陳 珂 陳強健 杜 鵬

(華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074)

引言

BIM技術(shù)作為建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，受到全球建筑業(yè)的廣泛關(guān)注。2020年，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13個部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》，將積極應(yīng)用自主可控的BIM技術(shù)確立為提升我國建筑業(yè)信息化水平的重點任務(wù)[1]。BIM技術(shù)的應(yīng)用離不開各類BIM軟件[2]。其中，BIM建模軟件(例如Autodesk Revit、PKPM BIM等)用于創(chuàng)建工程建造項目的數(shù)字化信息模型，為完成后續(xù)一系列基于BIM技術(shù)的工程分析與管理任務(wù)提供信息基礎(chǔ)。在工程建造項目全生命周期中，各參與方基于BIM模型形成的統(tǒng)一信息平臺進行有效地溝通，強化上下游協(xié)同工作[3]。

當前，我國建筑業(yè)使用的BIM建模軟件既有國產(chǎn)軟件也有國外軟件。但是，相較于國外軟件，國產(chǎn)BIM建模軟件存在整體實力較弱、核心技術(shù)缺失等諸多問題，市場份額被國外軟件占據(jù)，這直接導致我國建筑業(yè)面臨技術(shù)“卡脖子”的風險。考慮到工程建造項目全生命周期蘊含著大量數(shù)據(jù)，長期依賴國外BIM軟件使得關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全得不到保障。面向國家總體發(fā)展要求以及建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，我國對高水平國產(chǎn)BIM建模軟件的需求越來越迫切。在此背景下，有必要厘清影響國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的各類因素以及因素間的系統(tǒng)性構(gòu)成，從而提出針對性應(yīng)對措施，助力國產(chǎn)BIM軟件的發(fā)展。

近年來，國內(nèi)外學者從應(yīng)用企業(yè)角度研究了BIM軟件的發(fā)展，如Jongsung Won 和Ghang Lee[4]認為“對需求的滿足度”、“協(xié)同性”、“易用性”是軟件改進的重點； Lonny Simonian和 Thomas Korman[5]指出“工程數(shù)據(jù)安全及信息權(quán)限”應(yīng)當被重點關(guān)注； 黃亞江[6]則著重考慮“軟件費用”、“過程服務(wù)”以及“軟件適用性”。這些研究為BIM建模軟件研發(fā)提供了一定的導向作用，但大多僅從單個維度進行論述，結(jié)論相對較為片面。另外，我國學者針對軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響因素展開了論述，如江勇[7]認為“核心技術(shù)”、“產(chǎn)業(yè)鏈合作”、”政府引導”等對軟件發(fā)展有重大影響； 倪光南[8]指出“市場、軟件協(xié)同、人才和投資”是軟件發(fā)展中的關(guān)注重點。但該類研究并非針對BIM建模軟件，且多為定性研究，也缺乏因素間的評級與層次關(guān)系。綜上，當前缺乏系統(tǒng)論述國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素的研究。

本文立足于現(xiàn)有軟件產(chǎn)業(yè)研究的相關(guān)成果，以系統(tǒng)論的觀點將國產(chǎn)BIM建模軟件的發(fā)展看作各種影響因素下的復雜結(jié)果，旨在通過文獻分析、專家論證識別國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素。進而開展問卷調(diào)研，基于主成分分析提取關(guān)鍵因素，最終結(jié)合專家訪談解讀關(guān)鍵因素，為國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展路徑規(guī)劃提供方向。

1 國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素識別

基于中國知網(wǎng)、Scopus等數(shù)據(jù)庫，本研究通過檢索“軟件發(fā)展”、“軟件國產(chǎn)化”、“Software Development”等關(guān)鍵詞，篩選出23篇高相關(guān)度的學術(shù)論文，從政策環(huán)境、市場環(huán)境、研發(fā)經(jīng)營和核心技術(shù)4個維度初步歸納出影響軟件發(fā)展的潛在因素。為了進一步識別國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的影響因素，并明確因素所指代的含義，本研究在文獻檢索的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合7位專家的意見(專家信息如表1)，對各影響因素進行充分論證、修訂與完善，根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)原則，確定了28個影響國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的因素(見表2)。

