基于知识图谱的工业化建筑信息化研究综述*

黄滢 陈瑞兄 崔银洪 孙丹阳

(江西科技师范大学，江西 南昌 330013)

0 引言

2020年，住房和城乡建设部(简称住建部)等13个部门联合发表指导意见[1]提出要推进建筑行业工业与数字智能化升级。我国的工业化建筑于20世纪50年代提出，但在大规模建设需求下现浇建筑占据市场，工业化建筑进程缓慢[2]。工业化建筑技术可以显著降低对环境的破坏，同时提升建筑的生产率[3]。工业化建筑具有以工厂为基础的性质，可以充分利用新兴技术[4]。新技术(如物联网、优化算法和传感技术)的结合可以显著改善工业化建筑项目中的管理实践[5]。信息化与工业化建筑的联系是高度密切相关的，融合应用可以最大限度地推动建筑业的转型发展效率。

工业化建筑日益增多，同时信息技术在其中得到快速应用，学术界也越来越关注该领域的研究，但对于现有信息技术在该领域的应用研究情况还缺乏系统性的回顾总结。因此，本文基于CiteSpace软件，对2010—2021年我国工业化建筑信息化领域的研究情况进行梳理，分析当前研究进展，以及研究热点与趋势，探索信息技术在工业化建筑发展背景下的潜力与方向。

1 研究方法与数据

本文的研究步骤主要有3个，具体见图1：

第一步，数据收集。选择中国知网(CNKI)数据库核心及以上期刊文献作为专业检索对象，检索区间为2010—2021(截止到2021年5月17日)。首先，检索工业化建筑领域的研究文献8973篇；其次，在第二次检索时，只包括应用信息技术进入工业化建筑领域的论文，共有648篇文章；最后，通过人工阅读删减无关文献，最终筛选确定293篇文章。

第二步，可视化分析。采用CiteSpace软件对收集到的文献进行清洗，生成系列知识图谱，对文献的发文时间、期刊、核心作者与机构等基础知识，以及当前的研究热点、趋势及前沿进行系统性分析。在CiteSpace中进行以下设置：时间范围为2010—2021年，区间间隔为1年；节点类型根据不同分析情况进行选择；网络裁剪(Pruning)设为Pathfinder与Pruning sliced networks；其他为默认设置，并对图谱合理性进行判断[6]。

第三步，研究结论与展望。根据以上定量定性分析，对工业化建筑信息化研究领域进行整体性总结，并且探析未来的研究方向。

图1 研究流程框架图

2 研究可视化分析

2.1 发文量分析

按出版时间统计的研究文献增长趋势见图2。2010—2012年工业化建筑尚未得到广泛关注，因此相应的信息化研究文献较少且增长缓慢。2011年住建部在《建筑业发展“十二五”规划》中指出应大力发展工业化建筑体系，提升信息化应用水平[7]。2013年，国家发改委与住建部共同制订《绿色建筑行动方案》[8]，再次将其作为发展重点。2013—2016年，工业化建筑得到政府大力支持，信息化在该领域的研究也得到探索式发展，发文量上涨。《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》[9]使得信息化在工业化建筑中的研究得到重点关注，发表的文献快速增长。

图2 发文时间分布趋势

2.2 期刊来源分析

经整理，发现293篇文章分别发表在66种不同的核心期刊上，其中发表5篇及以上的期刊有12种。据图3可知，收录工业化建筑信息化研究文献的重要核心期刊有《施工技术》(64篇)、《建筑结构》(36篇)、《建筑经济》(26篇)。《施工技术》对相关研究所设的栏目最多，对工业化建筑领域的信息化研究贡献也最大。《建筑结构》主要是对信息技术在各种工业化建筑中的应用进行实践研究。《建筑经济》中收录的文献更侧重于信息技术在预制装配式建筑中的项目管理研究。其余20篇以下的期刊对于工业化建筑信息化研究的专栏设置种类较少，收录较晚，并且学科主要集中于建筑科学与工程。

图3 发文量5篇及以上核心期刊

2.3 作者与机构分析

作者与机构分析旨在调查文献作者及其关系，包括作者和机构的发文和合著作者网络，以及基于文献记录的机构网络。根据对选定期刊文章的统计分析，确定了工业化建筑信息化研究领域最具发文贡献水平的作者与机构(图4、图5)。

