基于知识图谱的轨道交通领域BIM研究现状分析

郭婧娟，田 芳

(北京交通大学 经济管理学院，北京 100044)

一、引 言

依托BIM(Building Information Modeling)实现协同管理和数据共享，是工程建设领域发展的必然趋势。随着BIM技术在国内外的快速发展，与地理信息系统、空间定位技术、人工智能等技术的集成，已逐渐成为建设行业颠覆传统建造方式、实现产业升级的有效路径。近年来，在轨道交通工程领域，特别是铁路建设工程中，BIM的应用呈快速增长趋势。由于轨道交通工程的专业特殊性，BIM在房屋建筑等类工程中的应用成果较难被直接采用，但在铁路系统大力推广工程信息化建设的驱动下，对BIM技术的研究和应用也获得了较快发展。例如，中国国家铁路集团有限公司在2013年就提出了以BIM技术为核心的全寿命周期信息化管理理念，并在同年成立中国铁路BIM联盟，大力推广BIM铁路标准建设和应用。与此同时，国内学术界也涌现了大量相关研究成果。本文以国内外BIM在铁路及城市轨道交通领域应用情况的相关研究为对象，借助CiteSpace软件，基于文献计量学理论，对2008～2019年间相关研究的期刊文献及会议文献进行了梳理和分析，总结BIM在轨道交通领域应用的知识基础、研究热点及发展趋势，以期为BIM在铁路及城市轨道交通领域的进一步研究应用提供参考。

二、研究方法与数据

(一)研究方法

本文采用定性与定量相结合的研究方法。定性分析是通过对研究领域内重要文献的梳理总结，分析文献内容对研究领域的推动作用。定量分析是通过CiteSpace软件，对作者、关键词等进行统计，用以分析研究领域内的知识基础、研究热点、演进趋势等等。

(二)数据来源

本文研究对象为BIM在铁路和城市轨道交通领域研究的相关文献，具体包括：中国知网(CNKI)文献650篇，web of science网站文献105篇，2018年BIM联盟会议论文6篇，2018年第四届全国BIM学术会议文献4篇。检索关键词为“BIM”、“GIS”、“铁路”、“城市轨道交通”、“地铁”、“地下铁道”、“轨道交通”、“建筑信息模型”、“三维建模”、“信息化”，“rail”，“railway”，“building information modeling”等。发文时间为2008年9月至2019年5月，检索时间为2019年6月15日。通过初步筛选(剔除与主题无关等记录)，共选出765篇文献，通过阅读文献摘要等方式进行文献识别(剔除征稿通知、新闻报道等)，最终筛选出596篇文献。

三、知识图谱分析

(一)研究机构分析

在CiteSpace软件界面中，选择 “institution” 作为图谱分析节点，为使图谱结果更加清晰，对比性更强，将Threshold值设为5，运行软件，得到结果如图1所示，并在此基础上进行分析。

如图1所示，每一个节点代表一个轨道交通领域BIM应用研究的研究机构，节点大小与该机构发文数量成正比，统计共涉及28家研究机构，其中，发文数量位于前三名的分别是铁道第三勘察设计院集团有限公司(简称铁三院)，中铁第四勘察设计院集团有限公司(简称铁四院)以及中铁工程设计咨询有限公司(简称中铁咨询)。从统计结果来看，BIM的研究力量主要集中在铁路系统设计院。首先，铁三院、铁四院和铁一院是中国铁路BIM联盟的常任理事单位，承担了大量BIM在铁路及城市轨道交通领域的应用研究项目。其次，BIM是应用于工程设计建造管理的数据化工具，目的是实现工程信息在项目的全生命周期过程中进行传递，而信息传递的载体则是已被赋予参数的模型，因此，模型设计无疑是应用BIM的重要基础，也是BIM应用的开端。在BIM研究的起步阶段，来自铁路设计单位的研究成果，为后续研究奠定了重要基础。此外，图中网络节点间连线数量较少，合作关系网络十分分散，表明研究机构之间合作程度较低，学术共同体有待进一步完善。

