鋼結構建筑領域研究熱點及演化路徑分析
——基于CNKI核心數據庫（1992—2017）的計量分析

□ 趙 耀

一、引言

近年來，我國十分重視鋼結構建筑領域的發展，國家和地方政府先后出臺了一系列的產業規劃、鼓勵政策和配套措施。2016年11月發布的《鋼鐵工業調整升級規劃（2016—2020年）》指出：目標到2020年，鋼結構用鋼占建筑用鋼比例從2015年的10%提升到25%以上；加快鋼結構建筑推廣應用，力爭鋼結構用鋼量由目前的5 000萬噸增加到1億噸以上。2017年3月，住房城鄉建設部印發的《“十三五”裝配式建筑行動方案》 《裝配式建筑示范城市管理辦法》 《裝配式建筑產業基地管理辦法》確定：到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上，其中重點推進地區達到20%以上，積極推進地區達到15%以上，鼓勵推進地區達到10%以上；培育50個以上的裝配式建筑示范城市、200個以上的裝配式建筑產業基地、500個以上裝配式建筑示范工程，建設30個以上的裝配式建筑科技創新基地，充分發揮示范引領和帶動作用。2017年6月1日，《裝配式木結構建筑技術標準》 《裝配式鋼結構建筑技術標準》 《裝配式混凝土建筑技術標準》正式實施，有效發揮了技術引領、規范指導的作用，促進了我國裝配式建筑的發展。

為了對鋼結構建筑有更加全面、系統、深入的認識，本文在全面搜集近年國家和地方出臺的相關政策的同時，以CNKI核心數據庫為數據源，通過分析鋼結構產業的技術研究文獻，梳理出了鋼結構建筑領域的研究熱點和技術演化路徑。

二、數據源及分析方法

1.數據源

本文以“中國知識基礎實施工程（China National Knowledge Infrastructure）”數據庫（簡稱CNKI）為數據源，選擇期刊文獻中的工程科技Ⅰ輯和Ⅱ輯，關鍵詞選擇“鋼結構”進行精確匹配，起始時間不限，截止時間選擇2017年，來源類別選擇SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊及CSSCI來源期刊，以保證文獻質量。采用上述檢索策略，本次檢索得到關鍵詞含有“鋼結構”的期刊文獻共計3 852篇，經過人工閱讀，去除期刊征稿、廣告、會議通知等明顯不相關文獻296篇，最終獲得3 556篇論文。

2.分析方法與工具

本文基于情報學中的文獻計量學理論，利用美國德雷塞爾大學陳超美教授團隊開發的CiteSpace（CiteSpace是Citation Space的簡稱，可譯為“英文空間”）可視化工具，對鋼結構建筑行業的研究進行分析。CiteSpace是一款著眼于分析科學分析中蘊含的知識，并在科學計量學（Scientometric）、數據和信息可視化（Data and Information Visualization）背景下逐漸發展起來的一款引文可視化分析軟件。[1]利用該軟件，可以對文獻的作者、研究機構、來源期刊、關鍵詞等進行共詞分析和引文分析，將某領域學者在某時間段內學者們共同關注的一個或多個主題，進行高頻關鍵詞網絡圖譜可視化分析，并結合研究主題詞頻、時間趨勢、突變詞監測等手段，得到相關領域的研究熱點和前沿趨勢。

值得說明的是，由于CNKI數據庫導出的數據中并沒有包含參考文獻數據，所以本文無法對鋼結構建筑分析樣本進行引文分析。而在后續的國外鋼結構建筑研究熱點與演化路徑分析項目中將利用Web Of Science數據庫，該數據庫數據格式更加標準，屆時可進行相關的引文分析。

三、研究概況

1.發展趨勢

圖1為國內鋼結構研究文獻量時間分布，不難看出，早在1992年，國內便已經開始研究鋼結構建筑。由圖1可以發現，1992年以來中國鋼結構建筑技術相關研究論文一直呈穩步增長的態勢，說明國家對于鋼結構建筑的研究一直保持著較高的關注度和重視程度。其中，首次峰值出現在2008年前后，查閱相關文獻發現，這是因為2008年奧運會在中國舉辦，由此引發了大量大型體育場館及公共建筑物的建造需求，而這些大型建筑物通常都采用鋼結構設計，因此，國內的鋼結構研究進入了高速發展階段。根據國家統計局公開數據計算，2010—2017年，鋼結構建筑用鋼占全國粗鋼產量的比例已由4.08%上升至7.79%，幾乎翻了1倍。