在作者与机构的合著网络图谱中，节点的大小表示发文量多少，连线表示在研究中建立的协作联系。在图4与图5中，节点个数分别为276与222，连线在100～200之间，说明作者与机构之间对该领域已经有了一定的研究，但网络密度都很小，这表明各学者间和各机构间的合作关系并不密切，大都为独立性研究。该领域的研究学者主要来自科研院所或建筑企业，科研机构学者常与同地区建筑企业的研究人员开展合作，例如：北京工业大学及北京市建筑工程研究院的刘占省，清华大学的刘宇飞，中建三局绿色产业投资有限公司的卢仲兴，湖北工业大学的王淑嫱等，以上专家学者在工业化建筑信息化研究领域具有突出贡献。

图4 作者发文与合著网络图谱(截图)

2.4 研究热点

近年来工业化建筑的信息化研究工作已经在不同的专题和主题上进行。关键词通常代表文章的研究内容，关键词共现网络可以代表这一领域的研究进展[11]。采用似然比检验法(LLR)，根据唯一性和覆盖度进行聚类，最终得到关键词共现与聚类图谱(图6)。网络节点数N=349，关键词连线数E=659，网络密度为0.009 2，Q值为0.760 6(>0.3)，S值为0.553 8(>0.5)，表明聚类的结构显著且合理。根据前10个聚类可将工业化建筑信息化研究分为以下几个主题：

(1)不同类型建筑中的项目管理。其中包括聚类#0装配式建筑(S=0.977，包括44篇文献)，#1大型钢结构(S=0.994，包括38篇文献)，#7高层建筑(S=0.908，包括17篇文献)，#8特异型建筑构件(S=0.98)。装配式建筑中的信息化研究分为可持续性[12]，设计[13]与性能[14]，过程管理(包括施工管理[15]、质量安全管理[16]、集成管理[17]、供应链管理[18]、信息管理[19]、成本控制[20]、资源调度[21]、风险控制[22]、生命周期评价[23]等)。钢结构建筑项目中的信息化研究有基于扫描技术的施工检测[24]与变形监测[25]，以及相应的数据分析[26]、测量定位[27]与损伤识别[28]、系统软件开发[29]、设计[30]与项目管理应用[31]等。并且工业化建筑中高层建筑与异型化结构增多，施工难度与精度要求高，因此对特殊结构中的信息化研究也逐步深入，如BIM技术在异型钢结构设计中的找形[32]、三维激光扫描与点云技术在复杂构件中扫描获取精确定位的研究[33]。

(2)信息技术软件的应用与开发。其中包括聚类#2 BIM(S=0.962，包括31篇文献),#3 Autodesk Revit(S=0.941，包括28篇文献),#6有限元(S=0.909，包括20篇文献)。Revit常与Tekla Structure、有限元等BIM相关软件在工业化建筑中进行参数化建模设计应用(包括信息检索[34]、信息完整性[35]、设计建模[36]等)，施工应用[37]，管理应用[38]，与3D扫描[39]、数字孪生[40]、二维码技术[41]的集成二次开发应用等。例如：余括[42]基于Revit、Staad、Tekla及Lumion多个BIM软件，检验了多软件在工业化建筑项目中进行协同设计的可行性。

图6 关键词共现与聚类图谱(截图)

(3)信息化和数字化的集成协作。其中包括聚类#4信息化(S=0.829，包括26篇文献)，#5数字化(S=0.847，包括22篇文献)，#9信息共享(S=0.924，包括13篇文献)。在工业化建筑中信息化研究包含建筑项目与企业的信息化管理[43]，数字化建造与分析[44]，集成应用平台的二次开发[45]，集成技术的实践应用[46]。例如：占羿箭等[47]基于工业化建筑部品件的高要求趋势，提出了一种将预制构配件与三类内装部品相结合的智能化制造信息集成交互平台。

2.5 研究趋势与前沿分析

为观察我国工业化建筑信息化领域研究阶段的演变过程，以“Keyword”为分析节点，采用“Timezone”与“Burstness”的方式显示，得到关键词时序图谱与突现词(图7)，分析研究热点的变化以及前沿动态。从时间节点上看，国内的工业化建筑信息化研究可以分为3个阶段，每个阶段的研究重点如下：

