基于DEMATEL-ISM 的甘肃省智慧工地建设制约因素及发展路径研究

李强年，范金玉

（兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050，E-mail：1925363637@qq.com）

随着经济和信息化技术的飞速发展，施工现场管理日益受到重视，信息化、集成化、智能化管理成为施工现场管理的新趋势。在智慧城市建设的背景下，智慧工地概念也随之产生，智慧工地是我国建筑业智能化升级的大势所趋。甘建质[2021]131号《全省住房和城市建设工作重点》中提到，要大力发展和推动“智慧工地”的示范项目，并以BIM+智慧工地为基础，实时了解施工现场各种危险隐患，实现实时动态、精准管理，提高安全质量管理的标准化、主动化、科学化水平。但是由于经济、技术、管理等一系列因素，智慧工地在甘肃省的发展仍然较为缓慢，其建设推广受到了一定程度的制约。因此，找出甘肃省智慧工地建设关键制约因素，提出发展路径，对推动甘肃省智慧工地发展尤为迫切。

国内外学者对智慧工地发展制约因素进行了大量研究。Hans[1]讨论了BIM 技术在智慧工地中的重要性，阐述了现在智慧施工中面临的主要挑战与主要内容，认为BIM 技术重点在于集成作用，在实现智能化施工与现场应用方面需要进一步发展。Remon 等[2]讨论了在特大型建设工程中智慧工地的应用研究，将关键路径“CPM”法与多目标遗传算法“GA”相结合建立组合模型，研究将智慧工地应用于大型建筑的计划与调度问题。曾凝霜等[3]通过对BIM 的应用模式及案例分析，提出建立智慧工地系统在BIM 框架下实施的施工管理应用体系框架。韩豫等[4]根据智慧工地的概念和内涵特征，设计了智慧工地的系统架构。杨钦等[5]基于ISM 搭建智慧城市背景下BIM 运维管理应用因素的分析，得出了组织环境和标准法规是BIM 运维管理最基本因素。徐友全等[6]提出了完善我国基于移动物联网平台智慧工地总体框架，总结移动物联网系统在建设智慧工地过程安全及管控领域的关键技术内容，并选择以山东省某智慧工地项目建设为典型例子进行相关实证应用。刘洁等[7]基于ISM 对智慧工地发展影响因素进行了研究。贾美珊等[8]应用ISM+AHP研究了我国智慧工地建设影响因素间的层级关系及影响力。薛冉冉等[9]指出了智慧工地建设对工程项目施工过程的重要性。杜黎明等[10]对物联网技术在智慧工地中的应用进行研究，为核电工程建设现场智慧管理工作指明了方向。

综上，国内外学者对智慧工地的研究主要集中在以下3 个方面，一是在信息技术支持下探讨智慧工地的发展前景，构建智慧工地建设的基本框架和构成；二是依托BIM、物联网等与智慧工地相关的关键技术，研究智慧工地在实际工程中模块功能的应用及重要性；三是依据文献分析，定性和定量研究智慧工地发展过程中的障碍，并提出对策。本文立足现有研究，查找甘肃省智慧工地发展缓慢的原因，以建筑企业为视角，通过文献查阅及问卷调查，针对智慧工地建设过程中存在的问题，构建智慧工地影响因素体系，运用基于DEMATEL-ISM 的组合分析模型，找出其中关键因素，提出科学合理的技术建议措施和相关解决措施，为切实提高甘肃省大中型建筑企业在施工现场的智慧化经营管理应用水平提供重要理论指导，推动甘肃省智慧工地的发展。

1 构建智慧工地建设的制约因素体系

通过文献查阅和专家访谈，从施工现场建设项目管理范畴5 个关键要素出发，在“人、机、料、法、环”5 个维度基本含义的基础上对其内涵在智慧工地建设方面的应用进行延伸拓展，识别出制约甘肃省智慧工地发展的21 个因素，通过问卷调查，剔除影响弱的制约因素，结合专家访谈，最终确定了14 个主要影响因素，从而构建甘肃省智慧工地建设制约因素体系，已确定的制约因素及内涵解释如表1所示。

表1 智慧工地现场管理制约因素及解释说明

2 相关理论和方法

2.1 DEMATEL 原理

决策试验和评价实验法（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL），是通过综合运用矩阵方法与图论工具对各系统因素及其复杂相互影响关系进行研究分析，确定出关键制约因素，分析其重要性[13]。

