基于知识图谱的国际装配式建筑研究可视化分析

牛昌林，冯力强，张 雷，魏宏亮，吴星蓉

(1.甘肃建投科技研发有限公司，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省建设投资(控股)集团有限公司，甘肃 兰州 730050)

装配式建筑已成为当下建筑业界工程师及相关科研人员关注的焦点之一，其思想萌芽起源于18世纪产业革命掀起的机器大工业时代。二战之后，大规模战争造成欧洲住房严重短缺，建筑劳动力极度缺乏，装配式建筑迎来了真正的发展契机。在此背景下，装配式建筑在世界各国得到初步发展，逐步普及[1]。我国最早是在20世纪50年代中期提出建筑工业化的概念，国务院在《关于加强和发展建筑工业的决定》中指出，实行工厂化、机械化施工，逐步完成对建筑工业的技术改造，完成向建筑工业化的过渡。随后，我国便开始大力推行装配式建筑，发展多层框架建筑、简单工业厂房等适合当时国情的结构体系。另一方面，受1976年唐山大地震冲击，装配式建筑抗震性能差的缺点瞬间暴露，人们对装配式建筑的安全性存在顾虑，其建造与研究也暂且停滞[2]。

随着包括BIM技术等在内的建筑技术迅速发展，受国家节能减排、建筑环保、人口红利逐年下降等因素影响，装配式建筑研究再次得到国内外相关学者的关注，且涉及主题、内容、研究方法更为广泛。为更好把握装配式建筑的研究热点与研究趋势，仅依靠传统的文献综述很难直观全面地对其进行定量分析。因此，本研究基于文献计量学理论，运用Citespace软件探索装配式建筑研究的侧重点，以期为装配式建筑领域的理论研究与实践应用提供指导及建议。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究选取WOS(Web of Science)数据库作为信息来源，设置检索范围为“核心合集”，并以“prefabricated construction”为主题进行高级检索，根据文献发文量分布规律限定期刊年限为“2005—2018年”，经过高级筛选检索共获得625篇期刊文献以作为CiteSpace可视化分析的数据基础。

1.2 研究方法

传统文献分析法中，科研人员主要通过不断寻找与主题相关文献来建立对该主题领域的系统认识，通过不断分析、归纳和推演，发现一些高度抽象问题，研究领域演进趋势的程度不同。因此，仅靠传统分析方法很难从整体上对某一研究领域文献进行准确梳理与判断[3]。鉴于此，本研究运用Citespace可视化软件，对具有代表性的装配式建筑期刊文献进行可视化分析，科学突显装配式建筑的研究热点与学科演进趋势。

知识图谱源于计算机图形学，以哲学家卡尔·波普尔提出的物理世界、精神世界和客观知识世界为哲学理论基础，通过数据挖掘、信息处理、知识计量等手段，利用可视化图像直观地将某一学科或研究领域的前沿、发展进程和结构关系展现出来[4,5]。通常人脑对图形具有比数字更加敏锐的洞察能力，透过图形能够轻易得到常规统计数字难以洞察的信息。因此，运用可视化图谱进行装配式建筑可视化分析有助于深层次理解复杂的文献数据。本研究运用的最新版本CiteSpace文献分析软件是由美国德雷赛尔大学陈超美教授开发，基于Java环境平台，可以将海量的文献转化为形象直观的知识图谱[6]。

2 研究文献态势分析

从定量角度对装配式建筑领域文献分布进行分析，可以客观反映研究现状、研究水平以及研究范畴，进而对该主题的研究概况、学科规模及研究进展有整体的认识[7]。

2.1 文献时间分布及增加量统计

对2005—2018年间的装配式建筑研究文献，逐年进行检索，获得了每年装配式建筑研究的文献数量，根据每年发表的论文数量及历年增加量，绘制了装配式建筑研究文献的时间分布及历年增加量曲线图，如图1所示。

