溫 全,李忠富,李州揚(yáng),李天新
(大連理工大學(xué) 建設(shè)管理系,遼寧 大連 116024,E-mail:wenquan@mail.dlut.edu.cn)
我國(guó)綠色建筑經(jīng)過十余年的快速發(fā)展,已由試點(diǎn)建設(shè)逐步發(fā)展到全國(guó)規(guī)模應(yīng)用。然而在從傳統(tǒng)建筑向綠色建筑過渡過程中,建筑信息量驟增,無論是在項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)階段,還是在項(xiàng)目的施工和運(yùn)營(yíng)階段,都難以依靠傳統(tǒng)的二維圖紙進(jìn)行完整信息的準(zhǔn)確傳遞。而BIM 能夠支持建筑工程全流程的信息管理和利用,將BIM 應(yīng)用于綠色建筑中,能夠有效消除設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等各階段的“信息孤島”問題,實(shí)現(xiàn)綠色技術(shù)和綠色管理之間的平衡。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)BIM 對(duì)工程領(lǐng)域所帶來的效益和BIM 在推廣中所遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行了廣泛的討論[1,2]。Mark Kyeredey 等[3]通過研究發(fā)現(xiàn),BIM 在綠色建筑中的應(yīng)用關(guān)注焦點(diǎn)主要集中于建筑能源模型、碳排放分析和評(píng)估、室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量、光污染等方面。Hao Gao 等[4]研究了BIM 與建筑能量模型之間的數(shù)據(jù)傳遞方式,提出了基于BIM 的建筑能源模型(BEM)評(píng)估方法,用以開發(fā)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)。Z.Pezeshki 等[5]對(duì)建筑能源模型(BEM)進(jìn)行研究,認(rèn)為BIM 信息數(shù)據(jù)庫的發(fā)展是BEM 模型的基礎(chǔ)。Johnny 等[6]審閱比較了84 篇綠色建筑中BIM 應(yīng)用的文章,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)都圍繞著建筑生命期設(shè)計(jì)和建設(shè)階段的環(huán)境績(jī)效進(jìn)行研究,BIM 應(yīng)用于綠色建筑改造和拆除階段環(huán)境績(jī)效的研究較少。Nguyen 等[7]提出了一種基于BIM 的建筑設(shè)計(jì)可持續(xù)評(píng)估框架,在此框架下,BIM 從確定可持續(xù)發(fā)展水平所需的數(shù)字建筑模型中提取數(shù)據(jù)。Farzad 等[8]提出了一個(gè)將BIM、LCA、能源分析和照明模擬工具與綠色建筑認(rèn)證系統(tǒng)相結(jié)合的自動(dòng)化模型,在BIM 工具上開發(fā)插件,測(cè)量環(huán)境影響和建筑構(gòu)件的物化能量。李延釗等[9]使用基于BIM 的綠色建筑設(shè)計(jì)方法,提前對(duì)建筑的太陽照射、自然光、自然通風(fēng)及噪聲等的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真和分析。從研究?jī)?nèi)容來看,對(duì)于綠色建筑的內(nèi)涵、發(fā)展、評(píng)價(jià)和管理等方面的研究已經(jīng)較為深入。從研究方法來看,綠色建筑在評(píng)價(jià)方法上充分應(yīng)用了定性描述和邏輯推理,評(píng)價(jià)模型的創(chuàng)新和評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建研究也較為深入[10]。從研究層次來看,綠色建筑已經(jīng)分別從國(guó)際、國(guó)家、地方以及建筑實(shí)體等層面進(jìn)行研究[11]。從研究的時(shí)期跨度來看,綠色建筑全流程的研究已較為成熟。然而,就BIM 在綠色建筑全流程的應(yīng)用而言,相關(guān)研究主要停留在設(shè)計(jì)、施工階段,且集中于對(duì)技術(shù)本身的定性描述。因此,對(duì)BIM 進(jìn)行“一站式”應(yīng)用研究,通過選取合理的方法或模型建立一套科學(xué)合理的BIM 應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)體系,能更好地發(fā)揮BIM技術(shù)在綠色建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等階段的數(shù)據(jù)支撐作用。
BIM 應(yīng)用于綠色建筑的不同階段,其價(jià)值主體存在區(qū)別,相應(yīng)的責(zé)任和權(quán)限也存在差異,本文基于利益相關(guān)者的分類方法,從綠色建筑項(xiàng)目全流程出發(fā),嘗試構(gòu)建綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值主體分析框架,對(duì)BIM 應(yīng)用價(jià)值主體進(jìn)行分析,為后續(xù)進(jìn)行綠色建筑BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)及提出應(yīng)用價(jià)值提升策略奠定工作基礎(chǔ)。