2.2 ISM 原理

ISM（Interpretive Structural Modeling）即解释结构模型，是指一种采用定量与定性方法相结合研究复杂动态系统结构的系统方法，可基于矩阵、有向图及计算机技术构建多级递阶结构模型[14]。

2.3 DEMATEL-ISM 模型

构建基于DEMATEL-ISM 模型，既明确了各制约因素的内在联系和层次关系，又有利于关键因素的确定，准确定量分析系统制约因素对复杂系统的直接影响程度，避免了DEMATEL 不能表达制约因素间的层次结构关系，也避免了ISM 不能准确分析各制约因素对复杂系统影响程度的不足。构建的模型如图1 所示。

图1 DEMATEL-ISM 结构模型框架图

构建模型步骤如下：

（1）确定制约因素集。F={Fi|i=1，2，…，n}。

（2）确定直接影响矩阵D。D=[dij]n×n，其中dij表示要素Fi对要素Fj的影响程度，当i=j时，dij=0。

（3）计算规范化直接影响矩阵H。H=[hij]n×n=

（4）计算综合影响矩阵C。由于0≤hij≤1，hij表示规范化矩阵H中因素Fi对Fj的平均直接影响，故当n→∞时，近似地有：C=H(I-H)-1，I为单位矩阵。

（5）计算确定各制约因素之间的影响度fi、被影响度ei、中心度zi、原因度yi。其计算方法如下：

（6）对直接影响矩阵D=[dij]n×n取阈值λ，若rij＞λ，则bij=1；若rij≤λ，则bij=0，得到新的矩阵B=[baij]n×n。

（7）计算可达矩阵R=[rij]n×n，其运算遵循布尔代数运算法则，R=(B+I)k，其中(B+I)≠(B+I)2≠…≠(B+I)k-1≠(B+I)k=(B+I)k+1=…=(B+I)n。

（8）划分可达矩阵的区域和级位。确定可达集A(Si)、先行集B(Si)、共同集C(Si)。

（9）绘制甘肃省智慧工地建设制约因素的多层递阶结构模型图，构建DEMATEL-ISM 模型。

3 构建DEMATEL-ISM 模型

3.1 问卷设计及数据的收集与处理

对14 个制约因素的相互关系再次进行问卷调查，受调研人员具有从事智慧工地建设相关的理论经验和实践经验，如理论研究、设计、施工、现场管理经验等。本次选择专家60 人（其中施工单位22 人，业主15 人，设计单位10 人，高校从事智慧工地相关研究的教师6 人，咨询/监理单位7 人）作为此次调研的对象。问卷设计如表2 所示，本文采取的制约因素标度为0～3 标度（其中0 表示无影响，1 表示影响弱，2 表示影响一般，3 表示影响强），数字越大，表示要素间的相互关联程度越强。

表2 问卷设计表

本文考虑到被调查者对智慧工地相关研究的知识水平和理解程度的差异，对收集的数据采用算数平均法进行处理[15]。通过客观分析，得到智慧工地建设制约因素的直接影响矩阵D。

3.2 DEMATEL 分析

3.2.1 计算综合矩阵C

对直接影响矩阵D进行处理，得到综合影响矩阵C，计算结果如下：

3.2.2 计算fi、ei、zi、yi

通过综合影响矩阵C，可计算得出各制约因素的影响度fi、被影响度ei、中心度zi、原因度yi。计算结果如表3 所示。

表3 DEMATEL 分析结果

中心度主要表示制约因素本身对该复杂系统的综合影响程度，原因度则表示该制约因素对系统其他因素的影响程度。若原因度大于零，则为原因因素，若原因度小于零，则为结果因素[15]。由表3可知，中心度排名前三位的因素分别为F5、F4、F8，说明这3 个因素在甘肃省施工现场智慧化管理中的重要性最为突出，其被影响度排序分别为3、1、2，可视为关键制约因素进行管理。原因集合中因素包含F1、F3、F6、F9、F11、F13、F14，其中原因度排名前三位的为F14、F13、F6，这些因素对甘肃省智慧工地现场管理的阻碍作用有较大的负面影响，在管理时应加强对这些因素的考虑。结果集合中因素包含F2、F4、F5、F7、F8、F10、F12，其中结果因素绝对值排名前三的因素分别为F8、F4、F2，这些因素容易受到原因因素影响进而影响智慧工地建设管理，关注此类因素有利于提高智慧工地建设效果。

