国家及地方政府都相继出台了大量的政策推动BIM应用, 然而, 由于受到建设管理体制、软件接口、多专业协同管理机制、技术水平、人员观念等诸多因素影响, 导致BIM应用很难达到预期目标, 从而使人们对BIM价值产生怀疑。BIM的价值与其投入是否匹配, 现阶段如何应用BIM才能最大限度地发挥其价值, 这是工程建设领域和BIM应用研究领域不得不面对和思考的问题。

为使企业应用BIM投资效率达到最大, 明确应用目标、有针对性地应用BIM尤为关键。中国建筑第八工程局将BIM实施内容分为A、B、C三类等级, 并相应提出鼓励完成、选择完成和必须完成的要求;浙江省BIM技术推广应用费用计价参考中给出BIM应用的三个级别, 每一个应用层级分别针对设计、施工、运维三个阶段, 确定相应的建模深度、应用专业和应用点, 并据此确定收费标准。由此可见, 对BIM进行分层级应用是目前应用现状的客观需要, 也是企业在决定应用BIM时需要面对的问题。因此, 本文在前人研究的基础上, 参考企业及建设主管部门的应用建议和应用标准, 通过实际调研, 对全寿命期BIM应用进行层级划分, 筛选BIM应用成本效益指标, 并给出各指标的估算方法, 同时通过引入BIM投资效率概念, 采用DEA方法对BIM应用的投入产出进行综合分析, 旨在为BIM应用策划和应用效果后评价提供方法思路。

BIM全寿命周期的应用点诸多, 本文通过文献查阅分析以及对万科集团、中建八局、烟建集团等企业的BIM应用方案和应用效果进行调研, 从项目全寿命周期梳理出常用的和具有前瞻性的BIM应用点, 以及各应用点可能采用的技术手段、技术成熟度和协同程度, 为下文划分各层级应用提供依据, 如表1所示。

其中, 技术手段是实现相应BIM应用点的软件功能、硬件设施及其性能的总称;协同程度是根据BIM应用点实现所需要的参与者 (包括项目参与单位、各单位的不同专业、各专业的不同岗位) 数量及其数字化协作程度进行划分的, 根据协同工作的内在原因, BIM协同分为技术协同和管理协同两类, 技术协同是指某项应用从专业角度上很自然地需要不同岗位或专业的人来共同完成, 比如管道综合优化和进度-资源协同优化等, 而管理协同则是从管理制度上需要互相制约、互相监督的一些工作过程, 比如质量、安全管理等;BIM应用点的技术成熟度依据所需技术的普遍性和熟练程度进行划分, 结合BIM应用调研结果, 将BIM应用点划分为成熟、较成熟、欠成熟和不成熟四类。

为避免项目盲目实施, 实现BIM应用的有效策划, 依据各应用点的技术手段、协同程度、技术成熟度, 将BIM应用层级划分为基础应用、拓展应用、创新应用。

基础应用是指在全寿命周期内以BIM模型为核心, 以BIM可视化手段为主, 应用流程比较成熟, 在实际项目中应用较为普遍, 投入相对较少的应用, 例如设计阶段的碰撞检测、施工阶段的施工进度策划及模拟等。

拓展应用是在基础级应用基础上, 对BIM的深度应用, 需要综合利用BIM的可视化、模拟性和可分析性技术, 对平台级软件性能要求较高, 对BIM人员的专业性建模水平要求较高, 同时应该对整个项目管理具有宏观的把控能力, 专业协同程度要求较高, 例如施工阶段中的合同管理、质量管理和运维阶段的文档管理等。

创新应用是指目前应用难度较大, 需要将BIM技术与其他新兴技术相结合进行的更加智能化和协同化的应用, 有助于建设项目的精细化管理和后期运营维护。这类应用投入成本较高, 可借鉴的应用模式较少, 需要在摸索中前进, 例如施工阶段的物料跟踪和运维阶段的资产设施管理需要与RFID扫描技术结合应用等。

在BIM应用方案的策划时, 企业可以依据自己的BIM应用能力和项目需求, 以投资效率最大化为目标选取适合的BIM应用方案。

要计算各层级BIM应用的投资效率, 首先应基于业主方视角对BIM应用的成本效益进行分析, 筛选出成本效益指标及其估算方法。

在业主委托咨询公司提供BIM咨询, 构建协同管理平台, 协调各参与单位的BIM协同, 同时在设计合同和施工合同中明确BIM应用及专项合同额的前提下, 业主方的BIM成本投入具体构成及其估算方法如表2所示。