目前，设计单位对于BIM应用的研究主要集中在BIM标准的制定以及BIM在各专业工程中的应用两个方面。在BIM标准的研究方面，成果主要集中于铁路工程信息模型的分类、编码以及存储等领域。其中，铁三院的研究数量较为突出，成果主要集中于两个方面：一是根据对KML、City GML、IFC等标准格式的研究，提出对应的扩展方案并进行比选，进而提出针对铁路BIM的推荐扩展方案；二是依照ISO 12006-2体系框架提出铁路工程信息模型分类和编码方案。李华良等[1](2015)在此基础上应用revit、达索系统对方案进行了应用试验，验证了方案的适用性和有效性。在BIM于铁路各专业工程应用方面，研究成果涵盖了桥梁、隧道、四电、站场等主要专业工程。例如，孟晓健[2](2018)利用Revit平台，对铁路车站BIM资源库的建设与管理、信息模型设计标准、协同设计方法、交付标准进行了研究，并利用阿房宫车站项目对研究成果进行了应用，取得了良好的成效。寇邦宁[3](2017)从三维参数化模型建立、信息模型和GIS平台真实场景展示等方面研究了铁路隧道勘察设计的技术路线，分析并提出了BIM+GIS技术在隧道应用中存在的问题。

(二)知识基础识别

1.研究作者分析

相关研究领域文献的引文和共引轨迹可以反映该研究领域的知识基础，但由于CNKI导出的文献数据中不包含引文数据，因此，在该部分利用作者发文数量统计以及文献被引量来分析轨道交通领域BIM应用研究的知识基础。在CiteSpace中，运用Author节点，绘制得出知识基础图谱(图2)，并在此基础上进行分析。

结合知识基础图谱分析可知：杨绪坤、李华良等在铁路BIM标准的研究领域成果颇丰。徐博、沙培洲以及陈富强、姬付全等对于BIM在铁路桥隧工程中的应用研究具有突出贡献。杨绪坤[4](2015)以IFC标准为基础，根据铁路工程的实际情况，对铁路工程的信息模型数据存储标准进行了扩展，将IFC表达的工程结构单元、构件等组织为各专业的信息模型。徐博[5](2015)分析并实践了BIM应用于隧道工程的全过程，提出了现阶段BIM应用于隧道工程存在的问题。与国内相比，英美等国家相关领域研究较少，方向分散，发文数量突出的作者较少。Tveit, Marit等[6](2018)指出基于云的新技术可以显著改善基础设施项目的规划，设计和实施方式；Reinhardt, Markus等[7](2018)提出可将BIM应用于建筑的“预测性维护”，并利用联邦铁路管理局某一钢筋混凝土桥梁裂缝的检测项目进行了过程演示和可行性分析。

2.经典文献分析

通过对文献被引量的统计，筛选出影响力较深的8篇国内外文献，见表1。在BIM技术应用于铁路工程的研究方面，朱江[8](2010)提出了应用BIM技术的设想和规划，为铁路工程应用BIM提供了指导，也为后续研究奠定了基础。Amann，Julian等[9](2016)引入了被称为IFC过程语言的IFCPL语言，使软件开发人员能够以独立于软件平台的方式在不同软件之间交换模型信息，为BIM应用于造价等工程全寿命周期各个阶段奠定了重要基础。

表1 国内外经典文献

在BIM应用于城市轨道交通工程中的研究方面，祝嘉[10](2008)提出了BIM应用于城市轨道交通工程的初步设想，并从前期规划、设计、施工、运营四个阶段分别进行了阐述，为后续研究奠定了基础。Marzouk, Mohamed等[11](2014)将BIM应用于监测地铁内部的热度状况，指出基于BIM的模型可以提供地铁空间中的空气温度和湿度水平的读数，并通过案例研究说明了所开发系统的功能。Mahalingam, Ashwin等[12](2015)提出将精益建造模式与BIM结合，以解决BIM技术与工作流程的协调以及项目参与者之间的协调问题。

通过上述分析，可将知识基础总结为如下几个方面：

(1)BIM标准的建立研究。在ISO 12006-2体系框架的基础上，现有研究构建了适用于铁路工程的BIM标准体系框架，分为两大方向7个标准，涵盖了铁路工程的全寿命周期。在此基础上，现有文献重点对数据存储标准以及语义标准展开了研究。

