基于文献计量法的BIM 技术在水利工程中的应用研究

刘俊宏

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

建筑信息模型（building information modeling, BIM）是一种数字化建筑设计和建造过程的方法和工具，通过构造三维可视化模型进行方案设计、施工建造、运营管理等建筑全生命周期所参考的文件[1]。它通过在一个综合的数字模型中整合建筑物的几何形状、空间关系、材料、性能和成本等信息，以协调和优化建筑设计、施工和运营过程。BIM 技术可以帮助建筑师、工程师和施工团队在整个建筑项目生命周期中更好地合作、协调和沟通，提高设计和施工效率、降低成本和减少错误。它还可以提供可视化模拟和分析功能，帮助利益相关者更好地理解建筑的设计和性能。BIM 技术通常包括一系列软件工具和标准，如Revit、Archicad、Navisworks等。它已经成为现代建筑和工程项目的标准工具之一。

水利工程相较于其他土建工程而言，工程结构复杂，建设周期长，地下工程较多等特点，BIM 在水利工程建设中起到了三维动态展示、周期管理的作用。自BIM 技术引进国内，BIM 技术的应用在水利工程中取得了一些成果，但是BIM 技术还具有很大的发展空间，利用社科类可视化软件可以从整体上把控BIM 在水利工程中的应用方向，实现BIM 技术在水利工程中的大规模有效推广和应用。

1 研究方法和数据来源

CiteSpace 是美国费城德雷克塞尔大学的陈超美博士领导研发的可视化模型工具，相较于其他的知识图谱软件，CiteSpace 具备界面清晰简洁、操作简单，科学性强、覆盖功能强大等优点，并且系统更新升级速度较快，能够适应当代学者的科研需求。该软件具有国内外在各领域的应用基础，尤其是在综述性研究中的应用较广，近几年来逐渐应用于建筑科学领域。此次研究采用的是5.8.R3 版本进行分析，得到相关的知识图谱，以图文结合的形式分析和总结BIM 在水利工程中的应用现状和发展趋势，来把握相关的研究热点。

通过知网（CNKI）论文数据库高级检索来检索主题“水利工程”和“BIM”，检索时间为2022 年1 月12 日，共得到文献388 篇，剔除关联不大文献4 篇，最终获取关联度较强的相关研究文献384 篇。总体来看，研究样本精确度高、与所研究主题关联性强，并且具备较好的时效性。

2 结果分析

2.1 发文数量

BIM 在水利工程中的应用研究的文献发文量共分为两个阶段，第一阶段为缓慢发展的低水平阶段，时间段为2011—2015 年；第二阶段为飞速增长的高热度阶段，时间段为2016—2021 年，在2021 年，有小幅回落，但是近几年年发文量均保持在70 篇以上。除此之外，还对研究样本中的北大核心和CSSCI 核心文献进行了统计，研究发现核心文献的发文数量符合研究样本发文的年份分布的阶段，但是年核心文献发表的数量与年发文总量的比例并不符合。2019 年、2020 年、2021 年该比例分别为0.1818、0.1326、0.0978，呈现了连年的下滑趋势，这意味着在近几年该研究主题成为研究热点的同时，还需要进行深入高层次的研究，产出高质量高水平的核心文献。

2.2 研究作者

选取了发文数量大于3 的作者，按照作者发文数量降序进行排序，共得到14 位。其中孙少楠发文数量为4 篇，其中3 篇为核心期刊，被引文章《BIM 技术在水利工程中的应用研究》运用洪都拉斯帕图卡水电站项目实证了BIM 能够为水利工程提供完整、配套的沙盘模型，并提供了BIM 在算量中的具体应用，为之后的相关研究奠定了基础[2]；王海俊发文数量为4 篇，其中一篇为核心期刊，核心作者的发文质量具有一定的保证。相关作者合作知识图谱如图1 所示。两位作者在BIM 在水利工程中的研究成果较为突出。作者标签越大代表其中心性越强，由于研究样本数量较少，主要分析得出以王海俊和孙少楠为代表的两个合作群体，其他各作者之间没有形成较为紧密的合作。

图1 相关作者合作知识图谱

2.3 研究机构

统计得出，研究样本共涉及158 家研究机构，根据各机构的发文数量进行降序排序，选取发文数量大于3 篇的机构进行展示，本研究主要发文机构如表1 所示。其中天津大学为发表相关研究文献最多的机构，陆续发表6 篇，青州市水利建筑总公司、华北水利水电大学、江苏省水利勘测设计研究院有限公司也各发表4 篇。可以看到科研院校类机构占比较重，是主要的研究机构类型之一。研究机构大多属于我国的中东部发达地区。如天津大学、河海大学、华北水利水电大学等院校均属于水利类的专业的重点研究高校。中国电建集团华东勘测设计院有限公司、江苏省水利勘测设计研究院有限公司等企业也是BIM 技术在水利工程应用较早的企业。

表1 本研究主要发文机构

2.4 研究热点

运用CiteSpace 软件，在Node Types 中选择Keyword选项，绘制关键词共现知识图谱。分析得出图谱中节点共有238 个，关联线共有475 条，网络密度为0.0168，说明该研究主题涉及领域广阔，各关键词之间的联系较为密切，具备继续进行分析的条件。

