BIM技術在鋼結構深化設計與施工中應用熱點的知識圖譜構建方法研究

周 崢 鄧朗妮 廖 羚 雷麗貞 劉睿敏

(1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，柳州 545006； 2 廣西科技大學 理學院，柳州 545006)

引言

隨著我國建筑事業的快速發展，新材料、新技術日益增多，鋼結構以其結構穩定、安裝輕便、抗震性能好等優點而得到廣泛的應用。對比傳統的混凝土和砌體結構，鋼結構因為自重輕特別適合建造大跨度、超高層建筑物，并且它的施工工期也相對較短，材料可以回收利用。因此，鋼結構的火熱程度不亞于一般的混凝土結構，而行業內對于鋼結構的要求也在不斷提高，對于鋼結構的研究也在不斷加深。當前，鋼結構工程通常具有形式多樣、結構復雜、工程規模大、設計難度大的特點，因此其中涵蓋了大量的信息[1]。在大量的信息交匯中，很容易出現信息交流不暢，導致溝通不充分，引起工期延后，現場管理混亂的問題，同時難度復雜的深化設計問題也影響著鋼結構工程。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)這一概念在近幾年的建筑工程中十分火熱[2]。BIM技術以其數字化和信息化的優點，極大緩解了工程項目中的信息交匯問題，協調設計和施工。此時BIM的出現對于鋼結構工程項目的意義十分重大，BIM的提出為建筑全生命周期面臨的信息不能交匯，信息閉塞的問題帶來了新的思路和方法。BIM系統中專門針對鋼結構深化的Tekla Structures軟件也降低了深化的復雜程度，有效地提高了建筑的工業化程度。BIM 技術自從引入國內，受到了國內建筑行業的廣泛持續關注，民用建筑行業率先進行了 BIM 技術的應用研究，現已擴展至市政、橋梁、鐵路、公路、水電、建筑供應商、互聯網、物聯網等多個行業[3]。因此BIM技術在鋼結構工程中的研究熱點是值得分析的領域，有必要采取一個全面的、科學的方法對該領域的研究熱點進行剖析，為以后的研究和應用提供參考。

在傳統的文獻分析方法中，需要大量的數據來支撐自己的研究論點，可是當數據過于龐大，該如何分析，推演研究的方向成為了一個難題，并且復雜的數據無法讓人直觀地看到研究信息的發展與趨勢。因此，傳統的文獻分析辦法無法梳理大量文獻，也很難直觀反映文獻的影響力。而知識圖譜是一種通過數據挖掘、信息處理、知識計量等手段，利用可視化的圖像直觀地將某一學科或研究領域的前沿、發展進程和結構關系展現出來的方法[4]。在對文獻的分析中，知識圖譜根據網絡貢獻分析和多維尺度分析兩種主流的分析方法，對于某一領域文獻計量進行分析，對于該領域的研究主題和前沿熱點進行羅列并展示。本文以BIM技術在鋼結構領域的研究熱點分析為目的，對我國BIM技術在鋼結構領域的文獻進行數據的挖掘，通過社會網絡分析和多維尺度分析方法，分析近年BIM技術在鋼結構領域中研究的趨勢和熱點。

1.1 數據的來源與處理

1.1 數據來源

(1)數據檢索

本文以國內信息量最大的中文文獻數據庫CNKI進行研究，在知網期刊中輸入主題BIM并含鋼結構進行檢索，在檢索結果中點選檢索出文獻，通過知網文獻管理中心可以導出不同格式的題錄信息文件[5]，搜集了2014-2018年與BIM相關的鋼結構項目文獻，然后篩選出711篇文獻，通過知網文獻管理中心導出RefWorks格式的題錄信息，作為分析的原始數據。

