國內(nèi)外BIM 發(fā)展綜述及熱點趨勢分析

付功云，王 婷

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；2.中國中鐵智慧城市研發(fā)中心，天津 300308）

技術(shù)的頑強生命力，體現(xiàn)在其具備自我進化適配社會技術(shù)發(fā)展趨勢的特質(zhì)，BIM（Building Information Modeling）從提出到廣泛應用印證了這一點。Chuck Eastman[1]于1975 年提出了計算機建筑輔助設計是3D 空間元素組合的概念；Robert Aish[2]于1984 年設想三維建模系統(tǒng)在未來生產(chǎn)中可起到重要輔助作用；Autodesk 于2002 年發(fā)布白皮書，BIM 定義趨向統(tǒng)一，向協(xié)同設計、構(gòu)件驅(qū)動延伸發(fā)展；劉葵[3]2003 年發(fā)表了BIM 采訪論文，介紹建筑全生命周期信息模型概念，標示我國BIM 發(fā)展的開端；葛松培等人[4]2004 年引用全生命周期內(nèi)項目團隊共享一個建筑模型的概念，將BIM 引入國內(nèi)；Graphisoft[5]2005 年發(fā)布BIM 項目管理類軟件ArchiCAD Constructor，集成傳感數(shù)據(jù)實現(xiàn)施工質(zhì)量控制；2008年BIM 從3D、4D 向多維管理方向發(fā)展[6]；廣聯(lián)達2010 年發(fā)布BIM5D 鋼筋算量軟件，是國內(nèi)自主研發(fā)國產(chǎn)化BIM 工業(yè)軟件的開端[7]；英國政府2011年發(fā)布Government Construction Strategy 2011，包含BIM 強制令，以此為標識，BIM 技術(shù)在全球迅速普及；直至今天，BIM 技術(shù)仍然在不斷發(fā)展。從自然辯證法角度，社會需求對技術(shù)發(fā)展起到方向、速度及規(guī)模的調(diào)節(jié)作用，在我國加快數(shù)字經(jīng)濟建設、推動高質(zhì)量發(fā)展的形勢下，BIM 已成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一，BIM 大規(guī)模應用發(fā)展是當今時代的選擇?；诖耍疚难芯緽IM 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以期對BIM 技術(shù)發(fā)展起到一定的促進作用。

1 研究方法

為確保研究數(shù)據(jù)的全面性和可靠性，本文從WoS（Web of Science）數(shù)據(jù)庫中檢索BIM 相關(guān)文獻。在WoS 中，部分專業(yè)術(shù)語縮寫為BIM，影響檢索準確性，可加入否定判斷條件，過濾不屬于檢索范圍的文獻。將高級檢索規(guī)則設定為TS=（BIM OR"building information modeling"）NOT TS="Boundary Integral Method"，檢索時間范圍設定為2006 年至今，檢索類別設定為Engineering Civil AND Construction Building Technology，篩選出文獻3 085 篇，作為文獻計量的基礎數(shù)據(jù)。

CiteSpace 可基于共引分析理論和路徑查找算法，通過一個領(lǐng)域的文獻集找到該領(lǐng)域發(fā)展中的關(guān)鍵點，通過可視化映射展現(xiàn)發(fā)展歷程、挖掘前沿熱點、分析進化趨勢。VOSviewer 可生成多種基于文獻計量的可視化知識圖譜，如期刊、機構(gòu)、作者共引分析圖譜等[8]。本文利用CiteSpace 軟件和VOSviewer 軟件，對文獻集進行共引分析，對關(guān)鍵詞進行共現(xiàn)分析，對關(guān)鍵詞與參考文獻等不同類別信息進行聚類分析；參考宋秀芳等人[9]研究成果，應用VOSviewer 軟件進行基礎分析，應用CiteSpace 軟件進行熱點趨勢演化分析，應用Python 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與繪圖。

