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原文标题：我国绿色建筑的BIM技术应用研究综述：从局部性应用到全生命周期发展
原文发表于：土木工程与管理学报，2024，41（03）：72-79
原文作者：张苏娟、张小龙、杨雨苗、郑赛那
摘要：本文以中国知网为数据来源，基于2900篇期刊文章，借助CiteSpace文献计量工具，分析了我国建筑信息模型（BIM）技术应用于绿色建筑领域的研究现状和发展趋势。 通过文献计量分析BIM技术应用于绿色建筑的相关研究文献数量，构建关键词及关键词聚类的知识图谱，从知识基础、研究热点和演进趋势三方面分析该领域的研究现状和演化趋势。研究结果表明，绿色建筑的BIM技术应用研究大体经历了四个阶段，2019年开始处于稳定发展阶段；已有的研究多关注绿色建筑某一阶段的BIM技术应用，未来可进一步探究绿色建筑全生命周期BIM技术的集成应用。关键词：BIM技术；CiteSpace；绿色建筑；可持续性；低碳；建筑节能
2022年以来，随着双碳战略“1+N”政策体系的构建完成，国家进一步要求社会经济发展模式快速向绿色低碳化转型。建筑行业是传统高能耗产业，2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿t CO2,占全国碳排放比重50.9%。高占比的碳排放量，使得建筑业成为产业绿色发展改革的重要对象。为了实现建筑业绿色智能化设计、建造和运维管理方式，推动其高质量、可持续发展，政府出台了一系列政策来推动建筑领域“双碳”行动。2021年10月，我国相继发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》等。绿色建筑、低碳建筑、节能建筑等作为建筑领域节能减排的实际载体，在建材生产、建筑规划设计、施工以及建筑运行阶段均具备减排潜力，是实现“双碳”目标的重要抓手。
绿色低碳发展成为当前建筑行业和企业可持续发展的必然要求，而建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)技术作为建筑信息化和数字化的核心载体，有效推动了建筑低碳化和绿色化发展。基于BIM技术进行绿色建筑的优化设计和运维应用得到了越来越多学者的关注。作为引领建筑业数字革命的核心技术和关键手段，BIM技术在不断应用深化和发展过程中被赋予了可持续发展的理念。BIM在建筑环境中作为数字化转型的推动者，其与绿色建筑的适配性不断展现，以可视化、信息化、仿真化、协作性、多维信息挂接的技术特点，在建筑设计绿色化、建造方式低碳化、建设技术智慧化的建筑全生命周期应用中作为模拟分析与管理手段发挥了多样化的功能。如，建筑设计阶段采用BIM进行节能和建材分析，可模拟建筑能耗为建材的选择与生产提供指导；基于BIM技术的二次开发，能够模拟建筑运行阶段的能耗模式，为探索减排运行路径提供技术支持；BIM结合环境分析和设施运行监控等功能能够为建筑能耗控制提供数据信息。总的来说，BIM为绿色建筑全生命周期可持续性发展提供了强有力的技术支撑。已有研究对BIM技术应用进行了相关综述，花园园等深入分析国内BIM运维管理的研究现状和热点问题，提出BIM技术应用于运维阶段的难点；Volk等探究了BIM技术在建筑中的应用现状，指出了BIM在项目实施中的有限性；Bradley等则论述了建设者视角下基础设施领域内的BIM应用，提出BIM流程与业务流程结合的重要性。虽然BIM技术在绿色建筑领域的应用得到广泛关注，但针对我国绿色建筑BIM研究现状尚未形成完善和系统总结。为了更好把握我国在该领域的发展历程和研究动态，探讨绿色建筑BIM技术应用未来的研究方向，有必要对相关研究成果进行梳理和系统化分析，进一步归纳总结已有研究成果。因此，本文主要关注我国绿色建筑BIM技术应用现状，以中国知网(CNKI)为文献选择数据库，运用可视化文献分析软件(CiteSpace)和文献检索与管理系统(NoteExpress),对该研究领域的发文数量进行计量统计，对关键词等进行分析聚类，并绘制相应的知识图谱进行量化分析，得出BIM技术应用于绿色建筑领域的研究概况和研究热点，并挖掘该领域的研究发展趋势，为BIM技术与绿色建筑的进一步有效结合提供指导和参考。1.1 数据来源
