基于文獻計量法的BIM 技術(shù)在水利工程中的應用研究

劉俊宏

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

建筑信息模型（building information modeling, BIM）是一種數(shù)字化建筑設計和建造過程的方法和工具，通過構(gòu)造三維可視化模型進行方案設計、施工建造、運營管理等建筑全生命周期所參考的文件[1]。它通過在一個綜合的數(shù)字模型中整合建筑物的幾何形狀、空間關(guān)系、材料、性能和成本等信息，以協(xié)調(diào)和優(yōu)化建筑設計、施工和運營過程。BIM 技術(shù)可以幫助建筑師、工程師和施工團隊在整個建筑項目生命周期中更好地合作、協(xié)調(diào)和溝通，提高設計和施工效率、降低成本和減少錯誤。它還可以提供可視化模擬和分析功能，幫助利益相關(guān)者更好地理解建筑的設計和性能。BIM 技術(shù)通常包括一系列軟件工具和標準，如Revit、Archicad、Navisworks等。它已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑和工程項目的標準工具之一。

水利工程相較于其他土建工程而言，工程結(jié)構(gòu)復雜，建設周期長，地下工程較多等特點，BIM 在水利工程建設中起到了三維動態(tài)展示、周期管理的作用。自BIM 技術(shù)引進國內(nèi)，BIM 技術(shù)的應用在水利工程中取得了一些成果，但是BIM 技術(shù)還具有很大的發(fā)展空間，利用社科類可視化軟件可以從整體上把控BIM 在水利工程中的應用方向，實現(xiàn)BIM 技術(shù)在水利工程中的大規(guī)模有效推廣和應用。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

CiteSpace 是美國費城德雷克塞爾大學的陳超美博士領(lǐng)導研發(fā)的可視化模型工具，相較于其他的知識圖譜軟件，CiteSpace 具備界面清晰簡潔、操作簡單，科學性強、覆蓋功能強大等優(yōu)點，并且系統(tǒng)更新升級速度較快，能夠適應當代學者的科研需求。該軟件具有國內(nèi)外在各領(lǐng)域的應用基礎(chǔ)，尤其是在綜述性研究中的應用較廣，近幾年來逐漸應用于建筑科學領(lǐng)域。此次研究采用的是5.8.R3 版本進行分析，得到相關(guān)的知識圖譜，以圖文結(jié)合的形式分析和總結(jié)BIM 在水利工程中的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，來把握相關(guān)的研究熱點。

通過知網(wǎng)（CNKI）論文數(shù)據(jù)庫高級檢索來檢索主題“水利工程”和“BIM”，檢索時間為2022 年1 月12 日，共得到文獻388 篇，剔除關(guān)聯(lián)不大文獻4 篇，最終獲取關(guān)聯(lián)度較強的相關(guān)研究文獻384 篇?？傮w來看，研究樣本精確度高、與所研究主題關(guān)聯(lián)性強，并且具備較好的時效性。

2 結(jié)果分析

2.1 發(fā)文數(shù)量

BIM 在水利工程中的應用研究的文獻發(fā)文量共分為兩個階段，第一階段為緩慢發(fā)展的低水平階段，時間段為2011—2015 年；第二階段為飛速增長的高熱度階段，時間段為2016—2021 年，在2021 年，有小幅回落，但是近幾年年發(fā)文量均保持在70 篇以上。除此之外，還對研究樣本中的北大核心和CSSCI 核心文獻進行了統(tǒng)計，研究發(fā)現(xiàn)核心文獻的發(fā)文數(shù)量符合研究樣本發(fā)文的年份分布的階段，但是年核心文獻發(fā)表的數(shù)量與年發(fā)文總量的比例并不符合。2019 年、2020 年、2021 年該比例分別為0.1818、0.1326、0.0978，呈現(xiàn)了連年的下滑趨勢，這意味著在近幾年該研究主題成為研究熱點的同時，還需要進行深入高層次的研究，產(chǎn)出高質(zhì)量高水平的核心文獻。

2.2 研究作者

選取了發(fā)文數(shù)量大于3 的作者，按照作者發(fā)文數(shù)量降序進行排序，共得到14 位。其中孫少楠發(fā)文數(shù)量為4 篇，其中3 篇為核心期刊，被引文章《BIM 技術(shù)在水利工程中的應用研究》運用洪都拉斯帕圖卡水電站項目實證了BIM 能夠為水利工程提供完整、配套的沙盤模型，并提供了BIM 在算量中的具體應用，為之后的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)[2]；王海俊發(fā)文數(shù)量為4 篇，其中一篇為核心期刊，核心作者的發(fā)文質(zhì)量具有一定的保證。相關(guān)作者合作知識圖譜如圖1 所示。兩位作者在BIM 在水利工程中的研究成果較為突出。作者標簽越大代表其中心性越強，由于研究樣本數(shù)量較少，主要分析得出以王海俊和孫少楠為代表的兩個合作群體，其他各作者之間沒有形成較為緊密的合作。

