趙 軍 王亞棟 高 寧 冀小輝 田 宇

(1.鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001；2.河南省第一建筑工程集團有限責任公司，鄭州 450000；3.大連理工大學土木工程學院，遼寧大連 116038)

建筑業(yè)是我國經濟的支柱型產業(yè)，2020年我國建筑業(yè)總產值占國民生產總值的26%左右，同比增長6.2%[1]，并且仍保持穩(wěn)定的增長趨勢。但是，和其他行業(yè)的盈利能力相比，中國建筑行業(yè)的利潤率較低[2]。另外，建筑業(yè)長期存在一些傳統(tǒng)建造模式難以解決的問題，如施工現(xiàn)場的監(jiān)管技術水平有限，導致監(jiān)管部門無法準確掌握施工項目的關鍵信息，也無法及時了解施工現(xiàn)場的實際狀況，從而難以快速發(fā)現(xiàn)安全隱患并提供精準的解決方案[3]。因此，住建部在《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提出，要全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強建筑信息模型(BIM)、大數據、智能化、移動通信、云計算、物聯(lián)網等信息技術集成應用能力，建筑業(yè)數字化、網絡化、智能化取得突破性進展，建成一體化行業(yè)監(jiān)管和服務平臺。同時，建筑信息化的普及不僅能夠提高建筑施工的準確性和針對性，實現(xiàn)對建筑施工的動態(tài)管理，更能提高建筑業(yè)的整體發(fā)展及管理水平[4]。

BIM是利用數字化技術，將傳統(tǒng)的二維平面設計圖轉化為三維數字化模型，并利用該模型儲存建筑從設計、建造到運營維護的各種相關信息，以實現(xiàn)建筑的整個生命周期中各參與方在同一建筑信息模型基礎上的數據共享，從而提高工程項目設計、建造、運營效率。BIM具有可視化、協(xié)調性、模擬性、一體化性、信息完備性以及可出圖性等優(yōu)點，可以有效解決建筑業(yè)效率低的問題[5]。根據美國斯坦福大學綜合設施工程(IFF)中心的研究發(fā)現(xiàn)：BIM技術的使用，能使業(yè)主主觀要求以外的變更減少40%以上；基于BIM構件統(tǒng)計基礎上的造價估算誤差控制在3%左右，投資估算時間更是大大降低80%；而碰撞檢測為業(yè)主節(jié)省的成本可達合同金額的10%左右；項目建造所花的時間也可節(jié)省約7%[6]。

在《國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》中將新一代信息技術分為通信網絡、物聯(lián)網、三網融合、新型平板顯示、高性能集成電路和云計算等高端軟件[7]。通過與新一代信息技術的融合，BIM將被賦予新的功能，從而在不同的場景中更好的應用，并能夠極大地推動建筑業(yè)向智能化、信息化轉型升級，為建筑業(yè)提質增效、節(jié)能環(huán)保創(chuàng)造條件。萬玲等構建了基于BIM+物聯(lián)網的建筑物資采購管理平臺，該平臺由基礎層、資源層、支撐層和應用層組成，可實現(xiàn)建筑物資智能化采購，提升建筑物資采購的效益[8]。Wu等開發(fā)的物聯(lián)網與BIM技術融合的建筑信息平臺，可以避免物聯(lián)網網絡中的單點故障，并為BIM模型修改提供實時信息來源[9]。宋曉剛等提出施工安全智能管理平臺建設方案，采用5G技術來應對建筑業(yè)特殊的場景化訴求，搭建施工現(xiàn)場的規(guī)模組網，滿足于施工環(huán)境復雜、人員流動性大等建筑業(yè)各業(yè)務場景的數據傳輸，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[10]。馬良等分析了區(qū)塊鏈結合BIM技術對建設工程設計、施工、運維階段產生的影響，指出區(qū)塊鏈可以解決行業(yè)中的信任與驗證的問題[11]。Kumar等提出了一個自動化的框架創(chuàng)建動態(tài)站點布局模型，利用BIM技術、二人智能算法與遺傳算法結合使用，以開發(fā)考慮現(xiàn)場人員和設備的實際行駛路徑的優(yōu)化[12]。陳剛等借助移動傳感、物聯(lián)網、BIM、大數據等信息化技術，建立融流動人員、大型機械設備、重大危險源于一體的集成化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)安全、技術、質量、進度、成本及綠色施工管理的數字化和智慧化升級[13]。張云翼在運維階段引入BIM、云、大數據等新技術，實現(xiàn)建筑運維期能耗管理的數字化和智能化以及用能優(yōu)化和節(jié)能控制[14]?？梢?，BIM與新一代信息技術的融合在建筑業(yè)中具有重要的研究意義和應用價值。