图1 装配式建筑文献时间分布及历年增加量

在14年的时间跨度中，装配式建筑领域文献发表量由2005年的7篇增加到2018年126篇，大体呈逐步上升的趋势，但增长速度缓慢，到2018年刚突破百篇。数据显示，2005—2013年，文章发表不仅数量少，且增长趋于稳定，甚至出现增长率为负数的情况，可以视为装配式建筑研究的初期增长阶段或酝酿阶段；2014—2018年，文章发表量较多，增长幅度较大，说明装配式建筑步入了新的快速发展阶段，这与国家发布的政策、标准相关，如2017年10月住建部发布JGJ/T 398-2017《装配式住宅建筑设计标准》，2016年9月国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，2017年3月住建部出台《“十三五”装配式建筑行动方案》。

2.2 机构分布

为分析装配式建筑研究力量中的主要机构分布情况，绘制机构分布图，如图2所示。

图2 装配式建筑研究文献的机构分布注：Hong Kong Polytech Univ：香港理工大学；Univ Melbourne：墨尔本大学；Univ Hong Kong：香港大学；Shenzhen Univ：深圳大学；Tongji Univ：同济大学；Chongqing Univ：重庆大学；Harbin Inst Technol：哈尔滨工业大学；Tianjin Univ：天津大学；Cent S Univ：中南大学；Nanyang Technol：南阳理工大学。

2005—2018年期间，装配式建筑发表文献居于前10位的研究机构中，文章发表最多的是香港理工大学，发文数量为14篇；居于第二位是墨尔本大学，发文数量达到11篇;其他的研究机构依次是香港大学、深圳大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、天津大学、中南大学以及南阳理工大学。从图2可以发现，一些知名高校构成了装配式建筑的主要研究机构群体，并为其发展做出了重要技术支撑和理论研究，而普通高校和公司企业在这一领域研究尚有欠缺，研究深度不足或重视力度不够，这与高校偏向于理论研究、企业偏向于科研成果转化应用的性质有关。

3 基于Citespace的图谱分析

3.1 研究主体

为获悉推动装配式建筑发展的主要研究力量，本研究从作者共现分析、作者共被引分析以及国家共现分析三个方面出发，进行深度研究。

3.1.1 作者共现分析

文献作者是推动某领域进一步发展的主要力量，通过其著述规律、发文数量以及作者之间的合作关系，可以找出学科的高发文频次和高影响力的作者，预测论文内容分布、发展动向以及学科发展的规模和趋势[8]。将Node Type设置为Author，选择Top N为50，运行及图谱调整得到作者共现图谱，见图3。

图3 作者共现图谱

对作者共现聚类分析即是对作者合作网络的探索，它可以反映不同作者之间相互合作与交流情况[9]。从图3可以看出，装配式建筑研究出现了较大的作者共现群体，并形成了以Fan Xue，Mohamed Alhussein，Jan Tywoniak，Zhongfu Li，Maury Anussbaum，Johlfeld，Yujie Yu等为中心的聚类群，研究分析发现他们是装配式建筑领域具有影响力的学者。以Fan Xue为例，该群体聚类规模最大，其周围围绕着Ke Chen，Jingke Hong等多位学者，说明Fan Xue与其他几位学者之间合作紧密，从连接线还可以看出周围几位学者之间也有较多的合作与交流，已形成了健康稳定的学术研究体。而在以Mohamed Alhussein为中心的作者聚类群中，仅局限于他与周围学者合作紧密，周围其他学者之间几乎零合作。

总体来看，装配式建筑深层次研究已初具规模，发展良好。发文较多的研究者之间联系紧密，形成了各自的聚类群体，说明零散的学者应多与其他学者进行合作、交流，已形成聚类规模的学者之间应进一步加强合作，精益求精，共同致力于装配式建筑健康长远发展。

3.1.2 作者共被引分析

作者共被引图谱反映的是研究者在某研究领域影响和学术界对研究主题的整体贡献，被引频次较高作者通常是对主题的基础性研究，他们的成果被其他学者高频引用作为参考文献，对主题研究起到推动作用[9]。默认网络节点类型为Cited Author，对作者进行共被引知识图谱分析，见图4。根据需要，以频次Frep≥18的被引作者为分界值，进行统计分析，见表1。

