基于文獻計量的裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究現(xiàn)狀分析

韋海民 梁鵬展(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

0 引言

裝配式建筑是指在工廠生產(chǎn)建筑構(gòu)件，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行組裝的一種建筑體系[1]，具有節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。發(fā)展裝配式建筑契合國家新型建筑工業(yè)化發(fā)展要求，同時也是實現(xiàn)新型建筑工業(yè)化的重要舉措。住房和城鄉(xiāng)建設部在《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》中明確提出：新型建筑工業(yè)化是指通過新一代信息技術(shù)驅(qū)動，以工程全生命周期系統(tǒng)化集成設計、精益化生產(chǎn)施工為主要手段，整合工程全產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈和創(chuàng)新鏈，實現(xiàn)工程建設高效益、高質(zhì)量、低消耗、低排放的建筑工業(yè)化。因此，裝配式建筑的發(fā)展離不開相關(guān)數(shù)字技術(shù)(如BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等)的支持。

當前，裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究可以分為以下兩個方面：①單一數(shù)字技術(shù)應用研究，如BIM[2-3]、區(qū)塊鏈[4-5]、物聯(lián)網(wǎng)[5-6]等技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究；②技術(shù)組合應用研究，如BIM+物聯(lián)網(wǎng)[7-8]、CIM+區(qū)塊鏈[9]、數(shù)字孿生+區(qū)塊鏈[10]及BIM+VR[11]等技術(shù)的組合應用研究。此外，就同一技術(shù)而言，其具體應用也呈現(xiàn)多元化的特點，如高鵬等[12]通過BIM技術(shù)應用實現(xiàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)的信息協(xié)同；張愛琳等[13]基于BIM和3D掃描技術(shù)，通過建立灰色預測模型實現(xiàn)對裝配式建筑施工偏差預測；顧浩聲等[14]結(jié)合實際項目對BIM正向設計在裝配式建筑設計階段的應用方法進行積極探索?？傮w而言，相關(guān)研究主要圍繞單一技術(shù)或技術(shù)組合應用分析及實踐展開，很少有學者從計量學視角對裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究進行系統(tǒng)性分析。

因此，本文在文獻計量學和科學知識圖譜的基礎上，利用可視化分析軟件CiteSpace 6.1R6對CNKI和WOS核心合集數(shù)據(jù)庫中裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究相關(guān)文獻進行計量分析，分析國內(nèi)外數(shù)字技術(shù)應用研究現(xiàn)狀和差異，明確研究熱點，以期為裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.2 研究方法

文獻計量分析是一種分析和研究某一學科領域的有效方法[15]。常用的文獻計量分析軟件有Vosviewer、CiteSpace、Bibexcel等，其中，CiteSpace是一款應用更為廣泛的計量分析軟件。本文基于文獻計量分析法，利用CiteSpace軟件對267篇裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究文獻進行計量分析。

2 研究概況分析

2.1 年度發(fā)文量

某一研究領域文獻發(fā)文量能夠展現(xiàn)該領域?qū)W術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，而文獻年度發(fā)文量的變化則能夠反映該研究領域熱度的動態(tài)趨勢。2011—2023年數(shù)字技術(shù)應用研究發(fā)文趨勢圖如圖1所示。圖中的虛線是通過移動平均法計算得到，用以模擬國內(nèi)外發(fā)文量變化趨勢。

圖1 2011—2023年數(shù)字技術(shù)應用研究發(fā)文趨勢圖

就國內(nèi)而言，2012—2016年，數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究處于停滯階段，發(fā)文量在4篇以下，研究成果較少。2016年，隨著《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》的發(fā)布，諸多學者開始對裝配式建筑進行研究，2017年文獻數(shù)量增幅較大。2017—2021年是發(fā)文量穩(wěn)步增長期，其中2020年和2021年的研究成果較為豐富。特別是在新冠肺炎疫情特殊時期，裝配式建筑+數(shù)字技術(shù)(如BIM、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等)在應急設施建設中發(fā)揮了重要作用。此外，2020年發(fā)布的《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》也在一定程度上促進了研究進程。自2021年后，國內(nèi)相關(guān)研究成果數(shù)量降低。

