赵 军 王亚栋 高 宁 冀小辉 田 宇
(1.郑州大学土木工程学院，郑州 450001；
2.河南省第一建筑工程集团有限责任公司，郑州 450000；
3.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116038)
建筑业是我国经济的支柱型产业，2020年我国建筑业总产值占国民生产总值的26%左右，同比增长6.2%[1]，并且仍保持稳定的增长趋势。但是，和其他行业的盈利能力相比，中国建筑行业的利润率较低[2]。另外，建筑业长期存在一些传统建造模式难以解决的问题，如施工现场的监管技术水平有限，导致监管部门无法准确掌握施工项目的关键信息，也无法及时了解施工现场的实际状况，从而难以快速发现安全隐患并提供精准的解决方案[3]。因此，住建部在《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中提出，要全面提高建筑业信息化水平，着力增强建筑信息模型(BIM)、大数据、智能化、移动通信、云计算、物联网等信息技术集成应用能力，建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展，建成一体化行业监管和服务平台。同时，建筑信息化的普及不仅能够提高建筑施工的准确性和针对性，实现对建筑施工的动态管理，更能提高建筑业的整体发展及管理水平[4]。
BIM是利用数字化技术，将传统的二维平面设计图转化为三维数字化模型，并利用该模型储存建筑从设计、建造到运营维护的各种相关信息，以实现建筑的整个生命周期中各参与方在同一建筑信息模型基础上的数据共享，从而提高工程项目设计、建造、运营效率。BIM具有可视化、协调性、模拟性、一体化性、信息完备性以及可出图性等优点，可以有效解决建筑业效率低的问题[5]。根据美国斯坦福大学综合设施工程(IFF)中心的研究发现：BIM技术的使用，能使业主主观要求以外的变更减少40%以上；
基于BIM构件统计基础上的造价估算误差控制在3%左右，投资估算时间更是大大降低80%；
而碰撞检测为业主节省的成本可达合同金额的10%左右；
项目建造所花的时间也可节省约7%[6]。
在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中将新一代信息技术分为通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和云计算等高端软件[7]。通过与新一代信息技术的融合，BIM将被赋予新的功能，从而在不同的场景中更好的应用，并能够极大地推动建筑业向智能化、信息化转型升级，为建筑业提质增效、节能环保创造条件。万玲等构建了基于BIM+物联网的建筑物资采购管理平台，该平台由基础层、资源层、支撑层和应用层组成，可实现建筑物资智能化采购，提升建筑物资采购的效益[8]。Wu等开发的物联网与BIM技术融合的建筑信息平台，可以避免物联网网络中的单点故障，并为BIM模型修改提供实时信息来源[9]。宋晓刚等提出施工安全智能管理平台建设方案，采用5G技术来应对建筑业特殊的场景化诉求，搭建施工现场的规模组网，满足于施工环境复杂、人员流动性大等建筑业各业务场景的数据传输，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[10]。马良等分析了区块链结合BIM技术对建设工程设计、施工、运维阶段产生的影响，指出区块链可以解决行业中的信任与验证的问题[11]。Kumar等提出了一个自动化的框架创建动态站点布局模型，利用BIM技术、二人智能算法与遗传算法结合使用，以开发考虑现场人员和设备的实际行驶路径的优化[12]。陈刚等借助移动传感、物联网、BIM、大数据等信息化技术，建立融流动人员、大型机械设备、重大危险源于一体的集成化管理系统，实现安全、技术、质量、进度、成本及绿色施工管理的数字化和智慧化升级[13]。张云翼在运维阶段引入BIM、云、大数据等新技术，实现建筑运维期能耗管理的数字化和智能化以及用能优化和节能控制[14]。可见，BIM与新一代信息技术的融合在建筑业中具有重要的研究意义和应用价值。
以某一省级重点人才公寓项目为例，将对BIM与新一代信息技术的应用进行研究，利用因子分析法借助SPSS 26.0软件(统计产品与服务解决方案软件)对样本数据进行量化处理，然后使用矩阵结构分析软件(AMOS 24.0软件)结合结构方程模型进行验证性分析，证明研究假设的合理性。