图4 作者共被引知识图谱

表1 装配式建筑研究的高频次被引作者

图4左上角显示，网络节点共有538个，连线2014条，连线代表作者文献之间的共引关系，连线粗细表示共引强度。除Anonymous(经原文检索查证，为各种调研报告、研究报告等被引用频次总和)，Jaillon L教授被引频次最多，高达52次，在装配式建筑领域影响力较大，后续很多研究都以其研究成果为参考。Tam Vwy教授以42频次位于第二，这与他在装配式建筑领域的地位相吻合，同时推测出他对主题的研究更偏向于理论基础，在一定程度上形成了装配式建筑发展的推动力量。其他高被引的作者还有Chai J C(26次)、Pan W(26次)Mao C(25次)和Indraratna B(24次)等，他们的发文内容主要集中在工程管理、土木工程、BIM技术、施工技术、地质学、材料学等研究领域。从连线数量可以看出，装配式建筑领域的研究共引关系庞大，理论基础丰富，后续动力充足。

3.1.3 国家分布分析

为探讨装配式建筑研究的主要国家以及他们之间的合作交流，绘制国家分布知识图谱，见图5。该图谱能够形象直观地反映出装配式建筑的主要研究国家、发文数量、中心性以及时间分布。

图5 装配式建筑研究国家知识图谱

从图5可以看出：图谱中共有36个节点、67条连线。2005—2018年期间发文数量最多的是中国(Peoples R China)，以153篇位居第一，其次是美国(USA)和德国(Germany)，以93篇和59篇分别位居第二名和第三名。仅从发文数量来判定各个国家在装配式建筑方面的发展程度相对比较片面，因此本研究将登载数量≥10的国家以及他们的中心性与首次登载时间进行统计分析，见表2。

表2 发文数量Frep≥10的国家以及中心性统计

根据图5和表2可以发现：中国在发文数量方面位居第一，但在中心性方面却稍逊于美国，说明美国与其他国家合作交流最为密切，这与美国在装配式建筑领域发展水平完善的现状和国际影响力不谋而合。为促进装配式建筑的进一步发展，中国仍需加强与其他国家之间的联系与合作，借鉴学习他们的先进之处，完善相关建造技术，提高国际影响力；德国和澳大利亚(Australia)两个国家在发文数量与中心性方面也位居前列，说明这两个国家在装配式建筑领域的发展也走在世界前沿，但仍有发展空间；韩国(South Korea)、加拿大(Canada)、印度(India)和土耳其(Turkey)四个国家虽然在发文数量上位于前列，但中心性(Centrality)为0.00，说明他们与其他国家之间的交流合作甚少，目前主要立足于本国国情的基础上进行研究，国际影响力尚有较大提升空间。

3.2 知识基础

从文献计量学角度看，高被引文献形成了装配式建筑研究前沿，高被引文献组成装配式建筑的知识基础[10]。通过对装配式建筑研究的知识基础进行探讨分析，可以揭示研究对象前沿的本质，有助于掌握它的热点变迁及未来发展趋势。

3.2.1 共被引文献分析

设置Node Types为共被引文献(Cited Reference)，Selection Criteria选择Top N，Pruning 设置为Pruning Sliced Networks，Visualization设置为Cluster View-Static和Show Merged Network，运行软件及调整图谱，得到图6。

图6 装配式建筑研究的共被引文献知识图谱

被引频次较高的文献通常是某领域影响力较强和具有代表性的文献[3]。从图6可以看出，图谱只显示了作者的姓名和文章的发表年份，却没有显示共被引文献的全称，根据后台相关信息可以检索获得完整的被引文献。运行后台得到的30篇高被引频次的文献，是装配式建筑领域的经典文章，展示了装配式建筑研究的基础，这些文章在一定程度上构成了装配式建筑研究的知识基础。