以某一省級重點人才公寓項目為例，將對BIM與新一代信息技術的應用進行研究，利用因子分析法借助SPSS 26.0軟件(統(tǒng)計產品與服務解決方案軟件)對樣本數據進行量化處理，然后使用矩陣結構分析軟件(AMOS 24.0軟件)結合結構方程模型進行驗證性分析，證明研究假設的合理性。

1 工程案例

1.1 項目簡介

該人才公寓項目的總建筑面積約為54.5萬m2，合計17棟高層住宅樓，總概算約為33億元。建筑主體中主樓地上為33層，地下3層車庫，層高均為2.9 m，樓體規(guī)劃高度為95.7 m。地下車庫采用鋼筋混凝土框架結構和天然地基承臺基礎，地上6層以下為現(xiàn)澆剪力墻結構，6層以上為預制裝配式結構，基礎為水泥-粉煤灰-碎石樁基平板式筏形基礎。此項目采用裝配式建筑EPC工程總承包模式，使用基于BIM的項目管理信息交互平臺。

1.2 信息技術的應用場景

1.2.1安全管理

根據建立的BIM三維模型，對施工場地進行布置，合理安排塔吊、庫房、加工廠地、臨時建筑和生活區(qū)等的位置。從而解決了施工場地規(guī)劃問題，減少了施工用地的占用，使施工現(xiàn)場平面布置緊湊合理且道路暢通，符合防火安全及文明施工的要求。同時，在三維模型中建立了施工現(xiàn)場安全體驗區(qū)(圖1)，對工作人員進行工程安全教育，從而培訓工作人員規(guī)范操作流程，提高工作人員的安全意識，減少施工事故發(fā)生。

a—高空作業(yè)人員安全帶規(guī)范使用體驗區(qū)模擬;b—智能安全帽規(guī)范操作體驗區(qū)模擬。圖1 施工現(xiàn)場安全體驗區(qū)模擬Fig.1 Safety experience areas on construction sites

1.2.2質量管理

結合項目管理信息交互平臺的協(xié)同工作模塊可使設計方和施工方對設計圖紙和施工圖紙進行共同會審，及時發(fā)現(xiàn)圖中的相互矛盾、數據錯誤等問題，保證設計的可施工性，減少后期的設計變更，避免影響工程進度。

在傳統(tǒng)模式下，工作人員在現(xiàn)場的巡檢采用繁瑣的紙質交底方法，實用性不強、留存困難、效率低下，可能導致各參建方對相關質量問題的責任劃分不清晰，而出現(xiàn)相互推諉的現(xiàn)象。在本案例中，通過平臺的檢查部位模塊，施工現(xiàn)場巡檢人員手持移動設備對存在問題的部位進行拍照記錄和情況描述，并形成電子資料上傳系統(tǒng)。在質量檢查模塊中及時記錄檢查結果與整改時限、檢查人員與檢查時間、質量問題與責任處罰、整改人與復查人和核驗人與通知人的相關信息。同時，在項目統(tǒng)計模塊中基于上述信息進行數據分析，對質量問題的整改進度進行全過程實時管控。因此，項目管理人員可通過該系統(tǒng)及時了解施工現(xiàn)場存在的相關問題及其實際解決狀況，可以對工程質量進行精細化動態(tài)管理。

