基于知識(shí)圖譜的工業(yè)化建筑信息化研究綜述*

黃瀅 陳瑞兄 崔銀洪 孫丹陽(yáng)

(江西科技師范大學(xué)，江西 南昌 330013)

0 引言

2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(簡(jiǎn)稱住建部)等13個(gè)部門聯(lián)合發(fā)表指導(dǎo)意見(jiàn)[1]提出要推進(jìn)建筑行業(yè)工業(yè)與數(shù)字智能化升級(jí)。我國(guó)的工業(yè)化建筑于20世紀(jì)50年代提出，但在大規(guī)模建設(shè)需求下現(xiàn)澆建筑占據(jù)市場(chǎng)，工業(yè)化建筑進(jìn)程緩慢[2]。工業(yè)化建筑技術(shù)可以顯著降低對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)提升建筑的生產(chǎn)率[3]。工業(yè)化建筑具有以工廠為基礎(chǔ)的性質(zhì)，可以充分利用新興技術(shù)[4]。新技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、優(yōu)化算法和傳感技術(shù))的結(jié)合可以顯著改善工業(yè)化建筑項(xiàng)目中的管理實(shí)踐[5]。信息化與工業(yè)化建筑的聯(lián)系是高度密切相關(guān)的，融合應(yīng)用可以最大限度地推動(dòng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展效率。

工業(yè)化建筑日益增多，同時(shí)信息技術(shù)在其中得到快速應(yīng)用，學(xué)術(shù)界也越來(lái)越關(guān)注該領(lǐng)域的研究，但對(duì)于現(xiàn)有信息技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究情況還缺乏系統(tǒng)性的回顧總結(jié)。因此，本文基于CiteSpace軟件，對(duì)2010—2021年我國(guó)工業(yè)化建筑信息化領(lǐng)域的研究情況進(jìn)行梳理，分析當(dāng)前研究進(jìn)展，以及研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)，探索信息技術(shù)在工業(yè)化建筑發(fā)展背景下的潛力與方向。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

本文的研究步驟主要有3個(gè)，具體見(jiàn)圖1：

第一步，數(shù)據(jù)收集。選擇中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)核心及以上期刊文獻(xiàn)作為專業(yè)檢索對(duì)象，檢索區(qū)間為2010—2021(截止到2021年5月17日)。首先，檢索工業(yè)化建筑領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)8973篇；其次，在第二次檢索時(shí)，只包括應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化建筑領(lǐng)域的論文，共有648篇文章；最后，通過(guò)人工閱讀刪減無(wú)關(guān)文獻(xiàn)，最終篩選確定293篇文章。

第二步，可視化分析。采用CiteSpace軟件對(duì)收集到的文獻(xiàn)進(jìn)行清洗，生成系列知識(shí)圖譜，對(duì)文獻(xiàn)的發(fā)文時(shí)間、期刊、核心作者與機(jī)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)，以及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)、趨勢(shì)及前沿進(jìn)行系統(tǒng)性分析。在CiteSpace中進(jìn)行以下設(shè)置：時(shí)間范圍為2010—2021年，區(qū)間間隔為1年；節(jié)點(diǎn)類型根據(jù)不同分析情況進(jìn)行選擇；網(wǎng)絡(luò)裁剪(Pruning)設(shè)為Pathfinder與Pruning sliced networks；其他為默認(rèn)設(shè)置，并對(duì)圖譜合理性進(jìn)行判斷[6]。

第三步，研究結(jié)論與展望。根據(jù)以上定量定性分析，對(duì)工業(yè)化建筑信息化研究領(lǐng)域進(jìn)行整體性總結(jié)，并且探析未來(lái)的研究方向。

圖1 研究流程框架圖

2 研究可視化分析

2.1 發(fā)文量分析

按出版時(shí)間統(tǒng)計(jì)的研究文獻(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2。2010—2012年工業(yè)化建筑尚未得到廣泛關(guān)注，因此相應(yīng)的信息化研究文獻(xiàn)較少且增長(zhǎng)緩慢。2011年住建部在《建筑業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中指出應(yīng)大力發(fā)展工業(yè)化建筑體系，提升信息化應(yīng)用水平[7]。2013年，國(guó)家發(fā)改委與住建部共同制訂《綠色建筑行動(dòng)方案》[8]，再次將其作為發(fā)展重點(diǎn)。2013—2016年，工業(yè)化建筑得到政府大力支持，信息化在該領(lǐng)域的研究也得到探索式發(fā)展，發(fā)文量上漲。《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》[9]使得信息化在工業(yè)化建筑中的研究得到重點(diǎn)關(guān)注，發(fā)表的文獻(xiàn)快速增長(zhǎng)。

圖2 發(fā)文時(shí)間分布趨勢(shì)