2 基礎分析

2.1 文獻時空分布

BIM 領(lǐng)域文獻數(shù)量的時間分布如圖1 所示。2006 年之前，是BIM 概念從廠商提出到社會認同的過渡階段，處于BIM 概念的產(chǎn)生階段；在2006—2022 年期間，BIM 文獻數(shù)量從5 篇發(fā)展到586 篇，呈現(xiàn)明顯上升趨勢，處于BIM 技術(shù)發(fā)展的上升階段。

BIM 領(lǐng)域文獻數(shù)量的地理空間分布如圖2 所示。有效計量4 264篇；篩選出的3085 篇文獻中，部分為多國合作的文獻。全球92 個國家與地區(qū)發(fā)表的BIM領(lǐng)域文獻中，我國排在第1 位，共有文獻754 篇，占比17.68%；其次為美國，共有文獻570 篇，占比13.37%；另外，英格蘭、澳大利亞、德國、韓國、加拿大、意大利、西班牙與伊朗排在第3—10 位，共有文獻1 574 篇，占比36.91%；前10 名占比達到67.96%，其他國家占比為32.04%。

圖2 BIM 領(lǐng)域文獻數(shù)量的地理空間分布

對BIM 領(lǐng)域文獻數(shù)量前10 名的國家及地區(qū)的文獻發(fā)表趨勢分析，如圖3 所示，可知總體趨勢逐年上升，BIM 技術(shù)的發(fā)展并不是某一個國家的獨立行為，而是全球認可采納的技術(shù)。以我國為例，發(fā)表量從2011 年的3 篇，增長到2022 年的182 篇。

圖3 BIM 領(lǐng)域發(fā)表量前10 的國家文獻時間分布

2.2 期刊共引分析

期刊共引指2 種期刊發(fā)表的文獻同時被其他期刊文獻引用，其他期刊數(shù)量即為期刊共引強度[10]，能夠揭示期刊之間的交叉關(guān)系，確定BIM 領(lǐng)域核心期刊。在VOSviewer 軟件中設定期刊最小共引數(shù)為100，有121 份期刊滿足要求。表1 中列出排名前5 的BIM 領(lǐng)域高共引期刊，Automation in Construction 期刊共引數(shù)和總鏈接強度超過其他期刊，是國際BIM領(lǐng)域核心期刊之一；排名前5 的期刊總鏈接強度均超過30 000，對BIM 的發(fā)展起到積極促進作用。

表1 排名前5 的BIM 領(lǐng)域高共引期刊

BIM 領(lǐng)域期刊共引分析圖譜如圖4 所示，圖4 中，圓圈（121 個）直徑大小代表期刊與BIM 的相關(guān)性，不同圓圈之間的連線、距離代表共引關(guān)系，連線數(shù)量（6 891 根）與厚度代表總鏈接強度（1 087 045），可知Automation in Construction 期刊處于核心位置。

圖4 BIM 領(lǐng)域期刊共引分析知識圖譜

2.3 文獻共引分析

對文獻進行共引分析，VOSviewer 軟件中，設定文獻最少共引數(shù)為20，篩選出高共引文獻528 篇。表2 列出排名前5 的BIM 領(lǐng)域高共引文獻，于2008年出版、并于2011 年修訂的BIM Handbook[11]，已316 次排名第1，該書介紹BIM 定義、背景、技術(shù)路線、適用范圍，整理不同國家工程業(yè)主需求，規(guī)范建筑全生命周期中所涉及的角色的應用點及應用標準流程，是BIM 領(lǐng)域研究經(jīng)典作品之一。其次是Salman Azhar[12]于2011 年發(fā)表的論文，文中梳理了建筑設計、土木工程與施工建筑業(yè)（AEC，Architecture,Engineering &Construction）BIM 領(lǐng)域的趨勢、收益、風險及挑戰(zhàn)，為BIM 發(fā)展提供了有益的參考。共引排名前列的文獻在BIM 發(fā)展歷史中起到了引領(lǐng)與指導作用，是BIM 不同發(fā)展階段里程碑式文獻。