1.2.3生產管理

根據項目管理信息交互平臺生成施工進度總計劃，并分解為周進度計劃、月進度計劃，進行施工任務精細化管理，將現(xiàn)場施工情況通過電子記錄的方式上傳至平臺，對關鍵節(jié)點進行實時跟蹤記錄，且以此為依據分析各階段的計劃偏差，及時調整下一階段的施工安排。

同時，通過施工進度模擬，將BIM模型載入，制定施工進度表，然后與模型集成計劃出預制構件的安裝工序及運輸安排，結合項目管理信息交互平臺的可視化功能，輸出施工模擬動畫，從而對施工進度不斷改進。

根據工程計劃、BIM模型、項目成本等信息，應用BIM模擬施工，了解任一時間段的工程實施狀態(tài)、資金使用情況、資源消耗狀況等，及時為施工過程各個環(huán)節(jié)提供準確的進度、物資、成本等數據，提升溝通和決策效率。

通過信息技術在項目中的應用，解決了建筑項目參與方眾多、各專業(yè)之間需要高度的信息共享和協(xié)同合作等問題，提高了項目管理中的決策科學性、設計合理性、建造高效性，實現(xiàn)了項目建設全過程的有效管控。

2 根據案例提出科學問題

由于BIM與信息化技術在裝配式建筑工程中的應用時間有限，結合上述案例，發(fā)現(xiàn)在實際應用過程中存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

信息難以及時收集：在案例中，由于信息技術應用程度高，建造環(huán)節(jié)復雜，工程質量要求高等原因，基于BIM的信息交互平臺需要收集、歸納、分析的信息和數據體量龐大。然而，此項目應用在第4代通信技術的背景之下，導致信息數據傳輸速率較低、穩(wěn)定性不足、時延較高，影響項目參與方之間的溝通與交流，對工作效率提升有限。如果采用第5代技術，在項目的建設過程中，信息不暢的問題可以得到解決，從而避免出現(xiàn)信息孤島的現(xiàn)象。

信息透明度不高：在項目的信息化管理過程中參建方眾多，因為一些主觀因素，信息傳輸的及時性、準確性會受到影響，從而導致數據庫中的數據與實際信息產生偏差，影響工程項目的施工進度、成本控制、質量安全等。通過BIM與區(qū)塊鏈技術的結合，在聯(lián)盟鏈上的參建方之間共享的信息將具有高透明、可追溯、不可篡改的特點，為資金結算提供依據，實現(xiàn)智能合約的功能。

信息交互平臺完備性不足：目前項目管理信息交互平臺主要應用在工程項目的設計和施工階段，而在其他階段并未得到充分應用，對建筑工程全生命周期的信息記載與描述不夠完整。BIM不單是信息化的模型或建模技術，與新一代信息技術融合后可成為一種新理念、新方法、新平臺。

3 研究方法

在上述工程案例中使用的項目管理信息交互平臺功能不足，須要進行二次開發(fā)，由于開發(fā)成本高、周期長、技術難度大，所以先通過理論分析驗證二次開發(fā)的需求是否合理。因此，提出建筑工程全生命周期BIM信息集成服務平臺(簡稱“BIM集成服務平臺”)，此服務平臺由BIM與新一代信息技術融合而形成，其中新一代信息技術特指云計算、物聯(lián)網、區(qū)塊鏈、大數據、人工智能、第5代通信技術(簡稱“BIM+6”技術)。

BIM集成服務平臺運行框架總共包括5層，分別為基礎設施層、數據層、模型數據交互層、平臺應用層和平臺服務層，如圖2所示。通過基礎設施層的基礎設備可保證平臺高效地收集工程建造過程中的信息和數據；數據層將關鍵信息和公共信息分別存儲在區(qū)塊鏈數據庫和其他數據庫中，便于使用過程中的檢索與提??；在模型數據交互層利用“BIM+6”技術信息模型進行大數據處理，供平臺應用層應用；平臺應用層對建筑工程全生命周期進行信息化管理；在平臺服務層對工程項目進行可視化動態(tài)管控。首先，對“BIM”集成服務平臺的“BIM+6”技術的適用性進行理論研究，利用因子分析法和結構方程模型對樣本數據進行探索性和驗證性分析，從而確定研究假設是否成立。