國外關(guān)于數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究早于國內(nèi)。2011—2016年，國外相關(guān)研究文獻量為1篇，研究近乎停滯。隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)的應用日趨成熟，國外研究文獻數(shù)量逐漸增長，2017—2022年發(fā)文量呈平滑增長趨勢，2022年達到頂峰后相關(guān)研究文獻數(shù)量有所減少，研究熱度下降。

2.2 作者合作網(wǎng)絡及機構(gòu)分布

利用CiteSpace軟件分別提取作者、發(fā)文量及研究機構(gòu)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建合作關(guān)系網(wǎng)絡圖。圖中節(jié)點大小與發(fā)文量成正比，節(jié)點之間連線表明節(jié)點之間存在合作關(guān)系。

(4)礦質(zhì)混合料比例的確定。首先對組成材料進行篩分，收集原始數(shù)據(jù)，然后計算材料配合比，最后是配合比調(diào)整?；旌狭系募壟鋺x擇連續(xù)級配或合理的間斷級配。

2.2.1國內(nèi)研究概況

國內(nèi)作者合作網(wǎng)絡如圖2所示?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)關(guān)于數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究形成了24個作者合作群、24個作者合作對，其余作者之間沒有合作。雖然國內(nèi)作者形成了一定規(guī)模的合作網(wǎng)絡，但是發(fā)文量在1～2篇，研究成果較少，研究不夠深入。較大的作者合作群有侯本才團隊、鄧朗妮團隊及曹新穎團隊，其中，侯本才團隊主要探索裝配式建筑項目中BIM技術(shù)和RFID技術(shù)的應用，鄧朗妮團隊致力于研究BIM技術(shù)在裝配式建筑深化設計階段的作用，曹新穎團隊主要研究BIM技術(shù)和RFID技術(shù)的應用對裝配式建筑風險和質(zhì)量管理的影響。此外，侯本才、張家春及劉平是早期發(fā)文量較多的學者，近期則以李小東、劉占省、刁璇和倪小磊發(fā)文居多。

圖2 國內(nèi)作者合作網(wǎng)絡

基于CNKI數(shù)據(jù)的研究機構(gòu)分布見表1。可以看出，東南大學發(fā)文數(shù)量最多，大多數(shù)研究單位發(fā)文量為2篇。另外，表中所顯示的研究機構(gòu)大部分是高校，表明高校是該研究領域的主力軍，其他研究機構(gòu)包括研究院、設計院、建筑企業(yè)等。

表1 基于CNKI數(shù)據(jù)的研究機構(gòu)分布

2.2.2 國外研究概況

國外作者合作網(wǎng)絡如圖3所示?？梢钥闯?，國外學者已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的合作網(wǎng)絡關(guān)系，學者之間的合作更為緊密，形成23個作者合作群、18個作者合作對。其中，文獻數(shù)量較多的合作群有Zhong R Y團隊、Al-hussein M團隊和Xu Z團隊。Zhong R Y團隊主要基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈等技術(shù)組合對裝配式建筑協(xié)作平臺構(gòu)建進行研究，Al-hussein M團隊側(cè)重于物料運輸過程中RFID技術(shù)與GPS技術(shù)的應用研究，Xu Z團隊主要探究裝配式建筑三維圖像構(gòu)建與質(zhì)量控制過程中激光掃描技術(shù)的應用。

圖3 國外作者合作網(wǎng)絡

基于WOS數(shù)據(jù)的研究機構(gòu)分布見表2。其中，有9個是中國的研究機構(gòu)，5個是國外的科研機構(gòu)。從發(fā)文量來看，中國的研究機構(gòu)發(fā)文總量遠大于國外研究機構(gòu)發(fā)文量。此外，表2中的研究機構(gòu)均為高校。