2.2 期刊來(lái)源分析

經(jīng)整理，發(fā)現(xiàn)293篇文章分別發(fā)表在66種不同的核心期刊上，其中發(fā)表5篇及以上的期刊有12種。據(jù)圖3可知，收錄工業(yè)化建筑信息化研究文獻(xiàn)的重要核心期刊有《施工技術(shù)》(64篇)、《建筑結(jié)構(gòu)》(36篇)、《建筑經(jīng)濟(jì)》(26篇)?！妒┕ぜ夹g(shù)》對(duì)相關(guān)研究所設(shè)的欄目最多，對(duì)工業(yè)化建筑領(lǐng)域的信息化研究貢獻(xiàn)也最大?！督ㄖY(jié)構(gòu)》主要是對(duì)信息技術(shù)在各種工業(yè)化建筑中的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐研究?！督ㄖ?jīng)濟(jì)》中收錄的文獻(xiàn)更側(cè)重于信息技術(shù)在預(yù)制裝配式建筑中的項(xiàng)目管理研究。其余20篇以下的期刊對(duì)于工業(yè)化建筑信息化研究的專欄設(shè)置種類較少，收錄較晚，并且學(xué)科主要集中于建筑科學(xué)與工程。

圖3 發(fā)文量5篇及以上核心期刊

2.3 作者與機(jī)構(gòu)分析

作者與機(jī)構(gòu)分析旨在調(diào)查文獻(xiàn)作者及其關(guān)系，包括作者和機(jī)構(gòu)的發(fā)文和合著作者網(wǎng)絡(luò)，以及基于文獻(xiàn)記錄的機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)對(duì)選定期刊文章的統(tǒng)計(jì)分析，確定了工業(yè)化建筑信息化研究領(lǐng)域最具發(fā)文貢獻(xiàn)水平的作者與機(jī)構(gòu)(圖4、圖5)。

在作者與機(jī)構(gòu)的合著網(wǎng)絡(luò)圖譜中，節(jié)點(diǎn)的大小表示發(fā)文量多少，連線表示在研究中建立的協(xié)作聯(lián)系。在圖4與圖5中，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為276與222，連線在100～200之間，說(shuō)明作者與機(jī)構(gòu)之間對(duì)該領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的研究，但網(wǎng)絡(luò)密度都很小，這表明各學(xué)者間和各機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系并不密切，大都為獨(dú)立性研究。該領(lǐng)域的研究學(xué)者主要來(lái)自科研院所或建筑企業(yè)，科研機(jī)構(gòu)學(xué)者常與同地區(qū)建筑企業(yè)的研究人員開(kāi)展合作，例如：北京工業(yè)大學(xué)及北京市建筑工程研究院的劉占省，清華大學(xué)的劉宇飛，中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司的盧仲興，湖北工業(yè)大學(xué)的王淑嬙等，以上專家學(xué)者在工業(yè)化建筑信息化研究領(lǐng)域具有突出貢獻(xiàn)。

圖4 作者發(fā)文與合著網(wǎng)絡(luò)圖譜(截圖)

2.4 研究熱點(diǎn)

近年來(lái)工業(yè)化建筑的信息化研究工作已經(jīng)在不同的專題和主題上進(jìn)行。關(guān)鍵詞通常代表文章的研究?jī)?nèi)容，關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以代表這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展[11]。采用似然比檢驗(yàn)法(LLR)，根據(jù)唯一性和覆蓋度進(jìn)行聚類，最終得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類圖譜(圖6)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=349，關(guān)鍵詞連線數(shù)E=659，網(wǎng)絡(luò)密度為0.009 2，Q值為0.760 6(>0.3)，S值為0.553 8(>0.5)，表明聚類的結(jié)構(gòu)顯著且合理。根據(jù)前10個(gè)聚類可將工業(yè)化建筑信息化研究分為以下幾個(gè)主題：

(1)不同類型建筑中的項(xiàng)目管理。其中包括聚類#0裝配式建筑(S=0.977，包括44篇文獻(xiàn))，#1大型鋼結(jié)構(gòu)(S=0.994，包括38篇文獻(xiàn))，#7高層建筑(S=0.908，包括17篇文獻(xiàn))，#8特異型建筑構(gòu)件(S=0.98)。裝配式建筑中的信息化研究分為可持續(xù)性[12]，設(shè)計(jì)[13]與性能[14]，過(guò)程管理(包括施工管理[15]、質(zhì)量安全管理[16]、集成管理[17]、供應(yīng)鏈管理[18]、信息管理[19]、成本控制[20]、資源調(diào)度[21]、風(fēng)險(xiǎn)控制[22]、生命周期評(píng)價(jià)[23]等)。鋼結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目中的信息化研究有基于掃描技術(shù)的施工檢測(cè)[24]與變形監(jiān)測(cè)[25]，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析[26]、測(cè)量定位[27]與損傷識(shí)別[28]、系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)[29]、設(shè)計(jì)[30]與項(xiàng)目管理應(yīng)用[31]等。并且工業(yè)化建筑中高層建筑與異型化結(jié)構(gòu)增多，施工難度與精度要求高，因此對(duì)特殊結(jié)構(gòu)中的信息化研究也逐步深入，如BIM技術(shù)在異型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的找形[32]、三維激光掃描與點(diǎn)云技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)件中掃描獲取精確定位的研究[33]。

