基于知識圖譜的國際建筑信息模型研究可視化分析

趙 亮,王文順,張 維

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 徐州 221000;3.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 徐州 221000)

建筑信息模型(building information modeling/model，BIM)技術(shù)是一個新興的研究領(lǐng)域，給建筑行業(yè)帶來了革命性的技術(shù)變革，改變了建筑的設(shè)計構(gòu)思、施工建造和運行模式。BIM技術(shù)起源最早可以追溯到20世紀(jì)80年代初在美國和歐洲發(fā)展的參數(shù)化建模研究。BIM技術(shù)自2005年起，建筑行業(yè)開始在項目中實施，經(jīng)過10多年的發(fā)展已深入各個領(lǐng)域。美國建筑信息標(biāo)準(zhǔn)委員會將BIM定義為通過數(shù)字形式表達建筑的物理和功能特性[1]，也有研究認(rèn)為BIM是通過開發(fā)和使用計算機軟件模型來模擬建筑物的建設(shè)和運營過程。因此，BIM技術(shù)的研究需要將建筑和計算機兩大領(lǐng)域融合，還涉及管理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、教育學(xué)等多個學(xué)科的知識和理論，屬于復(fù)雜的交叉學(xué)科領(lǐng)域研究。

知識圖譜起源于計算機圖形學(xué)，通過將現(xiàn)代文獻計量學(xué)和信息科學(xué)相融合，以可視化圖譜的方式顯示研究主題的發(fā)展歷史、前沿領(lǐng)域、研究熱點等內(nèi)容，揭示了知識領(lǐng)域的動態(tài)發(fā)展規(guī)律。在傳統(tǒng)的文獻分析方法中，研究者需要通過不斷尋找和研究與主題相關(guān)的文獻來建立對該主題相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)認(rèn)識。這種系統(tǒng)認(rèn)識包括如何確定該領(lǐng)域研究的主要問題，如何判斷奠基性的研究文獻，如何甄別研究過程中里程碑式的發(fā)現(xiàn)、哪些是研究者達成共識的研究方法和手段，如何把握該領(lǐng)域研究的走向等問題。研究者需要不斷分析、歸納和推演才能發(fā)現(xiàn)和回答這些高度抽象的問題。同時，科學(xué)文獻本身包含了大量的信息，有些文獻屬于經(jīng)典文獻，從出現(xiàn)以來就被學(xué)者認(rèn)為很有價值，并大量引用；有些屬于普通文獻，占據(jù)了文獻整體的大部分，受到的關(guān)注度不高；有些文獻屬于突破性文獻，往往代表該領(lǐng)域研究的一個拐點，這種拐點可能是飛躍性的進展，也可能是研究方向的改變等，對之后學(xué)者的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的文獻分析方法一方面很難從整體上對某一研究領(lǐng)域內(nèi)的文獻進行梳理和判斷，另一方面，很難直觀反映突破性文獻對該領(lǐng)域發(fā)展的影響和貢獻。

在文獻分析過程中，知識圖譜是將共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，對某一研究領(lǐng)域內(nèi)的文獻進行計量分析，探求學(xué)科領(lǐng)域演進的關(guān)鍵路徑和發(fā)展拐點，通過繪制一系列可視化的譜圖來發(fā)現(xiàn)學(xué)科演化的潛在機制和對科學(xué)發(fā)展前沿的探尋。

知識圖譜的哲學(xué)理論基礎(chǔ)是哲學(xué)家卡爾·波普爾提出的“三個世界”宏觀理論[2]。該理論認(rèn)為存在著物理世界(世界1)、精神世界(世界2)和客觀知識世界(世界3)，知識的產(chǎn)生(世界3)是物理世界和精神世界相互作用的結(jié)果。伍特斯提出的科學(xué)表征概念將世界分為3個層次：1階表征為科學(xué)文獻；2階表征為引文分析；3階表征為引文研究的引證文化[3]。因此，科學(xué)是通過高階抽象的方式來反映世界1中客體的本質(zhì)，由于這種所謂“思維中的具體”難以被人們理解，于是人們開始借助信息技術(shù)來實現(xiàn)知識的可視化，即將世界2從世界3中獲取的抽象信息和知識，通過繪制知識圖譜來認(rèn)知世界1。

知識圖譜是對知識基礎(chǔ)和研究前沿的可視化表達，可以通過某一研究領(lǐng)域的引文記錄反映其發(fā)展?fàn)顩r，通過研究前沿Ψ(t)到知識基礎(chǔ)Ω(t)的時間映射Φ(t)來表示[4]：

Φ(t)：Ψ(t)→Ω(t)

Ψ(t)={term|term∈Stitle∪Sabstract∪

Sdescriptor∪Sidentifier∧IsHotTopic(trem,t)};

