在BIM模式下, 不同的利益相关方可以实现在不同的阶段插入、提取、更新和修改信息, 有效地实现协同作业, 有利于解决建筑业中信息沟通不畅的问题, 是信息化技术在建筑业的直接应用。BIM技术的应用除带来流程上的便捷外, 还可以作为一个协同平台, 有效促进各利益相关者之间的沟通和交流, 减少信息传递中的遗漏或错误传达的概率, 便于资源共享, 显著提高建筑工程的效率、减少工程风险并降低工程造价。BIM正在成为建筑业技术和管理升级的核心技术, 它的应用是一项系统性创新工程, 不仅需要调整相关的活动方式、更新相关的软硬件设备, 同时也需要建设项目的参与方改变传统建造流程中的工作依赖关系、调整全过程应用的相关流程, BIM可以有效改善参与方之间的合作关系。

但要实现各阶段的连续应用是一个系统工程, 需要各组织中参与主体的协同合作, 而当前BIM技术的研究仅仅局限于某阶段的局部应用, 忽略了对BIM整体应用的研究。BIM技术在项目中应用涉及参与方众多, 实际应用中有不同的团队和角色, 因此, 应合理确定网络中各参与方的重要程度和性质, 建立多主体协同创新模型, 可以从个体和组织层面指出提升网络协同度的策略建议, 促进BIM整体应用。本文借助深圳平安金融中心项目案例, 从静态和动态两个层面分析网络结构和位置属性, 研究BIM项目相关方的协同关系。

(1) 协同主体及其关系。BIM技术的全过程应用需要多专业主体经多阶段的协调沟通来完成。根据BIM技术应用中参与方的角色、地位和任务的不同, 将协同主体定义为:建设单位、施工单位、软件供应商、设计单位、监理单位、BIM咨询单位、科研院所、政府部门等等。合同关系和非合同关系是主体间常见的两种关系类型。正式的合同关系是指在业务来往活动中, 参与方关于活动内容、交付物和付款方式等方面存在有效的法律关系。另外参与方之间还存在一些非正式的关系, 如在项目施工中存在不同工作面同时段施工等现象, 各方之间要进行协调沟通。在实际业务执行中, 活动会有供需关系、配合关系等。协同网络建立后, 利用社会网络分析方法确定各主体在网络中的位置和角色, 静态把握协同网络中的结构特征, 为动态分析做准备 (图1) 。

(2) 协同行为。随着BIM技术在项目和企业中的应用逐渐成熟, 网络中参与方的参与情况会发生变化, 原有实施中的参与主体根据业务和阶段的不同可能会退出协同网络, 新的参与主体根据业务需要加入到网络中构成新的协同网络, 因此协同网络具有动态性。随着技术、观念和需求在主体中扩散, 其他参与主体需要做出是否采纳、是否参与到协同中的决定。

在BIM技术协同创新主体网络中, 网络节点代表BIM技术应用中的参与主体, 节点间连线的度量矩阵称为邻接矩阵。若两节点间有连线, 则邻接矩阵的相应位置为“1”, 否则, 则在对应位置填“0”。网络建立后, 可分析以下几方面的关系指标:

(1) 网络密度。密度反映了节点间联系是否紧密的属性, 密度越大节点间关系越紧密, 节点间相互影响程度越大。网络密度D为网络包含的实际关系数目除以理论上的最大关系数:

其中n代表网络中节点总数量, x_ij代表节点i与节点j之间的联结关系, 有联结则x_ij=1, 否则为0, i或j代表网络中存在的节点个数。

(2) 中心性分析。点度中心性、中间中心性、接近中心性是网络分析中常用的中心度分析指标。点度中心性它表示一个点与其他点产生联系的能力。点度中心度较高, 说明在网络中处于较为重要的位置, 在网络中与其他节点的连接较多, 是网络中较为活跃的角色, 具体计算见式 (2) :

其中n代表网络中节点总数量, 如果节点i到节点j之间存在连线, 则x_ij=1, 否则为0。

中间中心性分析是衡量节点在网络中居于两个节点间作为中介的程度, 中间中心度越高, 对信息传输中的影响程度大, 在位置上具有桥梁的作用, 同时处在该位置的节点对资源的控制能力也较大, 具体计算见式 (3) :