1.1 项目简介
该人才公寓项目的总建筑面积约为54.5万m2，合计17栋高层住宅楼，总概算约为33亿元。建筑主体中主楼地上为33层，地下3层车库，层高均为2.9 m，楼体规划高度为95.7 m。地下车库采用钢筋混凝土框架结构和天然地基承台基础，地上6层以下为现浇剪力墙结构，6层以上为预制装配式结构，基础为水泥-粉煤灰-碎石桩基平板式筏形基础。此项目采用装配式建筑EPC工程总承包模式，使用基于BIM的项目管理信息交互平台。
1.2 信息技术的应用场景
1.2.1安全管理
根据建立的BIM三维模型，对施工场地进行布置，合理安排塔吊、库房、加工厂地、临时建筑和生活区等的位置。从而解决了施工场地规划问题，减少了施工用地的占用，使施工现场平面布置紧凑合理且道路畅通，符合防火安全及文明施工的要求。同时，在三维模型中建立了施工现场安全体验区(图1)，对工作人员进行工程安全教育，从而培训工作人员规范操作流程，提高工作人员的安全意识，减少施工事故发生。
a—高空作业人员安全带规范使用体验区模拟;b—智能安全帽规范操作体验区模拟。图1 施工现场安全体验区模拟Fig.1 Safety experience areas on construction sites
1.2.2质量管理
结合项目管理信息交互平台的协同工作模块可使设计方和施工方对设计图纸和施工图纸进行共同会审，及时发现图中的相互矛盾、数据错误等问题，保证设计的可施工性，减少后期的设计变更，避免影响工程进度。
在传统模式下，工作人员在现场的巡检采用繁琐的纸质交底方法，实用性不强、留存困难、效率低下，可能导致各参建方对相关质量问题的责任划分不清晰，而出现相互推诿的现象。在本案例中，通过平台的检查部位模块，施工现场巡检人员手持移动设备对存在问题的部位进行拍照记录和情况描述，并形成电子资料上传系统。在质量检查模块中及时记录检查结果与整改时限、检查人员与检查时间、质量问题与责任处罚、整改人与复查人和核验人与通知人的相关信息。同时，在项目统计模块中基于上述信息进行数据分析，对质量问题的整改进度进行全过程实时管控。因此，项目管理人员可通过该系统及时了解施工现场存在的相关问题及其实际解决状况，可以对工程质量进行精细化动态管理。
1.2.3生产管理
根据项目管理信息交互平台生成施工进度总计划，并分解为周进度计划、月进度计划，进行施工任务精细化管理，将现场施工情况通过电子记录的方式上传至平台，对关键节点进行实时跟踪记录，且以此为依据分析各阶段的计划偏差，及时调整下一阶段的施工安排。
同时，通过施工进度模拟，将BIM模型载入，制定施工进度表，然后与模型集成计划出预制构件的安装工序及运输安排，结合项目管理信息交互平台的可视化功能，输出施工模拟动画，从而对施工进度不断改进。
根据工程计划、BIM模型、项目成本等信息，应用BIM模拟施工，了解任一时间段的工程实施状态、资金使用情况、资源消耗状况等，及时为施工过程各个环节提供准确的进度、物资、成本等数据，提升沟通和决策效率。
通过信息技术在项目中的应用，解决了建筑项目参与方众多、各专业之间需要高度的信息共享和协同合作等问题，提高了项目管理中的决策科学性、设计合理性、建造高效性，实现了项目建设全过程的有效管控。
由于BIM与信息化技术在装配式建筑工程中的应用时间有限，结合上述案例，发现在实际应用过程中存在一些问题，主要表现在以下几个方面：
信息难以及时收集：在案例中，由于信息技术应用程度高，建造环节复杂，工程质量要求高等原因，基于BIM的信息交互平台需要收集、归纳、分析的信息和数据体量庞大。然而，此项目应用在第4代通信技术的背景之下，导致信息数据传输速率较低、稳定性不足、时延较高，影响项目参与方之间的沟通与交流，对工作效率提升有限。如果采用第5代技术，在项目的建设过程中，信息不畅的问题可以得到解决，从而避免出现信息孤岛的现象。
信息透明度不高：在项目的信息化管理过程中参建方众多，因为一些主观因素，信息传输的及时性、准确性会受到影响，从而导致数据库中的数据与实际信息产生偏差，影响工程项目的施工进度、成本控制、质量安全等。通过BIM与区块链技术的结合，在联盟链上的参建方之间共享的信息将具有高透明、可追溯、不可篡改的特点，为资金结算提供依据，实现智能合约的功能。