首先確定綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用的關(guān)鍵價(jià)值主體,在此基礎(chǔ)上借鑒Mitchell 評(píng)分法及“多維細(xì)分法”[9,12],對(duì)BIM 應(yīng)用的價(jià)值主體從主動(dòng)性、影響力和利益性3 個(gè)維度進(jìn)行分類研究。
依據(jù)BIM 在綠色建筑全流程中應(yīng)用價(jià)值主體的定義,采用文獻(xiàn)研究[13~15]和問卷調(diào)查的方法對(duì)BIM 應(yīng)用價(jià)值主體進(jìn)行初步選擇,問卷發(fā)放分為電子郵件和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)放兩個(gè)環(huán)節(jié)。電子郵件發(fā)放對(duì)象主要是對(duì)BIM 技術(shù)和綠色建筑了解程度較高的專家,專家來自于建設(shè)單位、投資單位、施工單位、勘察設(shè)計(jì)單位等專業(yè)化機(jī)構(gòu)中具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的管理人員(共計(jì)40 名);現(xiàn)場(chǎng)問卷主要面向大連理工大學(xué)中BIM 技術(shù)和綠色建筑相關(guān)研究領(lǐng)域的教師(共計(jì)10 名)。
根據(jù)調(diào)查,應(yīng)用價(jià)值主體的初步界定存在顯著區(qū)別,前9 位利益相關(guān)者的認(rèn)可度均在70%以上,因此選取70%作為關(guān)鍵價(jià)值主體入選標(biāo)準(zhǔn),由此可得到綠色建筑中BIM 應(yīng)用的關(guān)鍵價(jià)值主體為:投資單位、建設(shè)單位、施工單位、勘察/設(shè)計(jì)單位、社會(huì)公眾、最終用戶、運(yùn)營(yíng)公司、監(jiān)理/咨詢單位、項(xiàng)目所在地周圍社區(qū)。
建筑產(chǎn)品的全生命周期主要分為規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)行與維護(hù)階段、拆除回收階段。但BIM 技術(shù)在建筑產(chǎn)品的規(guī)劃與拆除回收階段應(yīng)用程度較低,導(dǎo)致BIM 技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值不明顯。因此本文將BIM 全流程應(yīng)用邊界定義為建筑產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段。具體來說,BIM 的全流程應(yīng)用主要包括設(shè)計(jì)階段中的概念設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、細(xì)部設(shè)計(jì)階段;施工階段中的施工準(zhǔn)備階段、施工階段、竣工階段;運(yùn)營(yíng)階段中的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)階段。
為進(jìn)一步理清BIM 的應(yīng)用邊界,本文對(duì)目前具有國(guó)際和行業(yè)影響力并應(yīng)用于中國(guó)市場(chǎng)的32 款BIM 軟件進(jìn)行了分析。可知,設(shè)計(jì)階段的BIM 應(yīng)用包括能量分析、設(shè)備建模、照明分析、結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、深化設(shè)計(jì)、規(guī)范檢查、綠色設(shè)計(jì)、造價(jià)管理等。在施工階段的BIM 應(yīng)用包括激光測(cè)繪信息、施工質(zhì)量監(jiān)控、碰撞檢查、4D 模擬、質(zhì)量控制、實(shí)時(shí)報(bào)告、4D 施工模擬等。在運(yùn)營(yíng)階段的BIM應(yīng)用包括設(shè)備管理、設(shè)施管理、營(yíng)運(yùn)方案優(yōu)化、應(yīng)急方案優(yōu)化??傮w來看,目前BIM 全流程應(yīng)用存在各壽命期階段關(guān)聯(lián)關(guān)系較弱,尚未形成體系化、結(jié)構(gòu)化框架。
采用問卷調(diào)查及文獻(xiàn)分析對(duì)各階段BIM 應(yīng)用核心價(jià)值主體進(jìn)行界定,通過電子郵件和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)放問卷的方式,共計(jì)發(fā)放問卷600 份,回收有效問卷374 份,有效問卷回收率80.1%。運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)有效問卷進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)和均值比較分析,分別從主動(dòng)性、影響力、利益性3 方面對(duì)綠色建筑各階段BIM 應(yīng)用價(jià)值主體進(jìn)行評(píng)分,評(píng)分值按照10 級(jí)李克特量表進(jìn)行排序分類,并按[1,4)、[4,6)、[6,10]分劃為3 個(gè)區(qū)域。根據(jù)各價(jià)值主體在不同維度上的得分平均值,將其中至少在兩個(gè)維度上得分為6 分以上的價(jià)值主體,界定為綠色建筑中BIM 應(yīng)用的核心價(jià)值主體(見表1)。由表中可知,綠色建筑中BIM 應(yīng)用價(jià)值核心主體是動(dòng)態(tài)變化的。
