基于CiteSpace的我国建筑信息化知识图谱构建和分析

郭晓剑，胡 欢

(江西理工大学 经济管理学院，江西 赣州 341000)

建筑行业作为全球经济发展的支柱产业[1,2]，需要及时地进行技术更新换代。在这个信息化时代，所有行业效率的提升都离不开信息化技术的支持。为推进建筑行业的转型和升级，提高项目全生命周期的决策效率，需要将BIM(Building Information Modeling)技术、云计算、物联网等信息化技术相互结合，加快推进信息化技术在提高生产建设效率、促进建筑产业集成发展中的应用。根据我国“十三五”规划中有关建筑行业的部分条例衍生出的《建筑业发展“十三五”规划》可知，我国现阶段建筑行业的主要任务之一是推进建筑产业现代化。2019年9月，住建部出台的《关于完善质量保障体系提升建筑工程品质的指导意见》中指出，现阶段我国建筑业需要提升科技创新能力，推进BIM、大数据、移动互联网、云计算、物联网、人工智能等技术在设计、施工、运营维护全过程的集成应用，推广工程建设数字化成果交付与应用，提升建筑业信息化水平。由此可见，建筑信息化是时代的选择，也是历史的必然。

通过对学术界现有研究的相关文献总结可知建筑信息化指的是运用信息技术，特别是计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术、系统集成技术和信息安全技术等，改造和提升建筑业技术手段和生产组织方式，提高建筑企业经营管理水平和核心竞争能力，提高建筑业主管部门的管理、决策和服务水平[3]。现阶段我国对于建筑信息化的研究呈现研究范围广，研究方向多的特点，但大多数研究主要集中在建筑信息化技术探索、应用、理论研究等方面，关于系统的梳理总结建筑信息化研究现状的文献比较匮乏，且结合定性和定量方法进行分析国内建筑信息化研究现状和未来研究趋势的综述性文献更少。基于此，文章借助 CiteSpace 软件构建国内建筑信息化研究知识图谱，从研究作者、发文机构、研究热点及核心关键词等方面进行可视化分析，了解我国建筑信息化研究的发展现状、主要优势及存在的不足，以期为进一步推动我国建筑信息化理论研究和实践探索提供参考。

1 数据来源、处理与图谱构建

1.1 数据来源及处理

为提高研究结论的客观性和准确性，本文选取国内最大的期刊全文数据库中国知网(CNKI)作为数据来源，为了体现研究的普适性，所以在采用CNKI数据库时以建筑为基础词增加建筑信息化概念中的相关信息化词汇作为搜索范围以研究建筑信息化发展的历程和发展趋势，同时在选择相关研究时去除非核心期刊文献以保证研究的科学性。根据数据库搜索情况来看，2005—2010年为发展初期，所以选择2009年为研究的初始时间，即研究时间为2009—2019年，且通过对相关文献进一步排除、筛选和补充，最终有效文献数量为1168篇。具体数据来源及处理结果如表1所示。

表1 数据来源及处理结果

1.2 知识图谱构建

知识图谱被认为是描述人类随时间拥有的知识资源及其载体，绘制、挖掘、分析和显示科学技术知识及其之间的相互联系并创造知识共享的环境，以促进科学技术研究的深入合作，并推动多学科融合的研究方法可视化[4]。它具有“图”和“谱”的双重性质与特征：既是可视化的知识图形，又是序列化的知识谱系，显示了知识单元或知识群之间网络、结构、互动、交叉、演化或衍生等诸多隐含的复杂关系，而这些复杂的知识关系正孕育着新的知识的产生[5]。本文借助陈超美博士基于Java开发的引文空间软件Citespace进行我国建筑信息化研究的可视化分析，通过对科学文献的下载导入，使用关键路径算法(Pathfinder)、修剪切片网络(Pruning Sliced Networks)和修剪合并网络(Pruning Sliced Network)等分别对Author(作者) 、Institution(机构) 、Keyword(关键词)等节点分析作者发文量、机构发文量、研究热点和演进趋势研究，并进行相关的知识图谱的绘制。构建知识图谱的流程一般分为九个阶段：确定研究主题及其相关术语、收集数据、提取研究前沿术语、时区分割(Time Slicing)、阈值选择、网络精简和合并、可视化显示、可视化编辑和检测、分析结果的验证[6]。具体流程如图1所示[7]。

