国际与国内BIM领域研究热点趋势比较——基于文献计量研究的可视化分析

杜战军，吴继峰，任子健，温庆杰

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 451450；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116)

建筑信息模型(BIM)技术作为一种数据化工具已经在许多国家应用于工程设计、建造、管理，可以数字化构建建筑物的精确虚拟模型，BIM包含精确的几何形状和相关数据，支持实现建筑物所需的设计、采购、制造和施工活动[2]。BIM技术注重在全生命周期中各个项目参与方的协同工作及共同设计、规划成本进度，以及发现施工中存在的问题[3]。最近BIM研究重点由生命周期前期转移到维护、翻新、重构和拆除[4]。王广斌等[5]采用共词分析法梳理2002年～2012年间BIM领域研究热点及其演化趋势，研究时间段较早，研究方法较单一。ZHAO X[6]采用合著者分析、共词分析和共引分析，对2005年～2016年全球BIM研究进行了科学计量研究，但其研究样本数量偏少。朱记伟[7]运用知识图谱分析了2008年～2016年国内外BIM研究热点、知识基础及演进趋势。近年来，国际和国内的BIM发展日新月异，但对BIM行业重要领域和发展趋势所做研究仍相对较少，有必要对近年国际和国内BIM领域的前沿热点及发展趋势进行对比分析。

本文基于科学计量学理论的可视化分析方法，采用共词分析及聚类分析法对2010年～2020年国际和国内BIM文献进行对比分析，从国际和国内BIM研究热点及BIM演进趋势两个角度揭示BIM研究领域在国际及国内的发展态势和未来研究方向，为深入研究BIM领域的学者提供借鉴和参考，帮助相关学者和从业人员了解国内外BIM研究热点差异，确定重点关注的研究方向。

1 研究方法与数据

1.1 研究方法

科学计量学可通过定量分析科学文献了解研究领域的知识结构和发展趋势，近年来已成为评估单个研究人员、部门、学院、大学、国家和期刊的研究绩效的最常用方法之一[8]。文献计量学和科学计量学都以文献作为计量研究对象，文献计量学的研究方法同样可用于科学计量学研究。文献计量学分析可采用共词分析和聚类分析方法实现。共词分析对一组词两两统计它们在同一组文献中出现的次数，通过统计共现次数来测度它们之间的亲疏关系。共词分析既可有效地映射文本数据中信息项之间的关联强度，也可直接根据关键词的交互作用映射相关文献。因此，用于描述文献内容的关键词可用作研究领域结构的基本构建块[9]。而聚类分析是将个体或对象分类，使得同一类中的对象之间的凝聚性比其他类的对象之间凝聚性更强[10]。聚类分析依据事物的数值特征计算各个变量或样品之间的亲疏关系，将同质性强的变量归为一类，因此分析结果直观，结论形式简明。本研究将首先采用共词分析法得到关键词之间的关联强度，然后采用聚类分析法将共词分析结果网络识别为不同的知识领域，用以识别和判断研究领域的热点。

1.2 数据收集与数据处理

为保证研究数据全面及可信度，选择Web of Science核心数据集(国际最大的数据库)和中国知网(CNKI)数据库作为国际和国内BIM分析数据来源。首先通过主题词筛选检索近10年(2010年～2020年)的期刊论文，分别得到9179篇和2309篇文献。为了使聚类结果符合实际情况，排除两个数据库中土木工程专业领域之外的文献，同时也排除会议论文、会议摘要和编辑资料的文献。最终选择Web of Science数据库的1351篇国际文献和中国知网数据库的1881篇国内文献进行对比分析。

在关键词共现分析和聚类分析过程中主要采用Citespace软件进行数据分析。Citespace是基于共引分析理论(co-ciation)和寻径网络算法(pathFinder)等理论的用于科学文献分析的可视化工具，可通过计量特定领域的文献探寻该学科的演化趋势及知识拐点，并构建可视化图谱以分析学科热点、揭示前沿趋势[11]。