Ω(t)={article|term∈Ψ(t)∧term∈

article0∧article0→article}

其中:Stitle表示標(biāo)題名詞術(shù)語；Sabstract表示摘要名詞術(shù)語；Sdescriptor表示描述名詞術(shù)語；Sidentifier表示標(biāo)識符名詞術(shù)語；IsHotTopic(trem,t)表示布爾函數(shù)；article0→article表示對article的引用。

本文對美國Drexel大學(xué)陳超美教授開發(fā)的可視化圖譜繪制軟件Citespace進行知識圖譜分析，該軟件的尋徑網(wǎng)絡(luò)算法采用并行模式處理多重網(wǎng)絡(luò)疊加，對于不同時間分區(qū)的共被引網(wǎng)絡(luò)Gx=(Vx,Ex)和Gy=(Vy,Ey)可能產(chǎn)生互相重疊的點和邊，Citespace將重疊區(qū)域內(nèi)的點作為一個整體，通過選擇遵循三角不等式的連接組成單個網(wǎng)絡(luò)。通過對Web of Science數(shù)據(jù)庫中BIM研究的論文進行可視化的圖譜分析，旨在揭示科研力量分布、研究熱點和前沿，探索BIM的研究進展和對相關(guān)學(xué)科發(fā)展的影響。

1 數(shù)據(jù)來源和發(fā)文統(tǒng)計

本文以Web of Science(以下都簡稱Wos)核心集合數(shù)據(jù)庫中1986—2017年的文獻作為研究對象，采用的檢索策略是“TS(主題)=(Building Information Modelling OR BIM) AND語種:(English) AND 文獻類型:(Article) 索引=SCI-EXPANDED,CPCI-S,CCR-EXPANDED,IC 時間跨度:1986—2017”，檢索得到4 624條記錄。通過對檢索到的文獻進行分析發(fā)現(xiàn)：BIM在Wos中文獻的含義并非特指building information modelling，在醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域的中BIM代表(bcl-2 interacting mediator of cell death)，因此需要對獲得的檢索記錄進行篩選，保留建筑信息模型含義的數(shù)據(jù)記錄。通過對符合建筑信息模型含義的記錄進行檢索類別精煉，本文選擇了包括ENGINEERING CIVIL、CONSTRUCTION BUILDING TECHNOLOGY、COMPUTER SCIENCE INTERDISCIPLINARY APPLICATIONS、ENERGY FUELS等類別發(fā)文量大于10的研究領(lǐng)域，總計806條數(shù)據(jù)記錄作為研究對象。

由圖1可以看出：1998—2009年Wos中BIM研究的發(fā)文趨勢比較平穩(wěn)，雖然每年都有所增加，但增加趨勢較緩慢，年平均發(fā)文5篇左右。從2010年起發(fā)文增幅加快，到2011年已達44篇，雖然2012年增幅有所減緩，但從2013年起，發(fā)文量開始大幅增加，并于2016年達到了峰值，有161篇。截止本文統(tǒng)計時間2017年11月18日，2017年相關(guān)的研究論文已有158篇，可以預(yù)測2017年的全年發(fā)文量將超過2016年。從圖2可以看出：2001—2011年，文獻的被引頻次比較穩(wěn)定，從2011年起，被引頻次增加趨勢明顯，從2011年的2%上升到2016年的26%，并于2017年達到峰值2 439次。從發(fā)文量和被引頻次可以看出：近5年間，BIM技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注，越來越多的研究成果通過論文形式發(fā)表。

圖1 1998—2017年BIM發(fā)文量及增加量

圖2 2001—2017年BIM被引頻次

2 基于Citespace的圖譜分析

2.1 研究主題分析

通過知識圖譜可以反映出Wos中BIM發(fā)文的學(xué)科類別分布，將數(shù)據(jù)(Node Type)來源選擇類別(Category)中設(shè)置 “Year Per Slice ”的值為1，選擇1年作為一個時間間隔，將 1998—2017 年的 20 年時間段分成 20 個時間段，運行軟件得到分析圖譜。每年出現(xiàn)最多或者被引用最多的前50個類別詞組構(gòu)成本年度的研究類別共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，通過將每一年的譜圖組合構(gòu)成近20年BIM發(fā)文的類別分布知識圖譜，發(fā)文排在前列的學(xué)科統(tǒng)計見表1。