其中b_jk表示i在j和k之间捷径的概率。

接近中心性分析表示一个点与网络中其他节点产生联系的能力, 接近中心度是节点在网络中受控制程度的体现, 通过数值大小来体现该节点与其他节点在信息交换合作中联系的紧密程度。具体计算见式 (4) :

式中d_ij表示节点i和j之间的捷径距离。

网络中有一些群体, 它们往往掌握着群体之间的秘密, 在网络中具有较大的竞争优势, 这一类群体被称作中间人。中间人在网络中扮演着重要的角色, 不同的中间人在网络中发挥的作用有所差异。根据节点的出度入度大小和个体网络中的规模大小可以判断中间人的类型。根据BIM技术协同应用中的特征, 选择看门人、协调人和拥护者三种类型的中间人作为本次分析的重点。

(1) 看门人。A、B和C表示网络中的三个节点, A处于一类群体, B和C处于另一群体中, A向B发出信息, B将信息传达给C, 则称B为网络中的看门人。从角色的定义和位置特点可以看出, 该类节点与外界联系较紧密, 内部群体间的交流较多, 在分析指标上表现为高的点入度和个体网络密度。

(2) 协调人。A、B和C表示网络中的三个节点, 处于同一群体中, A向B发出信息, B将信息传达给C, 则称B为网络中的协调人。该类节点在群体中明显充当桥的角色, 因此应具备高的中间中心度, 同时该类节点在网络连接较多, 处于核心位置, 因此具有较大的点度中心度。

(3) 拥护者。A、B和C是网络中的节点, 来自不同群体, A和B之间相互传输信息, B和C之间互传消息, 则称B为网络中的拥护者。根据其功能和特点, 网络位置特征为高的中间中心度和接近中心度。

BIM技术协同创新关系模型主要负责分析协同网络的静态特征, 但是在BIM技术应用中, 随着项目的推进会伴随参与方的加入或退出, 原有状态的网络特征会发生改变, 因此进行动态化的网络重构研究是必要的。

在网络中, 某一主体有任务需求后, 网络中的其他主体做出参与协同的决定。各主体在BIM技术协同创新过程可以描述为:为获取所需的信息、知识、资源, 参与方基于关系传递需求, 通过企业间的沟通交流, 解决技术上的困惑, 而其他参与主体根据自身主体的能力及双方的信任程度做出决策是否参与协同。随着BIM技术的逐步采纳, 网络的规模逐渐扩大, 新加入的组织根据合作需求做出决定是否与网络中的其他组织产生连接关系。考虑到增长和择优等机制对网络演化的影响, 因此采用NW网络模型对该协同网络进行动态模拟分析。

NW小世界模型作为复杂网络模型的一种, 也都是由节点及其中间连线组成, 但是不同的复杂网络模型在度分布、平均路径长度和集聚系数方面存在差异, 节点间随机连接方式及网络构建方法也存在差异。NW小世界网络模型提出用随机加边的重连机制, 在最初无直接联系的节点间建立联系, 避免了网络中出现孤立集团的可能。网络生成方法:首先选定一个具有周期边界条件的二维方格网络, 每个节点以概率p增加一条长程作用边, 即从网络中再随机选择一个节点与当前节点建立连接 (在此过程中不允许重复连接和自我连接) 。当对原来方格网络中的每个节点都考虑过一次后, 得到参数为q的小世界网络。该类网络具有较小的平均路径长度和较大的集聚系数。

为方便了解复杂网络的特点, 理解下文的案例分析, 此处重点介绍度量复杂网络结构特征的重要指标——度分布。节点的度是一个网络中与该节点相连接的其他节点的数目。使用邻接矩阵, 网络中一个节点的度的计算公式见 (5) ;如果是有向网络, 一个节点包括两个部分的度:出度和入度。节点的出度是指从该点出发连接其他节点的边数, 计算方法见 (6) , 节点的入度是指从其他节点出发连向该节点的边数, 计算方法见公式 (7) , 相应节点的度表示为出度入度之和, 如公式 (8) 所示。

