杜戰(zhàn)軍，吳繼峰，任子健，溫慶杰

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州 451450；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

建筑信息模型(BIM)技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)化工具已經(jīng)在許多國家應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理，可以數(shù)字化構(gòu)建建筑物的精確虛擬模型，BIM包含精確的幾何形狀和相關(guān)數(shù)據(jù)，支持實現(xiàn)建筑物所需的設(shè)計、采購、制造和施工活動[2]。BIM技術(shù)注重在全生命周期中各個項目參與方的協(xié)同工作及共同設(shè)計、規(guī)劃成本進度，以及發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題[3]。最近BIM研究重點由生命周期前期轉(zhuǎn)移到維護、翻新、重構(gòu)和拆除[4]。王廣斌等[5]采用共詞分析法梳理2002年～2012年間BIM領(lǐng)域研究熱點及其演化趨勢，研究時間段較早，研究方法較單一。ZHAO X[6]采用合著者分析、共詞分析和共引分析，對2005年～2016年全球BIM研究進行了科學(xué)計量研究，但其研究樣本數(shù)量偏少。朱記偉[7]運用知識圖譜分析了2008年～2016年國內(nèi)外BIM研究熱點、知識基礎(chǔ)及演進趨勢。近年來，國際和國內(nèi)的BIM發(fā)展日新月異，但對BIM行業(yè)重要領(lǐng)域和發(fā)展趨勢所做研究仍相對較少，有必要對近年國際和國內(nèi)BIM領(lǐng)域的前沿?zé)狳c及發(fā)展趨勢進行對比分析。

本文基于科學(xué)計量學(xué)理論的可視化分析方法，采用共詞分析及聚類分析法對2010年～2020年國際和國內(nèi)BIM文獻進行對比分析，從國際和國內(nèi)BIM研究熱點及BIM演進趨勢兩個角度揭示BIM研究領(lǐng)域在國際及國內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢和未來研究方向，為深入研究BIM領(lǐng)域的學(xué)者提供借鑒和參考，幫助相關(guān)學(xué)者和從業(yè)人員了解國內(nèi)外BIM研究熱點差異，確定重點關(guān)注的研究方向。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

科學(xué)計量學(xué)可通過定量分析科學(xué)文獻了解研究領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢，近年來已成為評估單個研究人員、部門、學(xué)院、大學(xué)、國家和期刊的研究績效的最常用方法之一[8]。文獻計量學(xué)和科學(xué)計量學(xué)都以文獻作為計量研究對象，文獻計量學(xué)的研究方法同樣可用于科學(xué)計量學(xué)研究。文獻計量學(xué)分析可采用共詞分析和聚類分析方法實現(xiàn)。共詞分析對一組詞兩兩統(tǒng)計它們在同一組文獻中出現(xiàn)的次數(shù)，通過統(tǒng)計共現(xiàn)次數(shù)來測度它們之間的親疏關(guān)系。共詞分析既可有效地映射文本數(shù)據(jù)中信息項之間的關(guān)聯(lián)強度，也可直接根據(jù)關(guān)鍵詞的交互作用映射相關(guān)文獻。因此，用于描述文獻內(nèi)容的關(guān)鍵詞可用作研究領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)建塊[9]。而聚類分析是將個體或?qū)ο蠓诸?，使得同一類中的對象之間的凝聚性比其他類的對象之間凝聚性更強[10]。聚類分析依據(jù)事物的數(shù)值特征計算各個變量或樣品之間的親疏關(guān)系，將同質(zhì)性強的變量歸為一類，因此分析結(jié)果直觀，結(jié)論形式簡明。本研究將首先采用共詞分析法得到關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)強度，然后采用聚類分析法將共詞分析結(jié)果網(wǎng)絡(luò)識別為不同的知識領(lǐng)域，用以識別和判斷研究領(lǐng)域的熱點。

1.2 數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理

為保證研究數(shù)據(jù)全面及可信度，選擇Web of Science核心數(shù)據(jù)集(國際最大的數(shù)據(jù)庫)和中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫作為國際和國內(nèi)BIM分析數(shù)據(jù)來源。首先通過主題詞篩選檢索近10年(2010年～2020年)的期刊論文，分別得到9179篇和2309篇文獻。為了使聚類結(jié)果符合實際情況，排除兩個數(shù)據(jù)庫中土木工程專業(yè)領(lǐng)域之外的文獻，同時也排除會議論文、會議摘要和編輯資料的文獻。最終選擇Web of Science數(shù)據(jù)庫的1351篇國際文獻和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的1881篇國內(nèi)文獻進行對比分析。