表1 研究類別統(tǒng)計

從分析結(jié)果(圖3)可以看出：BIM的發(fā)文主要分布在計算機、建筑、工業(yè)、環(huán)境、機械、通信領(lǐng)域。工程領(lǐng)域發(fā)文數(shù)656，最高，土木工程和建筑技術(shù)的發(fā)文量分別排在第2、3位，發(fā)文量分別是459和381，建筑工程也是BIM技術(shù)的主要發(fā)文領(lǐng)域。排在前列的還有計算機科學(xué)、人工智能、環(huán)境科學(xué)、電器和電子技術(shù)、綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展等，這說明BIM技術(shù)在這些領(lǐng)域的研究都取得了顯著的進步。從分析結(jié)果還可以看出：對BIM的研究有很強的跨學(xué)科性，研究成果和學(xué)術(shù)知識在各學(xué)科中得到迅速的傳播和共享。依托快速發(fā)展的信息技術(shù)，BIM在工程相關(guān)的各學(xué)科領(lǐng)域都取得了一定的研究成果，由新技術(shù)應(yīng)用帶來的變革也為下階段研究帶來了機遇和挑戰(zhàn)。

2.2 期刊共被引分析

通過Citespace可以繪制期刊的共被引網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置 “Year Per Slice ”的值為2，以2年作為一個時間分區(qū)，選擇Time Zone視圖模式，繪制期刊共被引圖譜，包括146個結(jié)點和271條連接，如圖3所示。節(jié)點大小代表期刊總被引的頻次。被引頻次超過100的時間段主要分布在2006—2010年，其中被引次數(shù)排在前2位的期刊是2006—2007年間的Automation in Construction(543次)和ASCE(美國土木工程師學(xué)會)的Journal of Construction Engineering and Management(393次)。

圖3 BIM研究學(xué)科類別圖譜

2008—2009年間被引頻次較多的期刊有Journal of Computing in Civil Engineering(277次)、Advanced Engineering Informatics(271次)、Journal of Information Technology in Construction(230次)、BIM Handbook(223次)、Building and Environment(117次)和Building Information Modelling(97次)。特別值得關(guān)注的是BIM Handbook A Guide to Building Information Modeling for Owners,Managers,Designers,Engineers and Contractors和Building Information Modeling:Planning and Managing Construction Projects with 4D CAD and Simulations，與其他學(xué)術(shù)期刊不同，這兩本屬于學(xué)術(shù)專著，均出版于2008年。BIM HandBook的作者是Chuck Eastman、Paul Teicholz等，他們是學(xué)術(shù)界、研究界和業(yè)界的BIM研究專家，這本書也被公認(rèn)為有關(guān)BIM的開創(chuàng)性書籍[5]；Building Information Modelling[6]的作者是加州大學(xué)奇科分校的Willem Kymmell，這本書重點介紹了BIM應(yīng)用的流程設(shè)計，首次提出了將BIM技術(shù)與課堂教學(xué)結(jié)合并給出了相應(yīng)的教學(xué)案例，從根本上推動了BIM在高校的發(fā)展。因此，可以將它們歸結(jié)為BIM在相關(guān)研究領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)。

根據(jù)CiteSpace作者陳超美博士的定義，中心性是測量節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中重要性的一個指標(biāo)，通過它來發(fā)現(xiàn)和衡量文獻的重要性[7]。Automation in Construction期刊的中心性最高，說明它在整個被引期刊網(wǎng)絡(luò)中的中介或中間效用最大，很多期刊通過它建立了共被引網(wǎng)絡(luò)。該期刊于1992年創(chuàng)刊，是國際領(lǐng)域建筑工程信息化的頂級期刊，期刊內(nèi)容涵蓋建筑工程和信息技術(shù)交叉研究領(lǐng)域。期刊Computer-Aided Design的被引頻次雖不在前列，但是它的中心性在所有期刊中排在第4位，它主要的研究領(lǐng)域是工程技術(shù)、計算機和軟件工程的交叉學(xué)科，可以推斷Computer-Aided Design在計算機輔助設(shè)計、算法研究等方面的成果在構(gòu)成圖譜網(wǎng)絡(luò)過程中起到了關(guān)鍵的中介作用，從圖譜上看，它成為連接2006—2012年文獻研究的重要媒介。具體情況詳見表2及圖4。

表2 期刊共被引和中心性次統(tǒng)計表

圖4 期刊共被引圖譜

2.3 作者共被引分析

作者共被引圖譜反映了研究者在某一研究領(lǐng)域的影響和學(xué)術(shù)界對研究主題的整體貢獻。被引頻次較高的作者通常是對主題的基礎(chǔ)性研究，他們的成果被其他學(xué)者高頻引用作為參考文獻，對主題的研究起到推動作用。作者共被引情況統(tǒng)計見表3。

