基于文獻計量可視化的中外“建筑信息模型+大數據”研究現狀對比

鄧朗妮, 賴世錦, 廖 羚*, 鐘錳軍, 黃婷婷

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院，柳州 545006； 2.廣西科技大學BIM研究中心，柳州 545006)

20世紀70年代Eastman[1]提出了建筑信息模型(building information modeling，BIM)的理念，BIM是以三維信息模型為基礎對建筑物理與功能特性的數字化表達[2]。對解決建筑全生命周期“信息孤島”與“信息斷層”問題提供新方法[3]。為推動建筑行業改革發展，2013年以來國家與地方都出臺相關政策已從最初的示范應用與推廣引導階段發展到全面推進及多政策融合發展階段[4]，基于BIM的深化設計[5]、施工模擬[6]、安全管理[7]、綠色建筑[8]等各方面應用大幅度提高行業信息化水平和項目效益。隨著建筑項目的復雜化與行業人員對BIM的高期望，BIM可視化與信息集成功能無法滿足智能時代建筑業的發展需求，BIM應用面臨新挑戰。將新興技術與BIM的集成運用，尋找技術間的結合性，發揮各技術的優點，推動建筑行業智能與智慧化發展成為當前研究熱點。2008年文獻[9]提出大數據概念，2011年國際數據中心對其進行定義[10]，大數據技術能夠對海量的數據進行管理與分析，是挖掘工程項目數據信息、輔助決策的技術手段。2016年住建部發布《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》[11]明確指出要增強 BIM與大數據等新興技術的集成應用能力，將BIM與大數據集成，能夠有效對建筑信息進行提取、存儲、分析，以挖掘有用的建筑信息，促進工程項目的智能管理與智慧決策[12]。

當前，BIM與大數據的集成應用(簡稱BIM+大數據)的相關研究深受學者關注，相關研究已經推廣到智慧工地[13]、能耗監測[14]、工程招標采購[15]、結構健康監測[16]等方向。為了方便相關研究人員更全面地了解BIM+大數據領域的研究情況，采用文獻計量可視化的理論方法，運用Citespace、Ucnet軟件，對2014—2019年國外SCI、中國知網期刊文獻中BIM+大數據領域的相關研究進行整理、挖掘分析，為BIM+大數據領域的相關研究與實踐應用提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

Ucnet軟件開始由加州大學歐文分校開發，經過多個團隊擴展，集成了Netdraw、Mage、pajek等軟件功能，可為數據矩陣信息提供可視化平臺。運用UCINET[17]軟件進行文獻計量分析反映學科研究結構的高頻詞的共現關系，通過共現知識圖譜與關鍵詞中心性計算結合分析各高頻詞的關聯性與重要性，進而判斷領域的研究熱點及其連通關系[18]，但該軟件對于研究時區的表達效果不佳，無法直觀地表示出研究趨勢的變化。李杰等[19]將時間因素加入到知識圖譜的繪制中，開發了Citespace軟件，利用空間形態的可視化方式，形象地展現學科領域的研究熱點、知識結構、發展歷程及分布情況。將兩款軟件結合能夠更好地進行文獻計量可視化分析。

研究采用定量與定性分析相結合。定量分析主要通過文獻計量可視化方法，采用UCINET、Citespace軟件繪制相關知識圖譜與中心性計算，結合統計結果進行BIM+大數據研究熱點、研究演進趨勢分析。定性分析主要通過文獻研究法對經典文獻進行梳理與綜述，介紹當前研究的狀況。

1.2 數據來源

本研究以Web of Science(WOS) 數據庫的核心數據集研究性文獻和中國知網(CNKI) 數據庫期刊文獻為數據源，數據收集檢索時間為2020年3月，時間范圍定義為2014—2019年，均采用“BIM”且“大數據”主題檢索式進行檢索，最終收集了WOS數據庫的42篇相關文獻及CNKI數據庫的332篇相關文獻，各年份文獻分布如圖1所示。

圖1 各年份論文發文量Fig.1 The number of papers published each year

2 研究熱點

關鍵詞能夠高度體現文獻的主體意義和主要研究內容，因此，文獻計量中可以通過高頻率的關鍵詞來確定某一領域的研究熱點[20]。本研究運用UCNET軟件對中國知網文獻關鍵詞進行計量并繪制可視化網絡圖譜，采用Citespace軟件對WOS文獻關鍵詞進行計量，繪制研究熱點知識圖譜。

