国内外BIM 发展综述及热点趋势分析

付功云，王 婷

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308；2.中国中铁智慧城市研发中心，天津 300308）

技术的顽强生命力，体现在其具备自我进化适配社会技术发展趋势的特质，BIM（Building Information Modeling）从提出到广泛应用印证了这一点。Chuck Eastman[1]于1975 年提出了计算机建筑辅助设计是3D 空间元素组合的概念；Robert Aish[2]于1984 年设想三维建模系统在未来生产中可起到重要辅助作用；Autodesk 于2002 年发布白皮书，BIM 定义趋向统一，向协同设计、构件驱动延伸发展；刘葵[3]2003 年发表了BIM 采访论文，介绍建筑全生命周期信息模型概念，标示我国BIM 发展的开端；葛松培等人[4]2004 年引用全生命周期内项目团队共享一个建筑模型的概念，将BIM 引入国内；Graphisoft[5]2005 年发布BIM 项目管理类软件ArchiCAD Constructor，集成传感数据实现施工质量控制；2008年BIM 从3D、4D 向多维管理方向发展[6]；广联达2010 年发布BIM5D 钢筋算量软件，是国内自主研发国产化BIM 工业软件的开端[7]；英国政府2011年发布Government Construction Strategy 2011，包含BIM 强制令，以此为标识，BIM 技术在全球迅速普及；直至今天，BIM 技术仍然在不断发展。从自然辩证法角度，社会需求对技术发展起到方向、速度及规模的调节作用，在我国加快数字经济建设、推动高质量发展的形势下，BIM 已成为数字化转型的关键技术之一，BIM 大规模应用发展是当今时代的选择。基于此，本文研究BIM 技术现状及发展趋势，以期对BIM 技术发展起到一定的促进作用。

1 研究方法

为确保研究数据的全面性和可靠性，本文从WoS（Web of Science）数据库中检索BIM 相关文献。在WoS 中，部分专业术语缩写为BIM，影响检索准确性，可加入否定判断条件，过滤不属于检索范围的文献。将高级检索规则设定为TS=（BIM OR"building information modeling"）NOT TS="Boundary Integral Method"，检索时间范围设定为2006 年至今，检索类别设定为Engineering Civil AND Construction Building Technology，筛选出文献3 085 篇，作为文献计量的基础数据。

CiteSpace 可基于共引分析理论和路径查找算法，通过一个领域的文献集找到该领域发展中的关键点，通过可视化映射展现发展历程、挖掘前沿热点、分析进化趋势。VOSviewer 可生成多种基于文献计量的可视化知识图谱，如期刊、机构、作者共引分析图谱等[8]。本文利用CiteSpace 软件和VOSviewer 软件，对文献集进行共引分析，对关键词进行共现分析，对关键词与参考文献等不同类别信息进行聚类分析；参考宋秀芳等人[9]研究成果，应用VOSviewer 软件进行基础分析，应用CiteSpace 软件进行热点趋势演化分析，应用Python 软件进行数据统计与绘图。

2 基础分析

2.1 文献时空分布

BIM 领域文献数量的时间分布如图1 所示。2006 年之前，是BIM 概念从厂商提出到社会认同的过渡阶段，处于BIM 概念的产生阶段；在2006—2022 年期间，BIM 文献数量从5 篇发展到586 篇，呈现明显上升趋势，处于BIM 技术发展的上升阶段。

BIM 领域文献数量的地理空间分布如图2 所示。有效计量4 264篇；筛选出的3085 篇文献中，部分为多国合作的文献。全球92 个国家与地区发表的BIM领域文献中，我国排在第1 位，共有文献754 篇，占比17.68%；其次为美国，共有文献570 篇，占比13.37%；另外，英格兰、澳大利亚、德国、韩国、加拿大、意大利、西班牙与伊朗排在第3—10 位，共有文献1 574 篇，占比36.91%；前10 名占比达到67.96%，其他国家占比为32.04%。

图2 BIM 领域文献数量的地理空间分布

对BIM 领域文献数量前10 名的国家及地区的文献发表趋势分析，如图3 所示，可知总体趋势逐年上升，BIM 技术的发展并不是某一个国家的独立行为，而是全球认可采纳的技术。以我国为例，发表量从2011 年的3 篇，增长到2022 年的182 篇。

图3 BIM 领域发表量前10 的国家文献时间分布

2.2 期刊共引分析

期刊共引指2 种期刊发表的文献同时被其他期刊文献引用，其他期刊数量即为期刊共引强度[10]，能够揭示期刊之间的交叉关系，确定BIM 领域核心期刊。在VOSviewer 软件中设定期刊最小共引数为100，有121 份期刊满足要求。表1 中列出排名前5 的BIM 领域高共引期刊，Automation in Construction 期刊共引数和总链接强度超过其他期刊，是国际BIM领域核心期刊之一；排名前5 的期刊总链接强度均超过30 000，对BIM 的发展起到积极促进作用。