表3 作者被引統(tǒng)計

圖5中:代表作者的節(jié)點有320個，連接線有527條，節(jié)點之間的連接代表作者文獻的共引關(guān)系，連線的粗細(xì)代表共引的強度。圖5中共引頻次最多的作者是Eastman教授，高達216次，被譽為“BIM之父”，是BIM研究領(lǐng)域的奠基人，后續(xù)很多研究都引用Eastman教授的研究成果作為參考。Salman Azhar[8]教授的共引頻次排在第2位，他就職于奧本大學(xué)建筑學(xué)院，該校在建筑工程學(xué)科優(yōu)勢明顯，其室內(nèi)設(shè)計專業(yè)在美國建筑學(xué)雜志《設(shè)計智慧(Design Intelligence)》出版2013年美國最佳建設(shè)與設(shè)計學(xué)院排名中位列第一，他于2011年發(fā)表的《Building information modeling (BIM):Trends,benefits,risks,and challenges for the AEC industry》論文提出了在“Architecture,Engineering,and Construction”領(lǐng)域BIM技術(shù)的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)[9]。其他高被引的作者還有Sacks R(99次)、Lee G(76次)、Succar B(70次)、Becerik-gerber B(69次)和Hartmann T(52次)等，他們的發(fā)文內(nèi)容分布在建筑學(xué)、工程管理、計算機科學(xué)、軟件技術(shù)和自動化等研究領(lǐng)域。

圖5 作者共被引圖譜(320個結(jié)點，527條連接)

2.4 文獻共被引分析

2.4.1 文獻高被引分析

設(shè)置節(jié)點類型為“Cited Reference”，在Pruning 選項中設(shè)置“Minimum Spanning Tree”方式，繪制文獻共引網(wǎng)絡(luò)(圖6)，包含312篇文獻和437條文獻共引連接。共被引圖譜中頻次較高的文獻通常都是該領(lǐng)域影響力較強、有代表性的文獻。參考陳超美博士對共引文獻節(jié)點的解讀[7]，圖譜中的每個節(jié)點代表一篇文獻，節(jié)點周圍標(biāo)注了文獻作者和發(fā)表日期，顏色代表該文獻被引用的時間、厚度和相應(yīng)時間分區(qū)內(nèi)的引文數(shù)量成正比。通過圖譜可以看出：Wos中BIM的研究文獻被引頻次較高的來自Eastman(2008、2011)、Succar B(2009)、Volk R(2014)、Tang PB(2010)和Zhang SJ(2013)等。

圖6 文獻共引圖譜

表4列出了共被引頻次和突發(fā)性較高的文獻信息，包括被引頻次、突發(fā)性、中心性、Sigma值、作者(發(fā)文時間)和文獻來源。被引頻次代表一個時間段內(nèi)，其他文獻對該文獻的引用總數(shù)，是衡量該文獻是否被其他學(xué)者認(rèn)可的重要依據(jù)。圖譜中Eastman于2008年和2011年的2篇文獻被引次數(shù)分別達到101和84次，排在前2位，說明這2篇文章是BIM研究公認(rèn)的最具影響力的文獻。Succar B(2009)、Volk R(2014)和Tang PB(2010)的文獻被引頻次排在3～5位，被引頻次分別是57、42和42次。Tang PB(2010)、Zhang SJ(2013)和Azhar S(2011)等的被引頻次也排在前列，他們的成果對BIM的發(fā)展也作出了突出的貢獻。突發(fā)性指標(biāo)反映文獻的被引頻次在某個時間段內(nèi)是否有明顯的波動，通?？梢院饬恳欢螘r期的研究熱點或者突破性進展。Eastman(2008)和Howard R(2008)的突變性分別是10.71和5.2排在前兩位，圖7反映了他們的文獻被引歷史。從Eastman的被引歷史可以看出：2009年起被引頻次逐步上升，并于2015年達到峰值，2016—2017年被引頻次突然下降；Howard R的文獻被引頻次在2012年出現(xiàn)波動，并于2014年達到峰值，2015—016年間被引頻次下降明顯。Succar B(2009)和Tang PB(2010)文獻的中心性分別是0.25和0.2，均大于0.1，說明這2篇文獻在圖譜中起到了很強的中介作用，是連接多個BIM研究聚類領(lǐng)域的關(guān)鍵節(jié)點。

圖7 Eastman和Howard R文獻被引歷史記錄

美國佐治亞理工學(xué)院Chuck Eastman、Paul Teicholz、Rafael Sacks、Kathleen Liston等分別于2008年和2011年出版的《BIM HAND BOOK》排在被引頻次的前2位。該書于2008年首次出版，提出在設(shè)計、施工、運維等階段通過數(shù)字化模型進行信息交互，提出了對建筑行業(yè)具有變革性影響的BIM概念[5]。2011年再版的《BIM HAND BOOK》對BIM技術(shù)進行了更加深入的解讀，研究了BIM實施中的關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)流程，并通過已有案例證明了建筑行業(yè)BIM應(yīng)用的優(yōu)勢[10]。

