钢结构建筑领域研究热点及演化路径分析——基于CNKI核心数据库（1992—2017）的计量分析

□ 赵 耀

一、引言

近年来，我国十分重视钢结构建筑领域的发展，国家和地方政府先后出台了一系列的产业规划、鼓励政策和配套措施。2016年11月发布的《钢铁工业调整升级规划（2016—2020年）》指出：目标到2020年，钢结构用钢占建筑用钢比例从2015年的10%提升到25%以上；加快钢结构建筑推广应用，力争钢结构用钢量由目前的5 000万吨增加到1亿吨以上。2017年3月，住房城乡建设部印发的《“十三五”装配式建筑行动方案》 《装配式建筑示范城市管理办法》 《装配式建筑产业基地管理办法》确定：到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上，其中重点推进地区达到20%以上，积极推进地区达到15%以上，鼓励推进地区达到10%以上；培育50个以上的装配式建筑示范城市、200个以上的装配式建筑产业基地、500个以上装配式建筑示范工程，建设30个以上的装配式建筑科技创新基地，充分发挥示范引领和带动作用。2017年6月1日，《装配式木结构建筑技术标准》 《装配式钢结构建筑技术标准》 《装配式混凝土建筑技术标准》正式实施，有效发挥了技术引领、规范指导的作用，促进了我国装配式建筑的发展。

为了对钢结构建筑有更加全面、系统、深入的认识，本文在全面搜集近年国家和地方出台的相关政策的同时，以CNKI核心数据库为数据源，通过分析钢结构产业的技术研究文献，梳理出了钢结构建筑领域的研究热点和技术演化路径。

二、数据源及分析方法

1.数据源

本文以“中国知识基础实施工程（China National Knowledge Infrastructure）”数据库（简称CNKI）为数据源，选择期刊文献中的工程科技Ⅰ辑和Ⅱ辑，关键词选择“钢结构”进行精确匹配，起始时间不限，截止时间选择2017年，来源类别选择SCI来源期刊、EI来源期刊、核心期刊及CSSCI来源期刊，以保证文献质量。采用上述检索策略，本次检索得到关键词含有“钢结构”的期刊文献共计3 852篇，经过人工阅读，去除期刊征稿、广告、会议通知等明显不相关文献296篇，最终获得3 556篇论文。

2.分析方法与工具

本文基于情报学中的文献计量学理论，利用美国德雷塞尔大学陈超美教授团队开发的CiteSpace（CiteSpace是Citation Space的简称，可译为“英文空间”）可视化工具，对钢结构建筑行业的研究进行分析。CiteSpace是一款着眼于分析科学分析中蕴含的知识，并在科学计量学（Scientometric）、数据和信息可视化（Data and Information Visualization）背景下逐渐发展起来的一款引文可视化分析软件。[1]利用该软件，可以对文献的作者、研究机构、来源期刊、关键词等进行共词分析和引文分析，将某领域学者在某时间段内学者们共同关注的一个或多个主题，进行高频关键词网络图谱可视化分析，并结合研究主题词频、时间趋势、突变词监测等手段，得到相关领域的研究热点和前沿趋势。

值得说明的是，由于CNKI数据库导出的数据中并没有包含参考文献数据，所以本文无法对钢结构建筑分析样本进行引文分析。而在后续的国外钢结构建筑研究热点与演化路径分析项目中将利用Web Of Science数据库，该数据库数据格式更加标准，届时可进行相关的引文分析。

三、研究概况

1.发展趋势

图1为国内钢结构研究文献量时间分布，不难看出，早在1992年，国内便已经开始研究钢结构建筑。由图1可以发现，1992年以来中国钢结构建筑技术相关研究论文一直呈稳步增长的态势，说明国家对于钢结构建筑的研究一直保持着较高的关注度和重视程度。其中，首次峰值出现在2008年前后，查阅相关文献发现，这是因为2008年奥运会在中国举办，由此引发了大量大型体育场馆及公共建筑物的建造需求，而这些大型建筑物通常都采用钢结构设计，因此，国内的钢结构研究进入了高速发展阶段。根据国家统计局公开数据计算，2010—2017年，钢结构建筑用钢占全国粗钢产量的比例已由4.08%上升至7.79%，几乎翻了1倍。

图1 国内钢结构研究文献量时间分布

2.高产作者及合作网络分析

高产作者也被称为核心作者，通过研究某领域高产作者的研究方向和著作，可以准确把握该领域的研究热点、演变过程与未来发展方向，把握发展前沿。根据图2所示的钢结构建筑高产作者及合作网络图可以将国内钢结构建筑研究作者划分为4个明显的团队，其核心分别为王源清、石永久和施刚，陈以一、李国强、张其林和沈祖炎，薛建阳、刘祖强和彭修宁，郭彦林、李久林和高树栋。从图谱的连线共现关系来看，这些研究团队基本上都是内部之间的合作，关系紧密，团队之间则缺乏沟通与联系。