2.1 中國BIM+大數據領域研究熱點

社會網絡計量中中心度的計算值能夠衡量關鍵詞網絡中熱點關鍵詞，其中，點度中心度是衡量共現網絡某一節點中心程度的指標，表示一個節點與網絡中其他節點產生關系的能力，節點中心度越高就意味著該點越重要；接近中心度是衡量某一節點對網絡控制力的指標，計算時候通過比較該節點到網絡中所有其他節點的最短距離之和，接近中心度越小說明越居中控制能力；中間中心度是衡量某一節點在網絡所有節點中起媒介作用的指標，表示該節點控制兩個節點聯系的能力，測量的是行動者對資源控制的程度，中間中心度越高在網絡中重要程度越大。社會網絡共現圖譜能夠可視化展示各關鍵詞節點在網絡中的重要程度，將中心度計算與可視化圖譜展示，能更好地發現研究的熱點。研究采用UCNET軟件繪制關鍵詞社會網絡共現圖(圖2)并進行關鍵詞中心度計算與匯總(表1)。

圖2 中國BIM+大數據關鍵詞共現圖譜Fig.2 BIM+ big data keywords co-occurrence map of China

關鍵詞共現圖譜中每一個節點表示一個關鍵詞，節點大小表示關鍵詞頻數，節點間的線段表示關鍵詞的聯系，線段大小表示兩關鍵詞同先的頻次。共現圖譜中所有關鍵詞聯系的緊密程度由網絡密度來衡量，其反映該領域研究的斂散性，經過計算該同現網絡圖網路密度為0.157 2，說明該領域研究較為發散。從表1與圖2可以看出，“BIM”“大數據”“云計算”“物聯網”之間的集成研究較為緊密，人工智能、數據挖掘技術是在四項技術的集成基礎上發揮不同的功能，數據的集成發展才能挖掘BIM技術應用價值，當前熱點研究是基于技術集成應用，對智慧工地建設、智慧城市建設、信息管理系統應用、建筑信息化發展的研究。具體來看，中國BIM+大數據的研究熱點集中在以下幾個方面。

(1)基礎理論研究。中國BIM+大數據研究主要包括概念的敘述、方法的探究、模式探索、行業發展綜述等文章，其中綜述性文獻居多，主要是總結行業發展的痛點、問題解決方案、未來發展規范；概念方面，智能建造、智慧城市、智慧決策等概念較受關注；方法的探究中，主要解決通過大數據技術提取、分析BIM模型信息數據的理論思路，為智能管理，智慧決策提供數據依據；模式探索中主要包含系統集成模式、發展模式等，致力于構件理論到實踐的框架。

表1 中國BIM+大數據領域關鍵詞中心度計算匯總(部分)

(2)技術性研究。技術性研究是探索BIM+大數據集成技術要點，中國BIM+大數據技術研究主要包括信息化平臺構建、系統設計研發、各項應用技術的研究創新。信息平臺構建[21]是為了促進建筑參與各專業系統之間的協同作業能力，提高建筑大量數據信息交互的準確性與穩定性。系統設計研發[22]是以項目開展的需求借助BIM與大數據技術，設計出適應項目的運營系統，促進項目的數據采集、處理、表達、分析和服務。應用技術創新上大數據渲染技術[23]、大數據平臺存儲技術[24]、工程智慧管控技術[25]等較為突出。

(3)應用性研究。應用性研究側重于工程實踐應用，中國BIM+大數據應用研究可以分為應用范圍與應用內容兩方面。應用范圍包含工程造價、隧道工程、水運工程、公路工程、房建工程等，應用內容包含工程招標采購[15]、施工管理[26-27]、運維管理[28]等，應用中BIM作為信息存儲與可視化載體，大數據技術作為數據信息提取與分析，推動項目智能化、智慧化發展。

2.2 國際BIM+大數據領域研究熱點

知識圖譜中，每個節點代表一個關鍵詞，節點大小表示關鍵詞的頻次，節點的連線表示關鍵詞的共現關系，連線大小表示兩個關鍵詞共現的強度[29]。 以WOS核心數據集研究性文獻為數據源， 采用Citespace 軟件，選擇“keyword”為分析對象，繪制國際BIM+大數據研究熱點知識圖譜如圖3所示。然后對關鍵詞進行同詞合并，無意干擾關鍵詞刪除，整理關鍵詞高頻詞如表2所示。

