國際BIM研究演進路徑、熱點及前沿可視化分析

王孟鈞，錢應苗，袁瑞佳，王青娥

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

建筑信息模型(BIM)技術(shù)，作為建筑物的物理與功能特性數(shù)字化表達工具，具有數(shù)字信息集成與共享優(yōu)勢，可為項目生命周期內(nèi)的各項決策提供可靠的依據(jù)，已改變許多國家的建筑設計、施工、運營等領(lǐng)域的管理模式，帶動建筑業(yè)技術(shù)進步與創(chuàng)新。從20世紀中期開始，建筑業(yè)從業(yè)人員開始開展BIM研究， Eastman(1974)基于建筑屬性，借助信息技術(shù)，處理建筑圖形與組成元素，為建筑不同屬性的功能排序提供發(fā)展方向[1]。近年來，國際上BIM研究成果眾多，有側(cè)重BIM技術(shù)問題的研究，也有偏向BIM非技術(shù)問題的研究。顯然，BIM不僅是基于項目信息集成的技術(shù)，也是項目生命周期內(nèi)的管理工具，涉及業(yè)主、設計師、承包商、分包商和供應商等建筑信息模型所有使用者，從而有助于解決建筑業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)割裂、信息流失、浪費嚴重等問題，提升建筑業(yè)生產(chǎn)效率。為此，本文基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，利用SATI、CiteSpace軟件對2005至2017年間以“Building Information Modeling”為標題、“BIM”為主題的文獻進行可視化分析，以期能及時把握國際BIM研究演進路徑，跟蹤BIM研究熱點及前沿動態(tài)，為BIM的未來研究和發(fā)展提供理論參考與實踐指導。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

Web of Science(簡稱WoS)是美國Thomson Scientific所開發(fā)的產(chǎn)品，是世界最大、覆蓋學科最廣的學術(shù)信息資源庫，收錄近萬種全球范圍內(nèi)極具影響力和權(quán)威的各類高水平學術(shù)期刊。其中WoS核心合集引文索引數(shù)據(jù)庫涵蓋科學引文索引SCI(Science Citation Index)、社會科學引文索引SSCI(Social Sciences Citation Index)、會議論文引文索引CPCI-S(Conference Proceedings Citation Index-Science)等[2]。

本研究以WoS核心合集數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，利于保證數(shù)據(jù)權(quán)威性與全面性。在WoS核心合集數(shù)據(jù)庫中，選擇高級檢索方式，以“Building Information Modeling”為標題、“BIM”為主題進行模糊檢索。不限時間跨度進行檢索(數(shù)據(jù)更新至2017年12月30日)，共檢索到499條信息，除評論、報紙6篇外，選取會議、期刊及綜述類文獻等493篇作為數(shù)據(jù)樣本。

1.2 研究方法

本研究總體上運用定量和定性相結(jié)合的方法，強調(diào)定量方法的使用，采用圖表、科學知識圖譜等方式對所選文獻數(shù)據(jù)進行繪制與展現(xiàn)。其中，圖表是對基礎數(shù)據(jù)時空分布的展示?？茖W知識圖譜是研究主題的相關(guān)文獻可視化呈現(xiàn)手段，通過運用數(shù)據(jù)挖掘、文獻計量及圖譜繪制等工具，展示某學科或研究領(lǐng)域的演進路徑[3]，挖掘相關(guān)學科或領(lǐng)域的研究熱點，追蹤其研究前沿。

借助SATI、CiteSpace軟件實現(xiàn)國際BIM技術(shù)可視化研究。SATI是我國學者劉啟發(fā)和葉鷹基于.NET平臺使用C#編程共同開發(fā)的一款文獻題錄信息統(tǒng)計分析軟件[4]，可導入處理HTML格式的WoS國際文獻題錄數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、字段信息抽取、詞條頻次統(tǒng)計等技術(shù)現(xiàn)實WoS國際文獻題錄基礎數(shù)據(jù)的分析。CiteSpace是美國德雷塞爾大學的英籍華人陳美超教授基于Java語言開發(fā)一款科學文獻計量可視化分析軟件[5]，通過對科學文獻的共被引、關(guān)鍵詞、主題詞等分析，可視化學科知識領(lǐng)域的演進路徑，識別、探測及可視化其研究熱點與前沿。

2 基礎數(shù)據(jù)時空分布

2.1 時間分布

從WoS數(shù)據(jù)庫中導出493條關(guān)于BIM技術(shù)研究的HTML格式題錄，通過SATI3.2軟件中轉(zhuǎn)換功能生成該軟件專用的XML格式文件，利用select選項，選擇不同年份發(fā)文量，再借助Excel表格，實現(xiàn)BIM研究文獻的時間分布圖，如圖1所示。