网络中节点的度分布情况用节点度的分布函数p (k) 描述, 它表示网络中随机选择一个节点, 该节点的度恰好为k的概率, 或者网络中具有度为k的节点的比例。在一个网络中, 节点的度越大在网络处的位置越重要。网络中所有节点的度的平均值称为网络的平均度, 度分布函数的一阶矩:

在BIM技术的实际应用中, 信息化技术在项目上的应用使任务间的交流更加方便, 并且随着BIM技术在项目上应用程度的加深, 项目参与方的合作会更紧密, 因此联系的路径长度较短, 集聚性强, 呈现NW网络特征。而且在项目的建造中, 各参与方和供应商会随着项目进度逐步进入到协同网络中, 因此会在原有网络基础上增加联系, 而不是改变网络原始连接方式, 从重连机制看NW网络更适合分析项目层面BIM技术协同创新网络的演化, 动态把控复杂系统的扩散影响机制。

该项目属于超高层办公楼, 位于深圳市福田区, 建成后成为该区域核心高端综合体。项目总建筑面积约46万平方米, 总建筑高度为660米, 由塔楼、裙楼和地下室组成, 其中塔楼118层, 高660米, 裙楼10层, 高55米, 地下室5层, 抗震设计等级特一级, 结构体系为“巨型框架-核心筒-外伸臂”。该项目技术复杂, BIM技术应用点较多, 是BIM技术应用中较为经典的案例。

根据项目的走访及案例材料的整理分析, 结合该项目的组织结构图、BIM实施手册, 确定主要参与单位20个, 分别为YZ (业主) 、ZBGL (总包管理) 、SJGW (设计顾问) 、JDSJ (机电设计) 、GJGSJ (钢结构设计) 、MQSJ (幕墙设计) 、ZXSJ (精装修设计) 、GCGW (工程顾问) 、SGZCB (施工总包) 、JDZCB (机电总包) 、GJGFB (钢结构分包) 、MQFB (幕墙分包) 、JDFB (机电分包) 、CLGYS (材料供应商) 、SBGYS (设备供应商) 、RJGYS (软件供应商) 、JL (监理) 、ZX (咨询单位) 、KY (科研机构) 、ZF (政府部门) 。

根据该项目的BIM实施导则、总包管理关系图、整体组织架构图、BIM数据流向图及各阶段工作的流程图确定项目参与主体间的指令关系及协调管理关系, 如在组织关系 (图2) 中, 业主方与工程顾问、工程监理等有直接合同关系, 因此两者之间存在协同关系。在工作流程中, 通过任务确定双方关系, 如在施工图审查等活动中, 参与活动的主体有监理单位、施工单位和业主方等, 双方存在沟通交流情况, 可通过相关活动的过程确定主要参与方是否存在协同关系。

另外, 综合案例相关阶段的文字语言特征辨识相关参与方的合作情况, 如涉及到设计变更, 可确定参与主体与设计单位之间的合作;涉及到课题研究, 可确定该参与方与科研单位之间的交流状况。项目参与主体的协同情况如表1所示, 表中“1”代表两主体在BIM应用中存在协同情况, “0”表示两主体间不存在协同情况。

利用Ucinet 6.0软件通过Visualize-Netdraw-FileOpen, 输出网络如图3所示。靠近箭头一侧的主体表示该主体被影响, 从图中可看出节点间的相互影响较频繁, 各节点受到的影响均较多。利用Ucinet 6.0软件得到网络图密度是0.42, 关系数为158。进一步可以得到该网络的平均距离为1.616, 凝聚力指数为0.703, 节点间距离小于2的节点对数占节点总对数的96%, 可见绝大部分主体通过两个节点就可以相互影响, 整个网络图的可达性较好, 该网络图节点的凝聚力强。综合以上两个参数值可判断该网络中主体间的影响较为频繁。