圖1 國內鋼結構研究文獻量時間分布

2.高產作者及合作網絡分析

高產作者也被稱為核心作者，通過研究某領域高產作者的研究方向和著作，可以準確把握該領域的研究熱點、演變過程與未來發展方向，把握發展前沿。根據圖2所示的鋼結構建筑高產作者及合作網絡圖可以將國內鋼結構建筑研究作者劃分為4個明顯的團隊，其核心分別為王源清、石永久和施剛，陳以一、李國強、張其林和沈祖炎，薛建陽、劉祖強和彭修寧，郭彥林、李久林和高樹棟。從圖譜的連線共現關系來看，這些研究團隊基本上都是內部之間的合作，關系緊密，團隊之間則缺乏溝通與聯系。

圖2 高產作者及合作網絡

根據文獻計量學理論，文獻被引頻次越高，說明其在該學科領域中的地位越突出。表1給出單篇被引頻次100以上的作者名單，被引頻次從高到低依次為陳以一、楊尉彪、李國強、汪大綏、趙金城、施剛等，這些都是國內鋼結構建筑影響力較大的作者。值得注意的是，冶金部建筑研究總院（現中冶建筑研究總院）的2位作者楊尉彪和吳昌棟的發文量均只有1篇，如此高的被引頻次說明其對鋼結構建筑的研究得到了業內的充分認可。陳以一、李國強、施剛等學者則與圖2所顯示的高產作者相一致，二者相互印證。

表1 單篇被引頻次100以上的作者

3.核心機構分布

根據圖3所示，1992年以來，不少國內知名高校、企業都開展了鋼結構建筑方面的研究。首先，建筑類知名重點大學（“985”“211”）是國內鋼結構建筑的主要研究力量，尤其是同濟大學、清華大學、西安建筑科技大學、重慶大學及天津大學等對鋼結構建筑開展了大量研究，無論是在發文數量，還是研究團隊組建等方面都取得了較大成果。其次，中建鋼構有限公司、中國建筑科學研究院、中建三局集團有限公司、浙江精工鋼結構有限公司、上海寶冶建設有限公司及北京建工集團有限責任公司等國有或民營企業也都為中國鋼結構建筑領域的發展做出巨大貢獻。最后，校企合作聯系緊密，同時地域特征明顯。從圖3節點之間的合作關系看，同濟大學的合作對象基本上都集中在華東地區，如上海寶冶集團、華東建筑設計研究院；清華大學則主要選擇中國建筑科學研究院、冶金部建筑研究總院、中建三局集團、中建鋼構有限公司等華北地區企業。

圖3 1992—2017年國內鋼結構建筑的重點研究機構分布情況

為進一步尋找和驗證國內鋼結構建筑的重點研究機構，經過人工閱讀、合并、去重等處理后，得到表2。不難看出，機構知識圖譜中所顯示的重點機構均在其中，例如同濟大學、清華大學、西安建筑科技大學、中建鋼構有限公司等。與此同時，排名前20的研究機構中有12家屬于企業，占比60%。這說明在國內鋼結構建筑研究中有不少屬于應用型研究，中國鋼結構建筑正在加速走向實際應用，步入產業化階段。

表2 鋼結構研究機構排名前20位（合并后）

4.基金支持

為了促進國內科技創新的不斷進步與發展，國家科技部、發展改革委、教育部等部門每年都會拿出大量科技專項資金，重點資助關系國家未來經濟發展的戰略性、重大科研項目。通過分析國家科技專項基金資助對象（見表3），可以更好地把握國家的長遠規劃及某一領域的發展前景。