2 研究热点分析

研究主题的分布及演化能够辨识出该领域在不同时间段内的研究热点及研究前沿的变化，而关键词是表达文献主题概念的自然语言词汇，通过关键词的共词分析可以揭示本领域的研究热点及演化趋势。在Citespace软件中选择“Keyword”为分析节点，生成高频关键词共现网络图谱并对关键词进行聚类，可分别对国际及国内研究热点进行分析对比。

2.1 国际BIM领域研究热点

在生成的国际关键词共现网络图谱中，包含493个关键词节点以及节点之间的1638条连线，如图1所示。图1中每个关键词节点大小代表共现的频率，节点颜色由紫到红表明共现时间由远及近。节点之间的连线代表关键词共现的强度，节点之间的连线越粗，表明关键词的联系越紧密。连线的颜色代表该共现关系首次发生的年份。突现词用红色圈标注出来，表明该关键词在一段时间内受到广泛关注。

图1 国际BIM研究高频关键词共现网络图谱

依据Citespace软件处理结果，在得到的493个高频关键词中对含义相近的关键词进行人工整理合并，有些词意相同但拼写方式存在差异可做进一步整合，如将“bim”“building information modeling”“building information modelling”“building information model”统一整合为“bim”。Freeman于1977年提出中介中心性(Betweenness Centrality)的概念，用于衡量网络图谱中每个关键词的地位，在关键词共现网络图谱中关键词联系紧密程度越高则中介中心性越大[12]。鉴于篇幅限制，仅选取频次排名前20的高频关键词列入表1。

表1 国际BIM研究高频关键词(频次>49)

由图1和表1可以看出，国际BIM研究热点以主题词“BIM”为中心，其他出现频率最高的关键词有“design”“construction”“system”“management”“model”等，这些关键词即现阶段的研究热点。其中，“construction”共现年份最多，说明现阶段BIM技术更多的应用于施工阶段。“design”共现频率最高，表明目前仍以BIM产品设计、BIM框架模式等BIM相关设计研究为主。另外，将BIM运用于项目管理及模型等方面研究也占很大比例。在图1中，各高频关键词之间排布紧凑，集中性较强，表明各个研究热点之间联系紧密，彼此之间具有较强的解释性。

运用Citespace对国际BIM领域高频关键词进行聚类，得到关键词聚类的网络图谱如图2所示，各个聚类之间联系紧密，呈放射状分布。将排名前13的聚类分析结果作为目前国际BIM领域研究热点前沿，2010年～2020年国际BIM领域研究热点突出表现在以下几方面。

图2 国际BIM研究高频关键词聚类网络图谱

(1)建筑行业信息化：聚类#0、#1、#8、#11表明目前国际BIM领域仍注重实现建筑行业信息化。具体来说，建筑自动化系统[13]、云计算[14]、拓扑信息提取模型[15]、数据标准转换[16]、工程模型设计分析等为近10年国际上研究热度较高的方向。

(2)能源消耗低碳化：官方统计数据表明，建筑工程领域仍然是主要的能源消耗者。聚类#7说明能源消耗是目前国外BIM领域的重要研究方向。聚类#9是指碳的能源消耗，目前BIM技术不仅仅运用在建筑使用阶段以降低能耗，在物料运输和施工方面采用BIM技术来降低碳排放量更值得研究者关注[17]。

(3)施工过程智慧化：聚类#2、#3、#12表明将BIM技术用于建筑施工过程在国际BIM领域得到了广泛研究。BIM技术凭借其可视化，协调性及模块化等优势在施工安全[18]、施工进度监控[19]、施工模拟[20]等方面作用明显，在未来仍是国际研究热点。

2.2 国内BIM领域研究热点

采用Citespace软件生成国内BIM研究高频关键词的共现网络图谱，包含526个关键词节点以及节点之间的1104条连线，如图3所示。在得到的526个高频关键词中对含义相近的关键词进行筛选，剔除关联性弱的词汇，得到频次排名前20的高频关键词见表2。