表2 基于WOS數(shù)據(jù)的研究機構(gòu)分布

基于WOS數(shù)據(jù)庫對裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究領域發(fā)文國家及文獻量分布情況進行分析，可以分辨出不同國家對該領域的關(guān)注程度。國家合作網(wǎng)絡如圖4所示。發(fā)文數(shù)量通過節(jié)點大小表示，圓環(huán)寬度與年度發(fā)文量成正比?？梢钥闯?，發(fā)文數(shù)量較多的國家為中國、澳大利亞、美國、英格蘭、加拿大、新加坡和韓國，且節(jié)點之間聯(lián)系緊密。

圖4 國家合作網(wǎng)絡

3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡和研究熱點分析

關(guān)鍵詞是文獻實質(zhì)內(nèi)容的高度概括。某一領域關(guān)鍵詞頻次能夠反映該領域研究現(xiàn)狀，而高頻關(guān)鍵詞則在一定程度上體現(xiàn)相關(guān)領域的研究熱點[16]。關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡與聚類分析能夠更好地顯示關(guān)鍵詞頻次分布及關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系[17]。因此，本文通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡和關(guān)鍵詞聚類，分析裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究現(xiàn)狀和熱點。

在共現(xiàn)網(wǎng)絡圖中，節(jié)點表示關(guān)鍵詞，節(jié)點大小與關(guān)鍵詞頻次成正比，節(jié)點之間連線表示關(guān)鍵詞之間存在共現(xiàn)關(guān)系。在關(guān)鍵詞聚類圖中，節(jié)點由不同顏色的圓環(huán)組成，顏色與年份相對應，每個圓環(huán)的厚度代表該關(guān)鍵詞在對應年份出現(xiàn)的頻次，厚度與頻次成正比。聚類結(jié)構(gòu)與清晰度主要通過模塊值(Q)和平均輪廓值(S)評判。Q的取值范圍為[0，1)，當Q>0.3時，表示聚類網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)顯著；當S>0.7時，表示聚類結(jié)果可信度高；當S>0.5時，表示聚類結(jié)果合理。

3.1 國內(nèi)研究情況分析

3.1.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡

在生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡時，將“keyword”中的“threshold”(節(jié)點出現(xiàn)的閾值)設為1。國內(nèi)裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜如圖5所示。

圖5 國內(nèi)裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜

由圖5可知，國內(nèi)裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究涉及的相關(guān)技術(shù)有：BIM、SolidWorks集成技術(shù)、CIM(城市信息模型)、物聯(lián)網(wǎng)(如二維碼、RFID、NB-Iot)、BDS(北斗導航)、GPS、3D激光掃描、VR、區(qū)塊鏈、建筑機器人、數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)。此外，在數(shù)字技術(shù)領域，BIM出現(xiàn)頻率最高，其次是物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和3D激光掃描，而其他數(shù)字技術(shù)應用研究發(fā)文量相對較少?？傮w而言，國內(nèi)BIM技術(shù)在裝配式建筑領域中的應用研究達到成熟階段，其他數(shù)字技術(shù)應用研究還處于探索階段。

3.1.2 關(guān)鍵詞聚類分析基于CNKI的關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖6所示。其中，Q=0.853 5>0.3，S=0.979 7>0.7，表明整體聚類結(jié)果可信?；贑NKI關(guān)鍵詞聚類信息見表3。每個聚類S值均在0.7以上，表明單個聚類可信度高。此外，關(guān)鍵詞聚類時會篩掉容量較少的聚類，因此圖6和表3中無標簽14。

