國際與國內BIM領域研究熱點趨勢比較
——基于文獻計量研究的可視化分析

杜戰軍，吳繼峰，任子健，溫慶杰

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 451450；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇徐州 221116)

建筑信息模型(BIM)技術作為一種數據化工具已經在許多國家應用于工程設計、建造、管理，可以數字化構建建筑物的精確虛擬模型，BIM包含精確的幾何形狀和相關數據，支持實現建筑物所需的設計、采購、制造和施工活動[2]。BIM技術注重在全生命周期中各個項目參與方的協同工作及共同設計、規劃成本進度，以及發現施工中存在的問題[3]。最近BIM研究重點由生命周期前期轉移到維護、翻新、重構和拆除[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研究進行了科學計量研究，但其研究樣本數量偏少。朱記偉[7]運用知識圖譜分析了2008年～2016年國內外BIM研究熱點、知識基礎及演進趨勢。近年來，國際和國內的BIM發展日新月異，但對BIM行業重要領域和發展趨勢所做研究仍相對較少，有必要對近年國際和國內BIM領域的前沿熱點及發展趨勢進行對比分析。

本文基于科學計量學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BIM文獻進行對比分析，從國際和國內BIM研究熱點及BIM演進趨勢兩個角度揭示BIM研究領域在國際及國內的發展態勢和未來研究方向，為深入研究BIM領域的學者提供借鑒和參考，幫助相關學者和從業人員了解國內外BIM研究熱點差異，確定重點關注的研究方向。

1 研究方法與數據

1.1 研究方法

科學計量學可通過定量分析科學文獻了解研究領域的知識結構和發展趨勢，近年來已成為評估單個研究人員、部門、學院、大學、國家和期刊的研究績效的最常用方法之一[8]。文獻計量學和科學計量學都以文獻作為計量研究對象，文獻計量學的研究方法同樣可用于科學計量學研究。文獻計量學分析可采用共詞分析和聚類分析方法實現。共詞分析對一組詞兩兩統計它們在同一組文獻中出現的次數，通過統計共現次數來測度它們之間的親疏關系。共詞分析既可有效地映射文本數據中信息項之間的關聯強度，也可直接根據關鍵詞的交互作用映射相關文獻。因此，用于描述文獻內容的關鍵詞可用作研究領域結構的基本構建塊[9]。而聚類分析是將個體或對象分類，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]。聚類分析依據事物的數值特征計算各個變量或樣品之間的親疏關系，將同質性強的變量歸為一類，因此分析結果直觀，結論形式簡明。本研究將首先采用共詞分析法得到關鍵詞之間的關聯強度，然后采用聚類分析法將共詞分析結果網絡識別為不同的知識領域，用以識別和判斷研究領域的熱點。

1.2 數據收集與數據處理

為保證研究數據全面及可信度，選擇Web of Science核心數據集(國際最大的數據庫)和中國知網(CNKI)數據庫作為國際和國內BIM分析數據來源。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。為了使聚類結果符合實際情況，排除兩個數據庫中土木工程專業領域之外的文獻，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數據庫的1351篇國際文獻和中國知網數據庫的1881篇國內文獻進行對比分析。

在關鍵詞共現分析和聚類分析過程中主要采用Citespace軟件進行數據分析。Citespace是基于共引分析理論(co-ciation)和尋徑網絡算法(pathFinder)等理論的用于科學文獻分析的可視化工具，可通過計量特定領域的文獻探尋該學科的演化趨勢及知識拐點，并構建可視化圖譜以分析學科熱點、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域在不同時間段內的研究熱點及研究前沿的變化，而關鍵詞是表達文獻主題概念的自然語言詞匯，通過關鍵詞的共詞分析可以揭示本領域的研究熱點及演化趨勢。在Citespace軟件中選擇“Keyword”為分析節點，生成高頻關鍵詞共現網絡圖譜并對關鍵詞進行聚類，可分別對國際及國內研究熱點進行分析對比。

2.1 國際BIM領域研究熱點

在生成的國際關鍵詞共現網絡圖譜中，包含493個關鍵詞節點以及節點之間的1638條連線，如圖1所示。圖1中每個關鍵詞節點大小代表共現的頻率，節點顏色由紫到紅表明共現時間由遠及近。節點之間的連線代表關鍵詞共現的強度，節點之間的連線越粗，表明關鍵詞的聯系越緊密。連線的顏色代表該共現關系首次發生的年份。突現詞用紅色圈標注出來，表明該關鍵詞在一段時間內受到廣泛關注。