表1 排名前5 的BIM 领域高共引期刊

BIM 领域期刊共引分析图谱如图4 所示，图4 中，圆圈（121 个）直径大小代表期刊与BIM 的相关性，不同圆圈之间的连线、距离代表共引关系，连线数量（6 891 根）与厚度代表总链接强度（1 087 045），可知Automation in Construction 期刊处于核心位置。

图4 BIM 领域期刊共引分析知识图谱

2.3 文献共引分析

对文献进行共引分析，VOSviewer 软件中，设定文献最少共引数为20，筛选出高共引文献528 篇。表2 列出排名前5 的BIM 领域高共引文献，于2008年出版、并于2011 年修订的BIM Handbook[11]，已316 次排名第1，该书介绍BIM 定义、背景、技术路线、适用范围，整理不同国家工程业主需求，规范建筑全生命周期中所涉及的角色的应用点及应用标准流程，是BIM 领域研究经典作品之一。其次是Salman Azhar[12]于2011 年发表的论文，文中梳理了建筑设计、土木工程与施工建筑业（AEC，Architecture,Engineering &Construction）BIM 领域的趋势、收益、风险及挑战，为BIM 发展提供了有益的参考。共引排名前列的文献在BIM 发展历史中起到了引领与指导作用，是BIM 不同发展阶段里程碑式文献。

表2 排名前5 的BIM 领域高共引文献

将有共引关系的文献关联分析，形成528 个圆圈、50 943 根连线、5 个聚类族的耦合知识图谱，总链接强度为119 394，如图5 所示。

图5 BIM 领域文献共引分析图谱

图5 中，聚类#1（蓝色）核心文献：Salman Azhar 的AEC 行业的趋势收益风险和挑战；聚类#2（红色）核心文献：Chuck Eastman 的BIM Handbook；聚类#3（绿色）核心文献：Becerik-Gerber 的BIM 设施管理应用领域和数据要求；聚类#4（黄色）核心文献：Frederic Bosche 的激光扫描中三维CAD 模型对象的自动识别和竣工尺寸计算[16]；聚类#5（紫色）核心文献：Becerik-Gerber 的BIM 设施管理的应用领域和数据要求。以上聚类结果从研究综述、建模及应用指南、运维管理、施工管理、数据格式要求等不同角度对BIM 进行了研究。

2.4 机构耦合分析

对机构进行文献耦合分析，VOSviewer 软件中，设定机构最少发表文献数量为5、单篇文献最大机构数设定为30，2 037 个机构中有277 个满足条件。表3 列出排名前5 的BIM 领域研究机构，其中，香港理工大学发表文献76 篇，被引2 646 次，是发文最多的机构；科廷大学发表文献67 篇，被引3 267次，是被引最多的机构。

表3 排名前5 的BIM 领域研究机构

将有共引关系的文献机构连线分析，形成277个圆圈、36 351 根连线、5 个聚类族的耦合知识图谱，总链接强度为1 449 697，如图6 所示。

图6 BIM 领域机构-文献耦合分析图谱

由图6 可知，香港理工大学—聚类族#1（红色）、佐治亚理工学院—聚类族#2（绿色）、重庆交通大学—聚类族#3（蓝色）、科廷大学—聚类族#4（黄色）、不列颠哥伦比亚大学—聚类族#5（紫色）等在BIM 领域不同研究方向处于领先地位。

2.5 作者被引分析

VOSviewer 软件中，设定作者最少发文为5 篇，7 156 名作者中，有270 人满足条件。表4 列出排名前5 的BIM 领域文献作者，其中，Jack C.P.Cheng发表文献44 篇，被引1 690 次，是BIM 领域发文多的作者；Wang Xiangyu 发表文献28 篇，被引1 944次，是BIM 领域文献被引多的作者。

表4 排名前5 的BIM 领域文献作者

将有共引关系的文献作者连线分析，形成270个圆圈、8 810 根连线、8 个聚类族的共引分析知识图谱，总链接强度为18 245，如图7 所示。

图7 BIM 领域作者引用分析图谱

图7 中，以引用数量为圆圈直径，直径越大，代表该作者文献共引总量越高，可知Jack C.P.Cheng、Rafael Sacks 等作者处于各聚类族的中心位置，对BIM领域相关研究方向具有导向能力。