图1 知识图谱构建和应用流程

2 建筑信息化知识图谱分析

2.1 发文数量分析

运用统计方法对CNKI数据库中建筑信息化近十年的研究论文发表情况的年增长趋势进行研究，结果如图2所示。

图2 近十年发文数量

由图2可知，自2009年以来，建筑信息化论文研究数量呈现三个阶段，即缓慢增长阶段、迅速增长阶段和逐渐稳定阶段。2009—2013年建筑信息化研究缓慢增长，由于2008年出现了国际范围的金融危机，国家为了更好地应对提出了一系列发展计划，导致工程项目的数量剧增，现有生产力不能满足发展需要，则需要新技术来提高生产力水平。我国学者何关培[8]对国外先进的BIM技术进行深入研究和总结，为我国BIM技术的发展做出了重大贡献[9]。但此时的建筑信息化仅存在BIM技术这一研究领域，大部分学者集中进行了BIM技术的标准制定、运用和改良。2013—2017年，随着各类信息化技术的出现和成熟，尤其是住建部出台了《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》，促进了建筑信息化研究迅速增长并到达顶峰。2017之后，发文数量有所下降，说明现有技术的研究已经到达了一个稳定状态，需要更多信息化技术在建筑行业的创新应用以及建筑信息化中的已有技术与不同学科的交叉融合。

2.2 发文作者分析

图3 国内建筑信息化领域研究文献发文作者的合作网络

通过对发文作者进一步分析，发现在建筑行业信息化方面，相关研究专家学者的近期研究热点大致分为以下几个：BIM的IFC(Industry Foundation Class)标准[13,14]、绿色建筑[15,16]、BIM技术应用与信息化技术结合[17,18]、大型复杂工程建设[19,20]、建筑运维管理[21,22]等。可以发现，核心作者的主要研究均是建筑行业的某一领域研究，较少的文献作者做到了领域与学科的交叉研究。

2.3 发文机构分析

建筑信息化机构合作知识图谱如图4所示，共现节点数量为139，连线数量为57，网络密度为0.0059，节点数量较多，但连线数量和网络密度都较小，说明建筑信息化发文机构虽然较多，但是之间的联系不足，且机构合作网络的结构比较松散、密度不高，较为复杂的研究机构的合作仅有以同济大学及其二级组织、中国建筑科学研究院等为核心的机构的合作，其他机构合作程度均较浅。表2是超过10次的主要发文机构的机构名称、初始年份和发文次数。

图4 建筑信息化机构合作知识图谱

表2 主要机构发文情况

通过进一步研究可以发现发文数量在10次以上的主要机构除中国建筑科学研究院外均为高等院校及高等院校二级组织，缺乏企业、研究院(所)等研究机构的加盟，未能有效实现“产学研”的合作，然而他们之间的相互合作更能使各机构的研究者了解实际需求，激发研究者的研究灵感，在建筑领域形成新的研究方向。因此，在未来对于建筑信息化的研究中，各主要研究高校应该加强与企业、研究院(所)的交流与合作，从而研究出更有实践价值的成果。

2.4 高频关键词分析

通过关键词的研究可以发现研究领域内的主要研究内容和核心观点，更能够反映研究热点、研究趋势和知识的相关结构[23]。建筑信息化关键词知识图谱如图5所示，共现节点数量为199，连线数量为237，网络密度为0.012，节点数量和连线数量较多，说明近十年来，我国建筑信息化研究已经越来越成熟，研究范围和研究领域也越来越广泛，且图中的节点越大，连线颜色越粗，说明该关键词的研究越深入，相关研究的联系程度也越密切。

图5 建筑信息化关键词共现网络

由表3可知，近10年的研究以BIM技术的研究为主，关键词出现次数前两名都是BIM，并通过图5分析，建筑信息模型一词以技术研究为主，BIM一词以理论研究为主，可知在BIM的研究中，对于BIM相关理论和技术的研究已经非常丰富。排名第三的是信息化一词，且中心度为0.78，说明信息化研究在建筑信息化中占有非常重要的地位。同时，在高频关键词中，GIS(Geographic Information System)[24]、物联网[25]和大数据[26]都属于信息化技术，说明在建筑信息化中，其他信息化技术的研究也逐渐丰富起来。在建筑信息化的应用方面，装配式建筑和高层建筑是建筑信息化应用方向的主要建筑类型，且对于整个建筑行业来说，建筑项目管理[27]是当前在整个建筑运营周期中最需要信息化的部分。通过关键词分析可知，现阶段我国正处于建筑信息化阶段的关键时期，为了满足信息时代的需要，国家根据建筑业发展需要提出了一系列政策和发展规划[28]，提高了信息化手段在建筑行业的地位，并着重强调了BIM技术的重要性，所以建筑信息化技术的相关研究均以BIM技术为主，其他信息化技术为辅，应用于以项目管理为主的新型建筑的全生命周期中。