表4 共被引頻次和突發(fā)性較高的文獻統(tǒng)計

澳大利亞NEWCASTLE大學(xué)Bilal Succar教授于2009年發(fā)表的《Building information modelling framework:A research and delivery foundation for industry stakeholders》[11]排在被引頻次的第3位。該文首次提出了BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研究，并研究了項目利益相關(guān)者的BIM應(yīng)用和交付框架。文章詳細(xì)闡述了BIM應(yīng)用的領(lǐng)域、階段、步驟和場景，并給出應(yīng)用框架的可交付成果。

排在第4位的是德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Rebekka Volk于2014年發(fā)表的《Building Information Modeling (BIM) for existing buildings — Literature review and future needs》[12]。該文對180篇BIM研究論文進行了綜述分析，總結(jié)出BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題，文章提出的“類型轉(zhuǎn)換、模型更新和不確定性數(shù)據(jù)”也成為學(xué)者研究BIM的重要參考依據(jù)。

亞利桑那州立大學(xué)教授Pingbo Tang在2010年的《Automatic reconstruction of as-built building information models from laser-scanned point clouds:A review of related techniques》[13]被引頻次排在第5位。該文獻介紹了通過激光掃面技術(shù)進行BIM建模的詳細(xì)過程，并結(jié)合新型信息技術(shù)對算法效率、性能等內(nèi)容進行了評估。

佐治亞理工學(xué)院Sijie Zhang在2013年發(fā)表的《Building information modeling (BIM) and safety:Automatic safety checking of construction models and schedules》[14]排在第6位。該文獻主要研究了BIM中的安全管理，通過算法預(yù)測可能出現(xiàn)的安全隱患并反饋給用戶。

奧本大學(xué)Salman Azhar教授的《Building Information Modeling (BIM):Now and Beyond》[15]排在第7位。該文獻通過案例研究解析了BIM的核心概念、全生命周期應(yīng)用和對項目干系方的作用，并闡述了BIM實施的趨勢、風(fēng)險和討戰(zhàn)。

通過對高被引文獻的分析可以看出：北美、歐洲和亞洲等地都有學(xué)者對BIM技術(shù)進行了深入的研究，并形成了豐碩的研究成果，這些都為后續(xù)相關(guān)主題的研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

2.4.2 文獻共被引的聚類分析

通過Citespace繪制的知識圖譜有3種顯示方式：聚類視圖、時間軸視圖和時區(qū)視圖。聚類視圖模式可以通過聚類算法找到高被引期刊中的研究聚類。高被引文獻的共引聚類分析可以反映出學(xué)科研究的演進過程，揭示其所在領(lǐng)域的潛在的知識結(jié)構(gòu)。Citespace提供了3種不同的聚類分析方法：Latent Semantic Analysis(LSI)、log-likelihood ratio(LLR)和Mutual Information(MI)，通過這些算法進行聚類分析并提取聚類名稱。本文選擇LLR算法進行聚類分析，選擇以title term顯示聚類名稱，共得到26個聚類關(guān)鍵詞，其中較為明顯的聚類有12個,并標(biāo)注了聚類標(biāo)簽，如圖8所示。聚類圖譜的modularity Score值是0.683 8，根據(jù)陳超美博士的解讀[16]，當(dāng)modularity Score在0.4～0.8之間時，整個網(wǎng)絡(luò)被劃分成松耦合的集群。mean silhouette值是0.513 6，說明聚類集群的同質(zhì)性基本滿足要求，因此圖譜比較符合或接近理想狀態(tài)。

表5列出了11個關(guān)于BIM研究的主要聚類，包括聚類ID、聚類大小、Silhouette值、Label (LLR)和代表性文獻。聚類大小代表其包含的文獻數(shù)目，代表性文獻反映該聚類的研究前沿。從表5和圖8可以看出：“job hazard analysis”聚類最大，是BIM領(lǐng)域研究的主要研究方向，該聚類主要是對施工安全、知識管理、風(fēng)險識別、風(fēng)向應(yīng)對等方面的研究。Zhang,SJ的《ontology-based semantic modeling of construction safety knowledge:towards automated safety planning for job hazard analysis》[17]是該聚類的代表性文獻。

圖8 共引文獻聚類圖譜

聚類ID聚類大小Silhouette值Label (LLR)代表性文獻0360.72job hazard analysis; construction safety knowledge; Zhang,SJ (2015)1350.829lean production management system; building information modeling; Sacks,R (2010)2350.8563d laser; providing real-estate service; Mahdjoubi,L (2013)3340.695ifc instance model; partial model; Won,J (2013) 4290.767augmented reality; ontology-based data collection template; Jiao,Y (2013) 5290.73green building; future direction; Lu,YJ (2017) 6270.752built-environment practice; digital integration; Cidik,MS (2017) 7220.76on-site building information retrieval; using projection-based augmented reality; Yeh,KC (2012) 9170.83energy rehabilitation purpose; rgb texture; Irizarry,J (2013)1080.928topological information extraction model; space syntax analysis; Jeong,SK (2011)