表1 綠色建筑各階段BIM 應(yīng)用價(jià)值主體的三維分類結(jié)果
本文通過劃定各子系統(tǒng)的內(nèi)涵邊界來確定穩(wěn)定的內(nèi)部?jī)r(jià)值結(jié)構(gòu),以此保證整體研究結(jié)果的可靠性與科學(xué)性。
(1)設(shè)計(jì)階段。BIM 在建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用主要是緊密結(jié)合該階段各價(jià)值主體需求和項(xiàng)目實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。通過采用性能分析、建模計(jì)算、規(guī)范核校、統(tǒng)計(jì)分析、碰撞檢測(cè)等技術(shù)手段,為施工方提供可用的BIM 模型,從而保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行[16]。而BIM 在綠色建筑設(shè)計(jì)階段中的主要應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在可再生能源應(yīng)用比例調(diào)整、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、建筑敏感地段設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化和自然資源可循環(huán)設(shè)計(jì)等專業(yè)領(lǐng)域。
(2)施工階段。綠色建筑在全流程中應(yīng)實(shí)現(xiàn)綠色施工,這就意味著在施工全過程中,不僅要保證質(zhì)量、成本、工期、安全等基本要求,還要通過技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)管理,最大限度的減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)[17]。在此過程中應(yīng)用BIM 可以降低生態(tài)與自然環(huán)境因建筑施工而帶來的破壞,通過科學(xué)管理來提高建筑施工質(zhì)量和效率,減少資源與施工材料的浪費(fèi)。BIM 在綠色施工方面的應(yīng)用主要包括優(yōu)化場(chǎng)地布置、實(shí)時(shí)進(jìn)度控制、施工前的碰撞監(jiān)測(cè)、施工方案的3D 渲染、資源使用控制和施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制等。
(3)運(yùn)營(yíng)階段。綠色建筑的運(yùn)營(yíng)管理是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的關(guān)鍵階段[17],在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段,要通過對(duì)其初始運(yùn)行期(一般為第一年)的能耗進(jìn)行分析考察,來檢驗(yàn)物業(yè)在能源管理方面是否高效與合理,檢驗(yàn)?zāi)茉聪南到y(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),以便指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)營(yíng)后該建筑及其設(shè)備系統(tǒng)的高效和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,在建筑運(yùn)營(yíng)階段BIM 應(yīng)用將有利于建立行之有效的管理模式,例如節(jié)水管理、節(jié)電管理、建筑智能化管理、生活垃圾處理以及綠色建筑的宣傳推廣等。同時(shí),BIM 在此階段可以有效的對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、光環(huán)境、通風(fēng)系統(tǒng)、熱舒適度、聲環(huán)境等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估,達(dá)到對(duì)綠色建筑進(jìn)行主、客觀結(jié)合的綜合評(píng)估,進(jìn)而對(duì)綠色建筑項(xiàng)目進(jìn)行再優(yōu)化。
為提高獲取數(shù)據(jù)的有效性,本文采用現(xiàn)場(chǎng)填寫和訪談相結(jié)合的方式,對(duì)綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用各價(jià)值主體的價(jià)值要素進(jìn)行研究,受訪人針對(duì)BIM 應(yīng)用價(jià)值主體的價(jià)值需求重要性程度進(jìn)行評(píng)分,調(diào)查問卷采用五級(jí)李克特量表正向評(píng)分,并根據(jù)以下3個(gè)準(zhǔn)則對(duì)綠色建筑中BIM全流程應(yīng)用各價(jià)值主體的價(jià)值需求要素進(jìn)行選擇:?jiǎn)柧碇懈黜?xiàng)指標(biāo)得分?jǐn)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差小于確定樣本量所用樣本的標(biāo)準(zhǔn)差;選取平均值大于3 的各項(xiàng)指標(biāo),以便能夠有效地測(cè)試調(diào)查問卷的有效性及真實(shí)性;為保證題項(xiàng)的一致性,通過多種句式闡述問卷中同一題項(xiàng)以達(dá)到最大限度地規(guī)避調(diào)查者理解偏差。問卷調(diào)查期間進(jìn)行了2 次小范圍問卷預(yù)測(cè)試,初選得到的55 個(gè)BIM 應(yīng)用價(jià)值主體的價(jià)值需求要素,通過描述性統(tǒng)計(jì)分析法來驗(yàn)證其可靠性與科學(xué)性,如表2 所示。