信息交互平台完备性不足：目前项目管理信息交互平台主要应用在工程项目的设计和施工阶段，而在其他阶段并未得到充分应用，对建筑工程全生命周期的信息记载与描述不够完整。BIM不单是信息化的模型或建模技术，与新一代信息技术融合后可成为一种新理念、新方法、新平台。
在上述工程案例中使用的项目管理信息交互平台功能不足，须要进行二次开发，由于开发成本高、周期长、技术难度大，所以先通过理论分析验证二次开发的需求是否合理。因此，提出建筑工程全生命周期BIM信息集成服务平台(简称“BIM集成服务平台”)，此服务平台由BIM与新一代信息技术融合而形成，其中新一代信息技术特指云计算、物联网、区块链、大数据、人工智能、第5代通信技术(简称“BIM+6”技术)。
BIM集成服务平台运行框架总共包括5层，分别为基础设施层、数据层、模型数据交互层、平台应用层和平台服务层，如图2所示。通过基础设施层的基础设备可保证平台高效地收集工程建造过程中的信息和数据；
数据层将关键信息和公共信息分别存储在区块链数据库和其他数据库中，便于使用过程中的检索与提取；
在模型数据交互层利用“BIM+6”技术信息模型进行大数据处理，供平台应用层应用；
平台应用层对建筑工程全生命周期进行信息化管理；
在平台服务层对工程项目进行可视化动态管控。首先，对“BIM”集成服务平台的“BIM+6”技术的适用性进行理论研究，利用因子分析法和结构方程模型对样本数据进行探索性和验证性分析，从而确定研究假设是否成立。
图2 BIM集成服务平台运行框架Fig.2 An operation framework of BIM integrated service platforms
结合文献查阅、专家访谈、实际调查等形式明确各因素变量并将其归纳为5个维度，包括：BIM的认知程度、全过程询的认知程度、建筑工程相关问题、“BIM+6”技术的相关问题、信息集成服务平台的综合发展价值，如表1所示。
表1 调查内容Table 1 Research contents
根据因素变量设定调查内容，并采用Likert五点量表计分，将选项分别设置为完全不同意、比较不同意、不确定、比较同意、完全同意五个等级，相应地按照1、2、3、4、5来计分，题项的分值越高则代表受测者对相应题项的认可度越高。
4.1 数据来源
采取线上与线下两种调查方式，对建筑行业内的专家、教授、从业者进行访谈，受测人员主要来自高校、设计院、政府、施工、监理等相关大型企事业单位。
此次调查共计发出问卷280份，回收265份，其中有效问卷251份，有效回收率94.72%，受测者基本资料见表2。
表2 受测者基本资料Table 2 Information of subjects
4.2 样本数据检验
利用SPSS 26.0对此次调查的样本数据进行信度分析，问卷的信度系数α为0.954，调查结果具有良好的信度、可靠性、内部一致性[15-16]。在采用因子分析法之前需要检验样本数据是否适用，即效度检验。通过SPSS 26.0采用KMO检验法和巴特利特球度检验法，计算KMO值和显著性概率值(P值)。经检验，样本数据的KMO值为0.948，P值趋于0，测算结果表明此样本数据的各因素变量之间具有较强的相关性，可采用因子分析法进行研究分析。
4.2.1提取公共因子
首先使用主成分分析法对样本数据进行特征值求解，再利用SPSS 26.0分析得出总方差解释，见表3。按照特征值大于1的提取原则，提取前6个因子作为公共因子，并且前6个公共因子的累计方差贡献率达73.54%，可概括大多数的因素变量，基本反映出样本数据的本质信息。
表3 总方差解释Table 3 Total variance interpretation
4.2.2公因子解释
通过方差最大正交旋转变换后得到旋转后的成分矩阵，得出各公共因子承载的指标信息，识别出重要的因素变量，同时更好地了解因素变量之间的关系。当样本数据的载荷值大于0.5时，则具有有效的解释力度，相关的因素变量可归纳为相应的公共因子。在样本数据旋转后的成分矩阵中，X16的载荷值具有两个符合解释要求的因子，则存在概念模糊的现象；
X20载荷值均未达到有效的解释力度，所以将X16、X20因素变量删除，因此，各公共因子包含的因素变量如表4所示。
表4 公共因子解释Table 4 Common factor interpretation
4.3 研究假设