圖2 BIM集成服務平臺運行框架Fig.2 An operation framework of BIM integrated service platforms

結合文獻查閱、專家訪談、實際調查等形式明確各因素變量并將其歸納為5個維度，包括：BIM的認知程度、全過程詢的認知程度、建筑工程相關問題、“BIM+6”技術的相關問題、信息集成服務平臺的綜合發(fā)展價值，如表1所示。

表1 調查內容Table 1 Research contents

根據因素變量設定調查內容，并采用Likert五點量表計分，將選項分別設置為完全不同意、比較不同意、不確定、比較同意、完全同意五個等級，相應地按照1、2、3、4、5來計分，題項的分值越高則代表受測者對相應題項的認可度越高。

4 樣本數據來源及檢驗

4.1 數據來源

采取線上與線下兩種調查方式，對建筑行業(yè)內的專家、教授、從業(yè)者進行訪談，受測人員主要來自高校、設計院、政府、施工、監(jiān)理等相關大型企事業(yè)單位。

此次調查共計發(fā)出問卷280份，回收265份，其中有效問卷251份，有效回收率94.72%，受測者基本資料見表2。

表2 受測者基本資料Table 2 Information of subjects

4.2 樣本數據檢驗

利用SPSS 26.0對此次調查的樣本數據進行信度分析，問卷的信度系數α為0.954，調查結果具有良好的信度、可靠性、內部一致性[15-16]。在采用因子分析法之前需要檢驗樣本數據是否適用，即效度檢驗。通過SPSS 26.0采用KMO檢驗法和巴特利特球度檢驗法，計算KMO值和顯著性概率值(P值)。經檢驗，樣本數據的KMO值為0.948，P值趨于0，測算結果表明此樣本數據的各因素變量之間具有較強的相關性，可采用因子分析法進行研究分析。

4.2.1提取公共因子

首先使用主成分分析法對樣本數據進行特征值求解，再利用SPSS 26.0分析得出總方差解釋，見表3。按照特征值大于1的提取原則，提取前6個因子作為公共因子，并且前6個公共因子的累計方差貢獻率達73.54%，可概括大多數的因素變量，基本反映出樣本數據的本質信息。

表3 總方差解釋Table 3 Total variance interpretation

4.2.2公因子解釋

通過方差最大正交旋轉變換后得到旋轉后的成分矩陣，得出各公共因子承載的指標信息，識別出重要的因素變量，同時更好地了解因素變量之間的關系。當樣本數據的載荷值大于0.5時，則具有有效的解釋力度，相關的因素變量可歸納為相應的公共因子。在樣本數據旋轉后的成分矩陣中，X16的載荷值具有兩個符合解釋要求的因子，則存在概念模糊的現(xiàn)象；X20載荷值均未達到有效的解釋力度，所以將X16、X20因素變量刪除，因此，各公共因子包含的因素變量如表4所示。

表4 公共因子解釋Table 4 Common factor interpretation

4.3 研究假設

通過6個公共因子(F1、F2、F3、F4、F5、F6)所包含因素變量的共同特征對其命名，分別為在信息集成服務平臺中BIM與新一代信息技術融合實現(xiàn)的功能、新一代信息技術在建筑業(yè)的應用程度、建筑信息化的發(fā)展趨勢、建筑工程項目管理信息化產品的特點、工程建造過程的現(xiàn)實情況及基于BIM的信息集成服務平臺的發(fā)展性。同時，選取上述6個公共因子作為內因潛在變量，建筑業(yè)中BIM與新一代信息技術的應用與發(fā)展(F7)作為外因潛在變量，并作出如下假設：

假設1：F1、F2、F3、F4、F5、F6對F7均有正向影響作用；假設2：F1對F4具有正向影響作用；假設3：F1對F6具有正向影響作用；假設4：F3對F4具有正向影響作用；假設5：F3對F5具有正向影響作用；假設6：F4對F2具有正向影響作用；假設7：F5對F1具有正向影響作用；假設8：F1對F2具有正向影響作用；假設9：F3對F6具有正向影響作用；假設10：F4對F6具有正向影響作用；假設11：F2對F6具有正向影響作用。