(2)BIM技术应用于关键工程的研究。这一方面的研究主要集中在铁路工程领域，围绕桥梁、隧道及站场等工程展开BIM应用研究较多，在桥隧工程中，大多数研究以具体项目作为试点，通过应用BIM技术的实践过程发现问题，研究从前期基于基本BIM软件平台的应用发展到后期对于BIM软件平台的二次开发，使得BIM软件平台更加符合铁路桥隧工程的设计需求。

(3)BIM技术应用于项目管理的研究。在铁路工程方面，基于BIM的铁路工程管理平台的架构研究较多，平台致力于让工程信息在项目各参与方之间有效传递和共享，充分发挥BIM信息的作用，更高效地进行工程管理等。在城市轨道交通工程方面，研究主要集中于项目建设全寿命周期的各个阶段中如何应用BIM技术进行管理，例如，在资源筹划阶段，应用BIM技术解决施工逻辑关系问题，达到对资源进行合理有效的控制等。

(三)研究热点分析

关键词是对整篇文章主题思想的高度凝练，因此，对关键词进行统计分析有助于把握某一研究领域的研究热点。在CiteSpace软件中，以keyword为节点，在图谱结果基础上分析在轨道交通领域BIM应用研究的热点，如图3所示。由于国外相关领域研究较少，且研究主题较为分散，因此，图谱上聚类的国外研究关键词较少。

在知识图谱中，关键词出现的频率高低以节点大小来表示，关键词之间的共现关系以节点间的连线来表示。绘制得出的图谱(图3)中共有56个节点，在出现频率较高的关键词中：BIM、BIM技术、建筑信息模型等关键词词义相近，针对性不强，因此排除；轨道交通、城市轨道交通、铁路及铁路工程属于同一研究领域，轨道交通包括城市轨道交通和铁路工程，铁路以及铁路工程属于同一领域；信息化一词较为笼统，涵盖范围较广，可展开分析的意义不大。因此，根据关键词出现频率的排序及综合筛选，确定出如下三个研究热点方向：

1.协同设计。铁路工程涉及多个专业，基于BIM如何高效、规范地协同各专业之间的设计是铁路BIM领域研究的热点方向。目前，针对基于BIM的铁路工程协同设计的研究主要有两种模式：一是在现有的BIM设计平台基础上，探索铁路工程协同设计的方法。例如，徐博[13](2018)以Bentley平台为基础，根据铁路工程的设计流程，分别演示了各专业工程的设计方法以及信息管理和传递的方式，为基于BIM的铁路工程正向设计提出了建议。朱晴晴等[14](2017)基于达索3DExperience平台，从骨架驱动设计方法、自上而下设计模式、人员组织管理以及平台权限配置等几个方面总结梳理了铁路工程协同设计的实现方式。二是基于BIM技术以及协同管理相关理论，构建铁路项目协同管理平台。例如，周颖[15](2017)设计了基于BIM的铁路工程数字化管理平台，通过构建BIM数据结构并进行持久化处理等一系列方式，完成了基于BIM的铁路工程数字化协同管理平台的构建。在城市轨道交通领域，研究主要集中于城轨综合体设计以及各专业工程的设计。张灿[16](2017)通过对提升城市轨道交通设计效率的BIM协作方案分析，创建了BIM协作导则。段劲夫[17](2017)提出并实践研究了将BIM三维协同设计模式应用于地铁车站设计，针对实践中的关键环节提出了建议。