在關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類分析過程中主要采用Citespace軟件進行數(shù)據(jù)分析。Citespace是基于共引分析理論(co-ciation)和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法(pathFinder)等理論的用于科學(xué)文獻分析的可視化工具，可通過計量特定領(lǐng)域的文獻探尋該學(xué)科的演化趨勢及知識拐點，并構(gòu)建可視化圖譜以分析學(xué)科熱點、揭示前沿趨勢[11]。

2 研究熱點分析

研究主題的分布及演化能夠辨識出該領(lǐng)域在不同時間段內(nèi)的研究熱點及研究前沿的變化，而關(guān)鍵詞是表達文獻主題概念的自然語言詞匯，通過關(guān)鍵詞的共詞分析可以揭示本領(lǐng)域的研究熱點及演化趨勢。在Citespace軟件中選擇“Keyword”為分析節(jié)點，生成高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜并對關(guān)鍵詞進行聚類，可分別對國際及國內(nèi)研究熱點進行分析對比。

2.1 國際BIM領(lǐng)域研究熱點

在生成的國際關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜中，包含493個關(guān)鍵詞節(jié)點以及節(jié)點之間的1638條連線，如圖1所示。圖1中每個關(guān)鍵詞節(jié)點大小代表共現(xiàn)的頻率，節(jié)點顏色由紫到紅表明共現(xiàn)時間由遠及近。節(jié)點之間的連線代表關(guān)鍵詞共現(xiàn)的強度，節(jié)點之間的連線越粗，表明關(guān)鍵詞的聯(lián)系越緊密。連線的顏色代表該共現(xiàn)關(guān)系首次發(fā)生的年份。突現(xiàn)詞用紅色圈標(biāo)注出來，表明該關(guān)鍵詞在一段時間內(nèi)受到廣泛關(guān)注。

圖1 國際BIM研究高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

依據(jù)Citespace軟件處理結(jié)果，在得到的493個高頻關(guān)鍵詞中對含義相近的關(guān)鍵詞進行人工整理合并，有些詞意相同但拼寫方式存在差異可做進一步整合，如將“bim”“building information modeling”“building information modelling”“building information model”統(tǒng)一整合為“bim”。Freeman于1977年提出中介中心性(Betweenness Centrality)的概念，用于衡量網(wǎng)絡(luò)圖譜中每個關(guān)鍵詞的地位，在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜中關(guān)鍵詞聯(lián)系緊密程度越高則中介中心性越大[12]。鑒于篇幅限制，僅選取頻次排名前20的高頻關(guān)鍵詞列入表1。

表1 國際BIM研究高頻關(guān)鍵詞(頻次>49)

由圖1和表1可以看出，國際BIM研究熱點以主題詞“BIM”為中心，其他出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞有“design”“construction”“system”“management”“model”等，這些關(guān)鍵詞即現(xiàn)階段的研究熱點。其中，“construction”共現(xiàn)年份最多，說明現(xiàn)階段BIM技術(shù)更多的應(yīng)用于施工階段?！癲esign”共現(xiàn)頻率最高，表明目前仍以BIM產(chǎn)品設(shè)計、BIM框架模式等BIM相關(guān)設(shè)計研究為主。另外，將BIM運用于項目管理及模型等方面研究也占很大比例。在圖1中，各高頻關(guān)鍵詞之間排布緊湊，集中性較強，表明各個研究熱點之間聯(lián)系緊密，彼此之間具有較強的解釋性。

運用Citespace對國際BIM領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞進行聚類，得到關(guān)鍵詞聚類的網(wǎng)絡(luò)圖譜如圖2所示，各個聚類之間聯(lián)系緊密，呈放射狀分布。將排名前13的聚類分析結(jié)果作為目前國際BIM領(lǐng)域研究熱點前沿，2010年～2020年國際BIM領(lǐng)域研究熱點突出表現(xiàn)在以下幾方面。