聚類1包含35篇文獻，排在第2位，它的Silhouette值為0.829，說明該聚類和網(wǎng)絡(luò)中其他聚類的相關(guān)性較低。該聚類的主題詞是“l(fā)ean production management system”，其中最具代表性的文獻是Sacks,R 的《Requirements for building information modeling based lean production management systems for construction》[18]。該聚類的主要研究方向是BIM技術(shù)在提升項目的精益生產(chǎn)管理、成分分析等方面的應(yīng)用。

聚類2“3d laser”排在第3位，主要研究BIM三維建模和3D打印技術(shù)在建設(shè)項目中的應(yīng)用。該聚類的代表性文獻是Mahdjoubi,L的《providing real-estate services through the integration of 3d laser scanning and building information modelling》[19]。

聚類3包含34篇文獻，列第4位，主題詞是“ifc instance model”，主要是對BIM標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)交換機制、IFC語義分析等方面的研究，Won,J 的《no-schema algorithm for extracting a partial model from an ifc instance model》[20]是該聚類中的代表性文獻。聚類4包含29條文獻，其主題詞是“augmented reality”，主要研究BIM技術(shù)在虛擬現(xiàn)實方面的應(yīng)用；聚類5包含29條文獻，主題詞是“green building”，主要研究方向是BIM技術(shù)在綠色建筑和項目可持續(xù)發(fā)展等方面的研究和應(yīng)用。通過對其他聚類的主題詞和涵蓋文獻進行分析，BIM的主要研究方向還有建筑形態(tài)設(shè)計、環(huán)境模擬、信息管理、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計等內(nèi)容。

通過聚類分析可以看出：Wos中BIM的文獻研究經(jīng)歷了IFC標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換機制的理論基礎(chǔ)階段，施工安全、精益管理、成分控制等實踐應(yīng)用階段和虛擬現(xiàn)實、節(jié)能設(shè)計和可持續(xù)發(fā)展研究的探索階段，隨著信息技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用深化，進一步拓展了BIM技術(shù)的研究領(lǐng)域和內(nèi)涵。

2.5 研究熱點分析

Citespace通過對文獻關(guān)鍵詞和名詞術(shù)語的共現(xiàn)分析可以獲得BIM研究的熱點。設(shè)置Year Per Slice的值為3，以3年作為一個時間間隔，同時選中Term Type 中的Noun Phrases和Keyword分析文獻中的關(guān)鍵詞和名詞術(shù)語，獲得高頻關(guān)鍵詞和名詞術(shù)語共現(xiàn)圖譜，如圖9所示，包含113個結(jié)點和369條連接。圖譜9中的圓形代表關(guān)鍵詞，指文獻中標(biāo)題和關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次較多的詞語，三角形代表從文獻中抽取的名詞短語。表6列出了共現(xiàn)頻次大于20次的名詞短語和關(guān)鍵詞?？梢钥闯觯篵im在關(guān)鍵詞中的共現(xiàn)頻次為241，列關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次第一位；System和Construction的共現(xiàn)頻次分別是131和129排在第二、三位。可以推斷：文獻對BIM技術(shù)的研究主要集中在施工、制度和體系等方面。building information modelling在文獻中出現(xiàn)的頻次為281，是共現(xiàn)次數(shù)最多的名詞術(shù)語，civil engineer和American society的共現(xiàn)頻次都是78次，排在名詞術(shù)語共現(xiàn)頻次的前列。可以看出：已有的BIM文獻研究中美國的研究成果處于主導(dǎo)地位，這些研究成果主要分布在建筑行業(yè)。

圖9 高頻關(guān)鍵詞和名詞短語圖譜

頻次關(guān)鍵詞/名詞短語頻次關(guān)鍵詞/名詞短語頻次關(guān)鍵詞/名詞短語281building information modeling78American society30information technology241bim63simulation30ifc131system63construction project28construction process129construction56industry foundation class27visualization118design54bim model26building design111building information53framework25optimization110building information modeling44industry25case study109model43project25implementation108building information model43performance23construction site96construction industry40interoperability22construction phase94building information modeling (bim)38information21bim implementation92management36technology21building project78civil engineer32ontology