3.3 ISM 分析

3.3.1 构建可达矩阵

对直接影响矩阵D=[dij]n×n取阈值λ=2，得邻接矩阵B，经布尔代数运算法则对B进行处理，得到可达矩阵R[15]。

3.3.2 绘制多级递阶结构图

通过运算，对可达矩阵R进行层次化处理[15]。根据层次结果作出智慧工地发展的多层递阶结构模型。如图2 所示。

图2 智慧工地发展的制约因素多级递阶结构模

3.4 构建组合模型及应用分析

根据DEMATEL 分析结果，以ISM 为基础，将甘肃省智慧工地建设制约因素的中心度融入ISM模型中，构建DEMATEL-ISM 模型[16]，如图3 所示。

图3 智慧工地建设制约因素组合模型图

（1）处于最顶层的制约因素有F2、F7 和F10，属于直接影响因素，是甘肃省智慧工地建设推广过程中需要首先关注的目标，解决直接因素需要从间接因素和根源因素入手。

（2）间接因素处于直接因素和根源因素之间，中间层的制约因素包括了3 个层级，第一层级包括F4、F5、F8，全为结果因素，中心度排序为2、1、3，说明在甘肃省智慧工地建设制约因素中这3 个因素的重要性最为突出，被影响度排序为1、3、2，说明这3 个影响因素也容易受到其他制约因素的影响，与其他制约因素都有之间或者间接的关联，在解决施工现场智慧化管理中需要对其进行重点关注，属于关键制约因素。第二层级包括F9、F11、F12，F9 和F11 是原因因素，其中心度排序为11、5；第三层级包括F6 和F3，全为原因因素。间接影响因素属于过渡性因素，通过对直接因素产生影响，从而对甘肃省施工现场智慧工地建设起到一定的制约作用。

（3）根源制约因素有F13、F14 和F1，全为原因因素，且其中心度为9、13、6，但影响度为1、2、4，原因度排序为2、1、5，说明以上3 种制约因素对其他制约因素的影响程度较大，在智慧工地建设推广过程中属于关键制约因素。

对以上14 个制约因素按其中心度从大到小进行排序，依次为F5、F4、F8、F12、F11、F1、F2、F3、F13、F10、F9、F7、F14、F6。通过对组合模型进行分析，确定的关键制约因素分别为F1、F4、F5、F8、F13、F14，这6 个因素对甘肃省施工现场智慧化管理发展非常重要，其解决必将推进甘肃省智慧工地发展水平。

4 具体对策及发展路径

根据对基于DEMATEL-ISM 模型结构的综合分析，对这些关键制约因素提出其综合具体的解决方案措施，可解决甘肃省施工现场智慧化管理发展缓慢的问题。

4.1 技术层面

（1）完善施工现场智能化应用体系，制定不同层次建筑企业的智慧工地建设标准。在项目规划建设管理全生命周期实行施工智能化应用管理，目前甘肃省智慧工地智能化施工应用系统主要有以劳务实名制施工管理应用系统、视频监控、二维码应用和BIM 技术为主，智能化应用形式单一，缺乏各个系统之间的配合。如在视频远程监控设备方面只是通过对施工现场出入口、塔吊、钢筋混凝土加工区出入口等工程重点部位进行安装监控摄像头从而实现对施工现场的监控，并没有实现对施工现场“人机料法环”的全面监控，阻碍了甘肃省施工现场智能化发展。为了大力推广智慧工地的应用广度和深度，由主管部门主持编制适用于不同层次的智慧工地建设标准，以满足不同层次企业的智慧工地建设需求，逐渐扩大甘肃省智慧工地应用的覆盖面，同时逐步提升智慧工地应用水平。

（2）实现施工现场软硬件产品的转型升级，加强智能化系统的集成度。甘肃省在智慧工地建设过程中对智能化产品应用标准未能完全统一，智能产品较为落后，未能跟上智慧工地前沿性技术。智慧工地管理系统所依托的BIM 技术、FRID 技术、物联网技术、移动互联网等均属于前沿技术，前期投入较高，对操作者整体素质、应用环境等要求也较高，而甘肃省经济发展缓慢，对智慧工地建设投入不足，操作环境、操作者素养等方面均与其发达省份有明显差距。因此导致施工现场软硬件设施相对滞后，系统集成度不高。因此，需要通过资金投入对智能化技术加强研究，提升各个系统之间的集成度，实现功能实用性和技术前瞻性之间的平衡，最终达到智慧工地应用的可持续发展。