表1 論證專家基本信息

表2 BIM建模軟件發(fā)展的影響因素

2 基于主成分分析的關(guān)鍵因素識別

2.1 模型介紹

主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)旨在利用降維思想，把多個無序、分散的指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合性的指標，以較少的指標反映原數(shù)據(jù)的大部分信息，且所含的信息互不重疊[30]。該方法廣泛應(yīng)用于多變量分析場景，能在保證初始國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素所含信息完整性的前提下，簡化影響因素體系，更有利于揭示國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素的特征和內(nèi)在規(guī)律，因此適用于本研究的分析工作。

主成分分析的計算步驟如下：

(1)每個數(shù)據(jù)減去均值后除以標準差，得到標準化后的序列；

(2)在標準化處理變量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算相關(guān)系數(shù)矩陣：

(1)

其中，xij(i，j=1，2，…，n)為原因素xi和xj的相關(guān)系數(shù)，其計算公式為:

(2)

(3)計算相關(guān)系數(shù)矩陣X的特征值λi及對應(yīng)的特征向量μi(i=1，2，…，n)；

(4)計算各個特征值λi的主成分貢獻率wi及累計貢獻率ai：

(3)

(4)

(5)選擇主成分，計算主成分荷載，進行綜合分析。主成分荷載計算公式為:

(5)

2.2 問卷設(shè)計

本研究通過網(wǎng)絡(luò)問卷的形式，邀請具有豐富BIM建模軟件研發(fā)和使用經(jīng)驗的行業(yè)專家，就28個因素對國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的影響程度進行評定，評分采用從0(無影響)至4(影響重大)的五分制。問卷調(diào)研從2019年10月開始到2019年12月結(jié)束，通過騰訊問卷平臺共收回來自全國29個省份81家單位的249份數(shù)據(jù)。然后，通過三個原則剔除問題問卷：1)答題時間短于100s(平均用時的1/2)； 2)答題結(jié)果不完整； 3)答題結(jié)果呈現(xiàn)強規(guī)律性。同時，考慮到人員知識和經(jīng)驗對因素評定的影響，本研究只篩選出工作經(jīng)驗在5年以上的人員問卷用作分析。最終篩選出150份問卷進行下一步分析，這些問卷對應(yīng)受訪人員的具體工作年限分布見表3。

表3 問卷受訪人員工作年限情況

2.3 數(shù)據(jù)顯著性分析

根據(jù)標準化處理后的數(shù)據(jù)，本研究進行數(shù)據(jù)信度和效度的檢驗。變量之間的相關(guān)性由KMO和Bartlett球度檢驗方法判定，若KMO統(tǒng)計量大于0.7或Bartlett球形度檢驗的顯著性概率p<0.05，則表明樣本數(shù)據(jù)效度良好，適用于主成分分析[31]。本研究數(shù)據(jù)效度檢驗結(jié)果如表4所示，其中KMO統(tǒng)計量為0.872，Bartlett檢驗中顯著性為0.000，該結(jié)果說明采集到的問卷數(shù)據(jù)適合主成分分析的降維處理。

表4 KMO 和Bartlett檢驗

2.4 主成分分析與建模

利用SPSS25.0軟件分析各因素間的相關(guān)程度，輸出主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率，進而提取主成分，結(jié)果如表5所示。前6個主成分解釋的總方差達到71.599%(多因素前提下，方差累計貢獻率達到70%～80%，則認為提取合理)，保留了原有因素的大部分信息，因此可以用這6個主成分代替原有的28個影響因素進行后續(xù)研究。

表5 主成分特征值和方差貢獻率

對因子荷載進行旋轉(zhuǎn)可以使提取出的主成分更具代表性、界定更加清晰[32]。本研究采用最大方差法，經(jīng)旋轉(zhuǎn)6次迭代后因子收斂，具體因子荷載如表6所示。

表6 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

從荷載情況得出，x8～x15在第一主成分上荷載較高，且多針對企業(yè)研發(fā)經(jīng)營合作方面，因此將第一主成分定義為F1研發(fā)經(jīng)營；x1～x4可歸列到第二主成分F2政策環(huán)境； 第三主成分上x21～x24多涉及軟件底層核心，因此將第三主成分定義為F3基礎(chǔ)核心；x5～x7、x16可歸列到第四主成分F4市場環(huán)境； 第五主成分上x18～x20多涉及軟件研發(fā)工具，因此將第五主成分定義為F5研發(fā)工具；x25～x28、x17可歸列到第六主成分F6軟件表現(xiàn)。具體結(jié)果見表7。