5 結構方程模型構建及分析

5.1 測量模型的驗證性因子分析模型構建及驗證

利用最大似然法對測量模型進行參數評估，根據路徑系數和擬合指標判斷觀測變量與潛在變量的擬合程度。根據各變量之間的相關關系，得出此測量模型的適配性。Hair等提出：在評鑒模型擬合度之前，必須先進行“違犯估計”的檢驗，衡量違犯估計的指標通常是存在負誤差方差、標準化指數超過或太接近1[17]。

測量模型中不存在負的誤差方差，且標準化系數的絕對值皆未超過0.95，表明此模型并未發(fā)生違犯估計，可以進行整體模型擬合度的檢驗，如圖3所示。然而，未修正測量模型的部分指標未達到要求，適配度較差，如表5所示。根據AMOS 24.0提供的模型修正指數按照從大到小逐一修正，修正后測量模型的適配指標均符合適配標準。測量模型中，e表示變量間的殘差項，反映了結構方程中未能被解釋的部分，如果出現(xiàn)負值，說明數據處理異常。同時，修正后的測量模型中殘差項均為正值、路徑系數符合標準、適配指標滿足要求，因此該模型整體擬合度良好，如表6所示。

a—未修正的測量模型;b—修正后的測量模型。圖3 測量模型的驗證性因子分析模型Fig.3 Confirmatory factor analysis models for measurement models

表5 未修正測量模型整體適配指標Table 5 Overall adaptation indexes of unmodified measurement models

表6 修正后模型整體適配指標Table 6 Overall adaptation indexes of modified models

5.2 結構模型的驗證性因子分析

5.2.1結構模型的一階驗證性因子分析

基于上文提出的研究假設構建結構模型，并利用結構模型的一階驗證性因子分析對各潛變量之間的假設進行檢驗，如圖4a所示。

a—未修正的一階結構模型;b—修正后的一階結構模型。圖4 結構模型的一階驗證性因子分析模型Fig.4 First-order confirmatory factor analysis models for structural models

對各潛變量之間進行驗證性因子分析，并計算出參數估計值，發(fā)現(xiàn)未修正的一階驗證性因子分析模型中F1→F2、F3→F6、F4→F6、F2→F6四個路徑的P值均大于0.05，未達到顯著水平，考慮刪除以上路徑，如表7所示。因此，對結構模型的一階驗證性因子分析模型進行修正，得到修正后結構模型，如圖4b所示。修正后的各潛變量之間的P值均小于0.05，達到顯著水平，修正后的一階驗證性因子分析模型的各個指標均符合表8中的適配標準，結構方程模型的擬合度良好。

表7 潛變量的參數估計值Table 7 Parameter prediction values of latent variables

表8 修正后一階驗證性因子分析模型的擬合指標Table 8 Fitting indexes for the analysis model of modified first-order confirmatory factors

5.2.2二階驗證性因子分析

根據修正后的一階結構模型中各潛變量之間的標準化路徑系數，發(fā)現(xiàn)各潛變量之間相關性強，修正后整體擬合度良好的模型仍具有較多觀測變量。因此，修正后一階結構模型的6個潛在因子存在一個更高層次的共同因子，即外因潛在變量為建筑業(yè)中BIM與新一代信息技術的應用與發(fā)展(F7)。然后，使用AMOS 24.0繪制二階驗證性因子分析模型，采用最大似然法對參數進行估計，分析結果如圖5所示。

圖5 結構模型的二階驗證性因子分析模型Fig.5 Second-order confirmatory factor analysis models for structural models

二階驗證性因子分析模型各指標均符合標準，結構方程模型的擬合度良好，如表9所示。并且，二階驗證性因子分析模型的P值均小于0.05，達到顯著水平，如表10所示。

表9 二階驗證性因子分析模型的擬合指標Table 9 Fitting indexes of the second-order confirmatory factor analysis model