文献分析的基础是进行文本数据的采集，为此需要合适的文献数据库以及成熟的文献检索策略。为确保数据的准确性和全面性，本文选取国内文献数据较为完整的CNKI数据库作为检索系统进行文献收集。采用高级检索功能，以“BIM”或“建筑信息模型”并含“绿色”或“节能”或“低碳”作为主题词进行检索，其中“节能”是《绿色建筑评价标准》中“绿色性能”的重要内涵，而“低碳”则是衡量建筑/建设“绿色”的重要标准之一；来源类别设置为期刊文献；根据初步检索结果，第一篇相关文献发表时间为2006年，去除不相关的学科文献，共检索到3501篇；逐条对文献进行人工手动筛选，剔除新闻、会议通知、资讯信息、相关性不大及重复的文献，最终得到2900条有效文献。
1.2 分析方法
使用CiteSpace v.6.1.2版本软件对筛选后的文献进行可视化分析，将“知识基础”的现有数据映射到“研究前沿”的统计分析，生成BIM技术与绿色建筑的结合应用研究领域的科学知识图谱。具体而言，本文结合定量与定性分析，一方面对领域高频词汇及频次进行统计研究，借助CiteSpace和NoteExpress进行可视化分析和统计分析，绘制关键词网络、关键词聚类网络、分布时序图谱，反映该领域研究情况及演进趋势；另一方面，通过定性分析对文献主要内容进行梳理，介绍BIM技术与绿色建筑结合的研究热点，分析BIM给绿色建筑带来的技术价值。本文数据检索及知识图谱构建流程如图1所示。
基于BIM技术在绿色建筑应用的相关文献数量可以分析研究在时序上的分布特点，见图2(因2022年数据不完整，故暂不统计，2006—2021年总计2728篇)。通过对研究文献时序图的分析，该领域的发展可大致划分以下四个阶段：2006年以前，该领域研究为空白状态，初步发展阶段的年发文量较少且保持较小浮动，2006—2009年的年均发文量在5篇以下。最早的发文作者为重庆大学建筑城规学院的曾旭东, 2006年首次在设计领域提出节能建筑设计方法，将BIM技术与建筑能耗分析相结合，深化节能设计。2010年发表的文献数量达到12篇，发文量呈缓慢增长趋势。国家相关政策促进了BIM技术在绿色建筑应用中的发展，如我国住房和城乡建设部发布《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》，提出加快BIM等新技术应用的发展要求；2011年，住建部要求修订完成新的《绿色建筑评价标准》。自此之后发文量逐年增加，研究内容逐渐丰富，形成了绿色施工、碳排放计量等研究成果。第三阶段大体始于2015年(年发文量122篇),该阶段发文量呈快速增长趋势。2015年实施的GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》新标准，扩展了绿色建筑类型；2016年，住房和城乡建设部发布《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，要求增强BIM等新技术的集成应用能力。在发展纲要指引下，后续研究多关注并推动建筑行业绿色化、集成化、信息化协调发展。2019年年度发文量达到顶峰，为490篇，此后年度发文量均处于400篇以上且开始趋于稳定趋势，该阶段为稳定发展阶段。随着BIM的普及和深入应用，其为绿色建筑全生命周期的管理提供信息集成的有效工具，推动BIM和绿色建筑多场景融合。图2 研究文献时序分布
