国际BIM研究演进路径、热点及前沿可视化分析

王孟钧，钱应苗，袁瑞佳，王青娥

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

建筑信息模型(BIM)技术，作为建筑物的物理与功能特性数字化表达工具，具有数字信息集成与共享优势，可为项目生命周期内的各项决策提供可靠的依据，已改变许多国家的建筑设计、施工、运营等领域的管理模式，带动建筑业技术进步与创新。从20世纪中期开始，建筑业从业人员开始开展BIM研究， Eastman(1974)基于建筑属性，借助信息技术，处理建筑图形与组成元素，为建筑不同属性的功能排序提供发展方向[1]。近年来，国际上BIM研究成果众多，有侧重BIM技术问题的研究，也有偏向BIM非技术问题的研究。显然，BIM不仅是基于项目信息集成的技术，也是项目生命周期内的管理工具，涉及业主、设计师、承包商、分包商和供应商等建筑信息模型所有使用者，从而有助于解决建筑业行业结构割裂、信息流失、浪费严重等问题，提升建筑业生产效率。为此，本文基于Web of Science核心数据库，利用SATI、CiteSpace软件对2005至2017年间以“Building Information Modeling”为标题、“BIM”为主题的文献进行可视化分析，以期能及时把握国际BIM研究演进路径，跟踪BIM研究热点及前沿动态，为BIM的未来研究和发展提供理论参考与实践指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

Web of Science(简称WoS)是美国Thomson Scientific所开发的产品，是世界最大、覆盖学科最广的学术信息资源库，收录近万种全球范围内极具影响力和权威的各类高水平学术期刊。其中WoS核心合集引文索引数据库涵盖科学引文索引SCI(Science Citation Index)、社会科学引文索引SSCI(Social Sciences Citation Index)、会议论文引文索引CPCI-S(Conference Proceedings Citation Index-Science)等[2]。

本研究以WoS核心合集数据库为数据来源，利于保证数据权威性与全面性。在WoS核心合集数据库中，选择高级检索方式，以“Building Information Modeling”为标题、“BIM”为主题进行模糊检索。不限时间跨度进行检索(数据更新至2017年12月30日)，共检索到499条信息，除评论、报纸6篇外，选取会议、期刊及综述类文献等493篇作为数据样本。

1.2 研究方法

本研究总体上运用定量和定性相结合的方法，强调定量方法的使用，采用图表、科学知识图谱等方式对所选文献数据进行绘制与展现。其中，图表是对基础数据时空分布的展示。科学知识图谱是研究主题的相关文献可视化呈现手段，通过运用数据挖掘、文献计量及图谱绘制等工具，展示某学科或研究领域的演进路径[3]，挖掘相关学科或领域的研究热点，追踪其研究前沿。

借助SATI、CiteSpace软件实现国际BIM技术可视化研究。SATI是我国学者刘启发和叶鹰基于.NET平台使用C#编程共同开发的一款文献题录信息统计分析软件[4]，可导入处理HTML格式的WoS国际文献题录数据，通过数据格式转换、字段信息抽取、词条频次统计等技术现实WoS国际文献题录基础数据的分析。CiteSpace是美国德雷塞尔大学的英籍华人陈美超教授基于Java语言开发一款科学文献计量可视化分析软件[5]，通过对科学文献的共被引、关键词、主题词等分析，可视化学科知识领域的演进路径，识别、探测及可视化其研究热点与前沿。

2 基础数据时空分布

2.1 时间分布

从WoS数据库中导出493条关于BIM技术研究的HTML格式题录，通过SATI3.2软件中转换功能生成该软件专用的XML格式文件，利用select选项，选择不同年份发文量，再借助Excel表格，实现BIM研究文献的时间分布图，如图1所示。

图1 BIM研究文献的时间分布

BIM研究发展现状在某种程度上可通过其研究成果的时间分布情况展现。基于国际上年度发表的期刊论文数量分析发现，截至2017年12月30日，2005—2009年发表期刊论文数量依次为1、3、5、9、5篇，属于国际BIM研究起步阶段。随后BIM研究发文量逐年增长，特别是2014年后呈现快速增长势头，总体而言，BIM研究依旧是国际上持续关注与研究的领域。

2.2 空间分布

(1)重要作者分布

基于SATI3.2软件进行作者出现频次统计，选项栏中选择“作者”选项，通过“字段抽取、频次统计”等技术提取作者频次不低于5次的统计文本，形成高频作者统计表，见表1。其中，Sacks是BIM技术研究中最多产作者，出现频次为11次，其次分别是Eastman(9次)、Issa(7次)、Wang(7次)、Love(7次)、Akinci(7次)等，均在BIM技术研究领域中享有盛名，属于该领域的重要研究者。