調(diào)查數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布,將對(duì)后續(xù)分析與研究產(chǎn)生重要影響,在偏度絕對(duì)值小于3,峰度絕對(duì)值小于10 的情況下,代表著樣本基本上服從于正態(tài)分布[18]。由表2 可知,各題項(xiàng)均值處在2.55~4.57 之間,標(biāo)準(zhǔn)偏差處在0.626~1.320 之間,偏度處在-2.164~0.5386 之間,峰度處在-1.154~5.767 之間??梢?,偏度與峰度均能滿足正態(tài)分布要求,則55 個(gè)價(jià)值要素均能服從于正態(tài)分布,均可作為綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值要素進(jìn)行下一步工作研究。
基于以上描述性分析結(jié)果,在BIM 應(yīng)用價(jià)值內(nèi)涵邊界、時(shí)限邊界的約束下,對(duì)55 個(gè)價(jià)值要素進(jìn)行分類,結(jié)果如表3 所示。
表2 綠色建筑施工階段BIM 技術(shù)價(jià)值主體的三維分類結(jié)果
綠色建筑設(shè)計(jì)階段BIM 應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)選擇將在一定程度上影響B(tài)IM 在后續(xù)階段中的應(yīng)用效果及應(yīng)用價(jià)值的實(shí)現(xiàn)[19]。該階段BIM 應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是對(duì)各價(jià)值主體的價(jià)值需求要素的歸納、總結(jié)與凝練。因此本文采用因子分析方法,通過設(shè)計(jì)自填式問卷對(duì)各價(jià)值需求要素在BIM 應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)中的認(rèn)同情況進(jìn)行量化打分,針對(duì)各價(jià)值需求要素分值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),再通過探索性因子分析的方法對(duì)各價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行降維,從而獲得價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。研究累計(jì)發(fā)放600 份調(diào)查問卷,發(fā)放對(duì)象有投資單位、建設(shè)單位、施工單位、勘察/設(shè)計(jì)單位、社會(huì)公眾、運(yùn)營(yíng)公司、監(jiān)理/咨詢單位等專業(yè)領(lǐng)域涵蓋質(zhì)量、安全、成本和進(jìn)度的多位專家,并且面向最終用戶、項(xiàng)目所在地周圍社區(qū)群眾發(fā)放了部分問卷,最終回收462份,回收率達(dá)到77%。經(jīng)過篩選其中有效問卷374份,有效率為80.1%,其有效問卷數(shù)量達(dá)到一般要求。
借助SPSS 軟件獲得探索性因子分析的旋轉(zhuǎn)成分矩陣,如表4 所示,前4 個(gè)因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為70.068%,足夠反映此階段價(jià)值要素的信息量。因此根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣,提煉的4 個(gè)價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的價(jià)值需求(見表5)。由此可知,綠色建筑設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和功能價(jià)值。
表3 綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用的價(jià)值要素
表4 設(shè)計(jì)階段旋轉(zhuǎn)成分矩陣
表5 綠色建筑設(shè)計(jì)階段BIM 應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)
施工階段各價(jià)值需求要素因子分析結(jié)果如表6所示。存在6 個(gè)因子特征值大于1,且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為82.659%。因此本文在施工階段共提取6 類應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)(見表7),分別為環(huán)境價(jià)值、安全價(jià)值、實(shí)體價(jià)值、功能價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
