蒙彦宇，吴 楠，朱重阳，孔令明

(1.北华大学土木与交通学院，吉林 吉林 132013；2.北华大学林学院，吉林 吉林 132013；3.吉林建筑大学研究生学院，吉林 长春 130118)

随着数字化、信息化、智能化技术的迅猛发展和BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术、理念的不断成熟，在建筑工程设计、施工、模型试验等方面应用BIM技术所带来的潜在价值也在日益凸显.从当前国内外BIM技术应用发展阶段来看，不仅要研究BIM 技术应用本身达成度及目标导向化问题，也需要分析影响BIM技术实施的关键因素[1-2].特别是近年来，作为一项综合性较强的技术，BIM技术在园林绿色建筑设计、结构施工、模型分析及试验研究中的应用受到了研究者的关注，已成为研究焦点.但与其他标准较统一的建筑方式相比较，将一项新的、综合性较强的BIM技术应用在园林建筑工程中，实现BIM技术与园林建筑工程的建筑设计、结构施工、模型试验等有效融合还存在许多瓶颈，开展相关BIM技术研究与应用仍存在很多障碍[3-5].因此，本文基于目前建筑工程中BIM技术研究与应用成果和相关技术标准、规范，充分考虑并结合风景园林建筑工程的特殊性，研究BIM技术在园林建筑工程设计阶段的应用程度及优先级，为实现BIM技术应用于园林建筑工程的目标导向化奠定理论基础和技术支持.

1 基于BIM技术应用的园林建筑工程设计优势

1.1 可视化设计

基于BIM模型的可视化设计较传统的二维CAD设计具有更大的优势.利用BIM进行建筑设计，点、线、面、体四合一，可在三维模型中充分展现.设计、技术和研究人员既可以通过三维立体图案预览设计成果，也可以直接在三维图形中修改设计内容；同时，BIM可以将改动的内容同步到二维平面图形中.因此，基于BIM技术的可视化设计与施工降低了设计、技术、研究人员空间想象的依赖程度，实现了园林建筑工程的可视化设计、施工、模型建立与试验研究的关联性、实时性、便捷性和高效性.

1.2 多专业协同设计

园林建筑工程具有复杂性、全面性及可观性等显著特点，对各专业的设计及技术要求也高于一般的建筑工程项目.传统的CAD技术面临各专业衔接困难、设计冲突多、整合及工作量大、协同设计不便捷等诸多难题，而基于BIM技术的多专业协同化设计使得结构设计、结构模型、试验研究以及机电等其他专业可以提前介入实质性工作，大大增强了各个专业的主动性，增强了实时在线工程信息传递的时效性和准确性，为实现园林建筑工程从无错阶段性设计、施工与试验研究到正常使用期直至服役期满全寿命周期的智能化协同工作提供了可靠的技术支持和理论依据.图1为基于传统模式的各专业孤立沟通，图2为基于BIM的各专业协同沟通.

图1基于传统模式的各专业孤立沟通Fig.1Isolated communication of various specialties based on traditional mode 图2基于BIM的各专业协同沟通Fig.2Collaborative communication among different disciplines based on BIM

对比图1和图2可以看出：BIM技术多专业协同的最大优势是为各专业提供了一个以建设工程领域专业技术和应用为核心的，数字化、实时在线、全阶段的协同工作共享平台，大大提高了设计质量、模型建立精确度和试验研究结果的准确性和有效性，这在CAD等传统模式下是无法实现的.

2 基于BSC理论影响BIM技术应用程度的维度确定

BSC是哈佛大学教授Robert Kaplan和诺朗顿研究院(Nolan Norton Institute)执行长David Norton提出的一种兼顾各方面影响因素的综合绩效评价体系.之后，Vanya Banabakova和Marin Georgiev深入研究了BSC的基本理论，其研究结果可以推广应用到其他研究领域[7].因此，BENTE AV等[8]、KORABLEVA ON等[9]、ROCO PB等[10]通过应用BSC理论对包含多方面影响因素的工作绩效进行了综合评价和实际工程案例分析，验证了BSC理论的潜在价值、有效性和实用性.

为了确定BIM技术对园林建筑工程设计各阶段的影响，本文通过BSC基本理论架构，围绕BIM技术对园林建筑工程设计的实现目标及影响程度，建立园林建筑工程设计阶段BIM应用所需的三维度条件，以期为BIM技术应用及设计阶段的影响因素分析奠定理论基础.

