基于文獻計量法的BIM 技術在水利工程中的應用研究

劉俊宏

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

建筑信息模型（building information modeling, BIM）是一種數字化建筑設計和建造過程的方法和工具，通過構造三維可視化模型進行方案設計、施工建造、運營管理等建筑全生命周期所參考的文件[1]。它通過在一個綜合的數字模型中整合建筑物的幾何形狀、空間關系、材料、性能和成本等信息，以協調和優化建筑設計、施工和運營過程。BIM 技術可以幫助建筑師、工程師和施工團隊在整個建筑項目生命周期中更好地合作、協調和溝通，提高設計和施工效率、降低成本和減少錯誤。它還可以提供可視化模擬和分析功能，幫助利益相關者更好地理解建筑的設計和性能。BIM 技術通常包括一系列軟件工具和標準，如Revit、Archicad、Navisworks等。它已經成為現代建筑和工程項目的標準工具之一。

水利工程相較于其他土建工程而言，工程結構復雜，建設周期長，地下工程較多等特點，BIM 在水利工程建設中起到了三維動態展示、周期管理的作用。自BIM 技術引進國內，BIM 技術的應用在水利工程中取得了一些成果，但是BIM 技術還具有很大的發展空間，利用社科類可視化軟件可以從整體上把控BIM 在水利工程中的應用方向，實現BIM 技術在水利工程中的大規模有效推廣和應用。

1 研究方法和數據來源

CiteSpace 是美國費城德雷克塞爾大學的陳超美博士領導研發的可視化模型工具，相較于其他的知識圖譜軟件，CiteSpace 具備界面清晰簡潔、操作簡單，科學性強、覆蓋功能強大等優點，并且系統更新升級速度較快，能夠適應當代學者的科研需求。該軟件具有國內外在各領域的應用基礎，尤其是在綜述性研究中的應用較廣，近幾年來逐漸應用于建筑科學領域。此次研究采用的是5.8.R3 版本進行分析，得到相關的知識圖譜，以圖文結合的形式分析和總結BIM 在水利工程中的應用現狀和發展趨勢，來把握相關的研究熱點。

通過知網（CNKI）論文數據庫高級檢索來檢索主題“水利工程”和“BIM”，檢索時間為2022 年1 月12 日，共得到文獻388 篇，剔除關聯不大文獻4 篇，最終獲取關聯度較強的相關研究文獻384 篇。總體來看，研究樣本精確度高、與所研究主題關聯性強，并且具備較好的時效性。

2 結果分析

2.1 發文數量

BIM 在水利工程中的應用研究的文獻發文量共分為兩個階段，第一階段為緩慢發展的低水平階段，時間段為2011—2015 年；第二階段為飛速增長的高熱度階段，時間段為2016—2021 年，在2021 年，有小幅回落，但是近幾年年發文量均保持在70 篇以上。除此之外，還對研究樣本中的北大核心和CSSCI 核心文獻進行了統計，研究發現核心文獻的發文數量符合研究樣本發文的年份分布的階段，但是年核心文獻發表的數量與年發文總量的比例并不符合。2019 年、2020 年、2021 年該比例分別為0.1818、0.1326、0.0978，呈現了連年的下滑趨勢，這意味著在近幾年該研究主題成為研究熱點的同時，還需要進行深入高層次的研究，產出高質量高水平的核心文獻。

2.2 研究作者

選取了發文數量大于3 的作者，按照作者發文數量降序進行排序，共得到14 位。其中孫少楠發文數量為4 篇，其中3 篇為核心期刊，被引文章《BIM 技術在水利工程中的應用研究》運用洪都拉斯帕圖卡水電站項目實證了BIM 能夠為水利工程提供完整、配套的沙盤模型，并提供了BIM 在算量中的具體應用，為之后的相關研究奠定了基礎[2]；王海俊發文數量為4 篇，其中一篇為核心期刊，核心作者的發文質量具有一定的保證。相關作者合作知識圖譜如圖1 所示。兩位作者在BIM 在水利工程中的研究成果較為突出。作者標簽越大代表其中心性越強，由于研究樣本數量較少，主要分析得出以王海俊和孫少楠為代表的兩個合作群體，其他各作者之間沒有形成較為緊密的合作。

圖1 相關作者合作知識圖譜

2.3 研究機構

統計得出，研究樣本共涉及158 家研究機構，根據各機構的發文數量進行降序排序，選取發文數量大于3 篇的機構進行展示，本研究主要發文機構如表1 所示。其中天津大學為發表相關研究文獻最多的機構，陸續發表6 篇，青州市水利建筑總公司、華北水利水電大學、江蘇省水利勘測設計研究院有限公司也各發表4 篇。可以看到科研院校類機構占比較重，是主要的研究機構類型之一。研究機構大多屬于我國的中東部發達地區。如天津大學、河海大學、華北水利水電大學等院校均屬于水利類的專業的重點研究高校。中國電建集團華東勘測設計院有限公司、江蘇省水利勘測設計研究院有限公司等企業也是BIM 技術在水利工程應用較早的企業。

表1 本研究主要發文機構

2.4 研究熱點

運用CiteSpace 軟件，在Node Types 中選擇Keyword選項，繪制關鍵詞共現知識圖譜。分析得出圖譜中節點共有238 個，關聯線共有475 條，網絡密度為0.0168，說明該研究主題涉及領域廣闊，各關鍵詞之間的聯系較為密切，具備繼續進行分析的條件。