BIM应用产生的效果不仅包括可定量计算的经济效益, 也包括有利于企业长远发展的管理制度的完善、企业形象的提高等方面的定性效果。通过调研和文献分析, 本文筛选出BIM应用的效益指标, 并对可以量化的指标给出具体测算方法, 将可以直接量化计算的经济效益定义为显性效益, 无法直接计算的效益为隐性效益。显性效益体现在直接节省和间接节省上, 能够用货币计量, 如表3所示。隐性效益是有利于企业长远发展的有益效果, 包括促进沟通和协作、提高工作效率、提升竞争力, 无法直接估算出货币价值, 但在一定程度上可以通过对比显性效益和隐性效益间的相对重要程度, 利用显性效益估算出来的数据实现隐性效益指标的单位转换, 即:

隐性效益综合指标数据=显性效益综合指标数据÷显性效益综合指标权重×隐性效益综合指标权重 (1)

效益综合指标权重可根据项目类型、BIM应用点策划、企业发展战略等由专家打分确定。通过赋予各指标权重后, 在已知可量化显性效益的数据基础上, 隐性效益指标的数据即可通过显性效益指标数据及其权重进行转化, 从而有利于对BIM在全寿命周期应用的成本效益进行综合评价。

数据包络分析 (Data Envelopment Analysis, DEA) 是一种利用有效的样本数据, 通过采用线性规划方法计算相同类型决策单元 (DMU) 之间的相对效率, 对决策单元进行绩效评价的方法, 其基本模型如下:

式中n代表决策单元的个数;m、s分表代表投入、产出指标;v_i表示第i项投入的权系数;u_r表示第r项产出的权系数;x_ij是第j个决策单元的第i个输入的投入量, y_rj是第j个评价单元的第r个输出的产出量;h_j为每一个决策单元的效率评价指数。模型的含义是通过选取适当的v_i和u_r值, 以所有决策单元的效率指标h_j为约束, 以第j₀个决策单元的效率指数为目标, 即相对于其他所有决策单元而言, 评价第j₀个决策单元的效率是否有效。

DEA方法是一项分式规划求解问题, 使用CharnesCooper变换和对偶理论可以将其转化为线性规划问题, 有利于讨论DMUj₀的有效性。为方便计算, 引入松弛变量s⁺、s^-, 将不等式约束变为等式约束, 即得到DEA的基本模型—C²R模型 (3) 。依据C²R模型将BIM不同应层级下输入输出变量代入, 进行规划求解, 即可求出θ、s⁺、s^-的值来判断DMU的相对有效性。

式中X_j、Y_j分别表示投入、产出指标;θ表示决策单元的相对效率值, S^-、S⁺为松弛变量分别叫作投入冗余量和产出不足量。若θ=1, 且S^-=0, S⁺=0, 则认为被评价的决策单元DEA有效;若θ=1, S^-和S⁺至少有一个不为0, 则认为决策单元为弱DEA有效;若θ<1, 且S^-、S⁺不全为0, 则认为被评价DMU是DEA无效。

DEA方法权重的确立不受主观因素的影响, 评价结果更加客观有效。如前所述, BIM技术的应用需要人员素质的提高和软硬件设施的投入。同时, BIM技术的应用不仅能为企业带来直接或间接效益, 也能带来有利于企业长远发展的隐性产出, 不同层级的BIM应用所需的投入和产出的效果不相同, 因此, 用DEA方法分析不同层级BIM应用方案的相对投资效率, 有助于项目的各参与方根据BIM应用方案的相对有效性, 进行决策。

为了方便应用DEA方法对不同层级的BIM应用进行投资效益分析, 本文将BIM投资效率作为DEA方法相应的评价目标, 即BIM作为企业的新增投资活动的所得与所占用的投入之间得比率, 通过模型计算得出各决策单元的效率值从而有助于BIM方案之间的比选。

针对特定项目, 构建不同层级的BIM应用方案, 不同的BIM应用方案作为一个决策单元 (DMUj, j=1, 2, 3) 。确定好决策单元后, 再合理构建和量化每个决策单元的输入输出指标。原则上, BIM应用方案的输入指标即为其成本指标 (表2) , 其输出指标即为其效益指标 (表3) 。为使DEA模型应用结果更加准确, 简化指标个数, 将输入输出指标根据其性质进行统一划分, 输入指标包括人力投入和经营投入两部分;输出指标包含显性效益和隐性效益两部分 (表4) 。在指标的量化计算过程中, 把涵盖所有成本投入和产出效益的内容都进行量化计算, 并归入相应的输入输出指标中。