圖1 BIM研究文獻的時間分布

BIM研究發(fā)展現(xiàn)狀在某種程度上可通過其研究成果的時間分布情況展現(xiàn)?；趪H上年度發(fā)表的期刊論文數(shù)量分析發(fā)現(xiàn)，截至2017年12月30日，2005—2009年發(fā)表期刊論文數(shù)量依次為1、3、5、9、5篇，屬于國際BIM研究起步階段。隨后BIM研究發(fā)文量逐年增長，特別是2014年后呈現(xiàn)快速增長勢頭，總體而言，BIM研究依舊是國際上持續(xù)關(guān)注與研究的領(lǐng)域。

2.2 空間分布

(1)重要作者分布

基于SATI3.2軟件進行作者出現(xiàn)頻次統(tǒng)計，選項欄中選擇“作者”選項，通過“字段抽取、頻次統(tǒng)計”等技術(shù)提取作者頻次不低于5次的統(tǒng)計文本，形成高頻作者統(tǒng)計表，見表1。其中，Sacks是BIM技術(shù)研究中最多產(chǎn)作者，出現(xiàn)頻次為11次，其次分別是Eastman(9次)、Issa(7次)、Wang(7次)、Love(7次)、Akinci(7次)等，均在BIM技術(shù)研究領(lǐng)域中享有盛名，屬于該領(lǐng)域的重要研究者。

表1 高頻作者統(tǒng)計

(2)核心機構(gòu)分布

基于SATI3.2軟件進行機構(gòu)出現(xiàn)頻次統(tǒng)計，選項欄中選擇“機構(gòu)”選項，通過“字段抽取、頻次統(tǒng)計”等技術(shù)，提取機構(gòu)頻次統(tǒng)計文本，得到BIM技術(shù)研究的代表性機構(gòu)，見表2。統(tǒng)計出現(xiàn)頻次不低于8的機構(gòu)共有14家，即發(fā)文量不低于8篇的共有14家機構(gòu)，被視為該研究領(lǐng)域的核心機構(gòu)，共產(chǎn)出期刊論文181篇，占總期刊論文的37.71%，機構(gòu)平均發(fā)文量達到12篇。機構(gòu)發(fā)文量超出平均水平的有馬來西亞理工大學(Universiti Teknologi Malaysia)、科廷大學(Curtin University)、佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)、漢陽大學(Hanyang University)、以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)、佛羅里達大學(University of Florida)6家，被視為該領(lǐng)域研究的國際頂尖機構(gòu)，卡耐基梅隆大學(Carnegie Mellon University)、昆士蘭科技大學(The Queensland University of Technology)、同濟大學(Tongji University)等其余8家可視為代表性機構(gòu)。

表2 核心機構(gòu)統(tǒng)計

3 BIM技術(shù)研究演進路徑可視化分析

3.1 知識基礎識別

知識基礎常被視為研究前沿術(shù)語、詞匯文章的引文(即參考文獻)，知識基礎組成架構(gòu)較為穩(wěn)定，主要由早期奠基性文獻、高被引經(jīng)典文獻及共被引網(wǎng)絡中關(guān)鍵節(jié)點文獻構(gòu)成，反映研究前沿中術(shù)語凝練過程所吸收、利用以往研究成果的情況。通過文獻共被引(Cited Reference)分析，可識別某研究領(lǐng)域或主題的知識基礎，有助于研究者探索某個研究主題或領(lǐng)域的學術(shù)進路。

基于WoS核心合集數(shù)據(jù)庫中所檢索、整理的493篇文獻，借助CiteSpace軟件進行BIM技術(shù)研究演進路徑可視化分析，節(jié)點類型設置為Cited Reference，研究跨度為2005—2017年，設置每年為一個時間分區(qū)，選擇被引次數(shù)最多的前30篇文獻進行重點分析，運行CiteSpace軟件得到BIM技術(shù)研究文獻共被引網(wǎng)絡節(jié)點時區(qū)視圖(Time Zone View)，網(wǎng)絡圖譜中共有節(jié)點436個，連線1 151條，如圖2所示。

注：圓形節(jié)點代表引文，其大小與被引次數(shù)密切相關(guān)，大節(jié)點代表高被引、高價值文獻圖2 BIM技術(shù)研究文獻共被引網(wǎng)絡節(jié)點時區(qū)視圖