圖3 國際BIM+大數據研究熱點知識圖譜Fig.3 Knowledge atlas of international BIM+ big data research hotspots

表2 國際BIM+大數據領域研究高頻詞

從圖3與表2可以看出，研究以“building information modeling (BIM)”與“big data”為中心開展的項目管理、安全管控、能耗監測等數據分析相關研究，并建立相關系統、結構體系、數據庫等管理設施。具體看來，國際BIM+大數據的研究分散性比中國大，主要熱點研究集中于以下幾個方面：

(1)基礎性研究。主要包含技術方法提出、理論模型構建、歸納展望文獻三部分；提出了云BIM智能數據檢索和表達方法[30]、基于BIM的物聯網施工現場管理方法[31]、鐵路工程智能施工技術[32]、精益施工技術理論框架[33]等為BIM+大數據領域應用推廣提供理論基礎；構建大數據在建筑中的應用概念模型[34]、評估大數據在建筑領域應用潛力[35]、建筑設計構件的性能模型[36]、設施管理的條件數據模型[37]、基于云的大數據建筑信息模型[38]等理論與分析模型創建，大大推動BIM+大數據的實際應用水平；通過文獻綜述總結領域研究成果與問題，以項目為例，展示智能城市標椎化樣式[39]，行業標準創建框架[40]等，為該領域的研究提供參考。

(2)應用功能。BIM+大數據集成在建筑項目中的應用功能是行業人員關注的熱點，當前它主要的應用功能有績效評估[41]、優化建筑工程質量管理[42]、基礎設施監控數據的可視化[43]、自動化性能測量[44]、建筑性能分析[45]等。

(3)實踐方案。如何將BIM+大數據技術集成成果應用于工程實踐，發揮科研成果的價值是當前熱點之一，通過文獻閱讀分析，實施方案研究主要有建筑垃圾分析的大數據架構[46]、基于模型的自動化電子許可系統的框架[47]、綠色港口建設綜合評價體系構建[48]等針對不同的應用對象提供的解決問題路徑思路，促進技術系統開發與BIM+大數據科技成果的落地性。

(4)工程項目應用。國際BIM+大數據集成應用主要在大型建設項目施工現場、高速公路運維、隧道和地下結構施工建造等，開展施工現場大數據的可持續管理[49]、數字化安全管理[50]、項目運維管理[51]等，致力于推動智能工地，智慧建造發展。

3 研究演進趨勢

Citespace軟件以的“Burst Detection”功能，可以對某項研究的演進趨勢進行分析，該功能中時區視圖與時間線視圖側重于表述隨著時間的變化，研究領域的演進趨勢與各研究主題之間的相互影響。其中時間線視圖主要側重于描述主題聚類之間的關系和某個主題中研究的歷史跨度，以“keyword”為分析節點，軟件以timeline方式繪制，知識圖譜中主題聚類節點為縱坐標和時間為橫坐標，將主題各節點設置在相應位置上，形成時間線視圖，通過時間線視圖可以了解這些文獻怎么影響著整個聚類的走勢。而時區視圖知識圖譜是比較側重于從時間維度表示知識演進趨勢的視圖，可以清楚的展示主題的更新與各研究主題的影響。以“keyword”為分析節點，通過“timezone”方式繪制時區視圖知識圖譜，將主題各節點定位于一個橫軸為時間的二維坐標中，將根據首次出現的主題節點定位于不同的時區中，所處位置隨著時間軸依次向上，將關鍵詞從左到右、自下而上的知識圖譜演進圖直觀地展示出來。本研究將時間線視圖與時區視圖來進行BIM+大數據領域研究演進趨勢分析。

3.1 中國BIM+大數據研究演進趨勢

根據檢索的中國知網BIM+大數據文獻數據，采用Citespace軟件“Burst Detection”功能繪制出中國BIM+大數據研究的時區視圖和時間線視圖如圖4、圖5所示。