表1 高频作者统计

(2)核心机构分布

基于SATI3.2软件进行机构出现频次统计，选项栏中选择“机构”选项，通过“字段抽取、频次统计”等技术，提取机构频次统计文本，得到BIM技术研究的代表性机构，见表2。统计出现频次不低于8的机构共有14家，即发文量不低于8篇的共有14家机构，被视为该研究领域的核心机构，共产出期刊论文181篇，占总期刊论文的37.71%，机构平均发文量达到12篇。机构发文量超出平均水平的有马来西亚理工大学(Universiti Teknologi Malaysia)、科廷大学(Curtin University)、佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)、汉阳大学(Hanyang University)、以色列理工学院(Technion-Israel Institute of Technology)、佛罗里达大学(University of Florida)6家，被视为该领域研究的国际顶尖机构，卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)、昆士兰科技大学(The Queensland University of Technology)、同济大学(Tongji University)等其余8家可视为代表性机构。

表2 核心机构统计

3 BIM技术研究演进路径可视化分析

3.1 知识基础识别

知识基础常被视为研究前沿术语、词汇文章的引文(即参考文献)，知识基础组成架构较为稳定，主要由早期奠基性文献、高被引经典文献及共被引网络中关键节点文献构成，反映研究前沿中术语凝练过程所吸收、利用以往研究成果的情况。通过文献共被引(Cited Reference)分析，可识别某研究领域或主题的知识基础，有助于研究者探索某个研究主题或领域的学术进路。

基于WoS核心合集数据库中所检索、整理的493篇文献，借助CiteSpace软件进行BIM技术研究演进路径可视化分析，节点类型设置为Cited Reference，研究跨度为2005—2017年，设置每年为一个时间分区，选择被引次数最多的前30篇文献进行重点分析，运行CiteSpace软件得到BIM技术研究文献共被引网络节点时区视图(Time Zone View)，网络图谱中共有节点436个，连线1 151条，如图2所示。

注：圆形节点代表引文，其大小与被引次数密切相关，大节点代表高被引、高价值文献图2 BIM技术研究文献共被引网络节点时区视图

3.2 演进路径探析

利用CiteSpace软件揭示共被引网络的关键节点，图2中字体大小依比例显示，高被引文献在图2中显示大字体，且节点间连线代表文献间的引用关系及时间，粗连线表示引用次数多，其颜色表征引用时间，基本规则是基于时间先后序列，连线颜色由冷色逐渐变成暖色[6]。依据被引频次大小，列举图2中各年份排名靠前的有关BIM研究文献，见表3，这些文献属于BIM研究的知识基础。

结合图2和表3，按时间顺序梳理关键节点文献，可探寻BIM技术研究的演进路径主要分为3个阶段：探索期、初步成长期和深入发展期。

表3 BIM研究关键节点文献

(1)BIM研究探索期(2006—2009年)

该时期仅出现3篇经典文献。其中，Lee等[7](2006)提出面向建筑信息建模系统的参数化建筑对象行为，强调建筑对象行为的描述符号与方法，旨在探索建筑设计知识与工程知识在建设信息模型生产软件中的嵌入程度；Howard和Bjork[8](2008)基于质性研究，针对BIM的可行性、成功必要条件及其标准，特别是对IFC的参考等系列问题，进行专家访谈，提出BIM标准框架和实施方案；Succar[9](2009)指出建筑信息建模(BIM)涉及建筑设计、工程建造和运营等广阔的知识领域，分析公开的国际标准，探讨BIM框架、利益相关者及其交付基础，并识别、部署可视化知识模型，利用知识本体论，表述该领域概念及其相互关系，以进一步定义知识成分与扩展其边界。

(2)BIM研究初步成长期(2010—2012年)