圖1 相關(guān)作者合作知識圖譜

2.3 研究機構(gòu)

統(tǒng)計得出，研究樣本共涉及158 家研究機構(gòu)，根據(jù)各機構(gòu)的發(fā)文數(shù)量進行降序排序，選取發(fā)文數(shù)量大于3 篇的機構(gòu)進行展示，本研究主要發(fā)文機構(gòu)如表1 所示。其中天津大學為發(fā)表相關(guān)研究文獻最多的機構(gòu)，陸續(xù)發(fā)表6 篇，青州市水利建筑總公司、華北水利水電大學、江蘇省水利勘測設計研究院有限公司也各發(fā)表4 篇?？梢钥吹娇蒲性盒ｎ悪C構(gòu)占比較重，是主要的研究機構(gòu)類型之一。研究機構(gòu)大多屬于我國的中東部發(fā)達地區(qū)。如天津大學、河海大學、華北水利水電大學等院校均屬于水利類的專業(yè)的重點研究高校。中國電建集團華東勘測設計院有限公司、江蘇省水利勘測設計研究院有限公司等企業(yè)也是BIM 技術(shù)在水利工程應用較早的企業(yè)。

表1 本研究主要發(fā)文機構(gòu)

2.4 研究熱點

運用CiteSpace 軟件，在Node Types 中選擇Keyword選項，繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜。分析得出圖譜中節(jié)點共有238 個，關(guān)聯(lián)線共有475 條，網(wǎng)絡密度為0.0168，說明該研究主題涉及領(lǐng)域廣闊，各關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系較為密切，具備繼續(xù)進行分析的條件。

根據(jù)一定數(shù)量的文獻研究能夠把握該研究領(lǐng)域的發(fā)展狀況。關(guān)鍵詞是整個文獻研究的主題和核心內(nèi)容，CiteSpace 通過測量和計算，在可視化知識圖譜中將較高中介中心性的關(guān)鍵詞節(jié)點采用圓圈的方式突出表示，形成關(guān)鍵節(jié)點，節(jié)點越大代表中心度越強，研究熱度越高[3]。設置關(guān)鍵詞出現(xiàn)的最少次數(shù)為5，對圖譜進行精簡后得到高頻關(guān)鍵詞知識圖譜（圖2）。關(guān)鍵詞的突顯與研究的熱點密切相關(guān)，由于關(guān)鍵詞“應用”“水利行業(yè)”等不具備實際研究意義，故剔除不具有實際研究意義的關(guān)鍵詞；關(guān)鍵詞“三維建?！迸c“三維模型”研究指向相同，故將其統(tǒng)一合并為關(guān)鍵詞“三維模型”進行闡述，以下將對“二次開發(fā)”“三維模型”“水庫工程”等高頻關(guān)鍵詞進行分析。

圖2 高頻關(guān)鍵詞知識圖譜

（1）“三維模型”。與傳統(tǒng)2D 工程圖相比，BIM 能夠?qū)λこ虒φw信息進行建模，形成三維模型?？梢越Y(jié)合周邊山地、溝谷等地形進行建筑模型的構(gòu)建，動態(tài)展示完工效果，施工進度等。這些能夠幫助管理人員之間的對接，有助于現(xiàn)場施工人員短時間內(nèi)掌握工程的整體構(gòu)架和具體的安裝布置，提高工作效率。隨著對可視化的要求增加，之后出現(xiàn)了無人機實景三維建模的技術(shù)性突破。

（2）“二次開發(fā)”。由于BIM 軟件所提供的功能并不能滿足所有使用者的需求，使用者可利用Revit 等軟件對BIM 技術(shù)進行融合發(fā)展，提高使用效率和功能拓展。

（3）“水庫工程”。修建水庫工程是水利工程中重要的一項內(nèi)容。BIM 技術(shù)可應用于水庫選址、規(guī)劃設計階段、施工管理階段等。向威將相對成熟的GIS 技術(shù)與還不夠完善的BIM 技術(shù)相結(jié)合對茨竹水庫項目進行管理，這種做法為BIM 在水利工程中的應用搭建了橋梁，既可以進行三維模型的構(gòu)建還可以對施工任務和施工順序進行精確管控[4]。薛向華等人基于實際應用的經(jīng)驗認為BIM 技術(shù)可以應用于水庫工程的整個生命周期，提出“BIM+”的思想理念，進行跨平臺合作，規(guī)避BIM在水庫工程中技術(shù)弊端[5]?；贐IM 技術(shù)自身的特點，目前在水庫工程中，主要應用于項目設計階段，其他階段的應用還需要后續(xù)進行開發(fā)和跟進[6]。