(1)第一阶段(2010—2012年)。“信息化管理”突现强度最强，持续时间最久。根据时序图谱可知，最初主要发展以钢结构为主的工业化建筑，对于钢结构建筑中的施工模拟与节点变形、结构损伤识别等风险管理问题常利用神经网络、激光扫描、计算机模拟、传感器等信息技术进行研究解决。BIM技术开始在钢结构与装配式建筑项目中发挥设计、信息集成的作用，注重解决数据接口开发、数据采集等信息化管理问题。例如：季俊[48]为解决轻钢门架结构BIM中信息交互性障碍问题，利用编程优化了软件数据接口。

(3)第二阶段(2013—2016年)。该阶段侧重于发展钢结构建筑，其中高层建筑也受到广泛关注。在项目管理中注重信息技术对于施工技术的优化，利用数值模拟及监测手段进行全生命周期的应用与管理，特别是深化设计与施工模拟。除此以外，钢结构变形、监测与性能优化的高精度和质量安全管理依旧是重点。开始尝试将BIM技术与AR、物联网及P6(Primavera 6.0)等技术结合，进行多维集成化仿真模拟模型与技术开发的研究。例如：潘尚科等[49]将P6(Primavera 6.0)与BIM技术进行集成应用，为项目进行方案优化、碰撞检测、工期及成本控制提供了数据服务平台。

(4)第三阶段(2017—2021年)。该阶段的复杂建筑与异型构件增多，着重于装配式建筑项目方面的研究。除了将BIM技术应用于工程设计和施工，更加注重物联网、三维模拟仿真、点云技术的集成，增加了对建筑企业组织的信息化管理。最新的研究热点是“BIM正向设计”“精益建造”“信息共享”“精细化管理”等。这说明主要关注信息化技术的深度融合应用、精益建造与精细化管理、信息技术间的互操作性、信息共享与协作能力，以及对于信息交互平台与软件的二次开发、信息技术的应用能力综合评估等方面的探索。例如：在装配式建筑方面，谢琳琳等[40]通过集成多项先进信息技术，构建了基于BIM+数字孪生技术的项目调度智能化管理平台；在BIM与射频识别技术基础上，王红春等[50]构建了供应链信息共享平台；孙少楠等[51]构建了评价BIM技术在设计阶段协同能力的指标体系，并发现数据交互偏差性问题。

图7 关键词时序图谱与突现词(截图)

3 结语

本文运用CiteSpace可视化分析软件，系统分析了2010—2020年核心及以上期刊的工业化建筑信息化领域的相关文献，并进行了文献计量与可视化分析，研究分析情况如下：

(1)研究分布方面。随着工业化建筑的推广和发展，工业化建筑信息化研究文献逐渐深入，并受到政府有关部门支持力度的影响，2016年后该领域相关文献呈快速增长之势。研究学者大都来自科研机构与建筑企业，现有文献集中于建筑科学与工程学科，但跨区域程度与创新合作程度低，跨学科研究与交流合作较少。

(2)研究热点方面。主要有以下几个方向：项目管理实践、信息技术平台的开发与应用，以及数字化的集成协作。整体来看，目前研究更集中于信息技术在工业化建筑项目施工技术优化、深化设计与仿真模拟、质量安全问题识别监测、过程精细化管理、数字化集成的开发与应用、信息技术数据交互性问题的探索。信息技术集成的应用开发尚处于初期，信息化主要围绕BIM技术开展。

(3)研究前沿方面。工业化建筑的信息化研究从参数化设计、计算机仿真模拟和结构节点监测分析等基本理论与基础应用开始，到关注信息化技术在工业化建筑工程中的深入实践应用，再到信息化技术深度融合应用、精益建造与精细化管理、集成技术互操作性、信息共享与协作能力，研究分散且耦合性较低，应提升技术集成自动化和大数据分析、决策和知识管理系统开发等方面的研究。

针对以上分析，本文提出以下建议：紧密跟踪国际研究动向，增强国际交流与合作；政府进一步完善工业化建筑发展战略，为实践项目提供政策支持，为管理研究提供实证案例；高等院校或相关企业加强工业化建筑信息化的人才理论与技术培养，为研究提供智力支持；加强多学科、宽领域、大范围的深层次交流合作，提升创新研发能力，扩展信息化技术的多样化应用实践，从而纵向深化我国的工业化建筑信息化领域的现有研究，横向拓展系统化研究知识体系，逐步实现工业化建筑领域中的信息化集成高效应用。