表2 排名前5 的BIM 領(lǐng)域高共引文獻

將有共引關(guān)系的文獻關(guān)聯(lián)分析，形成528 個圓圈、50 943 根連線、5 個聚類族的耦合知識圖譜，總鏈接強度為119 394，如圖5 所示。

圖5 BIM 領(lǐng)域文獻共引分析圖譜

圖5 中，聚類#1（藍色）核心文獻：Salman Azhar 的AEC 行業(yè)的趨勢收益風險和挑戰(zhàn)；聚類#2（紅色）核心文獻：Chuck Eastman 的BIM Handbook；聚類#3（綠色）核心文獻：Becerik-Gerber 的BIM 設施管理應用領(lǐng)域和數(shù)據(jù)要求；聚類#4（黃色）核心文獻：Frederic Bosche 的激光掃描中三維CAD 模型對象的自動識別和竣工尺寸計算[16]；聚類#5（紫色）核心文獻：Becerik-Gerber 的BIM 設施管理的應用領(lǐng)域和數(shù)據(jù)要求。以上聚類結(jié)果從研究綜述、建模及應用指南、運維管理、施工管理、數(shù)據(jù)格式要求等不同角度對BIM 進行了研究。

2.4 機構(gòu)耦合分析

對機構(gòu)進行文獻耦合分析，VOSviewer 軟件中，設定機構(gòu)最少發(fā)表文獻數(shù)量為5、單篇文獻最大機構(gòu)數(shù)設定為30，2 037 個機構(gòu)中有277 個滿足條件。表3 列出排名前5 的BIM 領(lǐng)域研究機構(gòu)，其中，香港理工大學發(fā)表文獻76 篇，被引2 646 次，是發(fā)文最多的機構(gòu)；科廷大學發(fā)表文獻67 篇，被引3 267次，是被引最多的機構(gòu)。

表3 排名前5 的BIM 領(lǐng)域研究機構(gòu)

將有共引關(guān)系的文獻機構(gòu)連線分析，形成277個圓圈、36 351 根連線、5 個聚類族的耦合知識圖譜，總鏈接強度為1 449 697，如圖6 所示。

圖6 BIM 領(lǐng)域機構(gòu)-文獻耦合分析圖譜

由圖6 可知，香港理工大學—聚類族#1（紅色）、佐治亞理工學院—聚類族#2（綠色）、重慶交通大學—聚類族#3（藍色）、科廷大學—聚類族#4（黃色）、不列顛哥倫比亞大學—聚類族#5（紫色）等在BIM 領(lǐng)域不同研究方向處于領(lǐng)先地位。

2.5 作者被引分析

VOSviewer 軟件中，設定作者最少發(fā)文為5 篇，7 156 名作者中，有270 人滿足條件。表4 列出排名前5 的BIM 領(lǐng)域文獻作者，其中，Jack C.P.Cheng發(fā)表文獻44 篇，被引1 690 次，是BIM 領(lǐng)域發(fā)文多的作者；Wang Xiangyu 發(fā)表文獻28 篇，被引1 944次，是BIM 領(lǐng)域文獻被引多的作者。

表4 排名前5 的BIM 領(lǐng)域文獻作者

將有共引關(guān)系的文獻作者連線分析，形成270個圓圈、8 810 根連線、8 個聚類族的共引分析知識圖譜，總鏈接強度為18 245，如圖7 所示。

圖7 BIM 領(lǐng)域作者引用分析圖譜

圖7 中，以引用數(shù)量為圓圈直徑，直徑越大，代表該作者文獻共引總量越高，可知Jack C.P.Cheng、Rafael Sacks 等作者處于各聚類族的中心位置，對BIM領(lǐng)域相關(guān)研究方向具有導向能力。

3 熱點演化分析

3.1 關(guān)鍵詞清理

基于BIM 領(lǐng)域熱點聚類演化需求，在CiteSpace軟件中，g-index 為節(jié)點，比例因子k值取25，篩選出至少出現(xiàn)1 次的關(guān)鍵詞831 個。將相近詞合并，基于模糊、無意義、通用、關(guān)聯(lián)小的關(guān)鍵詞忽略的原則，對其進行清理。最終合并關(guān)鍵詞32 個，忽略關(guān)鍵詞92 個，剩余可用于后續(xù)分析的關(guān)鍵詞707 個。