图3揭示了影响BIM技术应用及设计的三维度关联度.首先，在设计阶段，明确应用BIM技术的理由，以及应用BIM技术要实现的目标，只有在明确目标的前提下才能最大限度地发挥BIM技术的应用价值；其次，在园林建筑工程设计过程中，确定应用BIM技术的时间，进而确定价值大小；最后，明确BIM技术中哪个应用点对哪个目标应用程度最大、产生的应用价值最大.所建立的三维度分析条件可以有效避免BIM技术及相关资源的不必要投入，达成设计、技术人员在园林建筑设计、施工及模型建立和试验研究中目标的导向化，从而提高效率，降低成本.

3 基于BSC的BIM应用程度影响因素分析

为明确设计阶段BIM的应用优先级，本文利用所建立的园林建筑工程设计阶段影响BIM应用的三维度条件，进一步确定各维度间相互关联度的影响指标.

3.1 应用时期维度BIM应用程度的影响因素

目前，建筑行业对BIM技术的应用与实践起源于建筑设计.BIM应用对设计阶段影响的代表性研究成果体现在性能分析[11-14]、信息协同[15-17]、成本控制[18-21]等方面.通过设计阶段BIM技术应用价值及应用程度的研究成果可知，现有关于BIM技术应用的研究多是基于已有案例的定性分析，从影响因素出发定量分析 BIM 技术影响程度的研究成果还较少.为此，本文根据近年来对设计阶段BIM应用价值的研究文献，详细分析BIM技术在园林建筑设计各阶段的应用程度，明确BIM技术应用于设计阶段的影响因素和影响程度.

为进一步明确应用BIM技术对设计阶段的影响程度，根据文献[22]，将园林建筑设计分为方案设计、初步设计和施工图设计3个阶段，建立基于BIM应用价值的建筑设计流程图，分别研究BIM技术应用及影响程度.见图4.

由图4可知，在园林建筑工程设计各阶段都可借助BIM技术的强大功能，大大缩减设计变更的次数，为各专业便捷、高效地衔接提供保障，从而大幅减少园林建筑工程的设计工作量.

3.2 设计目标维度BIM应用程度的影响因素

研究BIM技术应用程度的前提是明确目标及确定影响BIM设计目标达成的影响因素.因此，只有明确设计过程中应用BIM所做工作及各项工作的制约条件，才能有计划、高效率地将综合性较强的BIM技术付诸实践，设计出符合性能要求、尺度不同的园林建筑或建筑小品等.这些影响因素主要包括以下几个方面：

3.2.1 生态因素

在园林建筑设计中引入生态学原理，进行生态设计是设计阶段的发展趋势[23].住房和城乡建设部的数据显示，我国建筑能耗占总能耗的比例将由最初的10%上升至35%左右.因此，生态因素是现代建筑工程应该重视的首要设计目标之一.

3.2.2 时间因素

由于园林建筑工程的复杂性，基于传统的二维CAD图纸设计会面临因工程量大、工程技术复杂、各专业间孤立等导致的设计拖沓、后期工程无法开展等问题.因此，缩短设计时间，进而缩短整个工程建设工期是BIM技术应用的目标之一.

3.2.3 经济因素

虽然绿色建筑的功能设计、造型甄选、方案展演和设计方法是影响其品质的关键，但经济因素也是设计阶段需要充分考虑的目标之一.对于园林建筑而言，建筑工程项目信息量庞大，影响经济成本的关键时期便是设计阶段.BIM技术协同设计，使孤立的设计环节集成为一个有机整体，减少了传统设计中不必要的重复工作，提高了建筑工程的信息利用率，解决了传统设计中各专业间信息利用率低、设计工作繁琐等诸多难题.

在设计阶段，应综合考虑以上3个目标，在BIM技术应用、协同与优化下，使整个建筑工程的设计流程更为集成化，在提高设计效率的同时，真正实现建筑的绿色节能设计.

3.3 应用点维度BIM技术应用的影响因素

基于BIM的协同设计巧妙地解决了传统CAD设计中的诸多难题.本文通过BIM技术对设计目标的辅助作用进行分析，见图5.