(2)信息技術(shù)軟件的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。其中包括聚類#2 BIM(S=0.962，包括31篇文獻(xiàn)),#3 Autodesk Revit(S=0.941，包括28篇文獻(xiàn)),#6有限元(S=0.909，包括20篇文獻(xiàn))。Revit常與Tekla Structure、有限元等BIM相關(guān)軟件在工業(yè)化建筑中進(jìn)行參數(shù)化建模設(shè)計(jì)應(yīng)用(包括信息檢索[34]、信息完整性[35]、設(shè)計(jì)建模[36]等)，施工應(yīng)用[37]，管理應(yīng)用[38]，與3D掃描[39]、數(shù)字孿生[40]、二維碼技術(shù)[41]的集成二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用等。例如：余括[42]基于Revit、Staad、Tekla及Lumion多個(gè)BIM軟件，檢驗(yàn)了多軟件在工業(yè)化建筑項(xiàng)目中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的可行性。

圖6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類圖譜(截圖)

(3)信息化和數(shù)字化的集成協(xié)作。其中包括聚類#4信息化(S=0.829，包括26篇文獻(xiàn))，#5數(shù)字化(S=0.847，包括22篇文獻(xiàn))，#9信息共享(S=0.924，包括13篇文獻(xiàn))。在工業(yè)化建筑中信息化研究包含建筑項(xiàng)目與企業(yè)的信息化管理[43]，數(shù)字化建造與分析[44]，集成應(yīng)用平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)[45]，集成技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[46]。例如：占羿箭等[47]基于工業(yè)化建筑部品件的高要求趨勢(shì)，提出了一種將預(yù)制構(gòu)配件與三類內(nèi)裝部品相結(jié)合的智能化制造信息集成交互平臺(tái)。

2.5 研究趨勢(shì)與前沿分析

為觀察我國(guó)工業(yè)化建筑信息化領(lǐng)域研究階段的演變過(guò)程，以“Keyword”為分析節(jié)點(diǎn)，采用“Timezone”與“Burstness”的方式顯示，得到關(guān)鍵詞時(shí)序圖譜與突現(xiàn)詞(圖7)，分析研究熱點(diǎn)的變化以及前沿動(dòng)態(tài)。從時(shí)間節(jié)點(diǎn)上看，國(guó)內(nèi)的工業(yè)化建筑信息化研究可以分為3個(gè)階段，每個(gè)階段的研究重點(diǎn)如下：

(1)第一階段(2010—2012年)?！靶畔⒒芾怼蓖滑F(xiàn)強(qiáng)度最強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間最久。根據(jù)時(shí)序圖譜可知，最初主要發(fā)展以鋼結(jié)構(gòu)為主的工業(yè)化建筑，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑中的施工模擬與節(jié)點(diǎn)變形、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別等風(fēng)險(xiǎn)管理問(wèn)題常利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、激光掃描、計(jì)算機(jī)模擬、傳感器等信息技術(shù)進(jìn)行研究解決。BIM技術(shù)開(kāi)始在鋼結(jié)構(gòu)與裝配式建筑項(xiàng)目中發(fā)揮設(shè)計(jì)、信息集成的作用，注重解決數(shù)據(jù)接口開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)采集等信息化管理問(wèn)題。例如：季俊[48]為解決輕鋼門架結(jié)構(gòu)BIM中信息交互性障礙問(wèn)題，利用編程優(yōu)化了軟件數(shù)據(jù)接口。

(3)第二階段(2013—2016年)。該階段側(cè)重于發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑，其中高層建筑也受到廣泛關(guān)注。在項(xiàng)目管理中注重信息技術(shù)對(duì)于施工技術(shù)的優(yōu)化，利用數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行全生命周期的應(yīng)用與管理，特別是深化設(shè)計(jì)與施工模擬。除此以外，鋼結(jié)構(gòu)變形、監(jiān)測(cè)與性能優(yōu)化的高精度和質(zhì)量安全管理依舊是重點(diǎn)。開(kāi)始嘗試將BIM技術(shù)與AR、物聯(lián)網(wǎng)及P6(Primavera 6.0)等技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行多維集成化仿真模擬模型與技術(shù)開(kāi)發(fā)的研究。例如：潘尚科等[49]將P6(Primavera 6.0)與BIM技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用，為項(xiàng)目進(jìn)行方案優(yōu)化、碰撞檢測(cè)、工期及成本控制提供了數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。