借助Ucinet软件, 按照Network-Centrality-Degree步骤输出点度中心性的分析结果, 见表2中第二栏。节点出度衡量一个参与方影响其他参与方的程度, 入度表示一个参与方被其他参与方影响的程度。出度排列靠前的六个因素是GCGW (工程顾问) 、SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、YZ (业主) 、JDZCB (机电总包) 、ZBGL (总包管理) 。入度排名较靠前的六个因素是GCGW (工程顾问) 、SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、JL (监理) 、JDZCB (机电总包) 、ZBGL (总包管理) 。出度和入度排名靠前的节点重合度较高, 出度入度较高的节点在网络中较活跃, 是BIM技术应用的主要力量, 主导着信息在网络中的传递。唯一的区别是YZ (业主) 和JL (监理) , 业主在工程建设中是活动的组织者和领导者, 因此在BIM应用中出度较大, 入度小, 传递信息指令而非被动地接受任务。监理受业主委托监管施工单位的各项活动和施工现场的各项活动, 如进度监控、质量管理和索赔签证管理等需要监理工程师的确认, 因此监理工程师在BIM应用中属于被动地接受信息, 在网络中入度较大, 出度较小。

中间中心度表示的是给定节点连线落在其他两个节点连线之间的概率。在Ucinet 6.0中通过NetworkCentrality-Freeman betweenness-NodeBetweenness输出网络的中间中心度结果, 见表2中第三栏, 给出了网络中各节点的绝对中间中心度和相对中间中心度指数, 中间中心度指数是用来描述网络中某一节点对其他节点的控制程度, 中间中心度指数越高, 该节点的影响力越大, 对网络中其它节点的控制力越强, 在触发路径上充当关键中介和沟通桥梁的作用越明显。在网络中, 中间中心度最高的六个节点对应的是SJGW (设计顾问) 、SGZCB (施工总包) 、GCGW (工程顾问) 、J L (监理) 、J DZCB (机电总包) 、R JGYS (软件供应商) 。

接近中心度衡量的是一个节点以最短路径到达所有其他节点的能力。接近中心度值越小, 该主体越不受控制, 在网络中处于核心地位;值越大, 在主体结构网络中处于边缘位置, 被影响程度大。利用Ucinet 6.0软件, 经过Network-Centrality-Closeness输出的结果如表2中第四栏所示, 可知接近中心度较小的6个节点编号分别是SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、JL (监理) 、GCGW (工程顾问) 、RJGYS (软件供应商) 、JDZCB (机电总包) , 外接近中心度较小的6个节点编号分别是SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、YZ (业主) 、GCGW (工程顾问) 、ZBGL (总包管理) 、JDZCB (机电总包) , 接近中心度衡量的是该节点在信息流动中的视野范围, 强调从该节点出发到达其他节点的最短距离, 因此用外部中心度的大小更加清楚地表达节点的中心性情况, SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、YZ (业主) 、GCGW (工程顾问) 、ZBGL (总包管理) 、JDZCB (机电总包) 外部中心性较小, 说明这六个节点较不受控制, 处于核心位置。

由表3可知, 个体网密度大于平均值55的依次是ZF (政府, 80.36) 、ZXSJ (装修设计, 75) 、ZX (咨询单位, 73.33) 、JDSJ (机电设计, 73.33) 、KY (科研机构, 71.43) 、ZBGL (总包管理, 70.83) 、MQSJ (幕墙设计, 70) 、GJGSJ (钢结构设计, 70) , JDFB (机电分包, 60.71) 的个体网络规模较大, 说明这些个体与组织内外部人员接触广泛。

通过整体网的度分布看出, 点入度大于平均值8的节点依次有SGZGB (施工总包, 17) , SJGW (设计顾问, 15) , JL (监理, 14) , GCGW (工程顾问, 13) , RJGYS (软件供应商, 12) , JDZCB (机电总包, 12) 、ZBGL (总包管理, 8) 、CLGYS (材料供应商, 8) 和SBGYS (设备供应商, 8) 。根据看门人网络特征的设定, 个体网络密度和点入度均较高的ZBGL总包单位符合其特性, 起到看门人的角色。在BIM应用中, 总包管理负责模型的维护, 负责整个项目模型数据的整合, 起到从外部获取资源并转化为组织内部资源的作用。