根据一定数量的文献研究能够把握该研究领域的发展状况。关键词是整个文献研究的主题和核心内容，CiteSpace 通过测量和计算，在可视化知识图谱中将较高中介中心性的关键词节点采用圆圈的方式突出表示，形成关键节点，节点越大代表中心度越强，研究热度越高[3]。设置关键词出现的最少次数为5，对图谱进行精简后得到高频关键词知识图谱（图2）。关键词的突显与研究的热点密切相关，由于关键词“应用”“水利行业”等不具备实际研究意义，故剔除不具有实际研究意义的关键词；关键词“三维建模”与“三维模型”研究指向相同，故将其统一合并为关键词“三维模型”进行阐述，以下将对“二次开发”“三维模型”“水库工程”等高频关键词进行分析。

图2 高频关键词知识图谱

（1）“三维模型”。与传统2D 工程图相比，BIM 能够对水利工程对整体信息进行建模，形成三维模型。可以结合周边山地、沟谷等地形进行建筑模型的构建，动态展示完工效果，施工进度等。这些能够帮助管理人员之间的对接，有助于现场施工人员短时间内掌握工程的整体构架和具体的安装布置，提高工作效率。随着对可视化的要求增加，之后出现了无人机实景三维建模的技术性突破。

（2）“二次开发”。由于BIM 软件所提供的功能并不能满足所有使用者的需求，使用者可利用Revit 等软件对BIM 技术进行融合发展，提高使用效率和功能拓展。

（3）“水库工程”。修建水库工程是水利工程中重要的一项内容。BIM 技术可应用于水库选址、规划设计阶段、施工管理阶段等。向威将相对成熟的GIS 技术与还不够完善的BIM 技术相结合对茨竹水库项目进行管理，这种做法为BIM 在水利工程中的应用搭建了桥梁，既可以进行三维模型的构建还可以对施工任务和施工顺序进行精确管控[4]。薛向华等人基于实际应用的经验认为BIM 技术可以应用于水库工程的整个生命周期，提出“BIM+”的思想理念，进行跨平台合作，规避BIM在水库工程中技术弊端[5]。基于BIM 技术自身的特点，目前在水库工程中，主要应用于项目设计阶段，其他阶段的应用还需要后续进行开发和跟进[6]。

2.5 演进路径和阶段划分

将关键词进行时区划分，形成分布时区图谱（图3），“BIM”“水利工程”出现在同一年度，并且都是作为研究热点出现，二者影响跨度都为9 年。在2013 年，二者之间的关联较弱，后期逐渐融合发展。总体来看，可将BIM 在水利工程中的应用研究划分为3 个阶段。

图3 关键词分布时区

第一阶段：萌芽阶段（2013—2014 年）。BIM 概念源于美国，在21 世纪初期被引入国内。BIM 在水利工程中的应用出现在2013 年，我国在这方面的研究要晚于欧美国家。王仁超等[7]《BIM 在混凝土坝工程施工信息管理中的应用》是我国较早将BIM 应用于水利工程的研究，利用BIM 对施工信息进行有效的管理，并进行了实证分析。

第二阶段：探索发展阶段（2015—2018 年）。张超等[8]开启了这一阶段的研究。主要研究的是BIM 技术水利工程在设计阶段的运用。包括了水利工程的三维建模、工程量的统计、二次开发、多专业协同设计等。该阶段主要是针对如何利用BIM 技术为设计过程提供便利。这个阶段研究单位也主要是科研设计机构，同时也是BIM 技术在水利工程研究的飞速发展的阶段。

第三阶段：优化赋能阶段（2019—2021 年）。BIM 开启了信息化，BIM 技术在水利工程应用的从单一的设计阶段应用，发展到应用覆盖工程的全生命周期。包括了设计阶段、施工阶段、项目管理以及后期运营维护等阶段。BIM 技术研究的软件也呈现出多样化的特点。

3 结语

通过CiteSpace 可视化软件对BIM 在水利工程中的应用情况进行了分析，主要围绕研究文献和核心研究文献发文数量、研究作者及研究机构、研究热点等进行分析。

BIM 技术在水利工程中的应用越来越广泛。在设计阶段，BIM 技术可以帮助工程师在设计阶段中进行三维模型的建模、可视化和协同工作，以更好地理解水利工程的各个方面。在施工阶段，BIM 技术可以帮助施工人员在水利工程的施工阶段中进行现场管理和监测，以确保施工的正确性和有效性。在运营和维护阶段，BIM 技术可以帮助运营和维护人员监测和管理水利工程的各个方面，以确保其高效、可靠和安全。在数据管理方面，BIM 技术可以在水利工程中进行数据管理，将不同来源的数据整合在一起，并提供分析和决策支持。

经过对比分析，预测水利BIM 未来的发展趋势表现在以下4 个方面。

（1）设计优化与仿真分析方面。BIM 技术将通过建模和仿真分析，优化水利工程的设计，包括水文分析、水力计算、水资源分配等。

（2）施工管理与质量控制方面。BIM 技术将实现对水利工程施工过程的监控与管理，包括进度控制、安全管理、质量控制等，从而提高施工效率和工程质量。

（3）运营与维护管理方面。BIM 技术将实现对水利工程的运营与维护管理，包括设备管理、维护计划制定、故障预测等，从而提高运营效率和降低运营成本。

（4）信息化应用方面。BIM 技术可以将水利工程的各个环节进行信息化处理，包括设计、施工、运营等，从而实现水利工程全生命周期的信息化管理。

综上所述，BIM 技术在水利工程中的应用将更加广泛和深入，提高工程的质量、效率和可靠性，同时也有助于降低成本和提高安全性，BIM 技术将发挥越来越重要的作用。