根據一定數量的文獻研究能夠把握該研究領域的發展狀況。關鍵詞是整個文獻研究的主題和核心內容，CiteSpace 通過測量和計算，在可視化知識圖譜中將較高中介中心性的關鍵詞節點采用圓圈的方式突出表示，形成關鍵節點，節點越大代表中心度越強，研究熱度越高[3]。設置關鍵詞出現的最少次數為5，對圖譜進行精簡后得到高頻關鍵詞知識圖譜（圖2）。關鍵詞的突顯與研究的熱點密切相關，由于關鍵詞“應用”“水利行業”等不具備實際研究意義，故剔除不具有實際研究意義的關鍵詞；關鍵詞“三維建模”與“三維模型”研究指向相同，故將其統一合并為關鍵詞“三維模型”進行闡述，以下將對“二次開發”“三維模型”“水庫工程”等高頻關鍵詞進行分析。

圖2 高頻關鍵詞知識圖譜

（1）“三維模型”。與傳統2D 工程圖相比，BIM 能夠對水利工程對整體信息進行建模，形成三維模型。可以結合周邊山地、溝谷等地形進行建筑模型的構建，動態展示完工效果，施工進度等。這些能夠幫助管理人員之間的對接，有助于現場施工人員短時間內掌握工程的整體構架和具體的安裝布置，提高工作效率。隨著對可視化的要求增加，之后出現了無人機實景三維建模的技術性突破。

（2）“二次開發”。由于BIM 軟件所提供的功能并不能滿足所有使用者的需求，使用者可利用Revit 等軟件對BIM 技術進行融合發展，提高使用效率和功能拓展。

（3）“水庫工程”。修建水庫工程是水利工程中重要的一項內容。BIM 技術可應用于水庫選址、規劃設計階段、施工管理階段等。向威將相對成熟的GIS 技術與還不夠完善的BIM 技術相結合對茨竹水庫項目進行管理，這種做法為BIM 在水利工程中的應用搭建了橋梁，既可以進行三維模型的構建還可以對施工任務和施工順序進行精確管控[4]。薛向華等人基于實際應用的經驗認為BIM 技術可以應用于水庫工程的整個生命周期，提出“BIM+”的思想理念，進行跨平臺合作，規避BIM在水庫工程中技術弊端[5]。基于BIM 技術自身的特點，目前在水庫工程中，主要應用于項目設計階段，其他階段的應用還需要后續進行開發和跟進[6]。

2.5 演進路徑和階段劃分

將關鍵詞進行時區劃分，形成分布時區圖譜（圖3），“BIM”“水利工程”出現在同一年度，并且都是作為研究熱點出現，二者影響跨度都為9 年。在2013 年，二者之間的關聯較弱，后期逐漸融合發展。總體來看，可將BIM 在水利工程中的應用研究劃分為3 個階段。

圖3 關鍵詞分布時區

第一階段：萌芽階段（2013—2014 年）。BIM 概念源于美國，在21 世紀初期被引入國內。BIM 在水利工程中的應用出現在2013 年，我國在這方面的研究要晚于歐美國家。王仁超等[7]《BIM 在混凝土壩工程施工信息管理中的應用》是我國較早將BIM 應用于水利工程的研究，利用BIM 對施工信息進行有效的管理，并進行了實證分析。

第二階段：探索發展階段（2015—2018 年）。張超等[8]開啟了這一階段的研究。主要研究的是BIM 技術水利工程在設計階段的運用。包括了水利工程的三維建模、工程量的統計、二次開發、多專業協同設計等。該階段主要是針對如何利用BIM 技術為設計過程提供便利。這個階段研究單位也主要是科研設計機構，同時也是BIM 技術在水利工程研究的飛速發展的階段。

第三階段：優化賦能階段（2019—2021 年）。BIM 開啟了信息化，BIM 技術在水利工程應用的從單一的設計階段應用，發展到應用覆蓋工程的全生命周期。包括了設計階段、施工階段、項目管理以及后期運營維護等階段。BIM 技術研究的軟件也呈現出多樣化的特點。

3 結語

通過CiteSpace 可視化軟件對BIM 在水利工程中的應用情況進行了分析，主要圍繞研究文獻和核心研究文獻發文數量、研究作者及研究機構、研究熱點等進行分析。

BIM 技術在水利工程中的應用越來越廣泛。在設計階段，BIM 技術可以幫助工程師在設計階段中進行三維模型的建模、可視化和協同工作，以更好地理解水利工程的各個方面。在施工階段，BIM 技術可以幫助施工人員在水利工程的施工階段中進行現場管理和監測，以確保施工的正確性和有效性。在運營和維護階段，BIM 技術可以幫助運營和維護人員監測和管理水利工程的各個方面，以確保其高效、可靠和安全。在數據管理方面，BIM 技術可以在水利工程中進行數據管理，將不同來源的數據整合在一起，并提供分析和決策支持。

經過對比分析，預測水利BIM 未來的發展趨勢表現在以下4 個方面。

（1）設計優化與仿真分析方面。BIM 技術將通過建模和仿真分析，優化水利工程的設計，包括水文分析、水力計算、水資源分配等。

（2）施工管理與質量控制方面。BIM 技術將實現對水利工程施工過程的監控與管理，包括進度控制、安全管理、質量控制等，從而提高施工效率和工程質量。

（3）運營與維護管理方面。BIM 技術將實現對水利工程的運營與維護管理，包括設備管理、維護計劃制定、故障預測等，從而提高運營效率和降低運營成本。

（4）信息化應用方面。BIM 技術可以將水利工程的各個環節進行信息化處理，包括設計、施工、運營等，從而實現水利工程全生命周期的信息化管理。

綜上所述，BIM 技術在水利工程中的應用將更加廣泛和深入，提高工程的質量、效率和可靠性，同時也有助于降低成本和提高安全性，BIM 技術將發揮越來越重要的作用。