Li Z等于2014年在《Habitat International》期刊上发表了“Critical review of the research on the management of prefabricated construction”[11]，共被引频次达到18次，位居第一位。该文通过对2000—2013年10种主要期刊上发表的建筑管理研究成果进行综述分析，探讨了建筑领域最新的研究趋势，发现预制作为一种可持续的建筑方法，对整个建筑行业的重要性越来越大。分析表明，装配式建筑管理研究课题内容主要包括行业前景、开发与应用、绩效评估、环境等方面，所涉及到的RFID(Radio Frequency Identification)技术在这一领域得到了有效的应用，被认为是提高未来预制建筑性能的有力工具。

Jaillon L等于2008年在《Waste Management》上发表了“Quantifying the waste reduction potential of using prefabrication in building construction in Hong Kong”[12]，被引频次16次，位居第二位。该文基于当时香港建筑背景现状，探讨了建筑废物的危害，分析了预制在建筑行业的使用对香港减少废物产生的影响。

Jaillon L等于2009年在《Automation in Construction》上发表了“The evolution of prefabricated residential building systems in Hong Kong”[13]，被引频次15次，位居第三位。该文研究了香港高层住宅发展中预制技术的演变，并对预制技术进行探讨，从179个预制住宅数据库中挑出5个住宅进行了详细的案例研究。

Aye L等于2012年在《Energy and Buildings》期刊上发表了“Life cycle greenhouse gas emissions and energy analysis of prefabricated reusable building modules”[14]，被引频次13次，位居第四位。该文探讨了装配式建筑的潜在环境效益，特别是减少废物和提高材料使用效率所节省的能源，并量化组合式预制钢和木结构住宅建筑的性能，以确定这种建筑形式是否能改善环境性能。此外，他还评估了材料可重复使用性的潜在益处，减少了填埋所需空间和额外资源需求。

Pons O等于2011年在《Habitat International》期刊上发表了“Environmental impacts of prefabricated school buildings in Catalonia”[15]，被引频次12次，位居第五位。该文基于西班牙加泰罗尼亚公共教育大楼建造实例，从技术和可持续的角度对工业化技术进行分析，以确定它们如何提高这些建筑质量、建造速度和减少建筑废弃物对环境的影响。此外，Pons O等还将3种主要的工业化技术和一种非预制技术进行了生命周期分析，并在这些技术弱点的基础上提出了一种可减少资源消耗和降低废弃物产生的优化技术。

通过对30篇高被引文献深度分析，可以发现基础内容主要集中在以下几个方面：发展与生态环境、能源消耗、可持续发展理念、建筑环境以及施工管理合同等方面。

3.2.2 共被引期刊分析

设置节点类型为共被引期刊(Cited Journal)，利用软件中Pruning Sliced Networks，设置阈值为10，将自动生成的原始图谱切换成Time Zone View视图，经过图谱调整，生成最终的装配式建筑研究共被引期刊知识图谱，见图7。从图7中可以看出节点最大的是期刊《BUILD ENVIRON》(《Building and Environment》)，其次是《AUTOMAT CONSTR》(《Automation in Construction》)和《ENG STRUCT》(《Engineering Structures》)，说明这3种期刊的被引频次排名都居于前列，其在装配式建筑研究方面的重要性和权威性不言而喻。

图7 装配式建筑研究的共被引期刊知识图谱

中心性是测量节点在网络中重要性的一个指标，通过它来发现和衡量期刊的重要性[16]。为了全面反映共被引来源期刊的分布规律，通过查询图谱后台相关信息，可以发现《CONSTR BUILD MATER》(《Construction and Building Materials》)、《KSCE J CIV ENG》(《KSCE Journal of Civil Engineering》)、《CAN J CIVIL ENG》(《Canadian Journal of Civil Engineering》)、《J CONSTR ENG M ASCE》(《Journal Of Construction Engineering and Management Asce》)、《BUILD RES INF》(《Building Research and Information》)等不仅被引频次高，中心性也相对较强，综合两项指标可推断出：装配式建筑领域主要以建筑环境类、建筑能源类、建筑材料类等期刊为主，同时也有工程结构、土木工程、建筑资源信息、地质工程、岩土工程等领域的期刊。这些被引期刊质量较高，绝大部分是核心及以上水平期刊，由此可推断装配式建筑发展重视建筑环境、建筑节能、建筑材料等多个领域的研究。