4.2 企业层面

（1）转变高层管理者意识，加大资金投入。企业高层对智慧工地的支持力度决定了甘肃省智慧工地发展水平，在调研过程中发现由于智慧工地建设在前期需要投入大量的资金来搭建智慧化管理平台，包括购置软硬件产品、设备及后期维护保养费、人员培训费等，而企业在前期的资金计划短缺，且须考虑中后期资金的注入，导致许多企业高层对智慧工地建设存在抵触心理，不愿投入大量的资金来支持智慧工地建设。因此，企业需要制定系统的投资计划，完善对施工现场智慧工地平台的建设，了解智慧工地带来的长期发展效益，正确看待前期经济效益不明显的缺陷，懂得只有熟练掌握了智慧工地的管理模式及长期应用后，智慧工地应用带来的效益才会日益突显。从而提高甘肃省企业智慧化管理水平，推动甘肃省智慧工地建设推广。

（2）建立健全甘肃省智慧工地现场管理制度，搭建物料管理全过程监管平台。物料协同管理包括物联网采购流程管理、基于物联网平台的物料入库现场预验收流程管理、基于手机二维码支付的现场物料流转跟踪过程管理服务等。目前甘肃省建筑企业并没有对现场材料管理制定相对应的管理制度，加之智慧工地技术难度较高，使得材料管理难以全过程、全方位监控，这就需要企业依据项目规模、特征、复杂程度来制定相应现场管理制度，建立全过程的监管平台来推动甘肃省智慧工地发展水平。

4.3 市场层面

建立健全行业智慧工地建设标准和法规体系。甘肃省建筑行业关于智慧工地建设没有完善的管理规范标准，颁布的标准和法规力度不足，管理规范缺乏，目前现有的智慧工地建设多是为了应付检查，存在“空壳化”现象，严重阻碍了甘肃省智慧工地建设。现有智慧工地产品功能开发不完善，适合性、稳定性、易学性、软件效率、可移植性等方面与施工现场实际需求有一定出入，产品价格偏高在一定程度上制约了智慧工地技术的应用和推广。行业标准和法规的颁布能对产品供应商和施工企业起到良好的约束作用，行业标准的制定不仅有利于解决施工机械设备费用高昂的难题，还能解决智慧工地系统接入标准不统一的问题。如建立智慧工地监管平台，解决建筑施工企业对建设标准和法规体系知识的盲区，同时解决智慧工地产品的应用标准不统一问题。

4.4 政策制度层面

（1）政府应加强对应用智慧工地企业的资金和技术人才的扶持政策。甘肃省智慧工地推进速度缓慢受到了经济水平的限制，政府相关部门应对智慧工地建设企业及施工现场增设经济优惠政策，对相关企业给予资金和技术支持与帮助。施工企业进行智慧工地建设的需求和信息化产品昂贵的价格、技术人才的缺失形成两对突出的矛盾，对此，政府可通过给予相应的优惠政策支持来促进智慧工地的应用。

（2）制定明确的施工现场智慧化评价标准。目前甘肃省对于智慧工地并没有统一的评价标准，智慧化等级也没有明确的区分，造成了应用智慧工地的施工现场智慧化水平都处于较低标准，大部分施工企业都局限于劳务实名制管理、安全、进度、质量和环境监测的部分应用。因此，政府对智慧工地技术标准应有具体的评价方案，对智慧工地的建设主体与内容、设备的数量等作出明确规定。

5 结语

本文基于建筑企业的视角，通过构建DEMATELISM 模型，从智慧工地现场管理5 个关键要素出发，对制约甘肃省智慧工地发展的因素进行研究，找出了关键制约因素，据此从技术、企业、市场、政府4 个维度提出了相应的建议与解决措施，以期为建筑企业提升智慧工地现场施工水平提供理论指导，对甘肃省智慧工地发展具有一定的应用价值。智慧工地建设对提升甘肃省建筑企业信息化、精细化、集成化管理意义重大，可进一步提高建筑企业的综合竞争力。