表3 基于CNKI的關(guān)鍵詞聚類信息

圖6 基于CNKI的關(guān)鍵詞聚類圖譜

由圖6和表3可知，國內(nèi)學者對裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究集中體現(xiàn)在以下幾個方面：①裝配式建筑管理中的數(shù)字技術(shù)應用，如成本、風險、質(zhì)量管理等；②裝配式建筑不同階段的數(shù)字技術(shù)應用，如設計、生產(chǎn)和施工階段；③EPC模式下的數(shù)字技術(shù)應用；④基于精益思想的數(shù)字技術(shù)應用；⑤單一數(shù)字技術(shù)應用能力評估；⑥供應鏈協(xié)同平臺打造。其中，管理領域和深化設計階段中的數(shù)字技術(shù)應用是學者關(guān)注的重點。

不同數(shù)字技術(shù)的具體應用存在差異，例如，區(qū)塊鏈技術(shù)側(cè)重于協(xié)同管理平臺打造[4]，[9]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應用于項目信息搜集[6-7]，[18]，3D激光掃描技術(shù)應用于建筑模型構(gòu)建與質(zhì)量管理過程[19-20]。相較其他技術(shù)，BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應用范圍最廣泛且研究成果最豐富。這是由于BIM是最早應用于建筑領域的數(shù)字技術(shù)，其他數(shù)字技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈及大數(shù)據(jù)等)在建筑領域的應用研究剛剛興起，加之技術(shù)壁壘的存在，在一定程度上阻礙了其他數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用與發(fā)展。

3.2 國外情況分析

3.2.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析國外裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜如圖7所示。可以看出，國外裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究涉及的技術(shù)有BIM、物聯(lián)網(wǎng)(如RFID、傳感器)、云計算、3D激光掃描、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、3D打印、建筑機器人、計算機視覺、VR。依據(jù)關(guān)鍵詞頻次分布情況可知，BIM出現(xiàn)頻率最高，其次是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、3D激光掃描、數(shù)字孿生、3D打印和區(qū)塊鏈，最后是計算機視覺技術(shù)、VR和建筑機器人技術(shù)。此外，國外有關(guān)數(shù)字孿生及3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究文獻成果較多，與國內(nèi)數(shù)字技術(shù)應用研究存在差異。

圖7 國外裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜

3.2.2 關(guān)鍵詞聚類分析

基于WOS的關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖8所示。其中，Q=0.824 2>0.3，S=0.932 3>0.7，說明聚類結(jié)果可信度高?；赪OS的關(guān)鍵詞聚類信息見表4。每個聚類的S值均大于0.7，表明聚類關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)度高，聯(lián)系緊密。

表4 基于WOS關(guān)鍵詞聚類信息

圖8 基于WOS的關(guān)鍵詞聚類圖譜

國外有關(guān)數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究集中體現(xiàn)在以下幾個方面：①裝配式建筑管理中的應用(如成本、風險、安全、施工和供應鏈管理)；②裝配式建筑碳排放及循環(huán)發(fā)展問題研究；③裝配式建筑設計階段的應用；④裝配式建筑構(gòu)件質(zhì)量檢測研究；⑤數(shù)字技術(shù)應用對裝配式建筑項目績效影響研究；⑥利益相關(guān)方協(xié)同平臺打造；⑦數(shù)字技術(shù)應用障礙分析。其中，管理和設計階段應用數(shù)字技術(shù)，以及數(shù)字技術(shù)應用對項目績效影響的研究成果較多，是該領域研究熱點。

在國外相關(guān)研究中，數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈技術(shù)主要應用于全生命周期信息交互平臺打造[10]，[21]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應用于基礎數(shù)據(jù)搜集[22-23]，云計算技術(shù)通常與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合[24]，3D打印技術(shù)主要應用于基礎構(gòu)件生產(chǎn)[25-26]，3D激光掃描技術(shù)主要應用于建筑信息模型構(gòu)建過程[27-28]。BIM技術(shù)在建筑領域應用最早。隨著技術(shù)日趨成熟，BIM技術(shù)逐漸從建模軟件向集成化方向發(fā)展，應用研究成果較為豐富。