3.3 研究热点

运用Citespace对文献关键词高频性分析，可从定量和可视化的角度来定位装配式建筑研究热点。默认参数节点类型为Keyword，设置Year Per Slice的值为1，对高频性关键词进行Timeline分析，见图8。该图谱中网络节点179个，连线750条，节点表示装配式建筑某个研究热点，节点大小代表热点程度的高低(节点越大说明热度越高，反之亦然)；不同关键词之间的关系通过节点连线表明，连线越粗，表明它们之间的关联性越强。

图8 装配式建筑关键词知识图谱

为进一步了解装配式建筑领域研究热点的分布状况，本研究将共现频次≥10的高频关键词进行统计，见表3。

表3 关键词共现频次(≥10)统计

由关键词知识图谱和表3统计结果可以看出：construction，performance，prefabrication，behavior，design，system等出现频次较高且相对均匀。从整体看，研究领域分散，交叉研究较多，具体来看，国际装配式建筑研究热点主要集中在以下几个方面：

(1)装配式建筑性能：欧洲装配式建筑出现较早，但起初的设计仅局限于解决二战后难民居住问题，随着新时代生活标准的提高，各国对装配式建筑性能提出了更高的要求，主要包括建筑强度、耐久性、建筑生命周期、节能以及建筑相关行为等方面。

(2)装配式建筑设计：装配式建筑与传统建筑不同，其前期设计是核心环节。2005—2018年期间，国际装配式建筑设计环节研究热点主要包括结构设计、构件加工设计、设计施工一体化以及结合BIM技术的信息化设计等方面。

(3)装配式建筑建造施工：作为一种新型建筑产品建造方式，装配式建筑发展尚不成熟，尤其现场施工安装方面是目前亟待解决的问题。与门窗不同，装配式建筑部品部件刚度极大，构件设计或生产稍有偏差，就会加大现场施工难度，增加施工成本。此外，现场节点连接也是一个难点，质量要求高，施工速度慢，操作难度大。国际上这一热点主要包括施工设计、环境效益、资源节约、成本管理、信息化建造、施工安全、施工质量以及塑料排水板等方面。

(4)信息化应用：装配式建筑对信息化管理要求极高，依靠传统的信息管理手段已很难满足设计施工要求。目前，国际装配式建筑研究与BIM技术结合较多，主要包括仿真模拟、构建模型等方面。

(5)其他方面：由于装配式建筑具有节能、环保、节省模板、工期短等优点，相关学者开始在桥梁工程领域寻找研究这种建造模式。此外，在软质黏土下的装配式建筑地基基础研究也已成为国内外学者关注的焦点。

3.4 装配式建筑学科演进

Citespace的Dual_Map方法可通过将引文和被引图层进行叠加，揭示研究对象随时间在不同学科之间的发展，反映装配式建筑在学科层面的演进趋势[3]。图9是装配式建筑共被引文献Dual_Map图谱，Blondel算法分析形成期刊聚类，图中椭圆中心表示特定期刊学科领域，双图叠加分为左、右两图，左图中椭圆横轴计量作者人数，纵轴表示发文量。右图椭圆横轴表示被引作者数量，纵轴呈现某期刊被引用次数。