圖2 國際BIM研究高頻關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜

(1)建筑行業(yè)信息化：聚類#0、#1、#8、#11表明目前國際BIM領(lǐng)域仍注重實現(xiàn)建筑行業(yè)信息化。具體來說，建筑自動化系統(tǒng)[13]、云計算[14]、拓撲信息提取模型[15]、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換[16]、工程模型設(shè)計分析等為近10年國際上研究熱度較高的方向。

(2)能源消耗低碳化：官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，建筑工程領(lǐng)域仍然是主要的能源消耗者。聚類#7說明能源消耗是目前國外BIM領(lǐng)域的重要研究方向。聚類#9是指碳的能源消耗，目前BIM技術(shù)不僅僅運用在建筑使用階段以降低能耗，在物料運輸和施工方面采用BIM技術(shù)來降低碳排放量更值得研究者關(guān)注[17]。

(3)施工過程智慧化：聚類#2、#3、#12表明將BIM技術(shù)用于建筑施工過程在國際BIM領(lǐng)域得到了廣泛研究。BIM技術(shù)憑借其可視化，協(xié)調(diào)性及模塊化等優(yōu)勢在施工安全[18]、施工進度監(jiān)控[19]、施工模擬[20]等方面作用明顯，在未來仍是國際研究熱點。

2.2 國內(nèi)BIM領(lǐng)域研究熱點

采用Citespace軟件生成國內(nèi)BIM研究高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，包含526個關(guān)鍵詞節(jié)點以及節(jié)點之間的1104條連線，如圖3所示。在得到的526個高頻關(guān)鍵詞中對含義相近的關(guān)鍵詞進行篩選，剔除關(guān)聯(lián)性弱的詞匯，得到頻次排名前20的高頻關(guān)鍵詞見表2。

圖3 國內(nèi)BIM研究高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

從圖3可以看出，國內(nèi)BIM研究熱點呈現(xiàn)出多點突現(xiàn)，研究分散的局面。突現(xiàn)詞較多，表明近10年國內(nèi)BIM領(lǐng)域關(guān)注的熱點較多，各個熱點之間的關(guān)聯(lián)性較弱。表2顯示國內(nèi)BIM研究熱點除了主題詞“BIM”外，其他出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞有“信息化”“應(yīng)用”“可視化”“裝配式建筑”等，這些關(guān)鍵詞即現(xiàn)階段研究熱點。從頻次上看大部分關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率較低，表示各個熱點研究并非十分深入，各個研究方向仍處于新興階段，研究前景廣闊。

表2 國內(nèi)BIM研究高頻關(guān)鍵詞(頻次>25)

繼續(xù)對國內(nèi)BIM領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞進行聚類，高頻關(guān)鍵詞共生成15個聚類，如圖4所示。由高頻詞分析和聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜可以總結(jié)得到國內(nèi)BIM研究呈現(xiàn)以下3個特征。

圖4 國內(nèi)BIM研究高頻關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜

(1)多領(lǐng)域發(fā)展：國內(nèi)BIM技術(shù)應(yīng)用由最初的房屋建筑領(lǐng)域逐漸擴大到城市軌道交通[21]、公路、橋梁、高層建筑及機電管線。近10年我國BIM技術(shù)正在向多專業(yè)多領(lǐng)域普及。

(2)新技術(shù)結(jié)合：隨著新技術(shù)在國內(nèi)不斷發(fā)展，BIM技術(shù)與云計算、虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、物聯(lián)網(wǎng)[22]和地理信息系統(tǒng)(GIS)等新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用越來越廣泛。其中GIS共現(xiàn)頻次較高，說明其與BIM技術(shù)結(jié)合前景廣闊[23]。

(3)多方位管理：國內(nèi)BIM技術(shù)逐漸由前期項目規(guī)劃應(yīng)用向?qū)嶋H項目管理應(yīng)用傾斜。施工管理、運維管理、施工模擬和安全管理等突現(xiàn)詞表明BIM技術(shù)正在越來越多地參與到項目實施進程中，通過構(gòu)建綜合信息化管理平臺對施工進程進行多方位管理[24]。