4 結(jié)語

本文基于CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫，對裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究文獻進行計量分析，繪制知識圖譜，闡述國內(nèi)外裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：

(1)從文獻時間分布情況看，國內(nèi)外裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究發(fā)文量均呈現(xiàn)先增后減的發(fā)展趨勢。國外相關(guān)研究早于國內(nèi)，但國外研究頂峰時間滯后于國內(nèi)；國內(nèi)外文獻研究成果較多的年份為2020—2022年，盡管隨后文獻數(shù)量出現(xiàn)一定下降，但年度發(fā)文量仍在18篇以上，表明數(shù)字技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究仍保持一定的熱度。從作者合作關(guān)系來看，國外學者之間關(guān)系緊密，形成了一定規(guī)模的合作團體，國內(nèi)學者盡管形成了一定數(shù)量的合作團體，但相互之間合著文獻數(shù)量較少。從機構(gòu)整體分布情況來看，國內(nèi)外研究的主力軍均為高校。從發(fā)文國家情況來看，中國是發(fā)文量最多的國家，其他發(fā)文量較多的國家是美國和澳大利亞。

(2)就數(shù)字技術(shù)本身而言，BIM是最早應用于裝配式建筑的數(shù)字技術(shù)，國內(nèi)外關(guān)于BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究較為成熟，研究成果較為豐富。除BIM技術(shù)，國內(nèi)外數(shù)字技術(shù)應用研究存在差異，國內(nèi)側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和3D激光掃描技術(shù)在裝配式建筑中的應用研究，國外側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、3D激光掃描、數(shù)字孿生、3D打印和區(qū)塊鏈技術(shù)的應用研究?？傮w而言，其他類別的數(shù)字技術(shù)應用研究仍處于探索階段，研究成果較少。此外，裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究也由單一技術(shù)應用研究逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)組合應用研究。

(3)就數(shù)字技術(shù)應用領域而言，國內(nèi)學者重點關(guān)注以下幾個方面：裝配式建筑管理問題研究(成本、風險和質(zhì)量管理)、裝配式建筑深化設計及精益思想下的數(shù)字技術(shù)應用。國外學者主要關(guān)注點為：裝配式建筑管理問題(風險、成本、質(zhì)量和供應鏈管理)、碳排放和循環(huán)經(jīng)濟、裝配式建筑深化設計、質(zhì)量檢測和績效影響。由此可見，裝配式建筑管理和深化設計是國內(nèi)外學者關(guān)注的重點。

根據(jù)本文研究成果，針對當前研究現(xiàn)狀，提出以下對策和建議：

(1)裝配式建筑數(shù)字技術(shù)應用研究文獻大多基于理論層面分析和模擬，今后應加強數(shù)字技術(shù)在實際項目的應用研究。同時，拓展其他數(shù)字技術(shù)(如RFID、二維碼及激光掃描技術(shù)等)的應用研究。

(2)不同數(shù)字技術(shù)具有自身獨特的應用優(yōu)勢，如RFID在數(shù)據(jù)搜集方面存在優(yōu)勢，3D激光掃描技術(shù)在模型構(gòu)建方面存在優(yōu)勢。應依據(jù)不同數(shù)字技術(shù)特性，積極探索不同技術(shù)組合在裝配式建筑中的應用。

(3)隨著數(shù)字技術(shù)日趨成熟，數(shù)字技術(shù)的應用趨向于技術(shù)組合使用。當前，不同數(shù)字技術(shù)的文件兼容性較差，不利于技術(shù)組合使用，今后應加強軟件技術(shù)開發(fā)，以提升軟件適用性。

(4)積極開發(fā)數(shù)據(jù)效能，為裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展助力。同時，應增強數(shù)據(jù)信息安全意識，加大數(shù)據(jù)信息保護力度。