表3 國家級科技專項基金

不難看出，鋼結構建筑領域一直屬于中國重點發展的產業之一。統計顯示，1992—2017年，鋼結構建筑研究領域共有540篇文獻獲得國家級科技專項基金支持，其中國家自然科學基金395篇，占比達73.15%，后面依次為國家科技支持計劃90篇、863計劃36篇、973計劃13篇和國家科技攻關計劃6篇。此外，還有295篇論文獲得省部級科技專項基金支持，具體如表4所示。

表4 省部級科技專項基金

四、國內鋼結構研究的關鍵詞知識圖譜

基于CiteSpace 5.1可視化分析軟件，本文對國內鋼結構建筑研究樣本文獻進行關鍵詞詞頻統計、關鍵詞共現知識圖譜分析，以探尋該領域研究熱點；并通過CiteSpace獨有的突發詞（Burst Term）檢測算法深入探究國內鋼結構建筑研究領域的學術前沿。

1.關鍵詞詞頻統計

關鍵詞是作者根據文獻內容經過高度凝練、最能代表文獻主題的詞匯，1篇文獻的關鍵詞通常由3～5個專業詞匯組成。

根據軟件統計分析結果，導出頻次排名前20位的高頻關鍵詞，這些高頻關鍵詞是國內鋼結構建筑領域中使用最多、最廣泛的專業術語和代表詞匯，可以在某種程度上反映該領域的研究熱點?！颁摻Y構”是國內鋼結構建筑領域的核心關鍵詞，與其他關鍵詞的聯系最為密切。此外，施工技術（244）、安裝（182）、高層建筑（139）、金屬結構（130）、有限元分析（110）、焊接（106）等關鍵詞的詞頻也超過了100次。從表5中的關鍵詞詞頻統計數據可以看出，國內鋼結構建筑的研究內容十分廣泛。

表5 鋼結構建筑領域高頻關鍵詞詞頻統計（前20位）

2.關鍵詞共現的知識圖譜

將CNKI分析數據轉換格式后倒入CiteSpace可視化軟件中，時間跨度選擇1992—2017，選擇3年為1個切片，在閾值項選擇中選取“Top N per slice”，閾值設定為30，選擇路徑尋找算法（Pathfinder）進行修剪，生成國內鋼結構建筑領域研究高頻關鍵詞共現知識網絡圖譜，再經過軟件自動聚類計算后，得到鋼結構建筑關鍵詞的知識圖譜（見圖4）。從聚類的結果來看，該圖譜共有188個節點、240條連線，網絡密度為0.013 7，包含了96%的節點，模塊化（Modularity）指數為0.841 6，說明圖譜聚類效果好，族群內相似指數（Mean Silhouette）為0.785 8，說明族群內相關性比較理想。

圖4 鋼結構建筑關鍵詞的知識圖譜

如圖4所示，每1個圓點代表1個關鍵詞，圓點的大小表示關鍵詞出現的頻次，詞頻越高則圓點的直徑越大；圓點之間的連線代表關鍵詞之間共現的系數，連線越多，則代表該關鍵詞相互聯系越緊密。結合表5的關鍵詞詞頻統計數據及該關鍵詞共現知識圖譜，經過分析，本文發現國內鋼結構建筑領域研究主題可以大致劃分為以下幾個部分：

（1）施工與安裝技術

施工與安裝是鋼結構建筑領域研究的重點內容之一，承擔主體以國內知名企業為主，例如精工鋼結構有限公司、中國建筑工程總公司、北京建筑研究院及上海寶冶建設集團有限公司等，其研究內容主要集中在諸如體育館、飛機場、火車站等大型公共場館鋼結構的焊接、拼裝、提升、吊裝、滑移、幕墻及卸載等技術難題。張強等結合深圳大運中心主體育場施工項目特點，首先對主體結構進行各種工況下結構變形、胎架反力等的影響分析，確定“先背谷一步卸載到位，再背峰一步卸載到位，最后冠谷、內環循環卸載”的具體施工方案及詳細的施工步驟。其次將自主研發的計算機同步控制技術融合到當前的施工工藝中，采用各種傳感器進行信號采集，通過數據傳輸、邏輯計算、工況分析、指令反饋，實現智能化控制工藝，不但有效完成了施工作業要求，而且使施工作業人員能夠更直觀、智能、便捷地應對施工中的各種問題[2]。楊國松等介紹了成都雙流國際機場T2航站樓大跨度拱形鋼結構長距離滑移施工的關鍵技術，包括大型吊裝單元的組拼吊裝、滑移支撐架設計、滑移軌道桁架梁計算、施工現場布置等，通過滑移施工，克服了現場場地狹小及施工工期緊等不利因素，使鋼結構施工質量、安全及進度均得到了可靠保障，并對滑移支架及主拱結果進行模擬力學分析，確?；剖┕ぐ踩?、經濟、可靠[3]。