圖1 國際BIM研究高頻關鍵詞共現網絡圖譜

依據Citespace軟件處理結果，在得到的493個高頻關鍵詞中對含義相近的關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，用于衡量網絡圖譜中每個關鍵詞的地位，在關鍵詞共現網絡圖譜中關鍵詞聯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的高頻關鍵詞列入表1。

表1 國際BIM研究高頻關鍵詞(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，其他出現頻率最高的關鍵詞有“design”“construction”“system”“management”“model”等，這些關鍵詞即現階段的研究熱點。其中，“construction”共現年份最多，說明現階段BIM技術更多的應用于施工階段。“design”共現頻率最高，表明目前仍以BIM產品設計、BIM框架模式等BIM相關設計研究為主。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，各高頻關鍵詞之間排布緊湊，集中性較強，表明各個研究熱點之間聯系緊密，彼此之間具有較強的解釋性。

運用Citespace對國際BIM領域高頻關鍵詞進行聚類，得到關鍵詞聚類的網絡圖譜如圖2所示，各個聚類之間聯系緊密，呈放射狀分布。將排名前13的聚類分析結果作為目前國際BIM領域研究熱點前沿，2010年～2020年國際BIM領域研究熱點突出表現在以下幾方面。

圖2 國際BIM研究高頻關鍵詞聚類網絡圖譜

(1)建筑行業信息化：聚類#0、#1、#8、#11表明目前國際BIM領域仍注重實現建筑行業信息化。具體來說，建筑自動化系統[13]、云計算[14]、拓撲信息提取模型[15]、數據標準轉換[16]、工程模型設計分析等為近10年國際上研究熱度較高的方向。

(2)能源消耗低碳化：官方統計數據表明，建筑工程領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領域的重要研究方向。聚類#9是指碳的能源消耗，目前BIM技術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技術來降低碳排放量更值得研究者關注[17]。

(3)施工過程智慧化：聚類#2、#3、#12表明將BIM技術用于建筑施工過程在國際BIM領域得到了廣泛研究。BIM技術憑借其可視化，協調性及模塊化等優勢在施工安全[18]、施工進度監控[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BIM領域研究熱點

采用Citespace軟件生成國內BIM研究高頻關鍵詞的共現網絡圖譜，包含526個關鍵詞節點以及節點之間的1104條連線，如圖3所示。在得到的526個高頻關鍵詞中對含義相近的關鍵詞進行篩選，剔除關聯性弱的詞匯，得到頻次排名前20的高頻關鍵詞見表2。

圖3 國內BIM研究高頻關鍵詞共現網絡圖譜

從圖3可以看出，國內BIM研究熱點呈現出多點突現，研究分散的局面。突現詞較多，表明近10年國內BIM領域關注的熱點較多，各個熱點之間的關聯性較弱。表2顯示國內BIM研究熱點除了主題詞“BIM”外，其他出現頻率最高的關鍵詞有“信息化”“應用”“可視化”“裝配式建筑”等，這些關鍵詞即現階段研究熱點。從頻次上看大部分關鍵詞共現頻率較低，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BIM研究高頻關鍵詞(頻次>25)

繼續對國內BIM領域高頻關鍵詞進行聚類，高頻關鍵詞共生成15個聚類，如圖4所示。由高頻詞分析和聚類網絡圖譜可以總結得到國內BIM研究呈現以下3個特征。

圖4 國內BIM研究高頻關鍵詞聚類網絡圖譜

(1)多領域發展：國內BIM技術應用由最初的房屋建筑領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技術正在向多專業多領域普及。

(2)新技術結合：隨著新技術在國內不斷發展，BIM技術與云計算、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、物聯網[22]和地理信息系統(GIS)等新技術的結合應用越來越廣泛。其中GIS共現頻次較高，說明其與BIM技術結合前景廣闊[23]。

(3)多方位管理：國內BIM技術逐漸由前期項目規劃應用向實際項目管理應用傾斜。施工管理、運維管理、施工模擬和安全管理等突現詞表明BIM技術正在越來越多地參與到項目實施進程中，通過構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BIM領域研究熱點對比