表10 二階驗證性因子分析的參數估計值Table 10 Parametic predication values for the analysis of second-order confirmatory factors

5.3 結構方程模型檢驗結果

通過對測量模型和結構模型的驗證性因子分析結果可知，模型的整體擬合度良好。因此，本文構建的結構方程模型是合理的，通過標準化的路徑系數進行評價，對各變量之間的相關性進行檢驗，研究假設的驗證結果如下：

1)假設1：F1、F2、F3、F4、F5、F6對F7均存在正相關關系，路徑系數范圍在0.2～0.9之間，P值顯示效果顯著，假設成立。

在信息集成服務平臺中BIM與新一代信息技術融合實現(xiàn)的功能、新一代信息技術在建筑業(yè)的應用程度、建筑信息化的發(fā)展趨勢、建筑工程項目管理信息化產品的特點、工程建造過程的現(xiàn)實情況及基于BIM的信息集成服務平臺的發(fā)展性均能促進建筑業(yè)中BIM與新一代信息技術的應用與發(fā)展。

2)假設2：F1對F4存在正相關關系，路徑系數為0.17，P值顯示效果顯著，假設成立。

3)假設3：F1對F6存在正相關關系，路徑系數為0.63，P值顯示效果顯著，假設成立。

在信息集成服務平臺中BIM與新一代信息技術融合實現(xiàn)的功能可以增強建筑工程項目管理信息化產品設計開發(fā)能力、增加市場影響力，從而凸顯建筑工程項目管理信息化產品的特點以及促進基于BIM的信息集成服務平臺的發(fā)展。

4)假設4：F3對F4存在正相關關系，路徑系數為0.59，P值顯示效果顯著，假設成立。

5)假設5：F3對F5存在正相關關系，路徑系數為0.78，P值顯示效果顯著，假設成立。

建筑信息化的發(fā)展促進行業(yè)轉型升級，為建筑工程項目管理信息化產品提供了更開放的應用環(huán)境，使其更好地發(fā)揮產品特點，并改善工程建造中的現(xiàn)實情況。

6)假設6：F4對F2存在正相關關系，路徑系數為0.38，P值顯示效果顯著，假設成立。

建筑工程項目管理信息化產品的特點，有助于提高項目建設效率，促進新一代信息技術在建筑業(yè)中的應用。

7)假設7：F5對F1存在正相關關系，路徑系數為0.79，P值顯示效果顯著，假設成立。

工程建造過程的現(xiàn)實情況反映當前項目建造過程中存在的不足，對信息集成服務平臺提出相應需求，從而解決相關的工程問題。

8)假設8不成立。

9)假設9不成立。

10)假設10不成立。

11)假設11不成立。

6 結束語

結合建筑信息化技術在某一省級重點人才公寓項目中的應用，通過文獻查閱、專家訪談、實際調查等形式發(fā)現(xiàn)：BIM與新一代信息技術的應用對推動建筑業(yè)的進一步發(fā)展具有重要的影響，為解決行業(yè)內的低效率、低信息化、低透明度等問題提供了新的信息化解決手段。通過SPSS 26.0提取6個公共因子，分別是在信息集成服務平臺中BIM與新一代信息技術融合實現(xiàn)的功能(F1)、新一代信息技術在建筑業(yè)的應用程度(F2)、建筑信息化的發(fā)展趨勢(F3)、建筑工程項目管理信息化產品的特點(F4)、工程建造過程的現(xiàn)實情況(F5)及基于BIM的信息集成服務平臺的發(fā)展性(F6)，利用AMOS 24.0在六個公共因子與建筑業(yè)中BIM與新一代信息技術的應用與發(fā)展(F7)之間構建出適配度良好的結構方程模型，并進行假設驗證。研究結果發(fā)現(xiàn)：F1～F6對F7具有正向影響作用；F1對F4、F1對F6、F3對F4、F3對F5、F4對F2及F5對F1均存在正相關關系。因此，在建筑業(yè)中BIM與新一代信息技術的應用與發(fā)展值得研究。本次研究由于數據有限，分析維度不夠細化，今后可以從不同因素、不同維度進行完善。