3.2 演進路徑探析

利用CiteSpace軟件揭示共被引網(wǎng)絡的關(guān)鍵節(jié)點，圖2中字體大小依比例顯示，高被引文獻在圖2中顯示大字體，且節(jié)點間連線代表文獻間的引用關(guān)系及時間，粗連線表示引用次數(shù)多，其顏色表征引用時間，基本規(guī)則是基于時間先后序列，連線顏色由冷色逐漸變成暖色[6]。依據(jù)被引頻次大小，列舉圖2中各年份排名靠前的有關(guān)BIM研究文獻，見表3，這些文獻屬于BIM研究的知識基礎。

結(jié)合圖2和表3，按時間順序梳理關(guān)鍵節(jié)點文獻，可探尋BIM技術(shù)研究的演進路徑主要分為3個階段：探索期、初步成長期和深入發(fā)展期。

表3 BIM研究關(guān)鍵節(jié)點文獻

(1)BIM研究探索期(2006—2009年)

該時期僅出現(xiàn)3篇經(jīng)典文獻。其中，Lee等[7](2006)提出面向建筑信息建模系統(tǒng)的參數(shù)化建筑對象行為，強調(diào)建筑對象行為的描述符號與方法，旨在探索建筑設計知識與工程知識在建設信息模型生產(chǎn)軟件中的嵌入程度；Howard和Bjork[8](2008)基于質(zhì)性研究，針對BIM的可行性、成功必要條件及其標準，特別是對IFC的參考等系列問題，進行專家訪談，提出BIM標準框架和實施方案；Succar[9](2009)指出建筑信息建模(BIM)涉及建筑設計、工程建造和運營等廣闊的知識領(lǐng)域，分析公開的國際標準，探討B(tài)IM框架、利益相關(guān)者及其交付基礎，并識別、部署可視化知識模型，利用知識本體論，表述該領(lǐng)域概念及其相互關(guān)系，以進一步定義知識成分與擴展其邊界。

(2)BIM研究初步成長期(2010—2012年)

此階段共有4篇關(guān)鍵文獻，Sacks等[10](2010)認為精益建造和建筑信息建模對建筑業(yè)發(fā)展具有深刻影響，構(gòu)造BIM功能與精益建造原則的并列矩陣，確定其相互協(xié)同作用，深入探索相互作用的有效性程度，有助于建筑業(yè)從業(yè)人員規(guī)劃精益建造于信息模型戰(zhàn)略時，深刻認識到兩者潛在協(xié)同作用。Jung和Joo[11](2011)對計算機集成結(jié)構(gòu)(CIC)和建筑信息模型(BIM)進行文獻回顧，構(gòu)建綜合建筑信息建模(BIM)框架，專注于解決BIM應用在實際項目中實用性問題，該框架有助于確定BIM實際有效性的驅(qū)動因素，并為其應用評價提供依據(jù)。Cerovsek[12](2011)基于建筑設計、工程建造和運營的工具與數(shù)字模型交互標準的文獻綜述，構(gòu)建改進BIM工具與方案的理論框架，提出“建筑信息建?！?BIM)工具、標準的重要問題及全面建議，為BIM在建筑項目中互操作性、集成性、通信與協(xié)作作用奠定基礎。Hartmann等[13](2012)將BIM工具實施于支持建筑公司評估部門的活動以及在大型基礎設施項目中的風險管理活動，試圖完善BIM工具的功能與施工管理工作過程緊密融合，通過改變現(xiàn)有工作過程，以適應基于BIM工具的功能，并提倡在施工組織中以“技術(shù)拉動”的方式實施BIM工具。

(3)BIM研究與實踐深入發(fā)展期(2013年以來)

本階段中新研究成果層出不窮，目前經(jīng)典文獻有4篇。Love等[14](2013)認為，建筑信息建模(BIM)可提高資產(chǎn)在設計、建造、運營和維護過程中的性能，但通常利用投資回報率評價BIM投資使用過程，不能準確反映實施BIM相關(guān)的“真實”成本和收益，從而引入無形利益和間接成本，重新構(gòu)建BIM技術(shù)投資使用評估框架。Bryde[15](2013)收集35個已使用建筑信息模型(BIM)的項目資料，生成一組項目成功標準的數(shù)據(jù)，以次標準分析各項目內(nèi)容，確定每個項目達標程度，并發(fā)現(xiàn)最常見的收益與項目生命周期中成本降低與控制以及節(jié)省時間有關(guān)，負面效益主要集中在BIM軟件的使用投資上，基于成本效益分析，提高認識，加強教育和培訓等手段，以解決BIM使用的挑戰(zhàn)[15]。Volk[16](2014)基于BIM主題的180多篇文獻綜述，分析建設中少有實施BIM的三點原因：一是從捕獲的建筑物數(shù)據(jù)到語義BIM對象的高建模/轉(zhuǎn)換的困難；二是BIM中信息的更新；三是處理現(xiàn)有建筑物中BIM中不確定的數(shù)據(jù)、對象和關(guān)系的挑戰(zhàn)。Cao等[17](2015)調(diào)查106個使用建筑信息建模(BIM)的項目，探索目前中國BIM項目實踐，并評估其實施效果，研究結(jié)果表明，BIM被用作可視化工具，具有積極作用，可有效地改進任務，為行業(yè)如何更好挖掘BIM的潛力提供一定見解。