3.2 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是文獻主題、內(nèi)容、焦點概念的表達，關(guān)鍵詞分析能夠揭示文獻的研究熱點和演變趨勢。本文采用CiteSpace 軟件實現(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，得到關(guān)鍵詞共引分析圖譜，如圖8 所示。

圖8 BIM 領(lǐng)域關(guān)鍵詞共引分析圖譜

圖譜包含707 個關(guān)鍵詞節(jié)點和4 108 條節(jié)點連線，其中，每個節(jié)點圓圈的大小表示關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率，節(jié)點在整體布局中所處的位置與關(guān)鍵詞中心值相關(guān)，節(jié)點自身顏色從黃色到深紫色不等，從近期到早期的共現(xiàn)時間排列，節(jié)點之間的距離代表關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)解釋性的高低，節(jié)點連線厚度從細到粗代表關(guān)鍵詞之間緊密程度，連線顏色從黃色到深紫色，代表關(guān)鍵詞第一次共現(xiàn)出現(xiàn)的時間。以關(guān)鍵詞設計（design）為例，共現(xiàn)頻率450 次，排序第2 位，圓圈大小排序第2 位；中心性值為0.16，排序第2 位，處于核心位置；與其他如建設（construction）、框架（framework）、知識工程（knowledge）等111 個關(guān)鍵詞連線，其中，線條最粗的為可視化構(gòu)造（visualizing construction）與標準（criteria），黃色線條連接2018 年共現(xiàn)關(guān)鍵詞為分配（allocation），深紫色線條連接2006 年共現(xiàn)關(guān)鍵詞如標準（criteria）、參數(shù)化（configuration）等；可知，BIM 領(lǐng)域早期應用在建筑設計中，基于BIM 相關(guān)標準，構(gòu)建整體設計框架、參數(shù)化的知識工程，實現(xiàn)可視化構(gòu)造優(yōu)化設計目的，逐步通過BIM 協(xié)同設計平臺實現(xiàn)設計任務分解與分配，成果逐步延伸到建設、運維等階段應用。

排名前10 的共現(xiàn)頻率關(guān)鍵詞如表5 所示。

表5 排名前10 的BIM 領(lǐng)域共現(xiàn)頻率關(guān)鍵詞

BIM 共現(xiàn)1 581 次，設計（design）共現(xiàn)450 次，建設（construction）共現(xiàn)428 次，管理（management）共現(xiàn)354 次，代表BIM 從2006 年起應用于設計階段，2008 年起用于運維期，2009 年起用于建設期，是一個逐步向其他建設階段拓展的過程，直至2013 年出現(xiàn)全生命周期框架概念，如生命周期評估（life cycle assessment）共現(xiàn)72 次，是BIM 領(lǐng)域重要研究方向。其他大部分關(guān)鍵詞是全生命周期應用的細化與集成，如性能分析、仿真分析、IFC 標準、成本等。可知，BIM 技術(shù)處于隨著時間不斷縱向拓展、橫向細化的發(fā)展過程。

3.3 聚類分析

對關(guān)鍵詞聚類分析，CiteSpace 軟件中，形成18個熱點聚類，包含#0 模型（model）、#1BIM、#2 項目（project）、#3 設計（design）、#4 全生命周期評估（life cycle assessment）、#5 實施（implementation）、#6 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（rc structures）、#7 火災應急（fire emergency）、#8 數(shù)字施工（digital construction）、#9IFC、#10 傾斜攝影（photogrammetry）、#11 三維點云模型（3d point cloud models）、#12 碰撞檢查（workspace interference）、#13 歷史建筑（historic building）、#14 智慧合同（smart contract）、#15 可持續(xù)性實踐（sustainablility practices）、#16 環(huán)境影響（environmental impacts）、#17 施工干系人（construction stakeholders），如圖9 所示。