3 热点演化分析

3.1 关键词清理

基于BIM 领域热点聚类演化需求，在CiteSpace软件中，g-index 为节点，比例因子k值取25，筛选出至少出现1 次的关键词831 个。将相近词合并，基于模糊、无意义、通用、关联小的关键词忽略的原则，对其进行清理。最终合并关键词32 个，忽略关键词92 个，剩余可用于后续分析的关键词707 个。

3.2 关键词分析

关键词是文献主题、内容、焦点概念的表达，关键词分析能够揭示文献的研究热点和演变趋势。本文采用CiteSpace 软件实现关键词共现分析，得到关键词共引分析图谱，如图8 所示。

图8 BIM 领域关键词共引分析图谱

图谱包含707 个关键词节点和4 108 条节点连线，其中，每个节点圆圈的大小表示关键词共现频率，节点在整体布局中所处的位置与关键词中心值相关，节点自身颜色从黄色到深紫色不等，从近期到早期的共现时间排列，节点之间的距离代表关键词之间的关联解释性的高低，节点连线厚度从细到粗代表关键词之间紧密程度，连线颜色从黄色到深紫色，代表关键词第一次共现出现的时间。以关键词设计（design）为例，共现频率450 次，排序第2 位，圆圈大小排序第2 位；中心性值为0.16，排序第2 位，处于核心位置；与其他如建设（construction）、框架（framework）、知识工程（knowledge）等111 个关键词连线，其中，线条最粗的为可视化构造（visualizing construction）与标准（criteria），黄色线条连接2018 年共现关键词为分配（allocation），深紫色线条连接2006 年共现关键词如标准（criteria）、参数化（configuration）等；可知，BIM 领域早期应用在建筑设计中，基于BIM 相关标准，构建整体设计框架、参数化的知识工程，实现可视化构造优化设计目的，逐步通过BIM 协同设计平台实现设计任务分解与分配，成果逐步延伸到建设、运维等阶段应用。

排名前10 的共现频率关键词如表5 所示。

表5 排名前10 的BIM 领域共现频率关键词

BIM 共现1 581 次，设计（design）共现450 次，建设（construction）共现428 次，管理（management）共现354 次，代表BIM 从2006 年起应用于设计阶段，2008 年起用于运维期，2009 年起用于建设期，是一个逐步向其他建设阶段拓展的过程，直至2013 年出现全生命周期框架概念，如生命周期评估（life cycle assessment）共现72 次，是BIM 领域重要研究方向。其他大部分关键词是全生命周期应用的细化与集成，如性能分析、仿真分析、IFC 标准、成本等。可知，BIM 技术处于随着时间不断纵向拓展、横向细化的发展过程。

3.3 聚类分析

对关键词聚类分析，CiteSpace 软件中，形成18个热点聚类，包含#0 模型（model）、#1BIM、#2 项目（project）、#3 设计（design）、#4 全生命周期评估（life cycle assessment）、#5 实施（implementation）、#6 钢筋混凝土结构（rc structures）、#7 火灾应急（fire emergency）、#8 数字施工（digital construction）、#9IFC、#10 倾斜摄影（photogrammetry）、#11 三维点云模型（3d point cloud models）、#12 碰撞检查（workspace interference）、#13 历史建筑（historic building）、#14 智慧合同（smart contract）、#15 可持续性实践（sustainablility practices）、#16 环境影响（environmental impacts）、#17 施工干系人（construction stakeholders），如图9 所示。

图9 BIM 领域关键词聚类分析

热点聚类分析表明，BIM 领域文献主要集中在理论研究、技术研究开发和实践应用等3 个集群，理论研究包含模型、BIM、全生命周期评估等；技术研究开发包含IFC、倾斜摄影、三维点云模型、智慧合同、环境影响等；实践应用包含项目、设计、实施、钢筋混凝土结构、火灾应急、数字施工、碰撞检查、历史建筑、可持续性实践、施工干系人等。基础理论是技术研发的基础，技术研发又在实践应用中完善，形成一套不断自我进化的生态体系。