(4)第三階段(2017—2021年)。該階段的復(fù)雜建筑與異型構(gòu)件增多，著重于裝配式建筑項(xiàng)目方面的研究。除了將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和施工，更加注重物聯(lián)網(wǎng)、三維模擬仿真、點(diǎn)云技術(shù)的集成，增加了對(duì)建筑企業(yè)組織的信息化管理。最新的研究熱點(diǎn)是“BIM正向設(shè)計(jì)”“精益建造”“信息共享”“精細(xì)化管理”等。這說(shuō)明主要關(guān)注信息化技術(shù)的深度融合應(yīng)用、精益建造與精細(xì)化管理、信息技術(shù)間的互操作性、信息共享與協(xié)作能力，以及對(duì)于信息交互平臺(tái)與軟件的二次開(kāi)發(fā)、信息技術(shù)的應(yīng)用能力綜合評(píng)估等方面的探索。例如：在裝配式建筑方面，謝琳琳等[40]通過(guò)集成多項(xiàng)先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建了基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目調(diào)度智能化管理平臺(tái)；在BIM與射頻識(shí)別技術(shù)基礎(chǔ)上，王紅春等[50]構(gòu)建了供應(yīng)鏈信息共享平臺(tái)；孫少楠等[51]構(gòu)建了評(píng)價(jià)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段協(xié)同能力的指標(biāo)體系，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互偏差性問(wèn)題。

圖7 關(guān)鍵詞時(shí)序圖譜與突現(xiàn)詞(截圖)

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用CiteSpace可視化分析軟件，系統(tǒng)分析了2010—2020年核心及以上期刊的工業(yè)化建筑信息化領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，并進(jìn)行了文獻(xiàn)計(jì)量與可視化分析，研究分析情況如下：

(1)研究分布方面。隨著工業(yè)化建筑的推廣和發(fā)展，工業(yè)化建筑信息化研究文獻(xiàn)逐漸深入，并受到政府有關(guān)部門支持力度的影響，2016年后該領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)。研究學(xué)者大都來(lái)自科研機(jī)構(gòu)與建筑企業(yè)，現(xiàn)有文獻(xiàn)集中于建筑科學(xué)與工程學(xué)科，但跨區(qū)域程度與創(chuàng)新合作程度低，跨學(xué)科研究與交流合作較少。

(2)研究熱點(diǎn)方面。主要有以下幾個(gè)方向：項(xiàng)目管理實(shí)踐、信息技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，以及數(shù)字化的集成協(xié)作。整體來(lái)看，目前研究更集中于信息技術(shù)在工業(yè)化建筑項(xiàng)目施工技術(shù)優(yōu)化、深化設(shè)計(jì)與仿真模擬、質(zhì)量安全問(wèn)題識(shí)別監(jiān)測(cè)、過(guò)程精細(xì)化管理、數(shù)字化集成的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、信息技術(shù)數(shù)據(jù)交互性問(wèn)題的探索。信息技術(shù)集成的應(yīng)用開(kāi)發(fā)尚處于初期，信息化主要圍繞BIM技術(shù)開(kāi)展。

(3)研究前沿方面。工業(yè)化建筑的信息化研究從參數(shù)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真模擬和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)分析等基本理論與基礎(chǔ)應(yīng)用開(kāi)始，到關(guān)注信息化技術(shù)在工業(yè)化建筑工程中的深入實(shí)踐應(yīng)用，再到信息化技術(shù)深度融合應(yīng)用、精益建造與精細(xì)化管理、集成技術(shù)互操作性、信息共享與協(xié)作能力，研究分散且耦合性較低，應(yīng)提升技術(shù)集成自動(dòng)化和大數(shù)據(jù)分析、決策和知識(shí)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面的研究。

針對(duì)以上分析，本文提出以下建議：緊密跟蹤國(guó)際研究動(dòng)向，增強(qiáng)國(guó)際交流與合作；政府進(jìn)一步完善工業(yè)化建筑發(fā)展戰(zhàn)略，為實(shí)踐項(xiàng)目提供政策支持，為管理研究提供實(shí)證案例；高等院校或相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)工業(yè)化建筑信息化的人才理論與技術(shù)培養(yǎng)，為研究提供智力支持；加強(qiáng)多學(xué)科、寬領(lǐng)域、大范圍的深層次交流合作，提升創(chuàng)新研發(fā)能力，擴(kuò)展信息化技術(shù)的多樣化應(yīng)用實(shí)踐，從而縱向深化我國(guó)的工業(yè)化建筑信息化領(lǐng)域的現(xiàn)有研究，橫向拓展系統(tǒng)化研究知識(shí)體系，逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化建筑領(lǐng)域中的信息化集成高效應(yīng)用。