基于知识图谱的国内IFC研究综述

赖华辉，侯 铁，钟祖良，马 聪

(1. 深圳市市政设计研究院有限公司, 广东 深圳 518029；2. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

为促进建筑项目各方之间数据的有效共享与交换，buildingSMART International(bSI，前身为International Alliance for Interoperability，IAI)致力于研究建筑领域的公共数据标准，即后来的IFC(Industry Foundation Classes)标准。IFC从1996年发布第一版本IFC1.0至今，得到国外业界专家的大量关注和投入，至今已正式发布至IFC4.1[1]。国外学者的IFC研究侧重于底层数据结构及其数据交互，在不断完善IFC数据标准的基础上[2]，基于IFC标准在结构分析[3]、能耗模拟[4]、安全监测[5]、运维管理[6]等领域开展大量的数据交互研究，促进了建筑项目全生命周期的数据应用[7]。

IFC作为建筑领域一个新兴的数据标准，在我国建筑领域的研究与应用起步较国外晚，但随着BIM(Building Information Modelling)技术的广泛应用，开始逐渐得到研究学者和业界人士的关注。国内现阶段关于IFC的研究重点和发展趋势与国外的不同，较多地关注工程项目中的IFC应用，且国内研究涉及的内容和方法与国外的不尽相同，有必要系统分析国内IFC的研究热点及其演进趋势，以期为国内学者和业界人士开展IFC研究与应用提供借鉴，也为国内BIM应用的IFC发展提供指引。应说明的是，IFC标准起源于国外，国外在IFC方面开展了大量研究，从基于IFC的底层数据研究，到建筑领域不同方向的IFC应用。由于篇幅所限，本文聚焦分析国内的IFC研究现状，将在下一篇文章中深入分析国外的IFC研究，以期为国内IFC发展提供参考。

1 研究方法

知识图谱是“以知识域为对象，显示科学知识的发展进程与结构关系的一种图形”[8]。本文主要采用定量和定性相结合的方法分析所收集的文献。定量分析方法主要采用文献计量方法，通过研究关键词、研究演进、研究分布等方面对国内IFC研究文献进行统计与分析，并采用CiteSpace软件绘制相应的知识图谱；定性分析方法主要基于定量分析结果，深入分析国内IFC的研究热点、演进等，并探讨国内IFC发展趋势。其中，基于CiteSpace的文献计量方法主要步骤如下：

(1)数据源的选取。本文主要分析国内IFC研究，因此选取中国知网CNKI数据库进行文献数据的采集。

(2)数据采集及清洗。本文采用主题检索方式检索相应资料，主题包括“IFC”“Industry Foundation Classes”“工业基础类”，并剔除“国际金融中心”等与IFC缩写相同的词汇，以减少后期的数据筛选工作。检索的时间范围从1996年到2019年(截止至2019年4月底)。经CNKI的初步检索，采集得到2003—2019年期间726条记录。为排除征文通知、新闻报道等无效记录，分别通过文献摘要、文献内容等人工研读方式清洗无效记录，最终得到有效记录465条。

(3)知识图谱绘制。本文利用CiteSpace绘制相关知识图谱。其中，模块值Q(Modularity)和平均轮廓值MS(Mean Silhouette)可评估图谱绘制的质量[9]：模块值Q表示图谱网络的模块度，当Q>0.3时，表明图谱的聚类效果显著；平均轮廓值MS可用于评估网络的同质性，当MS>0.5时，表明聚类是合理的。

(4)关注点讨论。本文根据绘制的知识图谱，对国内IFC研究和应用的关键领域、重要影响、发展趋势、研究分布等方面进行讨论。

2 研究热点分析

关键词是论文研究领域、思想、方法等方面的高度浓缩。可采用关键词绘制知识图谱，以分析IFC的研究热点。图1展示了采用CiteSpace绘制的研究热点知识图谱(类型为“Keyword”)。该知识图谱的Q=0.6215，MS=0.5335，符合知识图谱的聚类要求。

图1 国内IFC研究热点知识图谱

图1的知识图谱共有121个网络节点以及222根连线。从图1可见，IFC与BIM之间存在非常紧密的关系(图1中，BIM技术与BIM、建筑信息模型、建筑信息模型(BIM)同义)。BIM的提出背景是建筑项目各方基于统一模型开展协同工作。IFC标准作为建筑领域的数据存储标准，奠定了BIM应用的数据基础。因此，二者在相关领域存在众多交叉。为进一步分析IFC的研究热点，除IFC，BIM及其同义词汇，根据频次得到前20个关键词，如表1所示。

分析图1和表1，除IFC和BIM，其它研究热点分布较分散，频次分布较均匀，各领域之间存在

表1 国内IFC研究热点高频词

多种交叉。在2003—2019年期间，国内的IFC研究热点可总结为以下四个方面：

(1)数据交互。IFC的提出背景是实现建筑领域各软件之间的数据交互。国内很多学者基于IFC研究建筑项目数据的共享与交换，“数据交换”“数据转换”“信息交换”等高频词验证了这一现象。特别地，IFC与城市数据(CityGML)[10,11]、地理信息(Geographic Information System，GIS)[12,13]之间的转换研究，突显了IFC在城市、建筑、地理之间数据交互过程中所起的重要作用。