由图5所构建的BIM技术应用点对完成设计目标的辅助作用可知，设计人员依据BIM技术的协调原理，根据各自的设计目标，选择对应的应用点即可实现BIM技术的多维度应用，从而可以进一步优化设计成果，革新设计理念，提高设计效率.

4 基于AHP的BIM应用程度分析

上述BIM技术应用影响因素分析是定性分析，而在BIM技术应用中更应明确BIM技术应用在园林建筑工程设计各阶段的应用程度，即定量评定，这将有助于BIM技术应用目标导向化的精确实现.层次分析技术(Analytic Hierarchy Process，AHP)能够针对定性问题进行定量分析[24]，在处理多目标、多准则决策上具有简便、灵活、实用等特点，与BIM技术应用的多目标导向化问题相契合.因此，本文应用AHP建立了BIM技术应用于园林建筑工程设计阶段应用程度的定量评价模型，实现了BIM技术应用于园林建筑工程设计阶段由定性分析向定量评价的转换.

4.1 层次分析技术的计算步骤

4.1.1 构建评价BIM应用程度的层次结构模型

进行基于AHP的BIM技术影响程度评价首先需要将复杂的问题层次化；其次，需要明确评价指标体系中各指标的隶属关系及其在结构模型中所处的层次；最后，构建出符合评价BIM技术影响程度的层次结构模型.为了保证分析结果的有效性，将BSC三维度综合评价指标分别转换为AHP评价模型中的3个层次，建立BIM技术影响程度的层次评价模型，见图6.

1b12b13…b1nb211b33…b2nb31b321…b3n︙︙︙︙bn1bn2bn3…1

4.1.2 建立层次评价模型判断矩阵

根据已建立的层次结构模型，以上一层指标为基准，对比所研究层两两指标之间BIM技术应用的重要程度，按照九级标度制建立相应的比较取值表，从而构造出两两比较的判断矩阵，见图7.其中，bij=Bi/Bj，i，j=1,2,…，n.

4.1.3 确定判断矩阵各计算指标权重

根据构造出的指标间的两两判断矩阵，计算各指标权重：

1)对判断矩阵进行归一化计算.以矩阵A为例，矩阵A的归一化矩阵可写为

3)计算层次模型总排序权重.计算出每一层次各因素相对于上一层次中某个因素的权重后，用上一层次中该因素本身的数值即可计算出每一层次各因素相对于上一个层次的相对重要程度权重，最后建立各层次总排序.

4.1.4 各层次指标一致性检验

为了避免建立的BIM技术应用绩效各层次、各指标间发生矛盾，造成设计结果偏差，需要检验所构造判断矩阵的一致性，以检验判断指标重要结果的一致性.

1)计算一致性指标CI：

其中：λmax为最大特征根，其值为

2)查询随机一致性指标RI取值表，见表2[25].其中，当n≤2时，RI=0，说明所构造的矩阵通过了一致性检验.但是，当n≥3时，RI≠0，需要根据判断矩阵的阶数，查表找出对应的RI值，并通过CI、RI计算随机一致性比率CR，以此来检验所构造矩阵的一致性.

表2 随机一致性指标RI取值Tab.2 Random consistency index RI value

3)计算一致性比率CR：

根据一致性比率CR的计算结果确定判断矩阵的一致性检验是否符合标准.当CR<0.1时，判断矩阵的一致性检验符合标准；否则，需要修正判断矩阵，最终达到一致性要求.

4.2 基于AHP的BIM技术影响程度评定

基于AHP的园林建筑工程设计阶段BIM影响程度层次评价模型，邀请园林行业、建筑行业的设计、技术人员及BIM应用和研究专家对判断矩阵打分.按照4.1的评价步骤评价出各层次指标权重，见图8.图8表明，所有判断矩阵的一致性比率均小于0.1，通过了一致性检验，说明此数据真实有效，证明了本文所建立的评价BIM影响程度的层次评价模型是有效的.

4.2.1 设计目标维度BIM技术影响程度评定

分析BIM技术设计目标维度的指标权重，结果见图9.由图9可知：针对各设计目标，BIM技术应用中对节约、经济目标和时间目标的影响程度较大，分别达到了40%和48%.分析可知，不仅是因为基于BIM技术应用的工程量和工程造价计算比传统的计算结果精确，还因为通过BIM技术应用程度分析，在对设计内容进行碰撞检测、建筑性能模拟等方面都可以间接减少建设工程材料浪费和资源分散性，因此，实现了降低成本和缩短设计时间的目标.