基于上述分析，近十年來，對BIM學術(shù)研究不斷深入，BIM學術(shù)研究成果的演進路徑如圖3所示。

圖3 BIM學術(shù)研究演進路徑

4 BIM技術(shù)研究熱點分析與前沿追蹤

4.1 BIM技術(shù)研究熱點可視化分析

文獻題錄中關(guān)鍵詞是作者對文章核心內(nèi)容的高度提煉和集中描述，體現(xiàn)文獻的研究主體及方向，高頻次關(guān)鍵詞常被用于確定研究領(lǐng)域熱點問題。利用CiteSpace軟件，在節(jié)點類型中選擇“關(guān)鍵詞(Key words)”，并選擇Pathfinder算法，運行CiteSpace軟件得到由關(guān)鍵詞所生成BIM研究熱點網(wǎng)絡圖譜，如圖4所示。同時，選取關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次不少于7的熱點術(shù)語有14個，見表4。

注：圓形節(jié)點代表關(guān)鍵詞，其大小與被引次數(shù)密切相關(guān)，大節(jié)點代表熱點術(shù)語圖4 BIM研究熱點網(wǎng)絡圖譜

基于圖4、表4可知，頻次最高關(guān)鍵詞為“建筑信息模型(BIM)”，達356頻次，且其中心度值為0.32，位居首位。這表明“BIM”的表述已得到學術(shù)界普遍認可，且對BIM研究十分重視。其他高頻熱點術(shù)語按頻次高低分別為：施工(Construction)、設計(Design)、系統(tǒng)(System)、管理(Management)、框架(Framework)等14個熱點術(shù)語，經(jīng)深刻剖析以上高頻熱點術(shù)語，可將BIM研究總結(jié)歸納成如下3個方向。

表4 高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計

(1)BIM技術(shù)基礎與框架研究方向

國際上，眾多學者不斷探索BIM技術(shù)基礎與實施框架，強調(diào)BIM技術(shù)本體、標準及框架的研究，其研究熱點主要涉及到本體(Ontology)、系統(tǒng)(System)、框架(Framework)、IFC標準(IFC)等術(shù)語。BIM作為復雜操作系統(tǒng)，本體工程被視為BIM技術(shù)實現(xiàn)基礎，主要包括BIM本體模型的建模語、開發(fā)環(huán)境和工具。同時，構(gòu)建BIM實施框架是實現(xiàn)BIM技術(shù)應用的首要步驟，且IFC作為BIM操作性國際標準，能確保整個項目生命周期內(nèi)信息存儲、交互，進一步推動BIM技術(shù)廣泛應用。

(2)BIM技術(shù)應用研究方向

實踐中BIM技術(shù)常被應用于建筑設計(Design)、施工(Construction)及管理(Management)等重要領(lǐng)域，這也是BIM技術(shù)研究熱點。此外，BIM研究熱點還體現(xiàn)在建筑行業(yè)(Industry)與項目(Project)兩個層面。在建筑行業(yè)層面上，BIM技術(shù)作為建筑業(yè)中創(chuàng)新性里程碑技術(shù)，深刻改變建筑業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，提高建筑業(yè)項目生產(chǎn)效率與交付質(zhì)量；在項目層面上，BIM技術(shù)應用有助于建設項目生命周期內(nèi)信息流失與資源浪費，提升項目管理水平。

(3)BIM相關(guān)技術(shù)支撐研究方向

BIM技術(shù)二次開發(fā)及應用過程中先進信息技術(shù)發(fā)揮著引領(lǐng)作用，而要實現(xiàn)全生命周期內(nèi)項目管理信息的全面整合、共享與互通，須依靠信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應用以及激光掃描等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)支撐。目前，模擬仿真(Simulation)、信息技術(shù)(Information Technology)、增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality)、點云(Point Cloud)等技術(shù)是BIM研究熱點。模擬仿真與信息技術(shù)是BIM實現(xiàn)項目可視化的關(guān)鍵技術(shù)；增強現(xiàn)實技術(shù)通過虛擬信息投射到現(xiàn)實世界中，使得現(xiàn)實環(huán)境和虛擬建筑同步疊加，增強可視化效果；點云技術(shù)是基于現(xiàn)實世界的建筑物，提取、轉(zhuǎn)化為建筑信息模型(BIM)，從而提升建筑物信息準確度。