圖1 文獻題錄信息導出界面

(2)數據統計

通過篩選出的知網文獻進行統計分析，從圖2折線圖中我們可以看出2014年BIM技術在鋼結構實際應用的文獻數量增長平緩，那時候BIM技術在中國的發展還比較平緩，而到2015年文獻數量則持續上漲并且在2018年達到頂峰。這得益于住建部2015年6月發布的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》和2016年8月發布的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》的文件[6]，在國家的大力扶持下，BIM技術在鋼結構中的應用越發火熱，所以文獻量的發表呈上升趨勢。本文正是基于這種文獻量的變化進行分析。

圖2 2014-2018年BIM關于鋼結構應用論文發表趨勢

1.2 數據預處理

本文的數據預處理過程經歷以下步驟，分為兩步： ①合并相似關鍵詞。對于詞義一樣但表達不同的詞，如“BIM”將其修正為“BIM技術”。②剔除無效關鍵詞，如“工程項目、項目工程、實際工程”統一為“實際工程”。對所有關鍵詞進行逐步篩選，包括去除重復文獻中的關鍵詞、刪除與主題的研究差別很大的關鍵詞。然后運用EXCEL軟件，利用其中的排序以及數據透視圖等功能，構建BIM技術在鋼結構中應用的共詞矩陣和相異矩陣，把矩陣數據分別導入三個軟件當中，得出本文需要的知識圖譜網絡圖。

2 基于知識圖譜的研究熱點分析

2.1 中心度網絡圖譜分析

根據上一節所提到的數據處理步驟，將關鍵詞的共現矩陣導入UCINET軟件中得出關鍵詞可視化知識圖譜。

(1)點度中心度網絡圖譜分析

點度中心度是一個點與其它點直接連接的總和，一個節點越大就說明其所占據的中心度越高，與之關聯的詞也就越多。從圖3中可以看出每一個藍色方塊的節點就代表一個高頻關鍵詞，節點間通過相互關聯的線段連接，線寬表示兩點間的關聯性大小。通過關鍵詞可視化知識圖譜我們可以看出，BIM技術在鋼結構深化設計和施工中的應用熱點主要集中在Tekla、三維模型、施工管理、虛擬施工等方面?！癟ekla”與普通的“鋼結構節點”、“安裝”、“三維模型”等相互連接的同時還通過“幕墻”與“三維掃描”、“超高層”、“綠色建筑”等節點相互連接。針對鋼結構深化設計的BIM軟件Tekla不僅可以運用于普通的鋼結構建筑，對于一些超高層建筑，利用三維激光掃描實際模型和理論模型進行比較[7]，更改過模型后再對鋼結構復雜的幕墻節點進行二次深化，可以避免因為誤差導致的成本增加，這樣降低成本，減少能耗實現了綠色超高層建筑?！笆┕ぁ迸c“施工管理”、“施工模擬”、“超高層建筑”、“全生命周期”等節點連接。在高層和超高層建筑中運用BIM技術和綠色施工技術，在建筑全生命周期內，通過三維建模判斷建筑性能的優劣性，整合最優模型，提高設計效率[8]。在施工方面BIM技術對于高層、超高層建筑施工現場總體規劃，劃分施工區域，加強施工管理，高層建筑施工中機電板線較為密集，通過BIM技術的施工模擬和碰撞檢查，優化管線，增加施工效率，實現施工材料的合理化，達到綠色施工。因此，利用BIM技術發展鋼結構領域內的高層、超高層綠色建筑，通過虛擬施工，碰撞檢測，提高施工效率，加強施工管理是鋼結構深化設計和施工應用熱點的關聯熱點，也是BIM技術在鋼結構中應用的新興熱點。

圖3 點度中心度共現網絡圖譜

2.2 中心度密度計算分析

(1)點度中心度分析

點度中心度測算的是節點在圖譜中存在的重要程度[8]。從表1中可以看出“BIM技術”的點度中心性密度為66，是關鍵詞中最高，說明“BIM技術”是整個網絡知識圖中的核心，而“鋼結構”，“深化設計”和“建筑信息模型”也均處于領導地位，在該網絡中的地位較高，是鋼結構領域BIM研究的熱點，受到大多數學者的普遍關注。表中“綠色建筑”和“裝配式建筑”大于平均中心度，是鋼結構深化設計的關聯熱點，關于裝配式綠色鋼結構建筑為當前的研究熱點。