通过6个公共因子(F1、F2、F3、F4、F5、F6)所包含因素变量的共同特征对其命名，分别为在信息集成服务平台中BIM与新一代信息技术融合实现的功能、新一代信息技术在建筑业的应用程度、建筑信息化的发展趋势、建筑工程项目管理信息化产品的特点、工程建造过程的现实情况及基于BIM的信息集成服务平台的发展性。同时，选取上述6个公共因子作为内因潜在变量，建筑业中BIM与新一代信息技术的应用与发展(F7)作为外因潜在变量，并作出如下假设：
假设1：F1、F2、F3、F4、F5、F6对F7均有正向影响作用；
假设2：F1对F4具有正向影响作用；
假设3：F1对F6具有正向影响作用；
假设4：F3对F4具有正向影响作用；
假设5：F3对F5具有正向影响作用；
假设6：F4对F2具有正向影响作用；
假设7：F5对F1具有正向影响作用；
假设8：F1对F2具有正向影响作用；
假设9：F3对F6具有正向影响作用；
假设10：F4对F6具有正向影响作用；
假设11：F2对F6具有正向影响作用。
5.1 测量模型的验证性因子分析模型构建及验证
利用最大似然法对测量模型进行参数评估，根据路径系数和拟合指标判断观测变量与潜在变量的拟合程度。根据各变量之间的相关关系，得出此测量模型的适配性。Hair等提出：在评鉴模型拟合度之前，必须先进行“违犯估计”的检验，衡量违犯估计的指标通常是存在负误差方差、标准化指数超过或太接近1[17]。
测量模型中不存在负的误差方差，且标准化系数的绝对值皆未超过0.95，表明此模型并未发生违犯估计，可以进行整体模型拟合度的检验，如图3所示。然而，未修正测量模型的部分指标未达到要求，适配度较差，如表5所示。根据AMOS 24.0提供的模型修正指数按照从大到小逐一修正，修正后测量模型的适配指标均符合适配标准。测量模型中，e表示变量间的残差项，反映了结构方程中未能被解释的部分，如果出现负值，说明数据处理异常。同时，修正后的测量模型中残差项均为正值、路径系数符合标准、适配指标满足要求，因此该模型整体拟合度良好，如表6所示。
a—未修正的测量模型;b—修正后的测量模型。图3 测量模型的验证性因子分析模型Fig.3 Confirmatory factor analysis models for measurement models
表5 未修正测量模型整体适配指标Table 5 Overall adaptation indexes of unmodified measurement models
表6 修正后模型整体适配指标Table 6 Overall adaptation indexes of modified models
5.2 结构模型的验证性因子分析
5.2.1结构模型的一阶验证性因子分析
基于上文提出的研究假设构建结构模型，并利用结构模型的一阶验证性因子分析对各潜变量之间的假设进行检验，如图4a所示。
a—未修正的一阶结构模型;b—修正后的一阶结构模型。图4 结构模型的一阶验证性因子分析模型Fig.4 First-order confirmatory factor analysis models for structural models
对各潜变量之间进行验证性因子分析，并计算出参数估计值，发现未修正的一阶验证性因子分析模型中F1→F2、F3→F6、F4→F6、F2→F6四个路径的P值均大于0.05，未达到显著水平，考虑删除以上路径，如表7所示。因此，对结构模型的一阶验证性因子分析模型进行修正，得到修正后结构模型，如图4b所示。修正后的各潜变量之间的P值均小于0.05，达到显著水平，修正后的一阶验证性因子分析模型的各个指标均符合表8中的适配标准，结构方程模型的拟合度良好。
表7 潜变量的参数估计值Table 7 Parameter prediction values of latent variables
表8 修正后一阶验证性因子分析模型的拟合指标Table 8 Fitting indexes for the analysis model of modified first-order confirmatory factors
5.2.2二阶验证性因子分析
根据修正后的一阶结构模型中各潜变量之间的标准化路径系数，发现各潜变量之间相关性强，修正后整体拟合度良好的模型仍具有较多观测变量。因此，修正后一阶结构模型的6个潜在因子存在一个更高层次的共同因子，即外因潜在变量为建筑业中BIM与新一代信息技术的应用与发展(F7)。然后，使用AMOS 24.0绘制二阶验证性因子分析模型，采用最大似然法对参数进行估计，分析结果如图5所示。