表7 主成分因素組成

2.5 確定各因素權(quán)重

2.5.1 因素在各主成分線性組合中的系數(shù)

2.5.2 主成分的方差貢獻率

方差貢獻率可以看成是不同主成分的權(quán)重，由于原有因素體系可以由主成分F1～F6代替，因此影響因素模型可以看成是以這6個主成分方差貢獻率為權(quán)重，對因素在這6個主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均，得到國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素綜合模型：

2.5.3 因素權(quán)重的歸一化

由于所有因素的權(quán)重之和應(yīng)為1，因此因素權(quán)重需要在綜合模型中因素系數(shù)的基礎(chǔ)上進行歸一化處理，最終各因素權(quán)重排名如表8所示。

表8 因素權(quán)重排名

2.6 關(guān)鍵因素提取

對比表8國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素權(quán)重排名和表6主成分旋轉(zhuǎn)后的因素荷載，可以看出兩種數(shù)據(jù)分析結(jié)果在整體上保持結(jié)論的一致性。本研究根據(jù)各因素的權(quán)重排名情況，剔除權(quán)重小于0.03的6個因素，進而在剩余22個因素基礎(chǔ)上，根據(jù)表6中的荷載大小篩選關(guān)鍵因素及主成分重新分類、命名?？紤]到BIM建模軟件的工程屬性，本研究結(jié)合3位專家意見剔除F5(研發(fā)工具)等IT軟件共有的影響因素，篩選出影響國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的14個關(guān)鍵因素。根據(jù)因素釋義及內(nèi)涵，可分為政策環(huán)境、市場環(huán)境、研發(fā)經(jīng)營及核心技術(shù)四個維度，與因素初步識別的維度保持一致。

如表9所示，研發(fā)經(jīng)營的方差貢獻率達到36.441%，表明此類因素對國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的影響最大。政策環(huán)境以14.612%位居第二，第三位的核心技術(shù)包含基礎(chǔ)核心與軟件表現(xiàn)兩方面，方差貢獻率達到10.345%，而市場環(huán)境則以6.857%的貢獻率位列第四。

表9 國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展關(guān)鍵影響因素

3 結(jié)果討論

在識別出國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的關(guān)鍵影響因素的基礎(chǔ)上，本研究通過與至少具有10年BIM建模軟件研發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗的23位行業(yè)專家分別進行45～60分鐘的多輪深度訪談，對關(guān)鍵影響因素進行進一步解讀。

3.1 研發(fā)經(jīng)營維度

資金配置和人才配置對國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的影響較為突出。中小型軟件企業(yè)承受更大的資金壓力，亟需啟動資金開辟市場、支持軟件商業(yè)化以及后續(xù)研發(fā)工作。而大型軟件企業(yè)具備更豐富的融資渠道、更充實的資源儲備，在資金配置方面的顧慮較小，且大型軟件企業(yè)更容易承擔軟件技術(shù)攻堅任務(wù)，因此其更關(guān)注人才的層次、規(guī)模及結(jié)構(gòu)。此外，BIM建模軟件的研發(fā)需求和實際復雜應(yīng)用場景緊密結(jié)合，再加上當前國產(chǎn)BIM建模軟件亟需解決的核心技術(shù)缺失的重大技術(shù)難題，使得產(chǎn)學研合作在BIM軟件發(fā)展中的角色愈發(fā)重要。

3.2 政策環(huán)境維度

法律規(guī)定成為政策環(huán)境中最重要的因素，這表明諸如軟件許可、企業(yè)認證、知識產(chǎn)權(quán)等法規(guī)是國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨后是相關(guān)扶持政策，例如通過稅收優(yōu)惠政策、投融資政策等，鼓勵研發(fā)生產(chǎn)要素投入，加大對軟件研發(fā)、應(yīng)用、服務(wù)企業(yè)的財政、金融支持。標準規(guī)范是BIM建模軟件發(fā)展所面對的又一關(guān)鍵問題，包括BIM建模軟件研發(fā)標準、應(yīng)用體系標準及交付標準等。這些標準是工程知識、技術(shù)應(yīng)用模式等綜合而成的結(jié)晶。在受訪專家中，有11位表示，當前國產(chǎn)BIM建模軟件標準缺失，導致軟件研發(fā)缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標準、應(yīng)用與交付缺少標準流程模式，軟件研發(fā)與推廣難度不斷增大。因此，亟需通過各種舉措加快軟件技術(shù)框架、應(yīng)用模式等標準化體系建設(shè)，加強行業(yè)深度研究。