大于中心度 (入度+出度) 平均值15.8的节点依次是SGZCB (施工总包, 30) , GCGW (工程顾问, 28) , SJWG (设计顾问, 28) , JDZCB (机电总包, 21) , JL (监理, 21) , RJGYS (软件供应商, 19) , YZ (业主, 17) 和ZBGL (总包管理, 17) 。中间中心度大于平均值11的节点依次是SJGW (设计顾问, 75.337) , SGZCB (施工总包, 44.11) , GCGW (工程顾问, 30.077) , JL (监理, 14.677) , JDZCB (机电总包, 13.812) 和RJGYS (软件供应商, 12.732) , 具有高的中心度值, 他们的位置符合协调人的指标特征。协调人在网络中起中介作用, 在新技术传播、信息扩散和知识交流中有重要的促进作用。因此在项目层面的BIM技术协同中, 管理者需重视具有该类角色特征的参与方, 确保他们在BIM技术应用中的稳定性, 避免因人才流动影响网络的连通性。

在中间中心度大于平均值11的这六个节点中, 结合节点接近中心度的大小, 得出SJGW (设计顾问) , SGZCB (施工总包) 和GCGW (工程顾问) 在网络中符合拥护者的角色特征。拥护者在网络中具有信息传递桥梁的作用, 同时在网络中具有较强的权利和号召力, 有利于新思想、新技术、新方法在项目层面的网络得到实际应用, 有利于增强网络的凝聚力。

根据Ucinet的输出结果图4可知, 该项目在BIM应用中的20个主要项目参与方可以分成4类。YZ和SJGW在项目中属于项目的发起者和模型的主要塑造者, 在模型的要求和数据传递过程中起到重要作用。SGZCB、MQFB、JDZCB、GJGFB和JDFB属于一类, 该类参与方大多为施工单位, 在项目中主要是任务的承担者, 随着建造过程的深入, 丰富模型的项目信息, 包括材料设备物理信息和工程量造价等信息, 角色属性具有相似性。ZBGL、ZF、KY、ZX和JL属于第三类, 该类主体在BIM应用中属于辅助角色, 在BIM应用中主要是协助审批管理等, 属于直接应用方, 未涉及到模型本身的丰富与完善。MQSJ、JDSJ、GJGSJ、ZXSJ、RJGYS、GCGW、CLGYS和SBGYS属于第四类参与方, 该类参与方以设计者和供应商为主, BIM应用的技术需要各项软件, 合适的软件在设计单位BIM模型建立过程中发挥着至关重要的作用。模型的建立过程中需要材料设备的相关尺寸和功能信息, 充分的信息是模型数据精细度的基础, 而模型的建立是其他应用的前提。该类型的参与方在BIM应用中起到基础性的作用, 是其他环节开展的前提。

该工程属于在建工程, 在本案例中网络规模和初始连接数已经无法改变, 随着BIM应用层次的改变, 参与方之间合作交流的深度也会因此改变, 因此可研究主体间连接概率的改变对网络协同的影响, 进行协同创新网络灵敏度分析。

利用matlab模拟仿真得出参数p为0.1～0.8时网络的度分布情况见图5, 其中n=200, k=3, 不同线型的曲线分别代表p不同取值时模拟出的度稳定态分布。当p从0.2变化到0.5时, 网络的峰值并未发生太大改变, 从峰值的拟合曲线图6可知, 峰值分布呈二次曲线分布, p=0.3左右曲线平缓, 变化小, 根据泊松分布的特点, 在平均度时分布会出现峰值, 且大多节点集中在平均度附近, 随着重连概率的增大, 网络的平均度增大, 说明BIM应用主体间合作次数的逐渐增多, 节点间联系会逐渐紧密。

由分析可知, 从事BIM咨询工作和施工活动的利益相关者在网络中较为活跃, 活动主要集中在项目实施阶段。同时根据案例的走访和对BIM相关参与方的访谈, 案例分析结果符合实际情况, 参考价值较大。因此针对项目的分析结果提出BIM技术协同创新提升建议。

增强看门人的信息获取能力, 可从内部建设和外部建设两方面入手。总包单位作为项目上的看门人角色, 是项目内获取大量信息的主要来源, 为保障项目信息的丰富, 首先需要加强对BIM理论知识的学习, 了解最新的BIM发展动态, 如BIM技术与其他领域结合的应用。另外需要积极与核心合作伙伴进行长期战略合作;各主管部门就项目进程中遇到的问题开展研讨会;与项目团队中的技术人员积极互访和交流, 共享信息和技术;通过参与专题培训或交流会等获取专业知识。