2.3 國際與國內(nèi)BIM領(lǐng)域研究熱點對比

從BIM研究熱點圖譜來看，國際BIM研究在理論方面研究比國內(nèi)更加深入，各個熱點彼此解釋性較強，研究程度相對成熟。而國內(nèi)研究熱點較為分散，具有同一時期多個熱點同時出現(xiàn)的特征。國內(nèi)憑借政策因素及巨大的市場潛力在BIM應(yīng)用層面形式更加多樣化，與云計算、VR、AR和GIS等新技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用得到快速發(fā)展，反映國內(nèi)在BIM應(yīng)用研究層面更加突出，應(yīng)用范圍也更加廣泛。從BIM研究內(nèi)容來看，國內(nèi)和國際BIM領(lǐng)域研究的相同點在于注重建筑行業(yè)的信息化發(fā)展。國內(nèi)BIM應(yīng)用研究側(cè)重于設(shè)計和施工階段，運維階段研究較少[25]，在綠色節(jié)能方面研究相對不足，而國際BIM研究在可持續(xù)性發(fā)展方面熱點較多。

3 演進趨勢分析

3.1 國際BIM領(lǐng)域演進趨勢分析

在Citespace軟件中選擇“Keyword”為分析節(jié)點，生成國際BIM研究熱點時區(qū)圖，如圖5所示。

圖5 國際BIM研究熱點時區(qū)圖

從圖5可知，國際BIM領(lǐng)域在近10年的發(fā)展是從數(shù)據(jù)收集到信息集成再到知識管理的過程。2010年～2011年的研究重在模型的構(gòu)建研究以及不同模型之間互操作性的探究，注重工程圖紙的可視化三維化。在2012年開始對BIM信息化的應(yīng)用的研究增多。2012年～2016年間注重BIM信息化研究的過程，不僅僅關(guān)注模型的研究，更加注重信息共享。主要變化趨勢為：(1)從物理模擬到虛擬模擬。相關(guān)關(guān)鍵詞為：simulation(模擬)，3d(三維)，implementation(實施)；(2)從本地到云端。相關(guān)關(guān)鍵詞為：web service(網(wǎng)絡(luò)服務(wù))、point cloud(點云)；(3)注重建筑與環(huán)境和諧共生。相關(guān)關(guān)鍵詞為：sustainability(可持續(xù)性)，green building(綠色建筑)，prefabrication(預(yù)制)。在2017年～2020年，在原有信息化研究的基礎(chǔ)上，開始出現(xiàn)知識管理的研究，運用BIM將復(fù)雜海量的信息進行整合，形成行業(yè)知識系統(tǒng)?？梢灶A(yù)測，未來BIM技術(shù)的發(fā)展將會是高度信息化且知識化。

3.2 國內(nèi)BIM領(lǐng)域演進趨勢分析

采用Citespace軟件生成國內(nèi)BIM研究熱點時區(qū)圖，如圖6所示。總體來看，國內(nèi)近10年BIM研究呈現(xiàn)從致力于可視化到逐漸智慧化、從單一行業(yè)應(yīng)用到多行業(yè)發(fā)展的態(tài)勢。

圖6 國內(nèi)BIM研究熱點時區(qū)圖

2010年～2011年，國內(nèi)BIM發(fā)展仍主要致力于實現(xiàn)項目模型的可視化，注重三維可視化展現(xiàn)方案設(shè)計及生成階段性效果圖，但與真正的設(shè)計方案之間都存在很大差距。2012年～2015年，建筑信息化在國內(nèi)被提上日程，逐漸成為關(guān)注熱點。在此階段，BIM技術(shù)主要側(cè)重在施工階段的應(yīng)用。如關(guān)鍵詞：施工技術(shù)、碰撞檢查和施工模擬等。同時，開始向基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域方向拓展，城市軌道交通、地鐵等關(guān)鍵詞成為研究熱點。2016年～2018年，隨著國家政策扶持及國際大環(huán)境的影響，國內(nèi)BIM領(lǐng)域開始注重綠色低碳的理念，強調(diào)全生命周期的應(yīng)用，裝配式建筑憑借其低碳高效的特點成為此階段BIM技術(shù)應(yīng)用的一大研究熱點，越來越多的建設(shè)項目開始將BIM技術(shù)應(yīng)用于項目管理。2018年～2020年，智慧化成為國內(nèi)BIM領(lǐng)域的上升熱點。由關(guān)鍵詞：智慧工地、海綿城市、智能建造可以看出，通過BIM技術(shù)致力于實現(xiàn)智慧建造、智慧管理、智慧運維等功能，且在國內(nèi)開始強調(diào)利用BIM實現(xiàn)正向設(shè)計的理念[26]。我國BIM研究正在轉(zhuǎn)向多技術(shù)深入融合，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的道路。