design的共現(xiàn)頻次為118，排在第3位。在建筑設(shè)計方面，建筑師通過BIM可以構(gòu)思整個建設(shè)過程，BIM豐富的語義信息和直觀的三維建模技術(shù)為可持續(xù)發(fā)展設(shè)計提供了依據(jù)。設(shè)計相關(guān)的高頻關(guān)鍵詞還有model、framework和interoperability等。management的頻次為92次，排在第4位，主要是指建筑工程管理。BIM技術(shù)可用于建設(shè)項目精細(xì)化管理，項目進度、成本和質(zhì)量研究，風(fēng)險管理，建筑能耗分析和測算等，為項目管理提供更加科學(xué)的依據(jù)和手段。相關(guān)的研究熱點還有implementation、construction project、project等。building information和civil engineer的共現(xiàn)頻次分別是111和78，排在名詞術(shù)語共現(xiàn)頻次的前列，說明土木工程、建設(shè)項目的信息管理也是BIM技術(shù)的主要研究方向。研究熱點還包括building information model、industry foundation class 和bim model。通過對IFC解析，子模型構(gòu)建等內(nèi)容的研究，使BIM模型可以實現(xiàn)不同建筑軟件之間的數(shù)據(jù)交換，提高了業(yè)界設(shè)施、施工和管理的效率。construction industry的共現(xiàn)頻次為96，排在第5位，相關(guān)的高頻共現(xiàn)名詞術(shù)語還有construction project、construction process、construction site和construction phase等。在建設(shè)項目施工方面，BIM的研究主要有施工技術(shù)和方法改進，施工安全管理和施工現(xiàn)場管理等內(nèi)容，如：Babic,NC 研究了BIM技術(shù)在施工過程中的資源整合和優(yōu)化配置[21]；Abanda,FH通過文獻分析、問卷調(diào)查和小組訪談等方法對目前用于施工管理的各種BIM軟件進行了分析和對比[22]。

研究熱點中Simulation是近3年才出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞，共現(xiàn)頻次為63，排在第5位，主要是BIM在模擬和仿真方面的研究。Simulation首次出現(xiàn)在2010年Thompson BP和Bosman R的2篇文獻中，前者介紹了系統(tǒng)力學(xué)理論下的BIM模型仿真，后者是在工業(yè)工程領(lǐng)域BIM技術(shù)的應(yīng)用研究[23-24]。從2013年開始，其共現(xiàn)頻次開始增加，同時該關(guān)鍵詞的中心性較強，說明它在圖譜中作為中介串聯(lián)其他關(guān)鍵詞的能力較強，BIM在模擬和仿真方面的研究依托于信息技術(shù)的發(fā)展，因此該關(guān)鍵詞是建筑領(lǐng)域和計算機領(lǐng)域交叉研究的主要方向之一。借助高速發(fā)展的計算機技術(shù)，BIM技術(shù)可用于建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、能耗模擬、環(huán)境模擬、虛擬現(xiàn)實等方面。相關(guān)的熱點關(guān)鍵詞還有visualization、optimization、augmented reality等。

2.6 學(xué)科演進分析

Citespace的Dual_Map方法可以反映研究內(nèi)容在學(xué)科層面的演進情況。通過將引文和被引圖層進行疊加，Dual_Map揭示了研究主題隨時間在不同學(xué)科之間的發(fā)展(圖9)。Dual_Map視圖分為引文圖譜和被引圖譜2個部分，通過不同顏色的聚類來表示學(xué)科分類，聚類邊上的標(biāo)簽代表該學(xué)科名稱，每一條引文從左側(cè)圖譜中的引文期刊開始，指向右側(cè)圖譜中的被引期刊，引文鏈接的顏色代表其所屬的學(xué)科類別。圖10上半部分是BIM文獻研究的整體Dual_Map圖譜，下半部分是部分區(qū)域的放大視圖。

B：引文聚類區(qū)域，C:被引文獻聚類區(qū)域

左側(cè)引文圖譜中的BIM的研究文獻主要分布在A和B兩個區(qū)域，A區(qū)域的論文屬于物理、材料和化學(xué)等主題相關(guān)的期刊。右側(cè)被引文獻圖譜中的論文屬于環(huán)境、地球、數(shù)學(xué)等主題相關(guān)的期刊。同時在A區(qū)域中沒有出現(xiàn)期刊的名稱，說明該區(qū)域中BIM的研究處于學(xué)科層面，尚沒有特別關(guān)注BIM研究的期刊。B區(qū)域的引文聚類是數(shù)學(xué)、系統(tǒng)等研究主題，由左下方的放大視圖可以看出：聚類中出現(xiàn)了一些期刊的名字如：Automation in Construction、Journal of Computer in Civil Engineering等，說明這些期刊發(fā)表了大量有關(guān)BIM研究的論文。從右下方被引圖譜的放大視圖中可以看出：B區(qū)域?qū)?yīng)的被引文獻分布在環(huán)境、數(shù)學(xué)、材料、計算機、教育等領(lǐng)域，這些學(xué)科是BIM研究的知識基礎(chǔ)。