图2 高产作者及合作网络

根据文献计量学理论，文献被引频次越高，说明其在该学科领域中的地位越突出。表1给出单篇被引频次100以上的作者名单，被引频次从高到低依次为陈以一、杨尉彪、李国强、汪大绥、赵金城、施刚等，这些都是国内钢结构建筑影响力较大的作者。值得注意的是，冶金部建筑研究总院（现中冶建筑研究总院）的2位作者杨尉彪和吴昌栋的发文量均只有1篇，如此高的被引频次说明其对钢结构建筑的研究得到了业内的充分认可。陈以一、李国强、施刚等学者则与图2所显示的高产作者相一致，二者相互印证。

表1 单篇被引频次100以上的作者

3.核心机构分布

根据图3所示，1992年以来，不少国内知名高校、企业都开展了钢结构建筑方面的研究。首先，建筑类知名重点大学（“985”“211”）是国内钢结构建筑的主要研究力量，尤其是同济大学、清华大学、西安建筑科技大学、重庆大学及天津大学等对钢结构建筑开展了大量研究，无论是在发文数量，还是研究团队组建等方面都取得了较大成果。其次，中建钢构有限公司、中国建筑科学研究院、中建三局集团有限公司、浙江精工钢结构有限公司、上海宝冶建设有限公司及北京建工集团有限责任公司等国有或民营企业也都为中国钢结构建筑领域的发展做出巨大贡献。最后，校企合作联系紧密，同时地域特征明显。从图3节点之间的合作关系看，同济大学的合作对象基本上都集中在华东地区，如上海宝冶集团、华东建筑设计研究院；清华大学则主要选择中国建筑科学研究院、冶金部建筑研究总院、中建三局集团、中建钢构有限公司等华北地区企业。

图3 1992—2017年国内钢结构建筑的重点研究机构分布情况

为进一步寻找和验证国内钢结构建筑的重点研究机构，经过人工阅读、合并、去重等处理后，得到表2。不难看出，机构知识图谱中所显示的重点机构均在其中，例如同济大学、清华大学、西安建筑科技大学、中建钢构有限公司等。与此同时，排名前20的研究机构中有12家属于企业，占比60%。这说明在国内钢结构建筑研究中有不少属于应用型研究，中国钢结构建筑正在加速走向实际应用，步入产业化阶段。

表2 钢结构研究机构排名前20位（合并后）

4.基金支持

为了促进国内科技创新的不断进步与发展，国家科技部、发展改革委、教育部等部门每年都会拿出大量科技专项资金，重点资助关系国家未来经济发展的战略性、重大科研项目。通过分析国家科技专项基金资助对象（见表3），可以更好地把握国家的长远规划及某一领域的发展前景。

表3 国家级科技专项基金

不难看出，钢结构建筑领域一直属于中国重点发展的产业之一。统计显示，1992—2017年，钢结构建筑研究领域共有540篇文献获得国家级科技专项基金支持，其中国家自然科学基金395篇，占比达73.15%，后面依次为国家科技支持计划90篇、863计划36篇、973计划13篇和国家科技攻关计划6篇。此外，还有295篇论文获得省部级科技专项基金支持，具体如表4所示。

表4 省部级科技专项基金

四、国内钢结构研究的关键词知识图谱

基于CiteSpace 5.1可视化分析软件，本文对国内钢结构建筑研究样本文献进行关键词词频统计、关键词共现知识图谱分析，以探寻该领域研究热点；并通过CiteSpace独有的突发词（Burst Term）检测算法深入探究国内钢结构建筑研究领域的学术前沿。

1.关键词词频统计

关键词是作者根据文献内容经过高度凝练、最能代表文献主题的词汇，1篇文献的关键词通常由3～5个专业词汇组成。

根据软件统计分析结果，导出频次排名前20位的高频关键词，这些高频关键词是国内钢结构建筑领域中使用最多、最广泛的专业术语和代表词汇，可以在某种程度上反映该领域的研究热点。“钢结构”是国内钢结构建筑领域的核心关键词，与其他关键词的联系最为密切。此外，施工技术（244）、安装（182）、高层建筑（139）、金属结构（130）、有限元分析（110）、焊接（106）等关键词的词频也超过了100次。从表5中的关键词词频统计数据可以看出，国内钢结构建筑的研究内容十分广泛。