表1 部分關鍵詞點度中心度數據

表2 部分關鍵詞中間中心度數據

(2)中間中心度分析

從表2中可以看出“BIM技術”的中間中心度最大，表明該點處于核心地位，而“鋼結構”、“深化設計”、“建筑信息模型”的中間中心度數值較大，是BIM應用研究技術的研究基礎與研究熱點。這些中間中心度較高的關鍵詞，表明了他們有比較高的控制水平，意味著在鋼結構領域中探索BIM技術的研究熱點問題中，這些詞充當了重要的媒介。一般情形下，若某節點的點度中心度數值較高，那么它的中間中心度數值也較高，因此在共現網絡中，這些核心關鍵詞較為明顯[8-9]。對比點度中心度，這些關鍵詞依舊是核心，是鋼結構領域BIM研究的熱點。另外，表中“鋼結構施工”和“裝配式建筑”的中間中心度相差不多，說明兩個關鍵字詞之間聯系緊密，裝配式鋼結構建筑的施工是關注的熱點。對于裝配式建筑的施工也因往綠色施工方向發展。

(3)接近中心度分析

某一節點的接近中心度數據的值越小代表控制別的節點的能力越強，“BIM技術”的接近中心度最小，最容易到網絡中所有關鍵詞節點并且處于核心地位。其中“鋼結構”、“深化設計”、“綠色建筑”等關鍵詞接近中心度都小于平均接近中心度。表明這些關鍵詞與網絡圖中其它關鍵詞關聯較為緊密，反映了BIM在鋼結構領域研究熱點。裝配式建筑符合綠色建筑的理念，因而對于裝配式建筑的研究一直是一個行業熱點。

表3 部分關鍵詞接近中心度數據

根據以上對部分關鍵詞三種中心度的數據縱向對比得出。BIM在鋼結構領域研究的熱點依舊是圍繞深化設計和施工，但隨著市場和建筑業發展的要求，裝配式高層建筑、綠色施工技術在鋼結構高層建筑中的應用，這些細化的關鍵詞是關聯的熱點，也是BIM技術在鋼結構深化設計和施工領域的新熱點。

3 基于圖譜的研究主題與趨勢分析

3.1 研究主題分析

為了更加有效地展現BIM技術在鋼結構中的研究熱點和研究內容，本文還采用了多維尺度分析，利用了數據挖掘軟件SPSS 22.0軟件，并且在軟件中的度量模型中選擇了可以直觀表示研究主題的歐幾里德距離模型，反映關鍵詞線性擬合散點圖(圖4)。從圖4中高頻關鍵詞區域聚集分布的態勢可以看出研究的發展主題是以一條全生命周期的主線來發展并且不斷分散細化出新的研究，并沒有各自聚成一類。通過局部集中的各個關鍵詞以及他們的關聯可以知道當前BIM技術在鋼結構中研究的主題為：利用Tekla軟件進行深化設計和施工階段的模擬、協同管理。首先對于深化設計，現在的鋼結構建筑、超高層、裝配式建筑都需要利用BIM技術對其進行深化設計的建模，但鋼結構深化設計的復雜和難度，使得技術人員需要熟練掌握Tekla軟件根據不同的工程進行深化設計，對于深化設計的研究一直是主要的研究方向和熱點。其次在鋼結構施工中，協同管理、虛擬施工、項目管理、工程管理、碰撞檢查等等，這些問題一直是鋼結構施工現場解決不好的問題，導致施工現場的混亂，施工效率低下。因此BIM技術在鋼結構領域的另一個研究主題和熱點是施工模擬和施工管理的綠色施工技術。該技術未來將會更好地服務于施工項目管理各個階段，從單純的施工管理、施工模擬到全壽命周期的應用。