(2)数据集成。IFC定义了建筑项目不同专业信息的表达方法，可用于存储建筑项目全生命周期数据。由于三维模型数据量大、关系复杂，国内部分学者研究“信息集成”“信息化”“数据库”等[14～16]，以优化IFC的集成效率与质量。

(3)数据应用。基于IFC的BIM模型为不同业务应用提供了统一数据，如何有效地将这些数据运用在实际建筑项目的业务应用中，是IFC应用过程的重要问题之一。经文献分析，现阶段已出现了基于IFC的“进度管理”“成本控制”“施工管理”等[17～19]应用方面的研究。

(4)新技术结合。随着建筑项目数据量的不断累积，如何更高效地存储、交换、提取和管理这些数据，成为建筑项目信息化过程中必须解决的问题之一。通过分析图1的关键词，可发现国内学者已开始基于“云计算”“神经网络”“本体”等[20～22]建筑领域的新技术和IFC标准开展建筑项目数据处理研究。

3 研究演进探讨

本文搜索了1996—2019年范围的IFC研究文章，最终得到2003—2019年期间的465条记录。可见，尽管bSI在1996年已经发布IFC1.0，但国内从2003年才开始研究IFC标准。根据时间跨度整理分析所采集的文献记录，如图2所示。从2003年开始，我国关于IFC的研究文献数量逐年增多。由于采集数据截止至2019年4月，故2019年的文献数量较少。可以预期，随着IFC的深入研究和应用，将有更多研究成果得到发布。进一步，根据不同时间段的突现词分析IFC研究的演进趋势，如图3所示。此处同样以关键词作为突现词，绘制关键词时序图。

图2 国内IFC研究文献的年发表量

图3 国内IFC研究的关键词时序图

从图3可知，我国关于IFC的研究可分为三个阶段：基础研究、深入研究、扩展应用。

2003—2010年是国内IFC研究的第一个阶段，即基础研究阶段。国家“十五”重点科技攻关项目专题“基于IFC标准的4D施工管理原型系统研究与示范应用”(2004—2005年)[23]是比较早期的研究课题之一，主要研发基于IFC的建筑结构CAD软件系统、4D施工管理系统等原型系统。紧接着，国家科技部批复开展“十一五”科技支撑计划项目“现代建筑设计与施工关键技术研究”[24]，并设立“建筑协同设计关键技术研究[25]”“建筑设计与施工一体化平台信息共享技术研究[26]”“绿色建筑全生命周期信息模型研究[27]”等专题，这些专题研究均涉及了IFC研究。可以看到，该阶段的研究以国家政策推动为契机，围绕IFC研究建筑项目数据共享与交换等方面的基础问题，并探索性地研发相关的原型系统。

第二阶段(2010—2015年)是关于IFC的深入研究。通过前期的积累，对IFC标准已经有了更清晰的定位和关注点。住建部在2011年发布《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》，明确要求“加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用”，也促进了BIM数据标准IFC的研究。在此阶段，国内学者对IFC数据结构开展了深入研究，如“文本挖掘”“信息交付手册(Information Delivery Manual，IDM)”“模型视图定义(Model View Definition，MVD)”等[28～30]，为建筑项目多方基于IFC标准的数据共享与交换提供了技术支撑。

2015年至今的阶段为扩展应用阶段。国内学者深入研究了IFC在建筑项目全生命周期过程中的应用问题，如“协同设计”“施工监测”“运维管理”等[31～33]。应注意的是，IFC标准现阶段主要针对一般建筑，国内早期阶段的研究主要集中在民用建筑。为满足其它类型建筑项目的数据交互需要，部分学者开始研究IFC在其它建筑项目中的应用，如“轨道工程”“输变电工程”“水利水电工程”等[34～36]。这些研究填补了IFC在其它建筑类型项目中应用的不足，为IFC成为完善的建筑领域数据标准奠定了基础。

4 研究分布分析

4.1 核心文献群

核心文献是指具有权威性的经典文献，其它文献以此为知识基础形成自身的知识体系。根据被引频次，表2整理了17篇被引频次较高的核心文献，每篇文献的被引频次均在96次以上(截止至2019年4月底)。

表2 国内IFC研究核心文献

经分析，表2的文献可分为三类：概念研究、基础研究、原型系统研发。IFC刚引入国内时，还缺乏相关的知识体系，邱奎宁[37]、何关培[38]等研究IFC的基础知识及其体系，推动IFC标准在国内的普及。随着对IFC标准的逐渐认识，国内学者开始研究基于IFC的BIM数据交互，如邓雪原等[39]、李艳妮[40]采用IFC数据作为中间格式，研究建筑模型与结构模型之间的数据转换；张建平等[41]、张洋[42]基于IFC标准开展建筑工程模型数据的集成、转换。随后越来越多的学者开始研发基于IFC的BIM原型系统，以期更高效地管理建筑项目全生命周期的信息。张建平等[23]基于IFC建立4D信息模型，并研发面向建筑施工的4D项目管理系统，可实现进度控制、资源管理、场地布置等；邓雪原等[43]基于IFC标准开展建筑多专业协同设计管理的研究，并搭建BIM建筑协同管理平台；刘照球等[44]通过分析建筑结构模型基本对象的表达，设计建筑结构信息模型集成框架，可转换建筑结构信息模型。