表5 钢结构建筑领域高频关键词词频统计（前20位）

2.关键词共现的知识图谱

将CNKI分析数据转换格式后倒入CiteSpace可视化软件中，时间跨度选择1992—2017，选择3年为1个切片，在阈值项选择中选取“Top N per slice”，阈值设定为30，选择路径寻找算法（Pathfinder）进行修剪，生成国内钢结构建筑领域研究高频关键词共现知识网络图谱，再经过软件自动聚类计算后，得到钢结构建筑关键词的知识图谱（见图4）。从聚类的结果来看，该图谱共有188个节点、240条连线，网络密度为0.013 7，包含了96%的节点，模块化（Modularity）指数为0.841 6，说明图谱聚类效果好，族群内相似指数（Mean Silhouette）为0.785 8，说明族群内相关性比较理想。

图4 钢结构建筑关键词的知识图谱

如图4所示，每1个圆点代表1个关键词，圆点的大小表示关键词出现的频次，词频越高则圆点的直径越大；圆点之间的连线代表关键词之间共现的系数，连线越多，则代表该关键词相互联系越紧密。结合表5的关键词词频统计数据及该关键词共现知识图谱，经过分析，本文发现国内钢结构建筑领域研究主题可以大致划分为以下几个部分：

（1）施工与安装技术

施工与安装是钢结构建筑领域研究的重点内容之一，承担主体以国内知名企业为主，例如精工钢结构有限公司、中国建筑工程总公司、北京建筑研究院及上海宝冶建设集团有限公司等，其研究内容主要集中在诸如体育馆、飞机场、火车站等大型公共场馆钢结构的焊接、拼装、提升、吊装、滑移、幕墙及卸载等技术难题。张强等结合深圳大运中心主体育场施工项目特点，首先对主体结构进行各种工况下结构变形、胎架反力等的影响分析，确定“先背谷一步卸载到位，再背峰一步卸载到位，最后冠谷、内环循环卸载”的具体施工方案及详细的施工步骤。其次将自主研发的计算机同步控制技术融合到当前的施工工艺中，采用各种传感器进行信号采集，通过数据传输、逻辑计算、工况分析、指令反馈，实现智能化控制工艺，不但有效完成了施工作业要求，而且使施工作业人员能够更直观、智能、便捷地应对施工中的各种问题[2]。杨国松等介绍了成都双流国际机场T2航站楼大跨度拱形钢结构长距离滑移施工的关键技术，包括大型吊装单元的组拼吊装、滑移支撑架设计、滑移轨道桁架梁计算、施工现场布置等，通过滑移施工，克服了现场场地狭小及施工工期紧等不利因素，使钢结构施工质量、安全及进度均得到了可靠保障，并对滑移支架及主拱结果进行模拟力学分析，确保滑移施工安全、经济、可靠[3]。

（2）防火技术

钢结构具有强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强、施工简便等优点，因此，经常用于建造大跨度、超高、超重型建筑物。但钢结构在防火方面却存在明显不足，研究表明虽然钢材常温下具备优异的物理和力学性能，但其耐火性能远低于钢筋混凝土结构和砖石结构。钢材受热后一旦达到临界温度（通常为540℃）后，便会很快失去承载能力，而在火灾中，10分钟之内火场温度可能就高达700℃。鉴于此，国内钢结构建筑领域对于钢结构防火技术进行了大量研究。建筑钢结构防火保护的基本原理是采用隔热阻火材料防止燃烧火焰直接灼烧钢结构，降低向底材传递热量的速度，延滞钢结构温升和强度变弱的时间，提高其耐火性能[4]。钢结构防火研究主要集中在防火涂料的制备与施工、钢结构高温性能影响因素等方面。近年来，一些新材料、新技术层出不穷，如张浩等研究发现，纳米材料的开发与应用为钢结构防火涂料的发展注入了新的活力，可以利用纳米二氧化钛、纳米二氧化硅和纳米三氧化二锑具有的特殊效应提高钢结构防火涂料的阻燃性能[5]。

（3）防腐技术

目前，涂料仍然是提高钢结构防腐性能最经济、最有效的保护方法。与防火技术研究类似，钢结构防腐技术研究大多集中在涂料的制备与性能研究方面，也有一些机构正在研究同时具备防火、防腐性能的涂料。季宝华等以磷酸锌为阻锈剂制备了水溶性膨胀型钢结构防火防腐涂料，测试了产品的阻燃性能和防腐性能。结果表明：当磷酸锌的质量分数在8.2%左右时，在保持涂料防火性能的基础上，使其阳极腐蚀过程受到明显的阻滞，实现了兼有防腐和防火的双重功能[6]。

（4）钢结构设计技术

钢结构设计涉及的高频关键词包括“抗震设计”“节点”“强度”“刚度”“稳定性”“计算方法”“框架”“围堰”等。结合王志骞主编的《钢结构设计》一书，结构与框架稳定性计算、钢结构抗震设计、梁柱连接节点的分类与其设计计算、钢柱脚锚栓的设计等都属于钢结构设计的内容，这与上述高频关键词基本一致。这方面的研究文献基本上都是围绕具体工程项目进行的分析研究，例如哈敏强等系统介绍了世茂深坑酒店的钢结构设计，着重阐述了该结构的关键节点设计情况，并对酒店钢结构框架进行了施工过程分析[7]。