2.施工管理。在铁路工程领域，研究主要围绕各专业工程展开。例如，在信号工程中，BIM主要用于线路的布线设计以及碰撞检查，对相关设备进行模型组建，实现施工成果的顺利转接。在路基工程中，通过在BIM的基础上建立坡度控制系统，利用GNSS流动站、无线电台、压实传感器等一系列工具来实现BIM与路基填筑实际施工的对接，达到BIM精准控制路基填筑施工质量的效果。在隧道工程中，BIM主要被用于项目的4D施工管理，即在传统的3D模型中加入时间维度，用以模拟实际施工过程，建立虚拟施工管理方案。在桥梁工程中，通过在BIM软件(如 Revit)中预先定位、标高测量以及特定拾取等功能，实现施工点位的精准定位。在施工管理方面，研究焦点从最初的3D精准建模，逐渐过渡到4D施工过程模拟，直至目前的5D探索研究。同时，研究愈发集中于BIM软件中特定功能的应用，如坐标、高程的预设，特定标高的拾取等。BIM与其他数字化工具结合应用，共同指导现场施工也成为了BIM应用于施工管理的一大热点。在地铁工程领域，研究主要围绕BIM应用于机电安装工程及车站工程展开。在机电安装工程方面，研究大多集中于利用BIM对机电管线布置模拟，对管线安装进行碰撞监测及可视化管理，从而进行管线布置优化，降低实际施工中的错误率。在车站工程方面，研究大多集中在BIM应用于地铁三维施工模拟方面，例如，吴卫民等[18](2019)以BIM三维建模技术与信息技术及计算机图像技术结合为基础，提出了基于 BIM 的施工模型信息实时更新以及基于模型的地铁车站实时施工模拟流程，以实现将现场采集的数据自动识别到计算机系统中，通过特征提取、分类匹配形成参数化构件，实时更新到BIM模型当中，从而进行实时的施工模拟。

3.运维阶段可视化管理。在铁路工程领域，最具代表性的应用为借助BIM的三维虚拟技术，增强采集信息的预处理能力，提高信息检测的精准度。例如，在高速铁路变形监测中，张婧宜等[19](2018)将 BIM 虚拟技术与高速铁路变形监测信息融合，利用Multi-Quadric 径向函数，对监测数据进行插值计算，构建铁路变形监测的信息模式，再融合距离映射法获得变形监测信息竞争层神经元和输入模式矢量的相似度，将输入矢量降维，并映射到二维平面，实现对铁路变形信息的可视化动态监测；张宇昕等[20](2019)采用 Sketch Up建模软件，根据轨道顶面的实际三维坐标进行建模，并加以轨道板、轨枕、钢轨及其他高铁构件进行实景化，将轨距误差在模型中分级展示，直观判断轨距超限的里程分布状况，从而实现轨道检测数据的可视化分析；曲帅[21](2019)结合SHM(健康监测系统)的原理，利用Navisworks Manage软件，将铁路站房的三维模型与实时监测数据相关联，实现工程健康监测可视化。在地铁工程方面，研究主要集中于如何应用BIM提高对地铁设备、安全、日常运营维护的管理效率。赵玉林等[22](2018)在BIM与FM(设施管理)融合技术应用于大型建筑案例的基础上，提出了在地铁项目中实现BIM与FM技术的融合，通过二者之间数据、信息的交换共享，共同形成一个有机整体，提高地铁空间、设备、运维管理的效率。李宽丽[23](2017)提出可通过将BIM模型与传感器、监测系统相结合，实现对地铁内部运营状态的实时监控，同时还可通过将BIM模型数据信息与各运维管理系统(如CMMS, CAFM, EDMS, EMS等)相连接，实现各系统之间的信息共享和业务协调。林云志等[24](2018)通过将地铁综合监控系统(ISCS)与BIM技术相结合，分析了构建地铁3D运维管理平台的方法，维护管理辅助决策、资产设备可视化管理、应急指挥决策及运维流程管理等功能。

从上述三个研究热点可以发现，研究均围绕着BIM在轨道工程全寿命周期中各阶段的应用展开，基于BIM技术对轨道工程进行全寿命周期管理已成为领域内学者及相关专业人士关注的重点。事实上，基于BIM实现的“一模到底”功能使得项目信息可以精确地传递到项目各阶段，项目各参与方可以根据需要随时补充、修正模型信息，并通过与新兴科技的融合，实现项目全生命周期的精准化管理。例如，在勘察阶段，BIM可与GIS、无人机实景建模技术、VR技术等相结合，建置地质现况、道路沿线房屋分布情况等模型信息[25]，以提供各生命周期的作业所需地质及周边概况信息；在成本估算阶段，可在勘察阶段成果的基础上进行初始规划、大致选定相应辅助设施的位置[26]，分析和考虑交通运输状况，进行土方量分析、洪水分析等，确定较好的经济指标，并且，随着信息的不断补充以及BIM模型精度的不断提高，项目团队能更加精准的估算材料数量，以确保设计成本在原定的预算范围内，并视需要快速输出更改设计后及施工预组件的数量，合理进行成本的动态控制。

