基于云模型的業主方BIM應用能力成熟度研究*

李浩 崔卓琳

(江西科技師范大學，江西 南昌 330038)

0 引言

當前，BIM技術在工程建筑行業的應用日益廣泛。為了提高BIM技術應用水平進而優化項目管理，相關研究人員提出多種BIM應用能力成熟度模型[1]。已有的成熟度模型多采用灰色理論、模糊綜合評價等方法[2-5]，這些方法雖然考慮了評價對象的模糊性，但對專家認知差異所表現出的隨機性、評價過程中不確定性的傳遞等考慮較少，因而在實際應用時難以形成全面、客觀的評價。

業主方對BIM技術的應用側重于施工進度、建筑布局、前期投資等[6]。基于此，本文根據業主方在技術、過程、組織三個層面的項目管理要點，提出業主方BIM應用能力評價指標體系；考慮到評價指標的模糊性和評價過程的差異性和不確定性，建立基于云模型[7]的評價體系，兼顧評價指標及評價過程中的模糊性與隨機性。

1 BIM應用能力成熟度模型

1.1 成熟度等級及其基本特征

本文借鑒OPM3、BIM、CMM等成熟度模型[8]，根據BIM應用能力不斷提升的特點，將成熟度等級劃分為初始級、發展級、規范級、蛻變級、持續改進級。

(1)初始級。企業雖然已認識到BIM技術的重要性，但缺乏健全的BIM應用體系。BIM的應用主要依靠個人經驗和技能，應用過程中規范、組織和技術環境混亂，處于學習和發展階段。

(2)發展級。企業的BIM應用組織流程較清晰，能夠合理、有效地配置相關資源，規范化建設得以啟動，企業軟硬件設施等配備完善，但BIM應用過程仍在摸索階段，能力較差。

(3)規范級。企業的BIM管理規范制度文件化，各部門和人員職責分明、相互協作，BIM應用流程高效、有序。BIM技術應用水平顯著提高，基本能夠保證BIM應用過程的順利推進。此階段企業要長期積累經驗和方法，建立BIM應用體系。

(4)蛻變級。企業的BIM管理規范制度完善，組織管理全面、有序，BIM理念已融入企業管理。BIM應用方法不斷積累，能夠有效指導BIM應用過程、計劃、目標等得以實現，出現突發狀況時能夠及時應對。此階段企業要不斷完善BIM應用體系。

(5)持續改進級。市場、政策、經濟等外部環境影響企業的發展，BIM的應用發展也要順應外部環境，主動對企業的內外部環境進行定期檢查和評估，對已形成的BIM應用體系進行持續改進。

1.2 評價指標體系

綜合分析業主方BIM技術應用的現狀，結合業主方項目管理全面性和系統性的特點，以及項目實施的前期、設計、施工等階段，從科學性、全面性、代表性、可操作性等原則出發，建立業主方BIM應用能力評價指標體系。該體系包括3個一級指標、25個二級指標，具體見表1。因篇幅有限，關于各指標的評價標準僅以“可視化設計”為例：初始級，傳統軟件二維設計圖樣；發展級，簡單使用BIM可視化設計；規范級，BIM模型包括建筑物及其周圍環境；蛻變級，通過BIM可視化進行全面應用指導；持續改進級，對全生命周期過程進行可視化設計。

2 基于云模型的多層次綜合評價方法

云模型是一種處理不確定性問題的數學工具，是將概念的模糊性和認知的隨機性結合起來的模糊數學模型[9-10]。在BIM應用能力成熟度評價中，成熟度及上文的各個指標本身是模糊性的概念，可以用隸屬函數來描述，但不同專家或從業者具有各自不同的經驗和知識結構，因此對隸屬函數的刻畫不是確定性的而是具有因人而異的隨機性。基于以上認識，本文采用云模型對BIM應用能力成熟度進行評價。

2.1 云模型的概念

假設U是一個用精確數值表示的定量論域，是關于U的一個定性概念，若?x∈U且定量數值x為C的一次隨機實現，x對C的隸屬度u(x)∈(0,1)是具有穩定傾向的隨機數，即