圖9 BIM 領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚類分析

熱點聚類分析表明，BIM 領(lǐng)域文獻主要集中在理論研究、技術(shù)研究開發(fā)和實踐應用等3 個集群，理論研究包含模型、BIM、全生命周期評估等；技術(shù)研究開發(fā)包含IFC、傾斜攝影、三維點云模型、智慧合同、環(huán)境影響等；實踐應用包含項目、設計、實施、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、火災應急、數(shù)字施工、碰撞檢查、歷史建筑、可持續(xù)性實踐、施工干系人等?；A理論是技術(shù)研發(fā)的基礎，技術(shù)研發(fā)又在實踐應用中完善，形成一套不斷自我進化的生態(tài)體系。

4 熱點趨勢分析

4.1 理論研究趨勢

理論研究是技術(shù)研發(fā)與實踐應用的基礎，未來理論研究趨勢主要包括：（1）多種BIM 設計軟件成果共通的研究，包含標準體系的建立與應用、多種標準的統(tǒng)一，自動生成組合模型，典型關(guān)鍵詞為交換（exchange）、標準（criteria）、IFC、Omniclass 等；（2）設計、施工、運營等階段，BIM 模型幾何信息、附屬信息全生命周期分類編碼通用性研究，實現(xiàn)工程全生命周期管理應用與全過程數(shù)據(jù)追溯，典型關(guān)鍵詞為全生命周期（life cycle）、多重標準（multiple criteria）、關(guān)聯(lián)（relevance）等；（3）設計、施工、運營等階段BIM 應用框架、指南、數(shù)字經(jīng)濟、擴展領(lǐng)域的研究，典型關(guān)鍵詞為框架（framework）、支撐框架（braced frame）、指南（guidebook）、城市信息模型（CIM）、數(shù)字化（digital）等；（4）結(jié)合管理理論、優(yōu)化算法、評估模型等研究BIM 方法論、效益、現(xiàn)狀、對比等，推動BIM 沿著正確方向發(fā)展，典型關(guān)鍵詞為算法（algorithm）、優(yōu)化（optimization）、方法論（methodology）、本體論（ontology）、模糊評價（AHP）、神經(jīng)網(wǎng)絡（neural network）、蟻群優(yōu)化（ant colony optimization）、效益（benefit）、可持續(xù)性評估（sustainability assessment）等；（5）知識總結(jié)，分析先進理論應用、成功項目經(jīng)驗等，整理可復用成果，指引相應工具軟件、平臺的研發(fā)，典型關(guān)鍵詞為知識管理（knowledge management）、多目標優(yōu)化（multiobjective optimization）、效率（efficiency）等。

4.2 技術(shù)研發(fā)趨勢

基于理論研究進行技術(shù)研發(fā)，研發(fā)產(chǎn)品在工程實踐中檢驗完善。未來技術(shù)研發(fā)趨勢主要包括：（1）結(jié)合新技術(shù)研發(fā)，拓展BIM 技術(shù)應用縱橫向范圍，保持BIM 的先進性、適應性，典型關(guān)鍵詞為人工智能（artificial intelligence）、深度學習（deep learning）、大數(shù)據(jù)（big data）、云計算（cloud）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）等；（2）BIM 全生命周期管理平臺數(shù)據(jù)高度集成研發(fā)，從設計、施工到運維應用，從靜態(tài)數(shù)據(jù)填報到動態(tài)數(shù)據(jù)智能采集，從個體信息系統(tǒng)的信息孤島到信息貫通、數(shù)據(jù)整合的三維（基礎）平臺，體現(xiàn)BIM 模型作為信息載體的優(yōu)越性、可靠性、可擴展性、智能性等，典型關(guān)鍵詞為集成（integration）、融合（fusion）、數(shù)據(jù)收集（data collection）、傳感器（sensor）等；（3）工業(yè)軟件的研發(fā)，BIM 設計、仿真模擬、分析、協(xié)同、三維引擎基礎平臺等工業(yè)化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化類型國產(chǎn)軟件研發(fā)，奠定BIM 良好應用基礎條件，典型關(guān)鍵詞為BIMBase、BIM5D 等；（4）中間件工具軟件的研發(fā)，解決中間瓶頸、串聯(lián)多個應用點或環(huán)節(jié)，形成落地的軟件平臺體系，典型關(guān)鍵詞為產(chǎn)品研發(fā)（product development）、供應鏈（supply chain）等；（5）專業(yè)深度研發(fā)，在多個項目中重復、集中應用的專業(yè)化管理平臺研發(fā)，實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)規(guī)模化目標，典型關(guān)鍵詞為健康監(jiān)測（health monitoring system）、能耗管理（energy management）、安全管理（safety management）等。