表3 2009—2019年建筑信息化研究高频关键词

2.5 演进趋势和前沿分析

通过对上述关键词图谱进行聚类，聚类的关键参数Modularity Q值为0.8343>0.3，Mean Lilhouette值为0.6095>0.5，即整个聚类的网络结构较为明显且形成了有规律的聚类[29]，得出了关键词聚类的时间线图谱，从表4和图6的研究突现词可知，建筑信息化研究的演进方向可以分为13个领域且通过Citespace软件有了较为贴合每一聚类主题的代表关键词，自2009年开始，到2013年，关键词聚类中逐渐出现了建筑工程、超高层、Building GIS、信息化、可视化、RFID(Radio Frequency Identification)技术，在这一研究的平稳时期，我国的建筑信息化研究延续了2009年之前的研究，并开始出现与信息化技术结合的现象。同时，通过BIM技术制作出的建筑可视化模型[30,31]，也是2009—2013年的热点内容。在突现词中，这一阶段突现强度最高的词为地理信息系统，说明GIS在建筑上的应用在这一阶段受到了很多学者的狂热研究[32]，其次为信息化(强度为3.8087)和空间分析(强度为3.2479)，也是通过GIS技术延伸出来的一个概念和相关理论。此时，由于新型信息化技术的出现，许多建筑难题得以解决，更多其他领域的信息化技术逐渐被应用到建筑业上。2013—2017年，由于我国“十二五”计划的完成和“十三五”计划的提出，各种建筑信息化政策层出不穷，则出现了建筑信息化在深化设计、装配式建筑、优化、以及人工智能等研究方向的转变，在这一阶段，各类传感技术和网络技术的蓬勃发展，促进了物联网等信息化技术的逐渐成熟。较传统技术来说，由于这类信息化技术在数据处理上存在很大优势，各类学者不断地进行跨专业研究以寻找突破，此时突现词出现了云计算(强度为2.7112)、物联网(强度为3.9604)等[33]信息化技术在建筑行业的运用。但是根据聚类结果来看，2017年以后，建筑信息化的研究方向逐渐减少，仅存可视化、建筑工程、超高层、装配式建筑、人工智能和信息化技术，此时的突现词为城市设计[34,35]和Revit API(Application Programming Interface)[36]，说明现阶段，我国建筑信息化的研究热点在于城市设计和BIM技术在建模(Revit)扩展当中的应用，即通过Revit API，可以添加用户基于Revit API开发的插件来扩展和增强Revit功能和应用，更能够促进其他信息化技术在建筑方面的推广和应用。也就是说，此时建筑信息化的研究已经逐渐转变为其他领域的信息化技术与BIM技术在建筑行业的结合应用。

表4 建筑信息化研究突现词top 20

图6 建筑信息化时间线

2.5.1 城市设计

我国正处于城市化进程当中，对于各城市的规划与设计需要更加成熟的手段。运用信息化的手段对城市的交通、布局以及建筑变迁等进行管理，能够很好地满足现有城市复杂化、多样化的特点，且能够满足城市居民的美感、安静感、愉悦感三方面的要求。刘伦等[37]通过计算机的视觉应用来满足城市的可视化管理。代志宏等[38]对采用GIS视线进行山体景观视线控制城市建筑高度的研究，为综合城市现状对山体景观资源的保护利用提供了参考。未来需要我们对于信息化技术在城市设计中进一步的研究，且需要根据现有信息化技术，创新出对于城市设计的规划布局、城市面貌、城镇功能和公共空间进行调控和管理的信息化新应用。

2.5.2 Revit API

这类研究热点主要聚焦于提升BIM存在的功能，即扩大BIM技术在建筑行业的应用范围和深度。功能的需求是系统开发的核心动力，完善的需求有助于实现系统平台的人性化、性能化。现阶段BIM的主要建模平台是Revit，但是仅软件本身的功能不能满足现实需要，所以需要Revit API作为外部接口来实现需要的操作和功能。石韵等[39]通过Revit API进行建筑结构检测功能的实现，邵艳丽等[33]通过Revit API进行钢筋的信息建模，以方便3D模型的建立与调整。就现阶段我国对于BIM在建筑全生命周期的运用还不成熟，大部分的建筑企业还没有普及BIM技术和Revit API技术应用的相关人才，所以更需要加强在功能开发和工程项目全阶段运用上的人才引进、资金投入和理论研究。

