建筑信息模型（BIM）集成应用下的工程信息流噪声因素研究＊——基于系统动力学的仿真

■ 娄南羽 姜安民 邹品增

1.湖南城建职业技术学院 湘潭 411100

2.中南大学 土木工程学院 长沙 410075

3.中南林业科技大学 土木工程学院 长沙 410004

0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)在国外的广泛应用，一定程度上带动了我国BIM 的发展，随着人们对其概念理解的深入，BIM 技术的开发与使用不断增加，形成了初步成果。政府部门和业主方已经逐渐意识到BIM 技术的潜能，并对其在建设活动中的应用提出了要求，部分设计及施工企业能将BIM 技术运用到工程项目中，在此过程中虽然取得了费用节约、工期缩短、质量优化等成效，但BIM 价值仍有很大一部分没有被挖掘。当前BIM 应用现状下，依然存在信息孤岛和信息断层的现象，阻碍了BIM技术的价值实现。

“BIM”的理念最早源于美国，BIM 不仅指一个涵盖了所有信息的模型或者建模软件，更重要的是代表了设计、施工和运营维护中项目管理的一种新型过程方法[1]，美国建筑行业联盟在报告《BIM 项目实施计划指南》中与将BIM 定义为一种建模、用模的过程，这个过程就是开发、使用和传递建设项目的数字化信息模型的过程，并在过程中提高建筑或设施的设计、施工和运营管理。国内学者汪波[2]从心理学的角度分析复杂建设工程项目的信息协同与沟通意愿，重点研究利用计算机与网络技术衍生发展出的项目信息协同技术和信息协同工具，为项目各参与方能提供有效沟通方式的信息共享平台，从而达到复杂建设工程项目各参与方协同管理的目标。在国内BIM 应用的研究方面，苏艺[3]以BIM 应用于北京地铁机电工程为案例，阐述了BIM 技术在地铁工程机电安装方面的应用思路和应用效果，金睿[4]、张建平[5]分析了施工阶段中（投标、实施和竣工）BIM 应用及应用特点，总结了工程施工BIM 应用实施方案。周春波[6]、张春霞[7]、潘佳怡[8]、何清华[9]等对BIM 应用影响因素进行了分析与概括，政策、资金投入、软件成熟度、BIM 模型知识产权的法律条款和保护措施、人员培训、统一的BIM标准和指南等都会影响BIM软件的应用。

通过以上国内外研究现状的梳理，总结出如下两点：首先，随着项目的复杂化，项目信息管理和项目协同管理的重要性被研究者们提出，BIM 的初衷是解决信息协同问题，但国内当前关于BIM 应用的研究大多针对于单个阶段或者单个项目参与方的BIM 应用，偏离了BIM的协同本质。其次，已有的BIM 应用影响因素的研究多是定性研究，提出了若干影响因素，但没有定量研究各影响因素的重要程度，这使得面对BIM 应用中所存在的问题时提出的解决方案指向性不强。

因此，本文站在全生命周期的角度，研究工程信息的产生、集成、存储以及共享协同中的影响因素，并进行因素的量化敏感分析。首先，分析BIM 集成应用下的工程信息传递的效果，梳理BIM 集成应用下的工程信息流相关影响因素；然后，对信息流进行系统动力学仿真，对影响因素进行敏感性分析；最后，得出相应的启示与结论。为便于表达，文中“BIM 集成应用下的工程信息流”简称为“BIM工程信息流”。

1 BIM工程信息流的噪声因素

理想情况下的BIM 工程信息流传递效果是：伴随工程的实施，信息逐渐累积并由上游完整地传递到下游。但在实际环境中，存在一些因素影响信息流动的各个环节，从而影响信息流传播效果，信息学上把这些影响因素称为干扰或噪声。由于噪声的影响，信息流动过程中会产生信息断层，如图1所示。

伴随建筑全生命周期里BIM 软件的集成应用，从设计到施工，再到运营维护，工程信息逐渐丰富和深化的过程，可视为工程信息的反复利用与增值的过程，即信息产生—信息共享—信息接收的循环。噪声因素通过干扰这3 个环节来影响信息的流动。首先对相关文献进行梳理（见表1），根据BIM 应用影响因素、信息流、知识流影响因素以及工程实际情况，概括总结出BIM工程信息流的13 个主要噪声因素，按照信息产生—信息共享—信息接收环节的框架进行归纳与概括，如图2所示。