2.5 演進路徑和階段劃分

將關(guān)鍵詞進行時區(qū)劃分，形成分布時區(qū)圖譜（圖3），“BIM”“水利工程”出現(xiàn)在同一年度，并且都是作為研究熱點出現(xiàn)，二者影響跨度都為9 年。在2013 年，二者之間的關(guān)聯(lián)較弱，后期逐漸融合發(fā)展。總體來看，可將BIM 在水利工程中的應用研究劃分為3 個階段。

圖3 關(guān)鍵詞分布時區(qū)

第一階段：萌芽階段（2013—2014 年）。BIM 概念源于美國，在21 世紀初期被引入國內(nèi)。BIM 在水利工程中的應用出現(xiàn)在2013 年，我國在這方面的研究要晚于歐美國家。王仁超等[7]《BIM 在混凝土壩工程施工信息管理中的應用》是我國較早將BIM 應用于水利工程的研究，利用BIM 對施工信息進行有效的管理，并進行了實證分析。

第二階段：探索發(fā)展階段（2015—2018 年）。張超等[8]開啟了這一階段的研究。主要研究的是BIM 技術(shù)水利工程在設計階段的運用。包括了水利工程的三維建模、工程量的統(tǒng)計、二次開發(fā)、多專業(yè)協(xié)同設計等。該階段主要是針對如何利用BIM 技術(shù)為設計過程提供便利。這個階段研究單位也主要是科研設計機構(gòu)，同時也是BIM 技術(shù)在水利工程研究的飛速發(fā)展的階段。

第三階段：優(yōu)化賦能階段（2019—2021 年）。BIM 開啟了信息化，BIM 技術(shù)在水利工程應用的從單一的設計階段應用，發(fā)展到應用覆蓋工程的全生命周期。包括了設計階段、施工階段、項目管理以及后期運營維護等階段。BIM 技術(shù)研究的軟件也呈現(xiàn)出多樣化的特點。

3 結(jié)語

通過CiteSpace 可視化軟件對BIM 在水利工程中的應用情況進行了分析，主要圍繞研究文獻和核心研究文獻發(fā)文數(shù)量、研究作者及研究機構(gòu)、研究熱點等進行分析。

BIM 技術(shù)在水利工程中的應用越來越廣泛。在設計階段，BIM 技術(shù)可以幫助工程師在設計階段中進行三維模型的建模、可視化和協(xié)同工作，以更好地理解水利工程的各個方面。在施工階段，BIM 技術(shù)可以幫助施工人員在水利工程的施工階段中進行現(xiàn)場管理和監(jiān)測，以確保施工的正確性和有效性。在運營和維護階段，BIM 技術(shù)可以幫助運營和維護人員監(jiān)測和管理水利工程的各個方面，以確保其高效、可靠和安全。在數(shù)據(jù)管理方面，BIM 技術(shù)可以在水利工程中進行數(shù)據(jù)管理，將不同來源的數(shù)據(jù)整合在一起，并提供分析和決策支持。

經(jīng)過對比分析，預測水利BIM 未來的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下4 個方面。

（1）設計優(yōu)化與仿真分析方面。BIM 技術(shù)將通過建模和仿真分析，優(yōu)化水利工程的設計，包括水文分析、水力計算、水資源分配等。

（2）施工管理與質(zhì)量控制方面。BIM 技術(shù)將實現(xiàn)對水利工程施工過程的監(jiān)控與管理，包括進度控制、安全管理、質(zhì)量控制等，從而提高施工效率和工程質(zhì)量。

（3）運營與維護管理方面。BIM 技術(shù)將實現(xiàn)對水利工程的運營與維護管理，包括設備管理、維護計劃制定、故障預測等，從而提高運營效率和降低運營成本。

（4）信息化應用方面。BIM 技術(shù)可以將水利工程的各個環(huán)節(jié)進行信息化處理，包括設計、施工、運營等，從而實現(xiàn)水利工程全生命周期的信息化管理。

綜上所述，BIM 技術(shù)在水利工程中的應用將更加廣泛和深入，提高工程的質(zhì)量、效率和可靠性，同時也有助于降低成本和提高安全性，BIM 技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。