3 结论与建议

本文运用知识图谱分析工具Citespace以中国知网(CNKI)数据库为基础，对2009—2019年的1168篇核心及以上期刊就建筑信息化领域的相关研究文献进行了可视化定量分析并辅助定性分析，得出如下结论：

(1)近10年建筑信息化的发展大致分为三个阶段：缓慢增长、迅速增长和逐渐稳定，每个时期有不同的发展重点。由发展趋势可知，以政策的推进、新技术的跨领域运用和信息时代的要求为背景，现阶段我国学者对于建筑行业信息化的研究进入到一个稳定时期，需要对建筑信息化技术的创新应用进行更加深入的研究。

(2)我国建筑信息化的研究专家数量较多，研究领域也较广泛，但相关研究的主要核心学者和国内的主要研究机构没有形成一个较为复杂的合作网络，仅仅以个别的顶尖学者和机构在研究过程中形成了小团体，且仅在部分论文写作和相关研究中有合作，未能实现产学研的有效结合，文献的研究内容也仅仅是某一领域单独分析，能够进行领域或学科交叉的文献较少，不利于建筑信息化技术的融合与发展。

(3)该领域的研究热点主要在BIM技术、行业内其他信息化技术(GIS、VR(Virtual Reality)、物联网等)的应用、BIM技术与其他信息化技术结合运用等主题，主要对GIS、物联网、云计算、人工智能等相关信息化技术进行研究，并通过BIM技术作为支撑这些技术在建筑领域应用的载体，切实实现传统建筑方式的优化升级。在信息化运用的建筑种类方面，大型复杂建筑和装配式建筑是现在主要关注发展的类型。与此同时，提高生产力和采用机械化、智能化的施工方式可以从虚拟施工、人工智能和机器人的应用方面着手。未来的建筑信息化发展的核心技术方向主要为以BIM技术为基础和平台，多方位综合其他信息化技术在建筑全生命周期的应用。此外，就政策和突现词而言，绿色建筑也是现行研究热点之一。

该领域近十年的发展趋势大致可以分为缓慢增长、迅猛增长和达到饱和三个阶段，其中BIM技术和GIS技术的研究最早，且发展趋势逐渐由传统建筑转向新型建筑，并逐渐由施工时期转变为建筑的全生命周期。

随着我国现代化进程的推进，我国经济逐渐迈向高质量发展阶段，面对国内外存在的机遇和挑战，更应该把握住稍纵即逝的机遇，解决现阶段我国建筑行业存在的问题，推进建筑信息化进一步的发展，就上述结论对未来的研究提出以下几点建议：

(1)加强BIM技术等信息化技术的应用，提高创新意识，重点建设建筑行业技术研发与应用平台、公共信息服务和支撑平台以及信息化技术融合创新平台和研究平台，进一步增强研究领域的延展，注重研究分支的开拓，加强各学者机构之间的相互联系和合作，从而使我国的建筑信息化研究形成广泛、系统的研究脉络和知识体系，并着重将现有信息化技术更深层次地应用在建筑行业研究中，促进产学研合作发展。

(2)促进政府与建筑相关单位联合，引导更多专业科研人员和专业人士参与到建筑信息化发展战略的制定及相关资源的建设，不断出台建筑领域应用信息化技术的优惠政策，鼓励和补贴行业内信息化提升效率和质量的建筑单位，完善相关人才规划培养体系，保证足够的建筑信息化人才供给，并找出利益相关者运用建筑信息化技术时能够互利共赢的策略，提高现有建筑的供给质量和建筑全生命周期的管理效率，促进建筑供应链的优化升级。

(3)建立国际化发展视野，不断学习国外建筑业中先进的信息化技术，吸收发达国家的应用和管理经验，引进与信息化技术匹配的相关设备与人才，弥补我国在信息化技术软件二次开发和应用上的不足，带动我国建筑业的信息化发展，加快推进建筑行业的产业结构优化升级和传统建筑方式到新型建筑方式的转变，推动新技术的开发和旧技术的新应用，开创建筑行业信息化的新时期。