圖4 多維尺度分析結果

3.2 研究趨勢分析

通過Citespace可以繪制BIM技術在鋼結構中研究關鍵詞網絡，以一年作為時間分區，選擇Time Zone的視圖模式，我們不僅可以清晰地看出研究的歷年發展趨勢和發展前沿熱點，還能直觀地觀察到不同的研究階段關鍵的不同特征。利用Citespace得到的2014-2018年BIM技術在鋼結構領域研究的關鍵詞時間趨勢圖(圖5)，并結合2014-2018年 BIM關于鋼結構應用論文發表趨勢圖(圖2)，可以看出BIM技術在鋼結構領域中研究的演化進程，呈現出一個不斷上升、不斷細化的過程。具體可以分為兩個階段：

圖5 2014-2018年BIM技術在鋼結構領域 研究的關鍵詞時間趨勢圖

(1)初步發展階段

從2014年到2015年BIM技術在鋼結構領域中的研究已經與實際問題相結合，研究的主題圍繞著鋼結構的深化設計和鋼結構的施工兩個方面，在這兩方面的周圍也有一些其他相關的研究比如：復雜節點設計、建模、信息化模型。這些問題的研究是BIM技術在鋼結構領域研究的初步展開階段。

(2)細化發展階段

隨著建筑工業現代化進程的加快，對于數字化、信息化的要求越來越高，BIM技術也不再僅僅應用于傳統的鋼結構建筑，從2016年到2018年的關鍵詞研究不難看出，對于深化設計方面的研究開始不再只是以傳統的鋼結構為對象，裝配式建筑、高層和超高層建筑、大跨度鋼結構、橋梁工程等成為研究的前沿。而對于施工方面的研究，已經不再拘泥于施工模擬而是轉向了數字信息化的項目協同管理、綠色施工、設計施工一體化等方面。這一階段性的轉變也顯示了研究主題的細化發展，其更具有綜合性。而對于BIM技術在鋼結構領域研究未來的發展而言，未來的BIM技術會在鋼結構領域繼續細化，研究分支會越來越廣，應用程度會逐步加深。

4 結論

本文以中國知網2014-2018年鋼結構領域BIM研究文獻為基礎數據，結合網絡共現分析方法和多維尺度分析方法，利用知識圖譜軟件UCINET、SPSS、Citespace三個軟件進行繪制關鍵詞網絡圖、密度數據計算以及從網絡圖中關鍵詞的節點大小和相互之間的連線，密度數據的大小和占比，逐步分析出圖和表之間的共性特點和非共性特點。對于多維尺度分析中的散點圖和研究時間趨勢圖得出BIM技術在鋼結構領域的研究主題不斷細化，并且放慢了發展速度轉為高質量發展，結果表明：

(1)鋼結構領域BIM技術的研究熱點與引言部分提及的鋼結構工程自身存在的深化設計困難和施工管理混亂、信息閉塞問題息息相關，因此深化設計和施工管理這兩個方面，成為BIM技術在鋼結構領域研究的熱點。

(2)BIM技術在鋼結構中的研究主題是以全生命周期這一目標為主線，向著深化設計和施工局部集中，并且圍繞著這兩方面問題不斷細化出新的研究，鋼結構的高層、超高層裝配式建筑符合綠色建筑理念。BIM技術與綠色施工技術的結合應用在鋼結構施工中，有效地降低建筑的投入和支出，減少施工中能量耗損，實現綠色建筑和綠色施工。

(3)BIM技術在鋼結構中的研究趨勢從2014～2015年開始的深化設計和施工逐步發展到適應工程要求的不同形式的鋼結構建筑深化設計和協同管理的施工現場研究。反映出這一研究在不斷地出現分支，在交叉的分支研究中逐步完善BIM技術在鋼結構領域的框架內容。

(4)本文也證實了通過知識圖譜是可以對研究熱點以及發展趨勢進行分析的。

希望通過本次研究，能夠在鋼結構實際工程中能更加有針對性地運用BIM技術解決實際中的難題，并且對BIM技術在鋼結構領域的研究能夠提供一些參考，理清思路。