2 BIM工程信息流系统动力学仿真

2.1 BIM工程信息流系统动力学建模

2.1.1 假设条件

系统动力学的规范模型与其他类别模型一样，是简化了或者说投影了真实系统，即一个模型只能反映真实情况的某一方面。和实际系统完全一样的模型在系统动力学中是无法做到的，所有模型都是在一定规范下的结果[20]。所以，在模型建立之前设定了一个视角，即做出了以下几点假设。

图1 信息断层

表1 BIM工程信息流相关影响因素

图2 BIM工程信息流噪声因素理论框架

假设1：仿真过程中对初始数据进行归一化处理，系统中的BIM 信息流噪声因素是按标度进行专家打分后归一化的值。模型中的设计方信息存量、施工方信息存量、业主方信息存量数据不代表实际数值，反映的是各变量随时间变化的相对值。

假设2：按信息存量来设计工程的阶段划分，当设计方信息存量达到20 时，表示设计阶段结束进入施工阶段；当施工方信息存量达到30 时，表示施工阶段结束进入运维阶段。

假设3：反馈信息代表的是工程变更信息，变更信息和工程环境等许多不可控因素相关，但其量比较小，所以假设它是一个跟业主方信息存量成正相关的很小的量。

2.1.2 因果回路图

将BIM集成应用下的工程信息流系统划分为3个子系统：以设计方为责任方的设计信息子系统，以施工方为责任方的施工信息子系统，以业主方为责任方的业主信息子系统。以这3 个子系统为基本结构，用绘图的方式表示BIM 工程信息流系统中各个组成部分之间的因果关系，直观描绘工程设计方、施工方、业主方在BIM 工程信息流系统中的相互作用关系，如图3所示。

2.1.3 存量流量图

以因果回路图为模板进一步明确各变量的性质，绘制存量流量图。存量流量图以更加直观的方式表达系统各因素之间的逻辑关系，是模型运行的基础。通过对BIM 集成应用下的工程信息流系统内部各因素之间因果关系的深入分析，和变量性质确定，绘制出BIM 集成应用下的工程信息流系统存量流量图，如图4所示。BIM 工程信息流系统动力学变量集合如表2所示，其中，为了方便起见，将设计方简称为D、施工方简称为C、业主方简称为O。

2.1.4 结构方程设计及说明

（1）状态变量方程。

D信息存量=INTEG(D信息产生量+D信息接收量);

C信息存量=INTEG(C信息接受量+C信息产生量);

O信息存量=INTEG(O信息接受量+O信息产生量);

（2）流率变量方程。

D 信息产生量=IF THEN ELSE(D 信息存量-25<=0,D 信息存量*((D-BIM 软件成熟度+专业间协调度+DBIM 人才+D 软件购买和培训投入度+D 领导支持度)/5*PULSE(0,6),0；)。

D 表示BIM 设计信息存量到达20时，工程设计部分的信息已经全部被表达出来，设计方不再产生信息。

C 信息接收量=DELAY1(D 信息共享量*(施工方设计阶段参与度+信息标准的统一性)/2+反馈信息量，1)。

由于从设计方接受的信息要通过接口转换，存在一段转换时间，这段转换时间用一阶延迟函数表示，假设施工方对接受的信息进行二次加工发生在设计方共享行为的1个时间单位以后。

C 信息产生量=C 信息存量*(现场网络、硬件系统+C-BIM 软件成熟度+C-BIM 人才+C 软件购买和培训投入+C领导支持度)/5*PULSE(6,24);

O 信息接受量=C 信息共享量*信息标准的统一性+D信息共享量*信息标准的统一性;

图3 BIM工程信息流系统因果回路图

图4 BIM工程信息流系统存量流量图

O信息产生量=O信息存量*0.1*(BIM运维软件成熟度+O-BIM 人才+O-软件购买和培训投入)/3*(1-PULSE(0,24))。

运营阶段的基础信息是在设计阶段BIM 信息和施工阶段的BIM 信息的基础上简化而来，假设精简后保留了10%的BIM信息。

（3）辅助变量方程。

D信息共享量=D信息产生量*信息共享意愿;

C信息共享量=C信息产生量*信息共享意愿;

信息共享意愿=(BIM知识产权+法律完善度)/2;

D-BIM 人才=WithLookup(D-软件购买和培训投入,([(0,0)-(1,1)],(0,0),(0.25,0.045),(0.5,0.1),(0.75,0.25),(0.9,0.55),(1,1)));