（2）防火技術

鋼結構具有強度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強、施工簡便等優點，因此，經常用于建造大跨度、超高、超重型建筑物。但鋼結構在防火方面卻存在明顯不足，研究表明雖然鋼材常溫下具備優異的物理和力學性能，但其耐火性能遠低于鋼筋混凝土結構和磚石結構。鋼材受熱后一旦達到臨界溫度（通常為540℃）后，便會很快失去承載能力，而在火災中，10分鐘之內火場溫度可能就高達700℃。鑒于此，國內鋼結構建筑領域對于鋼結構防火技術進行了大量研究。建筑鋼結構防火保護的基本原理是采用隔熱阻火材料防止燃燒火焰直接灼燒鋼結構，降低向底材傳遞熱量的速度，延滯鋼結構溫升和強度變弱的時間，提高其耐火性能[4]。鋼結構防火研究主要集中在防火涂料的制備與施工、鋼結構高溫性能影響因素等方面。近年來，一些新材料、新技術層出不窮，如張浩等研究發現，納米材料的開發與應用為鋼結構防火涂料的發展注入了新的活力，可以利用納米二氧化鈦、納米二氧化硅和納米三氧化二銻具有的特殊效應提高鋼結構防火涂料的阻燃性能[5]。

（3）防腐技術

目前，涂料仍然是提高鋼結構防腐性能最經濟、最有效的保護方法。與防火技術研究類似，鋼結構防腐技術研究大多集中在涂料的制備與性能研究方面，也有一些機構正在研究同時具備防火、防腐性能的涂料。季寶華等以磷酸鋅為阻銹劑制備了水溶性膨脹型鋼結構防火防腐涂料，測試了產品的阻燃性能和防腐性能。結果表明：當磷酸鋅的質量分數在8.2%左右時，在保持涂料防火性能的基礎上，使其陽極腐蝕過程受到明顯的阻滯，實現了兼有防腐和防火的雙重功能[6]。

（4）鋼結構設計技術

鋼結構設計涉及的高頻關鍵詞包括“抗震設計”“節點”“強度”“剛度”“穩定性”“計算方法”“框架”“圍堰”等。結合王志騫主編的《鋼結構設計》一書，結構與框架穩定性計算、鋼結構抗震設計、梁柱連接節點的分類與其設計計算、鋼柱腳錨栓的設計等都屬于鋼結構設計的內容，這與上述高頻關鍵詞基本一致。這方面的研究文獻基本上都是圍繞具體工程項目進行的分析研究，例如哈敏強等系統介紹了世茂深坑酒店的鋼結構設計，著重闡述了該結構的關鍵節點設計情況，并對酒店鋼結構框架進行了施工過程分析[7]。

（5）數值模擬、仿真計算、BIM與裝配式建筑

飛速發展的信息技術也給鋼結構建筑技術領域注入了新的活力。2010年以后，內蒙古科技館、貴州奧體中心、沈陽桃仙國際機場T3航站樓等眾多大型公共建筑在設計、施工、安裝過程中采用數值模擬、仿真計算及BIM等新技術，在節約大量成本的同時也提高了工作效率和工程質量。潘劍峰等認為，BIM技術在施工安全管理的應用可以達到事前預防、事中監控和事后處理全過程的監管，不僅進一步提高了施工現場安全管理的工作效率，更進一步提高了工人對現場安全管理要求的理解程度和應急處理能力[8]。