图5 结构模型的二阶验证性因子分析模型Fig.5 Second-order confirmatory factor analysis models for structural models
二阶验证性因子分析模型各指标均符合标准，结构方程模型的拟合度良好，如表9所示。并且，二阶验证性因子分析模型的P值均小于0.05，达到显著水平，如表10所示。
表9 二阶验证性因子分析模型的拟合指标Table 9 Fitting indexes of the second-order confirmatory factor analysis model
表10 二阶验证性因子分析的参数估计值Table 10 Parametic predication values for the analysis of second-order confirmatory factors
5.3 结构方程模型检验结果
通过对测量模型和结构模型的验证性因子分析结果可知，模型的整体拟合度良好。因此，本文构建的结构方程模型是合理的，通过标准化的路径系数进行评价，对各变量之间的相关性进行检验，研究假设的验证结果如下：
1)假设1：F1、F2、F3、F4、F5、F6对F7均存在正相关关系，路径系数范围在0.2～0.9之间，P值显示效果显著，假设成立。
在信息集成服务平台中BIM与新一代信息技术融合实现的功能、新一代信息技术在建筑业的应用程度、建筑信息化的发展趋势、建筑工程项目管理信息化产品的特点、工程建造过程的现实情况及基于BIM的信息集成服务平台的发展性均能促进建筑业中BIM与新一代信息技术的应用与发展。
2)假设2：F1对F4存在正相关关系，路径系数为0.17，P值显示效果显著，假设成立。
3)假设3：F1对F6存在正相关关系，路径系数为0.63，P值显示效果显著，假设成立。
在信息集成服务平台中BIM与新一代信息技术融合实现的功能可以增强建筑工程项目管理信息化产品设计开发能力、增加市场影响力，从而凸显建筑工程项目管理信息化产品的特点以及促进基于BIM的信息集成服务平台的发展。
4)假设4：F3对F4存在正相关关系，路径系数为0.59，P值显示效果显著，假设成立。
5)假设5：F3对F5存在正相关关系，路径系数为0.78，P值显示效果显著，假设成立。
建筑信息化的发展促进行业转型升级，为建筑工程项目管理信息化产品提供了更开放的应用环境，使其更好地发挥产品特点，并改善工程建造中的现实情况。
6)假设6：F4对F2存在正相关关系，路径系数为0.38，P值显示效果显著，假设成立。
建筑工程项目管理信息化产品的特点，有助于提高项目建设效率，促进新一代信息技术在建筑业中的应用。
7)假设7：F5对F1存在正相关关系，路径系数为0.79，P值显示效果显著，假设成立。
工程建造过程的现实情况反映当前项目建造过程中存在的不足，对信息集成服务平台提出相应需求，从而解决相关的工程问题。
8)假设8不成立。
9)假设9不成立。
10)假设10不成立。
11)假设11不成立。
结合建筑信息化技术在某一省级重点人才公寓项目中的应用，通过文献查阅、专家访谈、实际调查等形式发现：BIM与新一代信息技术的应用对推动建筑业的进一步发展具有重要的影响，为解决行业内的低效率、低信息化、低透明度等问题提供了新的信息化解决手段。通过SPSS 26.0提取6个公共因子，分别是在信息集成服务平台中BIM与新一代信息技术融合实现的功能(F1)、新一代信息技术在建筑业的应用程度(F2)、建筑信息化的发展趋势(F3)、建筑工程项目管理信息化产品的特点(F4)、工程建造过程的现实情况(F5)及基于BIM的信息集成服务平台的发展性(F6)，利用AMOS 24.0在六个公共因子与建筑业中BIM与新一代信息技术的应用与发展(F7)之间构建出适配度良好的结构方程模型，并进行假设验证。研究结果发现：F1～F6对F7具有正向影响作用；
F1对F4、F1对F6、F3对F4、F3对F5、F4对F2及F5对F1均存在正相关关系。因此，在建筑业中BIM与新一代信息技术的应用与发展值得研究。本次研究由于数据有限，分析维度不够细化，今后可以从不同因素、不同维度进行完善。