圖11分別顯示了引文和被引文獻隨時間變化的引用軌跡，如果引文圖譜上的引用軌跡從一個區(qū)域指向另一個區(qū)域，說明研究主題的發(fā)文領(lǐng)域發(fā)生了改變，因此通過引用軌跡可以反映出學(xué)科層面上BIM研究的動態(tài)進展。從左圖可以看出：BIM研究的引文軌跡始于1998年，相關(guān)的文獻分布在物理、材料和化學(xué)與數(shù)學(xué)交叉的學(xué)科領(lǐng)域；2017年軌跡主要分布在數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，說明后期BIM研究文獻的發(fā)文學(xué)科發(fā)生了改變。被引文獻的軌跡始于1998年，被引文獻主要分布在環(huán)境、計算機、數(shù)學(xué)交叉的學(xué)科領(lǐng)域；隨后被引文獻的研究領(lǐng)域受到了化學(xué)、材料、物理等學(xué)科的影響；2017年被引文獻軌跡偏移至系統(tǒng)科學(xué)、計算機等學(xué)科領(lǐng)域?？梢钥闯觯簩IM研究的知識基礎(chǔ)發(fā)生了變化，參考文獻已經(jīng)不局限于BIM的應(yīng)用領(lǐng)域而是逐步拓展到其他學(xué)科。右側(cè)被引圖譜中的共引連接反映了研究主題在學(xué)科交叉方面的貢獻，如圖12所示。

圖11 Dual_Map引文和被引文獻軌跡

圖12 被引文獻的共引連接軌跡

雖然BIM被引文獻軌跡并沒有涉及到教育、經(jīng)濟等學(xué)科領(lǐng)域，但是從圖12聚類中的紅色虛線區(qū)域可以看出：BIM技術(shù)的研究基礎(chǔ)將計算機、環(huán)境、材料、教育和經(jīng)濟等學(xué)科聯(lián)系起來，在學(xué)科交叉研究方面發(fā)揮了重要的作用。

3 結(jié)束語

本文使用Citespace對Web of Science 中BIM的研究文獻進行了可視化分析，通過知識圖譜發(fā)現(xiàn)BIM的研究進展。從年度發(fā)文量看，Wos中BIM的研究論文數(shù)量從2013年開始增加，并于2016年達到峰值，2017年發(fā)文量將持續(xù)增長。各國的科研團隊都對BIM的研究和發(fā)展作出了貢獻，其中美國、中國、韓國、英國、澳大利亞、加拿大和德國的研究成果比較豐富。BIM技術(shù)源于工程技術(shù)的發(fā)展，土木工程、建筑工程仍然是BIM技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，同時計算機、通信、環(huán)境等學(xué)科也致力于BIM技術(shù)的研究。Automation in Construction、Journal of Construction Engineering and Management、Journal of Computing in Civil Engineering是BIM研究領(lǐng)域最具代表性的期刊，計算機輔助設(shè)計類期刊如Computer-Aided Design等在BIM跨學(xué)科研究方面起到了關(guān)鍵的中介作用。Eastman、Azhar、Sacks、Lee、Succar等在BIM研究方面的影響最為廣泛，他們的文獻共被引頻次排在前列。從文獻聚類分析可以看出：施工安全、精益管理、三維建模、BIM標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究已經(jīng)形成了明顯的研究聚類。從關(guān)鍵詞和名詞術(shù)語圖譜的分析中我們發(fā)現(xiàn)BIM的研究趨勢呈現(xiàn)多樣化和動態(tài)化，近10年來的研究熱點包括設(shè)計、信息管理、工程管理、模擬和仿真等。最后通過Dual_Map研究了BIM文獻在學(xué)科層面的演進，BIM的發(fā)展對促進學(xué)科交叉研究發(fā)揮了重要的作用。

通過知識圖譜的可視化分析，研究者實現(xiàn)了以可視化的方式進行科學(xué)領(lǐng)域的定量和定性研究，增進了對多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域的認(rèn)識和了解。其次，期刊共被引、研究熱點等分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)外BIM理論研究的主流、熱點和前沿領(lǐng)域，為更好、更快地了解BIM技術(shù)的研究領(lǐng)域基礎(chǔ)及研究進展提供了有價值的參考。最后，BIM作為一項新興的多學(xué)科融合信息技術(shù)，其應(yīng)用價值已經(jīng)得到社會的認(rèn)可，通過知識圖譜的分析可以認(rèn)識和把握其發(fā)展規(guī)律和主線，對于推動BIM技術(shù)在理論層面和實踐層面的健康、持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。