運(yùn)營(yíng)階段BIM 應(yīng)用價(jià)值需求要素因子分析結(jié)果如表8 所示。發(fā)現(xiàn)5 個(gè)因子特征值大于1,故可提取5 個(gè)主成分因子,且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為78.952%。提取的5 類應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的價(jià)值需求要素如表9 所示,主要包括功能、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、管理與社會(huì)價(jià)值。綜合分析不同階段的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)可知,經(jīng)濟(jì)價(jià)值、功能價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值貫穿綠色建筑BIM 應(yīng)用的全流程各個(gè)階段。此外,設(shè)計(jì)階段更加強(qiáng)調(diào)功能價(jià)值,施工階段專注于實(shí)現(xiàn)安全價(jià)值、實(shí)體價(jià)值,而運(yùn)營(yíng)階段則更加側(cè)重于功能價(jià)值和管理價(jià)值。
表6 施工階段旋轉(zhuǎn)成分矩陣
表7 綠色建筑施工階段BIM 應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)
表8 旋轉(zhuǎn)成分矩陣
表9 綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段BIM 應(yīng)用價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)
基于以上分析,本文構(gòu)建了BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)體系,如圖1 所示。BIM 在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段的全流程應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在3 個(gè)層面,分別是價(jià)值主體、價(jià)值要素以及價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。價(jià)值主體由專家評(píng)分確定的9 個(gè)主要利益相關(guān)者構(gòu)成,而價(jià)值要素則通過文獻(xiàn)綜述和問卷調(diào)查的方式,針對(duì)不同階段的核心價(jià)值主體,確定相關(guān)的應(yīng)用價(jià)值邊界,篩選應(yīng)用價(jià)值要素。在此基礎(chǔ)上,通過因子分析,凝練出BIM 全流程應(yīng)用在不同階段的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn),最終形成基于“價(jià)值主體—價(jià)值要素—價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)”的綠色建筑BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)體系綜合框架。
圖1 綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)圖
本文依據(jù)價(jià)值分解結(jié)構(gòu)有關(guān)原則,運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)方法,研究綠色建筑中BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過深度訪談及問卷調(diào)查方式進(jìn)行各階段價(jià)值要素的識(shí)別及分析,系統(tǒng)分析了綠色建筑各階段BIM 應(yīng)用價(jià)值子系統(tǒng)所涉及的價(jià)值主體、價(jià)值要素以及價(jià)值標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了較為完整的BIM 全流程應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)體系。綠色建筑中BIM 應(yīng)用核心價(jià)值主體在不同階段是動(dòng)態(tài)變化的,在不同的BIM 應(yīng)用階段,涉及的價(jià)值要素與價(jià)值主體均存在動(dòng)態(tài)變化,且收集的價(jià)值要素評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布;通過因子分析,BIM 全流程應(yīng)用的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)主要包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、功能、實(shí)體、安全和管理等7個(gè)方面,而各個(gè)階段根據(jù)工作特征其價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)又略有不同。