(四)研究阶段划分

CiteSpace可根据某一段时间内某一关键词出现数量的突变来探测研究主题的变化[27]，并由此得出研究主题随时间的演变趋势[28]。选择“keyword”作为节点，绘制出高频突现关键词时序图(图4)。总体来看，BIM在铁路及城市轨道交通领域的研究发展可分为三个阶段：基础理论研究、初级应用研究和深入应用研究。

1.基础理论研究阶段

如图4所示，2008～2012年，BIM在铁路及城市轨道交通领域的研究处于基础理论研究阶段。在这一阶段，BIM技术已经被广泛应用于房屋建筑工程，但在铁路工程以及城市轨道交通领域中的应用尚未成熟[29]。业内专家学者针对铁路及城市轨道工程的特点，结合BIM的基本理论，对BIM在铁路及城市轨道工程中应用的可行性进行了设想与探究，研究主要围绕应用BIM技术实现多专业协同设计，以及通过BIM与各种信息化手段结合，实现工程的信息化管理等内容展开。该阶段的研究，为后续研究的开展指明了方向。

2.初级应用研究阶段

2013年，中国国家铁路集团有限公司明确提出以BIM技术为核心的全寿命周期信息化管理理念，BIM的应用得到越来越多的重视，在此期间也涌现出大量关于BIM应用的研究。在这一阶段，研究内容在信息化、协同设计等主题的基础上进一步细化，“轨道交通”、“应用”、“Revit”、“参数化”等主题成为新的研究重点，BIM技术在设计阶段的应用研究已取得初步成果。2014年，BIM技术在施工管理中的应用也成为热门话题。随着人们对于BIM技术认识的不断深入，对于BIM技术的应用研究已不仅仅局限于设计阶段[30]，研究重点开始从设计阶段逐步向施工阶段转移。但在该阶段，BIM技术在施工管理中的应用研究尚停留在概念阶段。由于轨道交通工程涉及的专业范围较多，不同专业施工方法、特点差异较大，对于BIM技术的应用要点也各不相同[31]，因此，后续的研究也主要围绕BIM技术在各专业工程中的应用展开。

3.深入应用研究阶段

2015～2018年，随着BIM标准的发展以及BIM技术在试点工程中的应用不断增多，研究进入到了深入应用研究阶段。2015～2016年，研究高频关键词为“桥梁工程、质量安全、施工模拟”等主题，这表明，研究在这一阶段更加聚焦于BIM在轨道交通各专业工程领域以及施工管理中的应用。BIM在施工技术中的应用研究已逐渐发展成熟。2016～2018年，随着BIM技术的进一步发展，其在工程全寿命周期管理中的应用价值也得到了广泛关注。“GIS”、“全生命周期”等研究高频关键词表明，通过与GIS、无人机等一些新兴信息管理技术的结合，将BIM技术扩展应用至工程全生命周期管理[32]，已成为学者们关注的另一个焦点。例如，在铁路设计前期，利用无人机航拍采集地理信息并导入专业软件(如Context Capture等)生成GIS模型，用以辅助BIM设计建模。而2018年的高频研究关键词“运维”表明，对于BIM技术应用的研究已延伸至项目运维阶段，真正意义上落实了对BIM应用于工程全生命周期管理的研究。