此阶段共有4篇关键文献，Sacks等[10](2010)认为精益建造和建筑信息建模对建筑业发展具有深刻影响，构造BIM功能与精益建造原则的并列矩阵，确定其相互协同作用，深入探索相互作用的有效性程度，有助于建筑业从业人员规划精益建造于信息模型战略时，深刻认识到两者潜在协同作用。Jung和Joo[11](2011)对计算机集成结构(CIC)和建筑信息模型(BIM)进行文献回顾，构建综合建筑信息建模(BIM)框架，专注于解决BIM应用在实际项目中实用性问题，该框架有助于确定BIM实际有效性的驱动因素，并为其应用评价提供依据。Cerovsek[12](2011)基于建筑设计、工程建造和运营的工具与数字模型交互标准的文献综述，构建改进BIM工具与方案的理论框架，提出“建筑信息建模”(BIM)工具、标准的重要问题及全面建议，为BIM在建筑项目中互操作性、集成性、通信与协作作用奠定基础。Hartmann等[13](2012)将BIM工具实施于支持建筑公司评估部门的活动以及在大型基础设施项目中的风险管理活动，试图完善BIM工具的功能与施工管理工作过程紧密融合，通过改变现有工作过程，以适应基于BIM工具的功能，并提倡在施工组织中以“技术拉动”的方式实施BIM工具。

(3)BIM研究与实践深入发展期(2013年以来)

本阶段中新研究成果层出不穷，目前经典文献有4篇。Love等[14](2013)认为，建筑信息建模(BIM)可提高资产在设计、建造、运营和维护过程中的性能，但通常利用投资回报率评价BIM投资使用过程，不能准确反映实施BIM相关的“真实”成本和收益，从而引入无形利益和间接成本，重新构建BIM技术投资使用评估框架。Bryde[15](2013)收集35个已使用建筑信息模型(BIM)的项目资料，生成一组项目成功标准的数据，以次标准分析各项目内容，确定每个项目达标程度，并发现最常见的收益与项目生命周期中成本降低与控制以及节省时间有关，负面效益主要集中在BIM软件的使用投资上，基于成本效益分析，提高认识，加强教育和培训等手段，以解决BIM使用的挑战[15]。Volk[16](2014)基于BIM主题的180多篇文献综述，分析建设中少有实施BIM的三点原因：一是从捕获的建筑物数据到语义BIM对象的高建模/转换的困难；二是BIM中信息的更新；三是处理现有建筑物中BIM中不确定的数据、对象和关系的挑战。Cao等[17](2015)调查106个使用建筑信息建模(BIM)的项目，探索目前中国BIM项目实践，并评估其实施效果，研究结果表明，BIM被用作可视化工具，具有积极作用，可有效地改进任务，为行业如何更好挖掘BIM的潜力提供一定见解。

基于上述分析，近十年来，对BIM学术研究不断深入，BIM学术研究成果的演进路径如图3所示。

图3 BIM学术研究演进路径

4 BIM技术研究热点分析与前沿追踪

4.1 BIM技术研究热点可视化分析

文献题录中关键词是作者对文章核心内容的高度提炼和集中描述，体现文献的研究主体及方向，高频次关键词常被用于确定研究领域热点问题。利用CiteSpace软件，在节点类型中选择“关键词(Key words)”，并选择Pathfinder算法，运行CiteSpace软件得到由关键词所生成BIM研究热点网络图谱，如图4所示。同时，选取关键词出现频次不少于7的热点术语有14个，见表4。

注：圆形节点代表关键词，其大小与被引次数密切相关，大节点代表热点术语图4 BIM研究热点网络图谱

基于图4、表4可知，频次最高关键词为“建筑信息模型(BIM)”，达356频次，且其中心度值为0.32，位居首位。这表明“BIM”的表述已得到学术界普遍认可，且对BIM研究十分重视。其他高频热点术语按频次高低分别为：施工(Construction)、设计(Design)、系统(System)、管理(Management)、框架(Framework)等14个热点术语，经深刻剖析以上高频热点术语，可将BIM研究总结归纳成如下3个方向。

表4 高频关键词统计

(1)BIM技术基础与框架研究方向

国际上，众多学者不断探索BIM技术基础与实施框架，强调BIM技术本体、标准及框架的研究，其研究热点主要涉及到本体(Ontology)、系统(System)、框架(Framework)、IFC标准(IFC)等术语。BIM作为复杂操作系统，本体工程被视为BIM技术实现基础，主要包括BIM本体模型的建模语、开发环境和工具。同时，构建BIM实施框架是实现BIM技术应用的首要步骤，且IFC作为BIM操作性国际标准，能确保整个项目生命周期内信息存储、交互，进一步推动BIM技术广泛应用。