关键词是对全文主旨思想的凝练，对关键词的统计和分析可突显该领域的核心内容和研究热点，绘制关键词知识图谱能够反映研究趋势和知识架构。初步分析后的可视化网络结果过于密集且没有突出重点，故选择保留重要的连线来增强图谱的可读性，同时突出其重要结构特征。采用Pathfinder Network(PFNET,寻径网络)网络剪裁方法，并选择网络辅助剪裁策略Pruning the Merged Network(剪裁合并后的网络),关键词知识图谱见图3。![]()
图3 关键词知识图谱
为更好确定该领域的高频关键词，对词义相同或相近、针对性不足、相关性较差的关键词进行人工识别和筛选，删除BIM、建筑信息模型、绿色、节能、低碳等主题检索词，按照关键词出现频次和中心度大小，梳理研究高频关键词，见表1。如表1所示，对应前文的发展阶段，多数高频关键词处于缓慢发展与快速发展阶段，进一步验证了这两阶段成为BIM技术在绿色建筑中的应用研究高峰期。表1 研究高频关键词
高频关键词揭示了BIM技术在绿色建筑施工阶段的广泛应用，戈祥林等在具体建筑案例中首次通过建立BIM模型实现过程绿色施工，减少施工过程所造成的环境破坏。此后，BIM在绿色建筑施工阶段的应用相关研究逐年增多；关键词“建筑工程”和“建筑设计”的出现表明BIM在初期研究中对绿色建筑工程的设计阶段关注较多。如龙文志以上海中心大厦设计阶段的BIM技术整合为切入点，探讨BIM设计的核心理念。其次，结合图3可以看出，信息化延伸出“施工管理”“项目管理”“绿色设计”“协同设计”等内容，体现了BIM信息化等功能在绿色建筑多个阶段的应用。随着时间推进，绿色建造与“物联网”“暖通空调”“云计算”等结合，BIM开始集成各种新技术在绿色建筑全生命周期集成应用，特别是更多地开始关注建筑运维阶段的应用落地，如马国丰和宋雪借助BIM全过程信息存储和管理，通过信息提取、数据挖掘构建了建筑智能化运维管理平台，推动办公建筑运维管理智能化发展。关键词聚类指的是基于关键词共现而采用特定算法对关键词进行相关性聚类分析。关键词聚类知识图谱如图4所示，其中网络模块度Q=0.8579>0.3,可知图谱极具显著性；网络同质性S=0.9737>0.7,可知关键词聚类结果是具有高信度的；网络同质性及模块度都接近于1,表示此网络聚类结果是合理的。关键词聚类时间线知识图谱如图5所示。图4 关键词聚类知识图谱
图5 关键词聚类时间线图谱
热点研究第一大类关键词“绿色建筑”是建筑领域实现可持续性转型的方式之一。早期研究更多关注建筑设计阶段的节能设计和优化设计，在研究建筑节能设计方法的同时，探寻BIM数据在各专业建筑能耗模拟软件的接口开发及应用，为全面贯彻绿色建筑全过程参数化设计做准备。BIM技术发挥其协同设计性使其在绿色建筑的绿色分析、能耗分析、节能改造中逐步应用，并且深入应用于结构设计、性能分析。第二大类关键词聚焦于新技术、信息化等词。BIM与新技术结合应用于绿色建筑建设，如区块链、大数据、物联网、云计算等新数字化手段应用于改进层次分析、能耗评价、运营管理、建筑环境监测及智能建筑建设等方面。特别是近年来随着计算机快速发展，BIM与物联网等新技术在建筑运营维护阶段的融合逐步增加。第三大类关键词聚焦于施工管理、绿色施工、建筑行业等。从时间顺序可以看出绿色施工的研究进展要晚于绿色设计，逐步推进设计施工一体化，后续的研究聚焦在绿色建筑施工全过程中，并且推进节能减排技术的研究及项目管理等管理技术的提升。用CiteSpace统计某段时间内关键词频次，以此为基础预测研究主题的变化，得到研究主题的演进趋势，见图6。结合研究文献时序图(图2)和划分的四个阶段，本部分针对每个阶段的关键词展开详细分析。![]()
图6 关键词时区