3.3 國際與國內(nèi)BIM領(lǐng)域演進趨勢對比

從研究演進趨勢來看，國際BIM研究在近10年的發(fā)展是從數(shù)據(jù)收集到信息集成再到知識管理的過程。國內(nèi)BIM研究從致力于可視化到逐漸智慧化，從單一行業(yè)應(yīng)用到多行業(yè)發(fā)展的態(tài)勢。2010年～2011年，國際和國內(nèi)都注重于BIM在施工中的可視化應(yīng)用以及協(xié)同設(shè)計，不同的是國際BIM研究偏重于BIM框架系統(tǒng)的構(gòu)建(關(guān)鍵詞：system、framework)，國內(nèi)BIM仍以實現(xiàn)模型可視化為主(關(guān)鍵詞：可視化)，對系統(tǒng)架構(gòu)并未有深入的研究。2012年～2016年，國際和國內(nèi)BIM領(lǐng)域研究顯著升溫。在這個階段信息化是國際和國內(nèi)BIM領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點。國外更加注重建筑信息的共享(關(guān)鍵詞：information exchange)，全生命周期評估是此階段最受關(guān)注的主題。國內(nèi)BIM研究呈現(xiàn)向多專業(yè)擴展的趨勢(關(guān)鍵詞：城市軌道交通、高層建筑、橋梁工程)，注重深化設(shè)計及施工階段的項目管理。2017年～2020年，國際和國內(nèi)BIM發(fā)展逐漸由工具載體向深化管理方向邁進。國外更加注重可持續(xù)發(fā)展的理念(關(guān)鍵詞：energy consumption、sustainable development)，碳排放成為研究熱點。反觀國內(nèi)智慧化成為BIM領(lǐng)域研究熱點，從智慧工地到智能建造，且在設(shè)計階段開始注重正向設(shè)計。

4 結(jié)論及展望

采用Citespace軟件繪制科學(xué)知識圖譜，通過共詞分析和聚類分析法對比國內(nèi)外BIM研究，總結(jié)最近10年快速發(fā)展階段BIM研究的熱點及演進趨勢如下。

(1)從研究熱點角度來看，國際BIM研究相關(guān)熱點之間聯(lián)系緊密，彼此解釋性較強，在BIM理論層面研究更加深入。研究熱點表現(xiàn)出建筑行業(yè)信息化、能源消耗低碳化、施工過程智慧化的特征。國內(nèi)BIM研究熱點呈現(xiàn)多點突現(xiàn)，研究分散的局面，各個熱點研究還不夠深入，仍處于新興階段，具體表現(xiàn)為多領(lǐng)域發(fā)展、新技術(shù)結(jié)合、多方位管理的特征。與新技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用更具有多樣性，國內(nèi)在BIM應(yīng)用研究層面更加突出。

(2)從研究演進趨勢來看，國際BIM研究近10年的發(fā)展是從數(shù)據(jù)收集到信息集成再到知識管理的過程，未來發(fā)展趨勢將會是高度信息化和知識化。國內(nèi)BIM研究呈現(xiàn)出從可視化到逐漸智慧化、從單一行業(yè)應(yīng)用到多行業(yè)發(fā)展的態(tài)勢，雖然國內(nèi)BIM研究起步較晚，但發(fā)展迅速，在BIM智慧化方向有超越國際的趨勢。

國內(nèi)BIM研究的未來發(fā)展方向：(1)不斷深化BIM理論設(shè)計，搭建BIM結(jié)構(gòu)框架，推動BIM行業(yè)向高層次科學(xué)化方向發(fā)展；(2)BIM與VR、AR、射頻識別和全息投影等新技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化；(3)在裝配式結(jié)構(gòu)和綠色建筑領(lǐng)域堅持可持續(xù)發(fā)展理念，推動BIM技術(shù)應(yīng)用的全方位、深層次發(fā)展。