(2)BIM技术应用研究方向

实践中BIM技术常被应用于建筑设计(Design)、施工(Construction)及管理(Management)等重要领域，这也是BIM技术研究热点。此外，BIM研究热点还体现在建筑行业(Industry)与项目(Project)两个层面。在建筑行业层面上，BIM技术作为建筑业中创新性里程碑技术，深刻改变建筑业传统生产模式，提高建筑业项目生产效率与交付质量；在项目层面上，BIM技术应用有助于建设项目生命周期内信息流失与资源浪费，提升项目管理水平。

(3)BIM相关技术支撑研究方向

BIM技术二次开发及应用过程中先进信息技术发挥着引领作用，而要实现全生命周期内项目管理信息的全面整合、共享与互通，须依靠信息技术、互联网应用以及激光扫描等领域关键技术支撑。目前，模拟仿真(Simulation)、信息技术(Information Technology)、增强现实技术(Augmented Reality)、点云(Point Cloud)等技术是BIM研究热点。模拟仿真与信息技术是BIM实现项目可视化的关键技术；增强现实技术通过虚拟信息投射到现实世界中，使得现实环境和虚拟建筑同步叠加，增强可视化效果；点云技术是基于现实世界的建筑物，提取、转化为建筑信息模型(BIM)，从而提升建筑物信息准确度。

4.2 BIM技术研究前沿可视化追踪

从浩瀚的文献数据中挖掘、探索及追踪研究前沿是BIM研究可视化分析的关键内容之一[18]。BIM研究前沿(Research Frontier)代表BIM研究领域中突然涌现或最具发展潜力的研究新主题及新趋势，把握BIM研究前沿，有助于掌握BIM研究现状及未来发展方向。

文献[19]指出研究前沿强调学科发展新趋势及突变特征，因而借助“突现主题术语(Surged Topical Terms)”比“高频主题词(Title Words)”更适合追踪学科研究前沿[5]。利用CiteSpace软件，在术语词类型中设置“突显术语(Brust Terms)”，节点类型中选择“主题词(Terms)”，选择Pathfinder算法，运行CiteSpace软件，探测得到6个突现词，见表5。

表5 BIM研究领域中突现词统计

结合表5可知，突变率最高主题词为“Building information modeling”，达3.61，代表BIM研究领域对建筑信息模型本身关注与研究，可能仍是未来BIM研究方向。除建筑信息模型(Building information modeling)以外，还有相互协作能力(Interoperability)、激光扫描(Laser scanning)、方案优化(Optimization)、项目绩效(Performance)、4维cad(4D cad)等5个突现词。与BIM技术应用的突现词相互协作能力(Interoperability)、方案优化(Optimization)、项目绩效(Performance)等，说明BIM应用于项目管理过程中强调各项目参建主体的项目协作能力，通过施工虚拟碰撞、方案优化等手段，关注项目绩效是BIM技术研究领域的重要前沿。BIM相关技术支撑研究的突现词是激光扫描(Laser scanning)与4维cad(4D cad)，且3D激光扫描有助于弥补BIM应用从设计到施工过程中“信息衰减”现象，4维cad技术让信息表达更加全面，说明随着先进技术不断发展，4维cad技术和3D激光扫描将成为BIM相关支撑技术发展趋势。

5 结论

为系统梳理、分析BIM领域国际研究成果，基于SATI、CiteSpace等科学计量软件，对Web of Science核心集合中2005—2017年发表的493篇文献进行可视化分析，主要结论如下：

(1)基于基础数据的时空分析，发现2014年以来，BIM研究成果呈现快速增长形势，重要作者包括Eastman、Issa、Wang、Love等，核心研究机构有马来西亚理工大学、科廷大学、佐治亚理工学院、汉阳大学、以色列理工学院、佛罗里达大学等。

(2)BIM研究演进路径由BIM研究探索期、初步成长期、深入发展期等3个阶段组成。其中，2006—2009年为BIM研究探索期，2010—2012年期间是BIM研究的初步成长期，2013年以来，BIM研究与实践迈入深入发展期。

(3)BIM研究热点除其本身之外，分为3个方向：BIM技术基础与框架研究方向包括本体、系统、框架、IFC标准等核心主题；BIM技术应用研究方向涉及建筑设计、施工、管理、行业及项目等重要领域；BIM相关技术支撑研究方向注重模拟仿真、信息技术、增强现实技术、点云等研究热点。

(4)BIM研究前沿由相互协作能力、激光扫描、方案优化、项目绩效、4维cad等方面组成，其中，相互协作能力、方案优化、项目绩效属于BIM技术未来应用研究关注的核心；激光扫描与4维cad是BIM支撑技术的未来发展趋势。