η1，η2作标准化处理：

(11)

最后，计算得出最优组合权重：W*=η1*α+η2*β。

(12)

2 基于灰靶模型的绩效评价模型

灰靶(Grey Target)模型是一种用于应对模糊信息的多目标属性决策方法[18]。其基本原理是在决策点中寻求一个标准模式，即靶心，分别计算各待评方案到靶心的接近度，即靶心距，并通过对比其大小对评价方案的优劣程度排序[19]。

uij=[xijwj]

(13)

对第j列，将max{x1j,x2j,...,xmj} 所在行列位置的对应值记为+uj，+uj即为灰靶决策方案的最优效果向量，将其称为决策属性的正靶心。

+u= {+u1,+u2,...,+un}。

对第j列，将min{x1j,x2j,...,xmj} 所在行列位置的对应值记为-uj，-uj即为灰靶决策方案的最劣效果向量，将其称为决策属性的负靶心。

-u= {-u1,-u2,...,-un}。

计算方案Ai的加权群正、负靶心距：

(14)

(15)

加权群正靶心距愈小、加权群负靶心距愈大，代表待评价方案愈优。综合考量加权群正、负靶心距，计算出各待评方案的群偏离靶心度Si，通过比较群偏离靶心度Si的大小得到各待评决策方案优劣程度排序。

(16)

3 实例验证

3.1 确定指标评价值及标准化处理

以某施工企业下5组BIM项目资料为样本数据，得到评价指标体系。评价指标中，C2是成本型指标，其他指标则是效益型指标。5组项目待评指标属性的原始数据见表3，按式(1)(2)标准化，最终获得标准化矩阵X。

表3 待评项目各指标评价值及各权重

3.2 确定指标权重

利用G1法、改进熵权法依次计算得到主、客观权重，再依据博弈论思想得到组合权重。结合式(8)—(10)计算得到主、客观权重向量的最优线性组合系数(η1，η2)，经过标准化处理，最终确定为(0.7862，0.2138) ，并确定最优组合权重W*。利用G1法、改进熵权法和博弈论组合赋权法分别计算得到的各权重见表3。

表4 各BIM项目的靶心距

3.3 确定综合靶心距

根据max{x1j，x2j，…，xmj}原则确定指标正靶心，根据min{x1j，x2j，…，xmj}原则确定指标负靶心。结合式(14 )(15)分别确定5组待评价BIM项目的正、负靶心距，再结合式(16)计算出偏离靶心度Si，结果见表4。

3.4 结果分析

1)基于BIM的施工安全管理绩效水平整体分析。从表4可以看出，项目1、项目3、项目5偏离靶心度Si值大于0.08，绩效水平评价等级为优秀；项目2、项目4偏离靶心度Si值较低，等级为一般。样本中绩效水平优秀项目占总数的60%，一般项目占样本总数的40%，说明该施工企业参与的项目基于BIM的施工安全管理效果整体较好，但也存有某些项目安全管理中BIM技术使用效果较差的情况。

为了更直观地体现评价结果，本文依据Si值范围设定基于BIM的施工安全管理绩效水平评价等级标准，见表5。

表5 基于BIM的施工安全管理绩效 水平评价等级划分标准

2)基于BIM的施工安全管理绩效水平项目个体分析。由表4可知，该企业5组项目其基于BIM的施工安全管理绩效水平按照Si值从高到低依次为P3，P5，P1，P4，P2，与实际情况相符。

对于评价等级为优秀的项目，项目3评价结果最好，是因为该评价项目的安全事故发生率最低，使项目在人员安全、事故控制等各方面都获得了满足，其次，项目的安全管理制度完善及落地性也较高，因此，绩效评价水平优秀。项目1评价结果较好的原因是其投资回报率较高，能够使施工安全管理中应用BIM技术投入的人力、物力、财力利用价值达到最大，没有造成投入资源的浪费，并且项目的危险源动态识别与管控效果较好。对于项目5，其在投资回报率、安全事故发生率、施工安全资料完整度、业主满意度等方面均表现良好，其评价结果因此相对较好。

对于基于BIM的施工安全管理绩效水平较差的项目2和项目4，项目2虽然投资回报率与其他项目相比较高，但其在施工安全资料完整度、BIM人才培养、安全管理制度完善及落地性、加强各专业交流配合、安全管理提升效率方面与其他项目相比均较低，说明在该项目安全管理中，项目管理人员对项目管理资料、制度完善等重视不够，BIM技术的人才培养和各专业交流配合度不高，安全管理效率提升情况较差，因此造成评价结果较差。项目4投资回报率与其他项目相比偏低，另外其在企业竞争优势提升方面效果也不明显，说明该项目在施工安全管理中应用BIM技术的投入没有实现其最大效益，没有很好地减少安全事故等造成的损失改善企业竞争优势，绩效水平较差。

4 结束语

1)将BIM应用到施工安全管理中可以有效实现项目协同和数据集成，解决传统安全管理模式下的信息化程度低、各专业沟通不协调、安全管理效率低下等问题，为企业及社会节省巨大时间及经济成本。本研究结合现阶段施工安全管理领域BIM的应用特点，从财务、产品、组织、内部管理流程、战略5个层次构建了基于BIM的施工安全管理绩效水平评价指标体系，拓宽了平衡计分卡四维的理念，丰富了基于BIM的施工安全管理绩效评价体系。

2)基于博弈论理念对G1法与改进熵权法计算得到的主、客观权重优化，降低了由单一权重计算方法可能造成的误差，兼顾了客观准确性与主观可理解性，使得评价指标权重更加合理化。其次，引入灰靶模型建立绩效水平评估模型，构建了基于BIM的施工安全管理绩效水平综合评价模型，该模型能够有效处理指标数据不清晰等不确定性问题，实现对评价指标的量化，更为准确客观地反映各因素对基于BIM的施工安全管理绩效水平的影响和具体项目所处的实际安全管理状态，给施工企业衡量项目安全管理中BIM技术的应用价值与项目前期BIM应用效益目标的设定提供一种新思路。

3)通过样本实例证明了该模型的可实施性，该方法能给施工企业评估项目基于BIM的施工安全管理模式的绩效水平提供科学借鉴，并可根据评价结果及时达成对弱项环节的排查，对于施工企业评估安全管理绩效水平，发现其中的不足之处，及时调整BIM技术实施决策具有良好的实践意义，并能进一步促进BIM技术的行业发展。