图3 国内BIM研究高频关键词共现网络图谱

从图3可以看出，国内BIM研究热点呈现出多点突现，研究分散的局面。突现词较多，表明近10年国内BIM领域关注的热点较多，各个热点之间的关联性较弱。表2显示国内BIM研究热点除了主题词“BIM”外，其他出现频率最高的关键词有“信息化”“应用”“可视化”“装配式建筑”等，这些关键词即现阶段研究热点。从频次上看大部分关键词共现频率较低，表示各个热点研究并非十分深入，各个研究方向仍处于新兴阶段，研究前景广阔。

表2 国内BIM研究高频关键词(频次>25)

继续对国内BIM领域高频关键词进行聚类，高频关键词共生成15个聚类，如图4所示。由高频词分析和聚类网络图谱可以总结得到国内BIM研究呈现以下3个特征。

图4 国内BIM研究高频关键词聚类网络图谱

(1)多领域发展：国内BIM技术应用由最初的房屋建筑领域逐渐扩大到城市轨道交通[21]、公路、桥梁、高层建筑及机电管线。近10年我国BIM技术正在向多专业多领域普及。

(2)新技术结合：随着新技术在国内不断发展，BIM技术与云计算、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、物联网[22]和地理信息系统(GIS)等新技术的结合应用越来越广泛。其中GIS共现频次较高，说明其与BIM技术结合前景广阔[23]。

(3)多方位管理：国内BIM技术逐渐由前期项目规划应用向实际项目管理应用倾斜。施工管理、运维管理、施工模拟和安全管理等突现词表明BIM技术正在越来越多地参与到项目实施进程中，通过构建综合信息化管理平台对施工进程进行多方位管理[24]。

2.3 国际与国内BIM领域研究热点对比

从BIM研究热点图谱来看，国际BIM研究在理论方面研究比国内更加深入，各个热点彼此解释性较强，研究程度相对成熟。而国内研究热点较为分散，具有同一时期多个热点同时出现的特征。国内凭借政策因素及巨大的市场潜力在BIM应用层面形式更加多样化，与云计算、VR、AR和GIS等新技术结合的应用得到快速发展，反映国内在BIM应用研究层面更加突出，应用范围也更加广泛。从BIM研究内容来看，国内和国际BIM领域研究的相同点在于注重建筑行业的信息化发展。国内BIM应用研究侧重于设计和施工阶段，运维阶段研究较少[25]，在绿色节能方面研究相对不足，而国际BIM研究在可持续性发展方面热点较多。

3 演进趋势分析

3.1 国际BIM领域演进趋势分析

在Citespace软件中选择“Keyword”为分析节点，生成国际BIM研究热点时区图，如图5所示。

图5 国际BIM研究热点时区图

从图5可知，国际BIM领域在近10年的发展是从数据收集到信息集成再到知识管理的过程。2010年～2011年的研究重在模型的构建研究以及不同模型之间互操作性的探究，注重工程图纸的可视化三维化。在2012年开始对BIM信息化的应用的研究增多。2012年～2016年间注重BIM信息化研究的过程，不仅仅关注模型的研究，更加注重信息共享。主要变化趋势为：(1)从物理模拟到虚拟模拟。相关关键词为：simulation(模拟)，3d(三维)，implementation(实施)；(2)从本地到云端。相关关键词为：web service(网络服务)、point cloud(点云)；(3)注重建筑与环境和谐共生。相关关键词为：sustainability(可持续性)，green building(绿色建筑)，prefabrication(预制)。在2017年～2020年，在原有信息化研究的基础上，开始出现知识管理的研究，运用BIM将复杂海量的信息进行整合，形成行业知识系统。可以预测，未来BIM技术的发展将会是高度信息化且知识化。

3.2 国内BIM领域演进趋势分析

采用Citespace软件生成国内BIM研究热点时区图，如图6所示。总体来看，国内近10年BIM研究呈现从致力于可视化到逐渐智慧化、从单一行业应用到多行业发展的态势。