总体来看，在BIM技术被引入国内的早期阶段，部分研究者抓住先机，主要着眼于如何将BIM技术应用于轨道交通工程，扭转传统的设计和信息管理模式。随后研究主题不断增加细化，研究者从早期着重探讨BIM技术的应用思路逐渐过渡到在工程设计阶段的具体应用方法，研究者也同时聚焦BIM技术在轨道工程施工管理中应用的可行性及前景。随着BIM技术的不断发展以及人们对BIM技术认识的不断深入，研究者重点关注轨道交通各专业工程领域施工过程中对于BIM技术的应用。同时，如何将BIM技术应用于工程全生命周期管理也成为了学者们研究的重点。BIM技术的出现，改变的不仅仅是设计建模方式，更是工程信息的集成和管理手段，因此，如何将BIM技术与新兴的信息收集、管理技术相结合，更好地服务于工程信息管理，也成为了新的研究热点。这说明，国内学者能紧跟时代步伐，抓住BIM技术应用中的关键问题，为轨道交通工程的发展建言献策。

四、总结与展望

(一)研究评价总结

通过上文分析，BIM技术在轨道工程领域的研究与应用表现出如下特点：

1.研究发展方面。BIM技术在轨道工程领域的应用研究关注度高，增长迅速。国内学者与相关机构能够针对BIM应用于轨道工程领域中的重难点问题，以全面推广BIM在轨道工程全寿命周期管理中的应用为导向进行支持性研究，为轨道工程建设的信息化发展提供了科学依据和实质性推进。在研究历程中，涌现了如朱江、徐博、杨旭坤、李华良等为代表的大量学者，以及铁道第三勘察设计院、中铁第四勘察设计院集团有限公司等为代表的研究机构，产出较多具有广泛影响力的学术成果，为推动BIM在轨道交通领域的应用起到很强的支持作用。

2.研究热点与难点方面。主要集中在以BIM技术为核心的协同设计、施工管理、运维阶段可视化管理、BIM技术在轨道工程全寿命周期管理中的应用等主题；研究历程方面，从早期注重BIM技术在轨道交通工程设计、施工阶段的应用向运维阶段、全寿命周期管理等更为深入、前沿的议题发展，抓住BIM应用于轨道工程的重点领域，为BIM技术的全面推广与应用发挥重要的智力支撑作用。随着BIM技术的不断成熟和发展，从基础理论研究到初步应用探索，再发展到深入应用，研究者对BIM技术应用于轨道工程领域的意义和实现方式的认识在不断深化。

(二)前景展望

虽然国内相关研究已取得丰硕成果,但从BIM技术应用于轨道交通工程全寿命周期管理的实现来看,仍存在提升空间。

1.研究成果的针对性与实用性尚待加强。现有研究中有相当数量的文献在重复研究IFC等BIM标准在轨道工程领域的扩展，搭建的概念框架较多，内容接近。如诸多研究在扩展BIM标准时，只停留在标准框架搭建、工程体系结构分解、标准编制方法层面，对于标准的适用性以及未来的扩展方向涉及较少，标准的实用性和有效性有待商榷。因此，未来研究应在已搭建的标准框架下，重视标准的完善、验证及推广实施，进一步编制完善铁路BIM标准体系[33]。针对已经发布的标准，研究的重点是如何在工程中进行标准的验证以及验证后的修改完善。同时，若要全面推广贯彻标准，就必须要让标准在设计软件中落地，因此，标准与BIM设计软件的结合也是一个重要的研究方向。

2.数据集成管理、信息精准传递等方面的研究尚待加强。BIM技术在铁路及城市轨道交通工程中的应用不断成熟，为铁路及城市轨道交通工程实现数字化施工奠定了重要基础，同时也为建设管理平台的建设提供了大量的基础信息和资源，以BIM技术为核心的建设管理平台不仅可以实现海量工程数据的存储与调用，还可以实现异源数据的融合与传递，提高工程参建各方信息共享效率。目前，铁路系统内部的建设管理平台已经初步建成，但平台信息无法全面满足工程管理的需要，还存在着诸如接口标准不统一、数据结构不完善、多源异构数据融合困难等问题，未充分实现BIM与新技术的融合。因此，今后需围绕实现建设管理平台与其他应用软件高效对接、多原厂模型文件格式转换统一、模型高压缩轻量化处理、数据云端高效存储发布、跨浏览器可视化交互展、多平台多应用模式等问题开展研究[34]，加强研究的前瞻性，提高综合研判能力和智力支撑水平。