4 热点趋势分析

4.1 理论研究趋势

理论研究是技术研发与实践应用的基础，未来理论研究趋势主要包括：（1）多种BIM 设计软件成果共通的研究，包含标准体系的建立与应用、多种标准的统一，自动生成组合模型，典型关键词为交换（exchange）、标准（criteria）、IFC、Omniclass 等；（2）设计、施工、运营等阶段，BIM 模型几何信息、附属信息全生命周期分类编码通用性研究，实现工程全生命周期管理应用与全过程数据追溯，典型关键词为全生命周期（life cycle）、多重标准（multiple criteria）、关联（relevance）等；（3）设计、施工、运营等阶段BIM 应用框架、指南、数字经济、扩展领域的研究，典型关键词为框架（framework）、支撑框架（braced frame）、指南（guidebook）、城市信息模型（CIM）、数字化（digital）等；（4）结合管理理论、优化算法、评估模型等研究BIM 方法论、效益、现状、对比等，推动BIM 沿着正确方向发展，典型关键词为算法（algorithm）、优化（optimization）、方法论（methodology）、本体论（ontology）、模糊评价（AHP）、神经网络（neural network）、蚁群优化（ant colony optimization）、效益（benefit）、可持续性评估（sustainability assessment）等；（5）知识总结，分析先进理论应用、成功项目经验等，整理可复用成果，指引相应工具软件、平台的研发，典型关键词为知识管理（knowledge management）、多目标优化（multiobjective optimization）、效率（efficiency）等。

4.2 技术研发趋势

基于理论研究进行技术研发，研发产品在工程实践中检验完善。未来技术研发趋势主要包括：（1）结合新技术研发，拓展BIM 技术应用纵横向范围，保持BIM 的先进性、适应性，典型关键词为人工智能（artificial intelligence）、深度学习（deep learning）、大数据（big data）、云计算（cloud）、物联网（IOT）等；（2）BIM 全生命周期管理平台数据高度集成研发，从设计、施工到运维应用，从静态数据填报到动态数据智能采集，从个体信息系统的信息孤岛到信息贯通、数据整合的三维（基础）平台，体现BIM 模型作为信息载体的优越性、可靠性、可扩展性、智能性等，典型关键词为集成（integration）、融合（fusion）、数据收集（data collection）、传感器（sensor）等；（3）工业软件的研发，BIM 设计、仿真模拟、分析、协同、三维引擎基础平台等工业化、数字产业化类型国产软件研发，奠定BIM 良好应用基础条件，典型关键词为BIMBase、BIM5D 等；（4）中间件工具软件的研发，解决中间瓶颈、串联多个应用点或环节，形成落地的软件平台体系，典型关键词为产品研发（product development）、供应链（supply chain）等；（5）专业深度研发，在多个项目中重复、集中应用的专业化管理平台研发，实现数字经济产业规模化目标，典型关键词为健康监测（health monitoring system）、能耗管理（energy management）、安全管理（safety management）等。

4.3 实践应用趋势

将理论研究成果、研发成果应用于实践并完善，未来趋势主要包括：（1）行业细分落地应用，根据房建、市政、轨道交通等不同AEC 行业需求定制化调整与应用，典型关键词为建筑（building）、城市（city）等；（2）碳达峰背景下可持续绿色建筑应用，典型关键词为节能环保建筑（energy performance green building）、环境（environment）、可持续性（sustainability）等；（3）三维仿真分析，典型关键词为性能模拟（performance simulation virtual reality）、疏散（evacuation）、数字化预制（prefabrication）与装配式施工（installation）等；（4）基于深度学习的自动识别采集和生成BIM 模型及属性信息应用，典型关键词为识别（identification）、点云（point cloud）、激光雷达（lidar）等；（5）数字经济建设、数字化转型背景下的大型场景综合化、智能化、模块化应用，典型关键词为数字孪生（digital twin）、智慧城市（smart city）等。

5 结束语

本文系统回顾了自1975 年开始BIM 领域发展状况，以文献计量可视化分析角度，基于Web of Science数据库，筛选出2006 年至2022 年BIM 文献3 085 篇，采用CiteSpace、VOSviewer、Python 等工具软件分析，得出以下结论。

（1）通过文献时间分布、关键词演化路径分析可知，BIM 发展经历了萌芽、产生、初步上升、快速上升等4 个阶段。到目前为止，BIM 还远未达到成熟阶段，BIM 快速上升期将再持续数十年，是数字经济建设、数字化转型等领域的重要基础。

（2）通过文献空间、期刊、作者主题、机构等分布分析可知，中国、美国、英格兰、澳大利亚、德国、韩国等是BIM 研究的主要国家；Automation in Construction 是国际BIM 领域核心期刊；BIM Handbook 是经典著作；Chuck Eastman 是颇具影响力的专家；香港理工大学等是发表文献较多的研究机构。

（3）关键词聚类分析形成理论研究、技术研发与实践应用等3 个集群，基础理论是技术研发的基础，实践应用依托于基础理论与技术研发，同时，基础理论与技术研发又在实践应用中不断完善，形成一套循环进化的生态体系。

（4）通过趋势分析可知，理论研究的趋势为多种BIM 设计软件成果共通共用的研究；技术研发趋势为结合新技术尤其是人工智能技术的高度集成、纵向深化、专业应用研发；实践应用趋势为行业细分落地应用。