图6 国内BIM研究热点时区图

2010年～2011年，国内BIM发展仍主要致力于实现项目模型的可视化，注重三维可视化展现方案设计及生成阶段性效果图，但与真正的设计方案之间都存在很大差距。2012年～2015年，建筑信息化在国内被提上日程，逐渐成为关注热点。在此阶段，BIM技术主要侧重在施工阶段的应用。如关键词：施工技术、碰撞检查和施工模拟等。同时，开始向基础设施领域方向拓展，城市轨道交通、地铁等关键词成为研究热点。2016年～2018年，随着国家政策扶持及国际大环境的影响，国内BIM领域开始注重绿色低碳的理念，强调全生命周期的应用，装配式建筑凭借其低碳高效的特点成为此阶段BIM技术应用的一大研究热点，越来越多的建设项目开始将BIM技术应用于项目管理。2018年～2020年，智慧化成为国内BIM领域的上升热点。由关键词：智慧工地、海绵城市、智能建造可以看出，通过BIM技术致力于实现智慧建造、智慧管理、智慧运维等功能，且在国内开始强调利用BIM实现正向设计的理念[26]。我国BIM研究正在转向多技术深入融合，多专业协同设计的道路。

3.3 国际与国内BIM领域演进趋势对比

从研究演进趋势来看，国际BIM研究在近10年的发展是从数据收集到信息集成再到知识管理的过程。国内BIM研究从致力于可视化到逐渐智慧化，从单一行业应用到多行业发展的态势。2010年～2011年，国际和国内都注重于BIM在施工中的可视化应用以及协同设计，不同的是国际BIM研究偏重于BIM框架系统的构建(关键词：system、framework)，国内BIM仍以实现模型可视化为主(关键词：可视化)，对系统架构并未有深入的研究。2012年～2016年，国际和国内BIM领域研究显著升温。在这个阶段信息化是国际和国内BIM领域普遍关注的热点。国外更加注重建筑信息的共享(关键词：information exchange)，全生命周期评估是此阶段最受关注的主题。国内BIM研究呈现向多专业扩展的趋势(关键词：城市轨道交通、高层建筑、桥梁工程)，注重深化设计及施工阶段的项目管理。2017年～2020年，国际和国内BIM发展逐渐由工具载体向深化管理方向迈进。国外更加注重可持续发展的理念(关键词：energy consumption、sustainable development)，碳排放成为研究热点。反观国内智慧化成为BIM领域研究热点，从智慧工地到智能建造，且在设计阶段开始注重正向设计。

4 结论及展望

采用Citespace软件绘制科学知识图谱，通过共词分析和聚类分析法对比国内外BIM研究，总结最近10年快速发展阶段BIM研究的热点及演进趋势如下。

(1)从研究热点角度来看，国际BIM研究相关热点之间联系紧密，彼此解释性较强，在BIM理论层面研究更加深入。研究热点表现出建筑行业信息化、能源消耗低碳化、施工过程智慧化的特征。国内BIM研究热点呈现多点突现，研究分散的局面，各个热点研究还不够深入，仍处于新兴阶段，具体表现为多领域发展、新技术结合、多方位管理的特征。与新技术相结合的应用更具有多样性，国内在BIM应用研究层面更加突出。

(2)从研究演进趋势来看，国际BIM研究近10年的发展是从数据收集到信息集成再到知识管理的过程，未来发展趋势将会是高度信息化和知识化。国内BIM研究呈现出从可视化到逐渐智慧化、从单一行业应用到多行业发展的态势，虽然国内BIM研究起步较晚，但发展迅速，在BIM智慧化方向有超越国际的趋势。

国内BIM研究的未来发展方向：(1)不断深化BIM理论设计，搭建BIM结构框架，推动BIM行业向高层次科学化方向发展；(2)BIM与VR、AR、射频识别和全息投影等新技术结合实现数据的可视化；(3)在装配式结构和绿色建筑领域坚持可持续发展理念，推动BIM技术应用的全方位、深层次发展。