圖4 中國BIM+大數據領域關鍵詞時區視圖Fig.4 BIM+ big data domain keyword time zone view of China

圖5 中國BIM+大數據領域關鍵詞時間線圖Fig.5 BIM+ big data domain keyword time chart of China

在圖4、圖5中可以發現上述研究熱點在知識圖譜中按照時間順序在時線圖中的展示及各熱點的發展演進。根據時區圖與時線圖可以看出，中國BIM+大數據領域研究發展可以分為三個階段：

第一階段(2014—2015年)：以住建部發布《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》和《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》為政策引導，重點任務以開展BIM相關推廣應用，提高建筑行業可視化信息化的水平成了研究重點，而此時大數據技術與BIM集成應用的理念和應用思路研究初步進行。

圖6 國際BIM+大數據領域關鍵詞時區圖Fig.6 International BIM+ big data domain keyword time zone chart

第二階段(2016—2017年)：以住建部2016年發布的《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》和國務院2017年發布的《國務院辦公廳關于促進建筑業持續健康發展的意見》為政策指導，明確指出加快BIM技術在規劃、設計、施工和運維全過程集成應用，實現建筑項目全生命周期數據共享與信息化管理，同時強調大數據等新興技術與BIM技術的集成應用，為方案優化與科學決策提供依據，BIM+大數據研究深入而且具體化，各項管理系統的開發應用、數據存儲處理系統的完善，行業進入變革階段。

第三階段(2018—2019年)：以國務院2019年發布的《國務院辦公廳轉發住房城鄉建設部關于完善質量保障體系提升建筑工程品質指導意見的通知》等政策文件為指導，BIM+大數據研究的全面開展階段，該領域的研究模式及成果與裝配式建筑、智慧城市建設、智慧建造等領域結合，服務于建設項目智能管理與智慧決策。

進一步的分析可以看出，云計算、物聯網、人工智能等信息技術先后進入該領域研究中，云計算技術主要解決數據的共享與交互，物聯網解決數據的采集，人工智能主要解決實踐過程中機械設備智慧化的賦予手段，通過多項技術融合，提高數據價值，推動智慧建設發展。

3.2 國際BIM+大數據研究演進趨勢

根據檢索的WOS數據集BIM+大數據文獻數據，通過Citespace軟件繪制出國際BIM+大數據領域關鍵詞時區圖和時間線圖如圖6、圖7所示。

對比中國BIM+大數據研究，國外研究進展可以分為兩個階段：第一階段為基礎理念階段(2014—2015年)，該階段與中國研究相似，主要是BIM+大數據理念的提出。第二階段主要是開發應用階段，該階段合理的利用BIM技術開發的API接口，采用BIM二次開發技術，完成各項技術集成，開發了數據分析管理系統。同時以BIM模型為信息集成存儲及可視化載體，通過大數據技術，對建筑能耗數據、建筑安全、結構健康監測等數據進行分析，評估建筑使用性能，經濟性、安全性、環保程度，輔助管理者進行決策。

圖7 國際BIM+大數據領域關鍵詞時間線圖Fig.7 International BIM+ big data domain keyword time chart

4 結論

采用UCNET和Citespace軟件對Web of Science數據庫和 CNKI數據庫BIM+大數據領域2014—2019年文獻數據進行計量可視化，采用定性與定量分析方法，分別進行研究熱點分析、研究演進趨勢分析，研究結論如下。

(1)從研究熱點來看，國外研究比中國研究更加深入更加具體，中國研究在基礎研究方面更多對概念性解析和現狀分析，國外側重技術方法的探究；對技術的應用功能的研究國外研究層面較廣，技術性研究與工程應用上，中國的推進速度較快，應用實際案例多，總體來看，中國基礎研究較弱，但技術應用性實踐性較強。具體研究熱點是以BIM模型信息為載體，大數據技術分析為手段進行優化建筑工程質量管理、監控數據的可視化、自動化性能測量、建筑性能分析、智能安全管理等方向，技術上深度集成研究，將“BIM”“大數據”“云計算”“物聯網”“人工智能”集成起來，推進智慧城市、智能工地、智能生產的動向發展。

(2)從研究演進趨勢來看，中國研究演進較為規律，響應國家政策方針，服務智慧城市建設、裝配式建筑發展；國外趨勢不太明顯，但研究動向集中于大數據分析下的建筑能耗評估、監測數據分析與可視化、安全管理等。總體來說，技術的集成研究程度還會加大，BIM+大數據領域研究向著智能管理、智慧決策、數據共享方向發展。