4.2 BIM技術(shù)研究前沿可視化追蹤

從浩瀚的文獻數(shù)據(jù)中挖掘、探索及追蹤研究前沿是BIM研究可視化分析的關(guān)鍵內(nèi)容之一[18]。BIM研究前沿(Research Frontier)代表BIM研究領(lǐng)域中突然涌現(xiàn)或最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯啃轮黝}及新趨勢，把握BIM研究前沿，有助于掌握BIM研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。

文獻[19]指出研究前沿強調(diào)學科發(fā)展新趨勢及突變特征，因而借助“突現(xiàn)主題術(shù)語(Surged Topical Terms)”比“高頻主題詞(Title Words)”更適合追蹤學科研究前沿[5]。利用CiteSpace軟件，在術(shù)語詞類型中設置“突顯術(shù)語(Brust Terms)”，節(jié)點類型中選擇“主題詞(Terms)”，選擇Pathfinder算法，運行CiteSpace軟件，探測得到6個突現(xiàn)詞，見表5。

表5 BIM研究領(lǐng)域中突現(xiàn)詞統(tǒng)計

結(jié)合表5可知，突變率最高主題詞為“Building information modeling”，達3.61，代表BIM研究領(lǐng)域?qū)ㄖ畔⒛Ｐ捅旧黻P(guān)注與研究，可能仍是未來BIM研究方向。除建筑信息模型(Building information modeling)以外，還有相互協(xié)作能力(Interoperability)、激光掃描(Laser scanning)、方案優(yōu)化(Optimization)、項目績效(Performance)、4維cad(4D cad)等5個突現(xiàn)詞。與BIM技術(shù)應用的突現(xiàn)詞相互協(xié)作能力(Interoperability)、方案優(yōu)化(Optimization)、項目績效(Performance)等，說明BIM應用于項目管理過程中強調(diào)各項目參建主體的項目協(xié)作能力，通過施工虛擬碰撞、方案優(yōu)化等手段，關(guān)注項目績效是BIM技術(shù)研究領(lǐng)域的重要前沿。BIM相關(guān)技術(shù)支撐研究的突現(xiàn)詞是激光掃描(Laser scanning)與4維cad(4D cad)，且3D激光掃描有助于彌補BIM應用從設計到施工過程中“信息衰減”現(xiàn)象，4維cad技術(shù)讓信息表達更加全面，說明隨著先進技術(shù)不斷發(fā)展，4維cad技術(shù)和3D激光掃描將成為BIM相關(guān)支撐技術(shù)發(fā)展趨勢。

5 結(jié)論

為系統(tǒng)梳理、分析BIM領(lǐng)域國際研究成果，基于SATI、CiteSpace等科學計量軟件，對Web of Science核心集合中2005—2017年發(fā)表的493篇文獻進行可視化分析，主要結(jié)論如下：

(1)基于基礎數(shù)據(jù)的時空分析，發(fā)現(xiàn)2014年以來，BIM研究成果呈現(xiàn)快速增長形勢，重要作者包括Eastman、Issa、Wang、Love等，核心研究機構(gòu)有馬來西亞理工大學、科廷大學、佐治亞理工學院、漢陽大學、以色列理工學院、佛羅里達大學等。

(2)BIM研究演進路徑由BIM研究探索期、初步成長期、深入發(fā)展期等3個階段組成。其中，2006—2009年為BIM研究探索期，2010—2012年期間是BIM研究的初步成長期，2013年以來，BIM研究與實踐邁入深入發(fā)展期。

(3)BIM研究熱點除其本身之外，分為3個方向：BIM技術(shù)基礎與框架研究方向包括本體、系統(tǒng)、框架、IFC標準等核心主題；BIM技術(shù)應用研究方向涉及建筑設計、施工、管理、行業(yè)及項目等重要領(lǐng)域；BIM相關(guān)技術(shù)支撐研究方向注重模擬仿真、信息技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、點云等研究熱點。

(4)BIM研究前沿由相互協(xié)作能力、激光掃描、方案優(yōu)化、項目績效、4維cad等方面組成，其中，相互協(xié)作能力、方案優(yōu)化、項目績效屬于BIM技術(shù)未來應用研究關(guān)注的核心；激光掃描與4維cad是BIM支撐技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。