3.3 核心技術(shù)維度

核心技術(shù)維度包含軟件基礎(chǔ)核心和軟件表現(xiàn)兩方面。其中，基礎(chǔ)核心作為第三主成分，方差貢獻率為7.291%，超過軟件表現(xiàn)的3.054%。因此，基礎(chǔ)核心相關(guān)因素的荷載值雖然低于軟件表現(xiàn)相關(guān)因素，但數(shù)據(jù)庫、圖形引擎等基礎(chǔ)性共性技術(shù)仍舊是核心技術(shù)維度最重要的因素之一。換句話說，只有在底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型、核心引擎等方面實現(xiàn)自主可控，才能從根本上增強國產(chǎn)BIM建模軟件在全產(chǎn)業(yè)鏈上的競爭力。另外，在專業(yè)設(shè)計等應(yīng)用場景下需要使用多個軟件才能完整地解決問題，要求軟件間形成暢通的數(shù)據(jù)交換機制，對BIM建模軟件的數(shù)據(jù)集成與交換能力、可拓展性等，即軟件協(xié)同方面提出了更高要求。在軟件表現(xiàn)方面，復雜模型的處理能力等性能表現(xiàn)和功能豐富性的重要性突出。相對于功能豐富性，用戶更看重BIM建模軟件的性能優(yōu)越性。同時，有6位受訪專家表示，用戶希望BIM建模軟件能夠豐富與其工作場景有高關(guān)聯(lián)度的針對性功能。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的用戶希望軟件針對結(jié)構(gòu)設(shè)計拓展功能豐富性，實現(xiàn)專業(yè)場景下深化功能、計算精度等的提升。

3.4 市場環(huán)境維度

同類產(chǎn)品競爭成為市場環(huán)境維度中的關(guān)鍵因素，這表明隨著當前市場份額被國外BIM建模軟件占據(jù)，用戶習慣、工程數(shù)據(jù)依存等問題使用戶難以對其使用的軟件進行大規(guī)模替換，國產(chǎn)BIM建模軟件的發(fā)展將面臨巨大的后發(fā)劣勢。同時，盜版軟件惡化了競爭環(huán)境，影響相關(guān)軟件研發(fā)企業(yè)的利潤保障。此外，有9位受訪專家表示市場需求是BIM建模軟件研發(fā)的導向。軟件企業(yè)需通過積極布局深度市場調(diào)研，以應(yīng)用為牽引，打造符合市場需求、面向未來的高水平BIM建模軟件。

4 結(jié)語

本研究較為完整地識別出國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展影響因素，基于主成分的降維與權(quán)重分析，系統(tǒng)論證了關(guān)鍵因素，即政策環(huán)境、市場環(huán)境、研發(fā)經(jīng)營及核心技術(shù)4個維度的14個因素，并通過專家訪談進行了關(guān)鍵因素解讀。研究結(jié)果為發(fā)展我國自主可控的BIM建模軟件提供了路徑規(guī)劃方向。

基于分析結(jié)果，本研究針對國產(chǎn)BIM建模軟件發(fā)展提出以下建議：

(1)制定科學的研發(fā)部署，規(guī)劃合理的資源配置，確保能夠進行可持續(xù)的研發(fā)活動。 完善人才培養(yǎng)體系，改善人才層次結(jié)構(gòu)，健全人才激勵措施，打造國產(chǎn)BIM建模軟件產(chǎn)業(yè)人才隊伍。

(2)做好頂層設(shè)計，加大資源投入與政策支持力度。 建立公平競爭的商業(yè)市場體系，健全有序規(guī)范的法律標準，并加強軟件知識產(chǎn)權(quán)的保護力度。

(3)加快BIM建模軟件接口、協(xié)議、數(shù)據(jù)等重點標準體系建設(shè)與應(yīng)用。積極布局圖形引擎等核心技術(shù)攻堅，提升軟件性能，豐富軟件功能，加強不同軟件間的協(xié)同。

(4)推動產(chǎn)學研用合作深度，建立軟件合作生態(tài)。以企業(yè)為主導，邀請高校科研院所等積極參與。以需求驅(qū)動技術(shù)落地，發(fā)揮工程應(yīng)用牽引的效應(yīng)。