4.2 论文来源分析

统计所采集的465条文献记录，可得到所有文献的发布来源。根据类型可分为期刊论文、学位论文和会议论文。

经统计，共有117种期刊发表了关于IFC研究的文献，图4汇总了主要的学术期刊(发表文献数量≥3篇)。从图中可见，IFC研究论文发表量最多的期刊包括《土木建筑工程信息技术》、《铁路技术创新》等。其中，《土木建筑工程信息技术》创刊于2009年，主要刊登国内土木工程行业信息技术方面的成果与动态，其创刊时间与BIM技术广泛应用的时间较吻合，对BIM，IFC等方面的关注度较高。《铁路技术创新》由中国铁道科学研究院主办，中国铁路BIM联盟在2014年正式成立，并借鉴IFC标准研究铁路领域的BIM数据标准。因此，铁路领域大量的IFC研究成果发布在该期刊上。其它期刊发表文献的数量相对较少，说明IFC作为建筑领域信息化的新方向，仍需要投入更多的关注，以推动国内的IFC发展。

图4 国内IFC研究的发表期刊

学位论文一般是课题团队在某一阶段研究得到的成果，在一定程度上可反映课题团队对该领域发展的重视程度。经统计，共有50个高校或研究院发表了与IFC相关的学位论文，表明IFC研究已得到国内广大学者的重视。其中，正式对外发布与IFC相关的学位论文较多的研究机构包括：清华大学(13)、华中科技大学(11)、大连理工大学(10)、天津大学(9)、哈尔滨工业大学(9)、上海交通大学(7)、东南大学(6)、北京建筑大学(5)。研究机构后的数字为学位论文数量，包括硕士和博士学位论文。上述机构形成较多的学位论文，一定程度上表明IFC研究已成为上述机构相关课题组在土木建筑领域发展的重要方向。

对于会议论文，共统计得到18项会议论文集收录与IFC相关的论文。其中，全国BIM学术会议、全国工程建设计算机应用学术会议、工程建设计算机应用创新论坛、建筑业企业信息化应用发展研讨会收录的相关论文最多。上述会议主要以建筑领域信息化为主题，表明IFC研究在建筑业信息化发展中的重要作用。另一方面，在18项会议论文集的统计结果中，传统主题的会议(如结构工程、岩土工程、绿色建筑等)收录的IFC研究论文极少，说明传统方向基于IFC的研究与应用仍相对较少。

5 结 论

本文以CNKI数据库所得到的国内IFC研究文献为数据样本(2003—2019年)，采用知识图谱的方法分析IFC的研究热点、研究演进和研究分布等问题。相关结论如下：

(1)在研究热点方面，除BIM，IFC等紧密相关的关键词，高频词还包括信息模型、数据交换、信息集成等。进一步分类，现阶段IFC研究热点主要集中在数据交互、数据集成、数据应用等方面。同时，一些新技术(如云计算、人工智能)开始应用在建筑项目IFC数据研究上，成为IFC发展的新方向。

(2)在研究演进方面，国内IFC发展经历了基础研究、深入研究和扩展应用等阶段。近年来，IFC的研究领域已从一般建筑项目扩展到轨道工程、电网工程、水利工程等市政基础项目，促进了国内更多建筑类型项目的IFC应用。

(3)在研究分布方面，IFC的核心文献聚焦在概念研究、基础研究和原型系统研发等方面，综合性文献成果相对较少。在论文发布方面，与建筑领域传统方向相比，IFC的论文发布来源相对集中，主要分布在与信息化相关的期刊、会议等。

针对上述结论，本文提出以下建议以期促进国内IFC的研究与应用：

(1)需要更多的学者关注基于IFC的BIM技术研究，以解决建筑项目应用的数据存储、交换、管理等问题。同时，需进一步加强各学者之间的合作交流，形成更高效的研究发展生态圈。

(2)将一般建筑的IFC研究与应用经验推广至其它类型项目(如市政工程)，加快其它项目的IFC发展，以实现建筑领域更广泛的数据交互。

(3)在实际项目应用中，建筑领域各企业需加快落实工程项目的BIM/IFC应用，在实际应用过程中发现问题，以加强产学研用结合，加快解决BIM/IFC应用的核心问题。

国外对IFC标准开展了大量的、深入的基础性研究，涉及建筑项目全生命周期各阶段BIM应用，尤其在数据扩展、数据交互、数据转换、数据验证等底层数据研究方面。而国内仍需进一步加强IFC标准底层数据方面的研究与应用。为比较分析国内外研究IFC的异同，笔者将在下一篇文章中系统分析国外关于IFC的研究现状，以期为国内IFC研究与应用提供参考，推动IFC在国内更广泛、更深入的应用。