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。而國內研究熱點較為分散，具有同一時期多個熱點同時出現的特征。國內憑借政策因素及巨大的市場潛力在BIM應用層面形式更加多樣化，與云計算、VR、AR和GIS等新技術結合的應用得到快速發展，反映國內在BIM應用研究層面更加突出，應用范圍也更加廣泛。從BIM研究內容來看，國內和國際BIM領域研究的相同點在于注重建筑行業的信息化發展。國內BIM應用研究側重于設計和施工階段，運維階段研究較少[25]，在綠色節能方面研究相對不足，而國際BIM研究在可持續性發展方面熱點較多。

3 演進趨勢分析

3.1 國際BIM領域演進趨勢分析

在Citespace軟件中選擇“Keyword”為分析節點，生成國際BIM研究熱點時區圖，如圖5所示。

圖5 國際BIM研究熱點時區圖

從圖5可知，國際BIM領域在近10年的發展是從數據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。相關關鍵詞為：simulation(模擬)，3d(三維)，implementation(實施)；(2)從本地到云端。相關關鍵詞為：web service(網絡服務)、point cloud(點云)；(3)注重建筑與環境和諧共生。相關關鍵詞為：sustainability(可持續性)，green building(綠色建筑)，prefabrication(預制)。在2017年～2020年，在原有信息化研究的基礎上，開始出現知識管理的研究，運用BIM將復雜海量的信息進行整合，形成行業知識系統。可以預測，未來BIM技術的發展將會是高度信息化且知識化。

3.2 國內BIM領域演進趨勢分析

采用Citespace軟件生成國內BIM研究熱點時區圖，如圖6所示。總體來看，國內近10年BIM研究呈現從致力于可視化到逐漸智慧化、從單一行業應用到多行業發展的態勢。

圖6 國內BIM研究熱點時區圖

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

3.3 國際與國內BIM領域演進趨勢對比

從研究演進趨勢來看，國際BIM研究在近10年的發展是從數據收集到信息集成再到知識管理的過程。國內BIM研究從致力于可視化到逐漸智慧化，從單一行業應用到多行業發展的態勢。2010年～2011年，國際和國內都注重于BIM在施工中的可視化應用以及協同設計，不同的是國際BIM研究偏重于BIM框架系統的構建(關鍵詞：system、framework)，國內BIM仍以實現模型可視化為主(關鍵詞：可視化)，對系統架構并未有深入的研究。2012年～2016年，國際和國內BIM領域研究顯著升溫。在這個階段信息化是國際和國內BIM領域普遍關注的熱點。國外更加注重建筑信息的共享(關鍵詞：information exchange)，全生命周期評估是此階段最受關注的主題。國內BIM研究呈現向多專業擴展的趨勢(關鍵詞：城市軌道交通、高層建筑、橋梁工程)，注重深化設計及施工階段的項目管理。2017年～2020年，國際和國內BIM發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發展的理念(關鍵詞：energy consumption、sustainable development)，碳排放成為研究熱點。反觀國內智慧化成為BIM領域研究熱點，從智慧工地到智能建造，且在設計階段開始注重正向設計。

4 結論及展望

采用Citespace軟件繪制科學知識圖譜，通過共詞分析和聚類分析法對比國內外BIM研究，總結最近10年快速發展階段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研究相關熱點之間聯系緊密，彼此解釋性較強，在BIM理論層面研究更加深入。研究熱點表現出建筑行業信息化、能源消耗低碳化、施工過程智慧化的特征。國內BIM研究熱點呈現多點突現，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，具體表現為多領域發展、新技術結合、多方位管理的特征。與新技術相結合的應用更具有多樣性，國內在BIM應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年的發展是從數據收集到信息集成再到知識管理的過程，未來發展趨勢將會是高度信息化和知識化。國內BIM研究呈現出從可視化到逐漸智慧化、從單一行業應用到多行業發展的態勢，雖然國內BIM研究起步較晚，但發展迅速，在BIM智慧化方向有超越國際的趨勢。

國內BIM研究的未來發展方向：(1)不斷深化BIM理論設計，搭建BIM結構框架，推動BIM行業向高層次科學化方向發展；(2)BIM與VR、AR、射頻識別和全息投影等新技術結合實現數據的可視化；(3)在裝配式結構和綠色建筑領域堅持可持續發展理念，推動BIM技術應用的全方位、深層次發展。