3.4.1 共被引文献Dual_Map图谱

左侧引文图谱中的装配式建筑研究文献主要分布在A和B两个椭圆区域，A区域论文主要属于生态、地球、物理、材料、化学等主题期刊，相对应的右侧被引文献图谱中的论文属于植物、生态、动物学、地质学、环境、毒理学等主题期刊。由图9还可以看出，在A区域中出现期刊的名称字体小且内容少，说明该区域中装配式建筑的研究主要处于学科层面，特别关注其研究的期刊不够明显。B区域论文主要属于数学、系统体系等主题期刊，对应的被引文献图谱中的论文属于数学、力学、体系、计算机、环境等主题期刊，它们与A区域相似，都尚未出现特别明显的关注期刊。

3.4.2 引文与共被引轨迹

通过引文图谱上的引用轨迹变化，可说明研究主题的发文领域发生了改变[16]。因此，通过引用轨迹可以反映出学科层面上装配式建筑研究的动态进展。从图9的C区域(引文献轨迹)和D区域(被引文献轨迹)可以看出，装配式建筑引文轨迹始于2005年，变化过程中涉及了外科学、临床学、生物学、免疫学和分子学等。被引文献轨迹始于2005年，主要分布在教育学、计算机、统计学、经济学等领域。

图9 共被引文献 Dual_Map 图谱

装配式建筑被引文献轨迹并没有涉及到教育、经济等学科领域，但其知识基础已经发生了改变，参考文献也已不局限于建筑领域，而是逐步开始拓展到其他学科，右侧被引图谱中的共引连接反映了研究主题在学科交叉方面的贡献。装配式建筑研究基础将地质学、统计学、计算机、医学、教育和经济等学科联系起来，在学科交叉研究方面发挥了重要的作用。

4 结 语

本研究通过文献计量法对WOS中2005—2018年期间装配式建筑核心期刊进行可视化分析，探索装配式建筑研究进展，得出以下结论：

(1)从文献时空分布看，2005—2013年，装配式建筑发展缓慢，处于酝酿期；2014—2018年，发文量大幅增加，装配式建筑迎来了全新的发展时期，尤其是2016—2018年更加突出。各国的相关学者对装配式建筑的研究和发展做出了重要贡献，其中美国、中国、德国、澳大利亚、韩国、加拿大、西班牙、英国等的研究成果最为丰富，这与各国在装配式建筑领域的发展程度相吻合。

(2)《BUILD ENVIRON》《AUTOMAT CONSTR》《ENG STRUCT》《CONSTR BUILD MATER》《KSCE J CIV ENG》和《CAN J CIVIL ENG》等期刊是国际装配式建筑研究领域最具代表性的期刊，它们主要侧重于建筑环境、建筑节能、建筑材料等多个领域。Li Z,Jaillon L和Aye L在国际装配式建筑研究领域研究的基础性最强，影响力也最为广泛。

(3)装配式建筑研究趋势呈现多样化和动态化，近14年主要集中于装配式建筑性能、部品部件设计、现场施工、建筑结构体系以及BIM技术在装配式建筑中的应用等方面。

(4)通过Dual_Map学科层面演进叠加图谱发现，装配式建筑的发展对促进桥梁工程、地质学、统计学、计算机、医学、教育和经济等学科交叉研究发挥了一定的促进作用。

为促进装配式建筑发展趋于成熟化，针对以上结论及装配式建筑研究现状提出以下建议：

(1)虽然中国装配式建筑研究领域在国际上发文量最多，但中心性次于美国，建议加强国际交流，进一步提高我国装配式建筑在国际上的影响力。

(2)装配式建筑造价成本高于传统建筑，难以顺利推广，而研究热点在这一方面未能体现，建议相关学者应加强成本控制研究。

(3)结合研究热点和建筑行业实际情况，装配式建筑允建楼层与抗震性能技术尚不成熟，尤其是装配式混凝土结构建筑，是目前亟待解决的难题，建议加大结构体系、围护体系以及其连接方式的研究，以弥补研究盲点。

(4)结合知识基础及研究热点发现，装配式建筑在生态环境、建筑材料等方面的研究较少，是目前被忽略的重点。

(5)预制装配式建造方式可根据我国各行业实际情况尝试引入其他领域，如桥梁工程，随着这种技术和理念的逐渐成熟，成果将不断扩大。