BIM技术强调全过程的协同应用, 在建筑业中多阶段多应用形式的特点决定了BIM应用过程涉及大量参与方。工程顾问、设计顾问和监理等在网络中充当协调人的角色, 为保障组织内的信息畅通, 加强不同参与方之间的交流, 网络中的协调人需加强经验积累, 积极拓宽创新管理视野, 在BIM应用中可创新性地采取精益管理理念, 从整体的角度综合分析各创新主体之间复杂的关联关系。当技术创新遇到阻碍时, 协调人应积极协调各创新主体并及时有效地解决问题。

BIM技术功能强大, 要使技术与实践有效结合, 需要拥护者积极探索创新发展模式, 在项目进行中努力营造创新氛围, 提高项目组织参与创新的安全感和合作意愿。施工总包等作为网络中的拥护者, 需要积极宣传新技术、新方法和建造新理念, 根据实践中出现参与方在协同过程中联系不紧密、信息滞后等现象, 需要及时采取措施制止其蔓延, 避免推诿责任, 积极推动和参与网络协同活动。

从项目层面的网络密度及凝聚性看, 通过构建协同平台, 有利于聚合参与方。从组织内部沟通来看, 要加强同一团队及不同层级、不同部门之间的交流与沟通, 利用内部信息管理系统促进信息的传递和反馈, 完善信息管理技术对建设过程中的监管。定期召开讨论会, 集合各创新主体对技术创新过程中遇到的问题及时商讨解决, 积极获取来自其他创新主体的反馈信息, 从而避免因信息沟通不畅造成技术创新实施效果不佳的后果。基于信息化的知识管理平台可以快速收集、分类和传递各种信息, 为协同创新提供快速敏捷的平台。

BIM技术协同环境的构建与工程项目的建设管理体制、承发包模式具有密不可分的关系。传统建造模式阶段间脱节严重, 使用新型建造模式, 交付一体化、EPC模式等更利于创新主体网络优势的发挥, 提高BIM技术应用中项目层面主体间协同网络的整体性, 整合项目实施的全过程, 避免阶段之间交界面出现质量问题, 同时部分参与方如施工单位可以把工作提前、缩短工期、减弱投资风险。根据项目实际情况, 采用合适的管理体制和承发包模式, 为BIM技术协同网络的应用和发展创造有利的政策环境。

通过分析BIM技术应用的特征, 选取典型案例, 构建BIM技术应用协同创新网络, 使用社会网络分析和计算机模拟仿真得出以下结论:

(1) 出度和入度排名靠前的节点重合度较高, 出度入度较高的节点在网络中较活跃。利用中间中心性分析得知SJGW (设计顾问) 、SGZCB (施工总包) 、GCGW (工程顾问) 等在网络中充当桥的作用。在接近中心性分析中得到SGZCB (施工总包) 、SJGW (设计顾问) 、YZ (业主) 等外部中心性较小, 说明这六个节点较不受控制, 处于核心位置。

(2) 在角色分析中得出ZBGL总包单位符合其特性, 起到看门人的角色, SJWG (设计顾问) 、SGZCB (施工总包) 、GCGW (工程顾问) 、JL (监理) 、JDZCB (机电总包) 和RJGYS (软件供应商) , 其网络特征符合协调人角色的网络位置设定, 在BIM应用中扮演着协调人的角色。而SJGW (设计顾问) 、SGZCB (施工总包) 和GCGW (工程顾问) , 他们的网络位置特征和在实际组织中的职位符合拥护者的角色设定。

(3) 相似性分析结果把20个参与方分为4类, YZ和SJGW属于第一类, SGZCB、MQFB、JDZCB、GJGFB和JDFB属于第二类, ZBGL、ZF、KY、ZX和JL属于第三类, MQSJ、JDSJ、GJGSJ、ZXSJ、RJGYS、GCGW、CLGYS和SBGYS属于第四类。

(4) p从0.2变化到0.5时, 网络的峰值并未发生明显改变, 峰值分布呈二次曲线分布, p=0.3左右曲线平缓, 变化小, 随着重连概率的增大, 网络的平均度增大, 随着BIM应用主体间合作次数的逐渐增多, 各节点联系会逐渐紧密。