C-BIM 人才=WithLookup(C-软件购买和培训投入,([(0,0)-(1,1)],(0,0),(0.25,0.05),(0.5,0.2),(0.7,0.4),(0.85,0.65),(1,1)))。

BIM 人才因为软件和培训投入的增加而增长，但是由于设计方承担着建模的重担，设计类BIM 软件比施工类BIM 软件难度大，所以增长速度会有所区别，用表函数来区别他们之间的差别。

D-软件购买和培训投入=(政府要求、政策支持度+D利益感知+D领导支持度)/3;

C-软件购买和培训投入=(政府要求、政策支持度+C利益感知+C领导支持度)/3;

D利益感知,C利益感知=业主利益分配合理度

2.2 BIM工程信息流系统动力学模型运行

2.2.1 初值选取及参数设定

选用系统动力学软件Vensim PLE 对BIM 工程信息流系模型进行仿真，模型的初始条件和时间边界设计如下。

INITIAL TIME=0（初始时间=0）;

FINAL TIME=60（结束时间=60）;

TIME STEP=0.5（时间步距=0.5）;

Units for Time:Month（时间单元：月）;

Integration Type:Euler（积分类型：欧拉积分法）;

本文以5年为仿真周期，1 个月为步长长度，即仿真时间内一共有60个步长。其次，需要在模拟之前确定以下变量的初始值。因为系统动力学模型的仿真结果很大程度上由其逻辑结构而不由变量的具体数值决定，同时也因为BIM 工程信息流系统的不能以具象衡量，因此参考现有文献参数和采取问卷调查和相结合的方式进行赋值。

首先，对专家的打分结果进行平均处理，将平均后的结果统计到电子表格中，为了让所有变量具备统一的基础，对平均值做加权平均的归一处理，即所有变量值控制在了0～1之间。BIM 软件成熟度和领导支持度两项需要按参与方分类处理，处理结果如表3所示。

状态变量初值代表了BIM 工程信息流相关因素的初始状态，本模型中涉及的状态变量有设计方信息存量、施工方信息存量和业主方信息存量，由于本文的最终目的不是对BIM 工程信息进行量上的测定，因此对于信息存量的初值允许设置成一个模糊不精确的数就能够达到仿真条件。通常情况下工程信息的种类、格式众多，要实现各种类单位的统一基本不可能，故而不设置单位。假设设计方信息存量为2，施工方BIM 信息存量为1，业主方BIM信息存量为0。

表2 BIM工程信息流系统变量表

表3 常数赋值表

2.2.2 变量敏感度分析

在本模型中，专业协调度、设计BIM 软件成熟度、施工BIM 软件成熟度、政府要求、政策支持度、利益分配合理度，数据标准统一性等属于常量，改变其赋值，可以清晰地辨别其对系统的影响。

（1）专业协调度对系统的影响。

不改变模型的结构和其他变量的值，对专业协调度取0.6、0.8，考察其对业主方信息存量、设计方信息产量的影响，模拟结果如图5和图6所示。其中，图中曲线2都是初始基准值，曲线1是将基准值调减0.1后信息量的仿真图。曲线3是将基准值调增0.1后信息量的仿真图。

图5 专业协调度对业主方信息存量的影响

图6 专业协调度对设计方信息产量的影响

从图5可知，专业协调度的变化对业主方BIM 信息存量的增减存在影响，但影响较小。从图6可知，提高专业协调度缩短了设计阶段所耗费的时间，这一方面意味着整个项目工期的缩短，另一方面意味着设计方工作效率的提高。因此，设计阶段各专业之间的协调度的增长可以提高设计方的工作效率。

（2）政府要求政策支持度对系统的影响。

不改变模型的结构和其他变量的值，对政府要求、政策支持度取0.6、0.8，考察其对业主方信息存量、设计方信息产量和施工方信息产量的影响，模拟结果如图7～9 所示。其中，图中曲线2 都是初始基准值，曲线1 是将基准值调减0.1 后信息量的仿真图。曲线3 是将基准值调增0.1后信息量的仿真图。

从图7可知，政府要求、政策支持度的影响较专业协调度影响大。对比图8和图9可发现，政府要求、政策支持度对施工方BIM信息产量影响更大。

（3）利益分配合理度，信息标准统一性对系统的影响。

图7 政府要求、政策支持度对业主方信息存量的影响

图8 政府要求、政策支持度对设计方信息产量的影响

图9 政府要求、政策支持度对施工方信息产量的影响

不改变模型的结构和其他变量的值，对利益分配合理度取0.4、0.6，对信息标准统一性取0.5、0.7，考察其对业主方信息存量的影响，模拟结果如图10-11 所示。其中，图中曲线2 都是初始基准值，曲线1 是将基准值调减0.1 后信息量的仿真图，曲线3 是将基准值调增0.1 后信息量的仿真图。