表1 業主方BIM應用能力評價指標體系

u:U→[0,1],?x∈U,x→u(x)

x在論域U上的分布稱為云，每一個x稱為一個云滴。

云模型具有三個關鍵的數字特征：期望值Ex、熵En和超熵He，分別表示定性概念在論域中的最典型樣本點、模糊程度和熵的不確定性。

云發生器有正向、逆向兩種。正向云發生器是根據已知的三個數字特征，生成N個滿足隸屬云分布的二維點，即云滴。逆向云發生器是根據已知的云滴分布，確定隸屬云的數字特征值。

2.2 確定評語云模型

2.3 確定評價云模型

邀請專家對每項二級指標給出相應的評價分值，運用逆向云發生器求出各二級指標的數字特征值(Ex,En,He)[11]。其步驟為：

2.4 確定綜合評價云

采用層次分析法(AHP)計算成熟度模型的各級評價指標權重，考慮二級指標之間的相關性和獨立性，為更好地將論域中二級指標的空白區生成一級指標的云模型，用虛擬云中的浮動云算法計算一級指標的云數字特征[12-13]，公式如下

表2 評語云模型

(1)

式中，aij表示二級指標權重；m表示二級指標個數。

針對BIM應用能力評價成熟度是需將三個一級指標形成的云生成更為廣義的云，采用綜合云算法[14]，根據式(2)得到BIM應用能力評價成熟度的云模型(Ex,En,He)，即

(2)

式中，ai表示單個測量指標的權重；n表示一級指標個數。

2.5 確定成熟度等級

設評價云向量Wi=(Exi,Eni,Hei),某一評語云向量Wj=(Exj,Enj,Hej),則基于組合模糊貼近度[15]可計算Wi和Wj的云相似度CFSM(Wi,Wj)，即

(3)

采用式(3)分別計算評價云與5個等級評語云的貼近度，根據模糊數學的擇近原則，得出評價對象所屬的BIM應用能力評價成熟度等級評語[15]。

3 案例分析

某企業在房地產開發市場中具有較強的綜合實力。近年來，房地產市場環境不穩定，該企業為提高核心競爭力，積極發展BIM技術，在此過程積累了較多經驗和資料，適合用于驗證本文所構建模型的有效性。

3.1 各級指標權重及評價云計算

邀請10名專家對二級指標進行分值估計，并按照層次分析法和逆向云發生器算法計算確定二級指標權重和評價云，結果見表3。

表3 二級指標權重及評價云

由式(1)可以計算得出一級指標權重及評價云，見表4。

表4 一級指標權重及評價云

3.2 確定BIM應用能力評價成熟度等級

采用綜合云算法，將各一級指標進行集結，通過式(2)計算得出最終評價云為(5.476，0.973，0.223)，圖2為評價云與各等級評語云的對比云圖。按式(3)分別計算最終的綜合隸屬云與各成熟度等級隸屬云之間的云貼近度，見表5。

結合表5和圖2可以得知，該企業的BIM應用能力成熟度處于規范級，表明該企業的BIM應用管理已步入正軌，組織中各部門人員之間工作高效有序，BIM整體應用水平有較明顯的提高，為企業建立完善的BIM應用體系奠定了基礎。圖2展示了以“云”呈現的各級成熟度概念，其隸屬度函數具有確定的形狀和模糊的邊界，源于概念本身的模糊性和專家認知差異的隨機性；評價結果也以云的形式呈現，展示了評價結果這個概念本身的模糊性以及不同專家由于不同經歷和不同知識背景得出不同評價的隨機性。表5則通過計算貼近度給出了明確的評價結果。

4 結語

本文根據業主方在技術、過程、組織三層面的項目管理要點，提出了業主方BIM應用能力評價指標體系。基于云模型相關理論，構造五級成熟度的評語云；根據專家評估數據，得到BIM應用能力成熟度評價云與評語云的直觀圖像，并通過計算評價云與評語云的組合模糊貼近度確定最終成熟度等級。云模型將評價指標的隨機性和模糊性相結合，更好地體現了評價指標和評價過程的不確定性。通過案例分析驗證了該模型的合理性，可為業主方BIM應用能力成熟度評估提供參考。

表5 云貼近度計算結果