3.突變詞分析

突變詞分析（Burst Detection）是CiteSpace可視化軟件用于檢測變量短時期內變化程度的1個功能。在關鍵詞共現分析中，通過探究關鍵詞的時間分布，可以將其中頻次變化比較大的詞（Burst Term）從大量的詞中探測出來，依靠詞頻變化趨勢可以預測該研究領域的發展過程、前沿熱點及未來發展方向。

表6是1992—2017年鋼結構建筑研究領域持續時間（Duration Time）為3年的關鍵詞突發分析結果。從突發詞起始時間來看，1992—2000年屬于國內鋼結構建筑研究的起步階段，突變詞包括“金屬結構”“高強度螺栓”“廠房”“鋼屋架”“腐蝕”“穩定性”“高層建筑”等；2001—2010年為成長階段，開始出現“防火涂料”“抗震設計”“有限元分析”“火災”“體育館”“航站樓”等突變詞。2010—2017年進入快速發展期，尤其是2013年以后，一批新技術開始涌現，出現了諸如“深化設計”“網殼”“屋蓋”“拼裝”“滑移”“監測”“數值模擬”等突變詞。這些突變詞可以反映當時的研究熱點，以“防火”和“防火涂料”為例，經過人工閱讀文獻及考證，鋼結構建筑防火技術之所以在2001年以后受到熱捧，從某種程度上來說是受美國“9.11”事件影響，災難造成世貿大廈瞬間坍塌，該事件引起了人們對鋼結構建筑防火技術的高度關注，于是全球各國開始著眼研究鋼結構防火技術。再比如，近年來，裝配式建筑無疑是國內外建筑領域的研究熱點，因此，“拼裝”也成為了2010年以后的突變詞之一。

表6 1992—1997年鋼結構建筑研究領域的43個突變詞

五、鋼結構建筑技術研究演化路徑

由表6可以看出，國內鋼結構建筑的研究熱點詞匯由初期的“金屬結構”“高層建筑”“焊接”，逐步過渡到“防火涂料”“有限元”“桁架”“預應力”，再到“抗震性能”“監測”“數值模型”，2013年以后的熱點詞匯主要涉及“拼裝”“滑移”“仿真技術”“BIM”和“建筑信息化”等，熱點關鍵詞的時間變化可以反映出對鋼結構的研究正在逐步走向信息化、智能化，裝配式鋼結構建筑已經成為近年該領域的研究熱點。

六、結束語

本文以中國鋼結構建筑為研究對象，以CNKI的SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊及CSSCI等數據庫為數據源，運用情報學中的文獻計量學方法，利用科技文本挖掘及可視化工具CiteSpace對1992—2017年在國內發表的鋼結構建筑期刊文獻進行分析，梳理出了鋼結構建筑領域研究熱點和技術演化路徑，得到如下研究結論。

第一，清華大學、同濟大學、西安建筑科技大學等建筑類知名重點大學（“985”“211”）是國內鋼結構建筑的主要研究力量，與此同時，中建鋼構有限公司、中國建筑科學研究院、中建三局集團有限公司、浙江精工鋼結構有限公司、上海寶冶建設有限公司及北京建工集團有限責任公司等國有或民營企業也都為中國鋼結構建筑領域的發展做出巨大貢獻。

第二，鋼結構建筑領域一直屬于中國重點發展的產業之一。統計顯示，1992—2017年，鋼結構建筑研究領域共有540篇文獻獲得國家級科技專項基金支持，其中國家自然科學基金395篇，占比達73.15%，后面依次為國家科技支持計劃90篇、863計劃36篇、973計劃13篇和國家科技攻關計劃6篇。此外，還有295篇論文獲得省部級科技專項基金支持。

第三，從關鍵詞共現知識圖譜分析看，國內鋼結構建筑研究主要集中在施工與安裝技術、防火技術、防腐技術、鋼結構設計，以及數值模擬、仿真計算與裝配式建筑等方面。

第四，通過詞頻探測技術確定了國內鋼結構建筑領域的研究前沿，數值模擬、BIM、仿真技術、裝配式建筑等是該領域的重要前沿與發展趨勢。