图10 利益分配合理度对业主方信息存量的影响

图11 数据标准统一性对业主方信息存量的影响

从图10-11可知，利益分配合理度，数据标准统一性对BIM 工程信息流的影响都比较大，而且比前文分析的政府要求、政策支持度的影响更大。对比两图发现，当利益分配合理度水平较低时，改变其值对设计方BIM 信息存量影响更明显，即低的利益分配合理度比高的利益分配合理度更敏感。

（4）设计BIM 软件成熟度、施工BIM 软件成熟度对系统的影响。

不改变模型的结构和其他变量的值，对设计BIM 软件成熟度取0.8，对施工BIM 软件成熟度取0.5，考察其对业主方BIM 信息存量的影响，模拟结果如图12-13 所示。其中，图中曲线1 都是初始基准值。曲线2 是将基准值调增0.1后信息量的仿真图。

对比图12-13可知，设计BIM 软件成熟度、施工BIM 软件成熟度的提高都能增加BIM 工程信息流，但设计BIM 软件成熟度对业主方BIM 信息存量的影响小于施工BIM 软件成熟度对业主方BIM 信息存量的影响，施工BIM 软件成熟度影响程度与前文分析的政府要求、政策支持度、利益分配合理度以及数据标准统一性的影响程度相当。

图12 设计BIM软件成熟度对业主方信息存量影响

图13 施工BIM软件成熟度对业主方信息存量影响

3 结论与建议

3.1 研究结论

利用系统动力学软件Vensim 进行BIM 工程信息流系统的仿真，发现政府要求及政策支持度、业主利益分配合理度以及BIM 规范的统一性对系统影响比较大，施工类BIM 软件成熟度对系统的影响比设计类BIM 软件成熟度影响大。为了达到BIM 信息的顺畅流动，实现BIM 技术的价值最大化，可以从消除上述主要的噪声因素着手。

3.2 相关建议

（1）加速BIM政策落地。

政府建设行政主管部门，可以发挥其监督者的导向作用，直接带动建筑市场变化。近几年的建筑业相关政策文件虽然多次提及BIM，如《2011-2015 建筑业信息化发展纲要》《BIM 技术应用指导意见》等，但并非专项的BIM 推广政策，BIM 在文件中一笔带过，或者是在概念、理念上的推广，没有涉及BIM 具体实现措施、BIM 数据标准的建立、工程数据的安全性等核心问题。因此，应进一步加速BIM政策落地。

（2）开发效益创造新途径。

设计方在争取自己应得收益的同时，可以积极开辟效益创造新途径。首先，由于业主方是BIM 应用的直接和最大受益者，所以由业主方承担一部分设计方、施工方BIM 应用初期的软（硬）件的购买、BIM 培训、聘用BIM 专家、工作量增加等引起的费用增加。但是，设计方不能将BIM 技术仅仅作为追加设计费的一种手段，可以尝试通过企业BIM 构件库的建立和长期维护与云技术、大数据的结合，将BIM 构件库当作一种资源，提高模型构件库资源的复用能力，开辟收益新途径。

（3）深化BIM施工应用。

加拿大BIM 学会按照产品字母顺序对BIM 相关软件做过调查研究，该调查一共包含79 个BIM 软件，其中62 个（约80%）供设计使用，仅25 个软件可以应用于施工。这说明现在依旧是设计应用占据大部分市场的现状，BIM 软件在施工方向的成熟度和深度相对落后。仿真结果表明，施工BIM 软件应用对BIM 工程信息流的影响程度大于设计BIM 软件的影响，所以对于BIM 软件的研发应向施工阶段侧重，深化BIM 施工阶段的应用。BIM 可以与数字化生产、装配式施工结合，提高建筑工业化水平；与物联网、移动技术结合，提高施工现场协同工作效率；与3D 打印、测量和定位等硬件设备结合，提高生产效率和精度。

（4）统一BIM规范标准。

目前，我国建筑行业主要采用的是国外软件开发商研发的BIM 软件和数据交换标准，但这些软件和标准是针对国外建筑行业情况开发的，与中国建筑行业标准规范适配度不高。从长远利益出发，我国建筑行业需要在统一平台上，研发符合我国国情的BIM 数据标准和软件。