研究结果也表明：对于生态化设计目标，虽然BIM技术应用的影响程度权重最小，但也达到了12%.这是因为，目前大部分设计人员习惯于依赖经验对建筑工程的生态性能、舒适度进行定性设计，而不是采用建筑信息数字化分析模拟的定量方式设计，这也在一定程度上反映出建筑模型数字信息在生态设计乃至整个绿色建筑设计定量化中的突出作用.

4.2.2 应用时期维度BIM技术影响程度评定

分析BIM技术应用时期维度的各指标权重，结果见图10.由图10可知：BIM技术在方案设计阶段的应用程度最小，而初步设计阶段的影响程度最大，两者相差43%.这主要因为基于BIM技术在园林建筑工程设计中的应用更加突显其可视化和协同性，这也使施工图设计阶段中的部分繁琐工作前置到初步设计阶段，进而大大降低了施工图设计阶段的工作量，这对园林建筑设计具有重要的指导意义.

4.2.3 应用点维度BIM技术影响程度评定

分析BIM技术应用点维度的各指标权重分布，结果见图11.由图11可见：“碰撞检测”的影响程度最大，这也进一步揭示了基于BIM技术在“碰撞检测”中的优势是传统CAD设计无法比拟的；其次是“精准估价”和“自动算量”，其影响程度所占权重都达到了21%，这是由于BIM技术的应用不仅节省了大量的计算时间，还提高了计算精度，展现了建筑信息模型参数化信息技术的便捷性；“渲染漫游”“图纸绘制”“建筑性能模拟”3个应用点的影响程度几乎相同，且得分占比较低.这是因为目前设计人员已经有很多比较成熟的设计手段及应用方式，因此，应用BIM技术进行图纸绘制不是必然选择；“渲染漫游”和“建筑性能模拟”影响程度较低是因为大部分园林行业设计人员依旧习惯于依赖自己的工作经验对工程进行生态设计，这也反映了园林建筑工程更需在生态、舒适度等方面提高对BIM技术信息化应用的程度.

5 BIM技术应用程度优先级确定

根据图11中各评价指标权重，计算BIM各应用点在各阶段的影响程度得分，从而确定BIM技术应用的优先级，见图12.由图12可知：从设计阶段的各个时期考虑，园林建筑工程应在初步设计阶段优先选择应用BIM技术，以发挥BIM技术的最大价值；从BIM技术应用点角度考虑，首先应重视BIM技术“碰撞检测”的应用，其次是“精准估价”和“自动算量”，最后是“渲染漫游”和“建筑性能模拟”.虽然从目前的应用程度看，BIM技术在整个设计阶段的影响程度不大，但对方案设计的影响相对明显.

6 结 论

1)BIM技术应用对降低成本和缩短设计时间两个目标的影响程度较大，对于时间成本和经济效益要求较高的工程设计应用BIM技术会收效显著.

2)BIM技术对园林建筑工程初步设计的影响最明显，在实际工程中，应重视在初步设计阶段应用BIM技术.

3)园林建筑工程设计阶段，“碰撞检测”是应用BIM技术的最大价值所在.设计过程中应首要应用BIM技术进行“碰撞检测”，避免在后续工作中发生冲突，从而间接节约资源和能源；其次，对“精准估价”和“自动算量”的影响程度不容忽视.虽然初步设计不需要生成最终的造价报告，但仍需要结合工程量调整设计内容；最后，设计单位可以根据自身工作环境、设计人员的工作能力，尽可能应用BIM技术进行建筑性能分析，实现最佳生态化设计.

本文基于BSC理论，应用AHP确定了BIM技术应用程度的各指标权重，研究了园林建筑工程设计阶段BIM技术的影响程度.研究成果有助于工作人员明确BIM技术对园林建筑工程设计的良性影响和BIM技术各应用点的优先级，以此发挥BIM技术的可持续性辅助设计作用.虽然本文所建立的BIM技术应用评价模型和优先级法评价的内容比较全面，但是定量评价的计算过程相对困难，选择更加简捷有效的方法评价园林建筑工程中全寿命周期的BIM技术影响程度是接下来的研究重点.