（5）数值模拟、仿真计算、BIM与装配式建筑

飞速发展的信息技术也给钢结构建筑技术领域注入了新的活力。2010年以后，内蒙古科技馆、贵州奥体中心、沈阳桃仙国际机场T3航站楼等众多大型公共建筑在设计、施工、安装过程中采用数值模拟、仿真计算及BIM等新技术，在节约大量成本的同时也提高了工作效率和工程质量。潘剑峰等认为，BIM技术在施工安全管理的应用可以达到事前预防、事中监控和事后处理全过程的监管，不仅进一步提高了施工现场安全管理的工作效率，更进一步提高了工人对现场安全管理要求的理解程度和应急处理能力[8]。

3.突变词分析

突变词分析（Burst Detection）是CiteSpace可视化软件用于检测变量短时期内变化程度的1个功能。在关键词共现分析中，通过探究关键词的时间分布，可以将其中频次变化比较大的词（Burst Term）从大量的词中探测出来，依靠词频变化趋势可以预测该研究领域的发展过程、前沿热点及未来发展方向。

表6是1992—2017年钢结构建筑研究领域持续时间（Duration Time）为3年的关键词突发分析结果。从突发词起始时间来看，1992—2000年属于国内钢结构建筑研究的起步阶段，突变词包括“金属结构”“高强度螺栓”“厂房”“钢屋架”“腐蚀”“稳定性”“高层建筑”等；2001—2010年为成长阶段，开始出现“防火涂料”“抗震设计”“有限元分析”“火灾”“体育馆”“航站楼”等突变词。2010—2017年进入快速发展期，尤其是2013年以后，一批新技术开始涌现，出现了诸如“深化设计”“网壳”“屋盖”“拼装”“滑移”“监测”“数值模拟”等突变词。这些突变词可以反映当时的研究热点，以“防火”和“防火涂料”为例，经过人工阅读文献及考证，钢结构建筑防火技术之所以在2001年以后受到热捧，从某种程度上来说是受美国“9.11”事件影响，灾难造成世贸大厦瞬间坍塌，该事件引起了人们对钢结构建筑防火技术的高度关注，于是全球各国开始着眼研究钢结构防火技术。再比如，近年来，装配式建筑无疑是国内外建筑领域的研究热点，因此，“拼装”也成为了2010年以后的突变词之一。

表6 1992—1997年钢结构建筑研究领域的43个突变词

五、钢结构建筑技术研究演化路径

由表6可以看出，国内钢结构建筑的研究热点词汇由初期的“金属结构”“高层建筑”“焊接”，逐步过渡到“防火涂料”“有限元”“桁架”“预应力”，再到“抗震性能”“监测”“数值模型”，2013年以后的热点词汇主要涉及“拼装”“滑移”“仿真技术”“BIM”和“建筑信息化”等，热点关键词的时间变化可以反映出对钢结构的研究正在逐步走向信息化、智能化，装配式钢结构建筑已经成为近年该领域的研究热点。

六、结束语

本文以中国钢结构建筑为研究对象，以CNKI的SCI来源期刊、EI来源期刊、核心期刊及CSSCI等数据库为数据源，运用情报学中的文献计量学方法，利用科技文本挖掘及可视化工具CiteSpace对1992—2017年在国内发表的钢结构建筑期刊文献进行分析，梳理出了钢结构建筑领域研究热点和技术演化路径，得到如下研究结论。

第一，清华大学、同济大学、西安建筑科技大学等建筑类知名重点大学（“985”“211”）是国内钢结构建筑的主要研究力量，与此同时，中建钢构有限公司、中国建筑科学研究院、中建三局集团有限公司、浙江精工钢结构有限公司、上海宝冶建设有限公司及北京建工集团有限责任公司等国有或民营企业也都为中国钢结构建筑领域的发展做出巨大贡献。

第二，钢结构建筑领域一直属于中国重点发展的产业之一。统计显示，1992—2017年，钢结构建筑研究领域共有540篇文献获得国家级科技专项基金支持，其中国家自然科学基金395篇，占比达73.15%，后面依次为国家科技支持计划90篇、863计划36篇、973计划13篇和国家科技攻关计划6篇。此外，还有295篇论文获得省部级科技专项基金支持。

第三，从关键词共现知识图谱分析看，国内钢结构建筑研究主要集中在施工与安装技术、防火技术、防腐技术、钢结构设计，以及数值模拟、仿真计算与装配式建筑等方面。

第四，通过词频探测技术确定了国内钢结构建筑领域的研究前沿，数值模拟、BIM、仿真技术、装配式建筑等是该领域的重要前沿与发展趋势。