根据确定好的决策单元及输入输出指标建立不同BIM应用层级的DEA评价模型, 借由此参建方可以参照上文提出的成本效益指标估算方法, 将成本效益指标均折算为统一的货币单位, 通过模型求解结果, 以便为投资决策作参考。

本案例为烟台市某医院建设项目, 总建筑面积148131m², 其中地上建筑面积91956m², 地下建筑面积56175m², 预计3年内建设完成, 采用工程总承包模式。业主计划对该项目进行BIM应用探索, 由于缺乏经验在应用时采用BIM咨询辅助模式, 由咨询方协助进行BIM方案的策划与实施, 并对甲方相关人员进行BIM培训。同时, 业主方也需要组建自己的BIM小组, 与咨询方和工程总承包单位进行交流交接工作, 以便在后期的运维管理中继续使用。

面临诸多应用点, 业主如何选择应用范围才能使得成本效益最大化是决定应用BIM时需要面对的问题。对该项目提出三种BIM应用方案即上文提到的三种应用等级, 筛选出每一级别的应用范围, 如表5所示。

在对BIM的成本效益估算之前, 为使隐性效益的转换结果更加客观、有效, 首先对业主单位、BIM咨询方等进行了问卷调查, 专家根据自己的知识与经验, 结合本项目的实际规模和类型, 对评价指标进行了两两比较, 最后综合专家的意见进行权重计算, 如表6所示。

根据列出的BIM应用成本指标构成, 参考浙江省BIM技术应用费用计价参考依据, 同时向BIM咨询单位搜集以往项目的咨询服务范围及咨询费用, 估算服务费用。向施工单位有经验人士进行调研, 对于每一级别应用他们所能接受的BIM合同额。然后根据BIM应用效益指标构成及各指标的估算方法, 统计调研其他类似项目中应用BIM所避免的问题, 产生的效益等历史数据, 并咨询相关项目参与者和专家, 进行合理估算归纳分析得出不同层级的应用效益, 如表7所示。

依据上一节DEA方法在BIM成本效益分析中的应用和成本效益估算的结果, 建立某工程项目BIM应用DEA模型。站在对投入进行优先优化的角度, 采用DEA-SOLVER软件对其进行求解, 整理结果如表8所示。

求解结果可以看出, 针对此项目的BIM投资应用, 三种应用级别相比基础应用和创新应用均可达到DEA有效。因此在对BIM应用时优先选择基础应用和创新应用, 当资金充足时建议选用创新应用, 即使前期投入较大, 但应用后期可以实现更大的节省。若资金短缺, 对于BIM的使用处于起步阶段选择基础应用。对于未能达到DEA相对有效的拓展级应用来说, 隐性效益产出不足值为9万元, 人力投入冗余8万元, 经营投入冗余46万元, 说明该项目在BIM应用于拓展级别时, 输入成本过高, 但输出效益并没有达到最优值。也就是说相对于目前的输出结果, 有大约8万元的人力成本和46万元的经营成本是不必要投入的。由于计算时是选用对投入进行优先优化的模型, 因此在选择拓展级应用时首先应对其投入进行优化改进, 降低人力成本和经营成本, 当人力成本减少8万元, 经营投入减少46万元, 而显性效益提高9万元时, 拓展应用也将实现DEA有效, 即达到最优投资效率。

本文结合目前BIM应用现状通过对BIM应用点调研分析, 将BIM应用项划分为基础、拓展和创新应用三个级别并定义各级别内容, 有利于明确项目各阶段BIM应用目标。并提出利用DEA方法对不同层级应用的成本效益进行有效性分析, 通过项目案例发现, 尽管高级别的BIM应用能够带来更好的效益, 但效益不等于效率, 获取高效益的同时需要高成本的投入, 在实际应用中应以投资效率作为衡量标准。另一方面, 研究表明在项目的全寿命周期中都可以应用BIM, 尽管全寿命周期应用点诸多, 只要对应用目标把握明确, 可以在BIM的全生命周期中进行分层级应用, 有助于实现BIM的全过程集成应用。同时建议在项目应用后对BIM应用的成本投入及产出效益进行数据整理及时做出评价, 为后续的实施决策提供数据支持。