4.3 實踐應用趨勢

將理論研究成果、研發(fā)成果應用于實踐并完善，未來趨勢主要包括：（1）行業(yè)細分落地應用，根據(jù)房建、市政、軌道交通等不同AEC 行業(yè)需求定制化調(diào)整與應用，典型關(guān)鍵詞為建筑（building）、城市（city）等；（2）碳達峰背景下可持續(xù)綠色建筑應用，典型關(guān)鍵詞為節(jié)能環(huán)保建筑（energy performance green building）、環(huán)境（environment）、可持續(xù)性（sustainability）等；（3）三維仿真分析，典型關(guān)鍵詞為性能模擬（performance simulation virtual reality）、疏散（evacuation）、數(shù)字化預制（prefabrication）與裝配式施工（installation）等；（4）基于深度學習的自動識別采集和生成BIM 模型及屬性信息應用，典型關(guān)鍵詞為識別（identification）、點云（point cloud）、激光雷達（lidar）等；（5）數(shù)字經(jīng)濟建設、數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下的大型場景綜合化、智能化、模塊化應用，典型關(guān)鍵詞為數(shù)字孿生（digital twin）、智慧城市（smart city）等。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)回顧了自1975 年開始BIM 領(lǐng)域發(fā)展狀況，以文獻計量可視化分析角度，基于Web of Science數(shù)據(jù)庫，篩選出2006 年至2022 年BIM 文獻3 085 篇，采用CiteSpace、VOSviewer、Python 等工具軟件分析，得出以下結(jié)論。

（1）通過文獻時間分布、關(guān)鍵詞演化路徑分析可知，BIM 發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、產(chǎn)生、初步上升、快速上升等4 個階段。到目前為止，BIM 還遠未達到成熟階段，BIM 快速上升期將再持續(xù)數(shù)十年，是數(shù)字經(jīng)濟建設、數(shù)字化轉(zhuǎn)型等領(lǐng)域的重要基礎。

（2）通過文獻空間、期刊、作者主題、機構(gòu)等分布分析可知，中國、美國、英格蘭、澳大利亞、德國、韓國等是BIM 研究的主要國家；Automation in Construction 是國際BIM 領(lǐng)域核心期刊；BIM Handbook 是經(jīng)典著作；Chuck Eastman 是頗具影響力的專家；香港理工大學等是發(fā)表文獻較多的研究機構(gòu)。

（3）關(guān)鍵詞聚類分析形成理論研究、技術(shù)研發(fā)與實踐應用等3 個集群，基礎理論是技術(shù)研發(fā)的基礎，實踐應用依托于基礎理論與技術(shù)研發(fā)，同時，基礎理論與技術(shù)研發(fā)又在實踐應用中不斷完善，形成一套循環(huán)進化的生態(tài)體系。

（4）通過趨勢分析可知，理論研究的趨勢為多種BIM 設計軟件成果共通共用的研究；技術(shù)研發(fā)趨勢為結(jié)合新技術(shù)尤其是人工智能技術(shù)的高度集成、縱向深化、專業(yè)應用研發(fā)；實踐應用趨勢為行業(yè)細分落地應用。