这个阶段BIM技术应用于绿色建筑刚刚起步，国家政策起到了引导作用。2005年7月1日，中国第一部《公共建筑节能设计标准》正式实施，2006年我国GB/T 50378—2006《绿色建筑评价标准》第一版颁布，引导绿色建筑设计的发展。这个阶段相关研究更多关注BIM在绿色建筑设计阶段的应用，并针对绿色建筑理念提出绿色建筑评估体系。如曾旭东在2006年首次提出将BIM技术与建筑能耗分析相结合，进行节能建筑设计。该阶段，由于相关软件的局限性和建筑节能意识水平尚未普及，BIM技术在绿色建筑设计阶段的应用范围和深度有一定局限性。2010年，BIM技术在绿色建筑的应用进入缓慢发展阶段，BIM发挥其可视化、协同设计、信息化、数字化等技术特点和优势，主要应用于绿色建筑的建筑规划和设计阶段，少量研究提到BIM技术在绿色施工中的应用。2013年，相关研究开始提及BIM技术与“绿色施工”,如李骁提出在建造过程中借助BIM可对施工现场的建设资源管理预先进行模拟，优化工作流程，减少工程的返工和资源的浪费。BIM技术应用于绿色建筑的“项目管理”主要体现在BIM能够实现项目间关联修改，减少信息重复输入，提高各参与方协同工作效率。绿色建筑的“可持续性”“经济性”也是学者们追求的目标，进而出现“低碳建筑”和与此相关的低碳设计、碳排放计算方法和低碳建筑碳排放标准，如华虹等基于公共建筑低碳设计和碳排放计量的需要，构建了基于BIM技术低碳设计分析方法的碳排放计量模型。这一阶段发展缓慢的部分原因是BIM在建筑业的应用过程中仍未具备统一的行业标准。虽然相较于前一阶段，相关软件逐步更新迭代，但其开发还有待完善。2015年，BIM技术开始广泛应用于绿色建筑的全生命周期不同阶段。“绿色建造”“全生命期”“施工管理”作为该阶段关键词初步显现，随之而来的是“物联网”“云计算”“大数据”等新兴技术与BIM技术的交叉融合，从技术层面上促进了绿色建筑的全生命周期发展。2017年，“装配式”成为研究关键词之一。相较于传统的钢筋混凝土建筑、钢结构建筑，新兴的装配式建筑在绿色建筑的实现过程中发挥相应优势，如徐照等梳理并系统分析BIM在装配式建筑预制构件生产阶段的应用，提出BIM结合装配式预制构件的绿色建筑发展方向。2019年，该领域研究文献量达到极大值，此后处于稳定发展阶段，学者也在不断深入探索BIM在绿色建筑更加高效、全面的应用。这个阶段，各项技术应用逐步优化、深入细化，如智慧工地云平台的搭建和运维、建造技术节能优化等；BIM技术在绿色建筑运维阶段的应用进一步加深，不少学者从研究层面对相应的管理平台进行策划、设计，以应对装配式建筑、城市轨道交通、水利工程、桥梁工程、综合管廊等实际工程的需求。如李忠富等研究分析BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的效益，为BIM的进一步应用推广助力。研究文献中词汇的频次通常可以映射研究的发展趋势，使用CiteSpace分析形成可视化图谱，对频次较高的突现词分析从而预知研究领域前沿。根据突现词强度和出现的时间段，对最新研究趋势加以识别，可以发现该领域曾出现的研究前沿主要集中在“协同设计”“建筑节能”“软件模拟”“集成应用”“云计算”等(图7)。2010年开始出现的突现词为“协同设计”和“软件”,此时正从初步发展阶段过渡到缓慢发展阶段，主要注重BIM软件的研究和发挥其协同设计功能。2013—2016年，“建筑节能”的突变程度达到5.15，这段时间内BIM与绿色建筑的结合应用研究主要体现在规划设计阶段的节能方面；2015—2016年，出现突现词“集成应用”“云计算”，进入快速发展阶段，BIM与云计算、大数据等数字技术的集成应用逐渐受到关注，注重技术探究。2017—2018年，出现突现关键词“高层建筑”“技术创新”，皆以实现BIM在应用层面上的标准化，提高BIM在实际工程中的应用效率。2018年出现突现词“施工阶段”,此时正从快速发展阶段过渡到稳定发展阶段，表示BIM在绿色建筑的应用逐步从建筑的规划设计阶段逐步拓展到施工阶段。“智慧工地”在2020—2022年之间突变程度达到5.19，随着智慧工地技术的不断发展，BIM融合物联网、云计算等数字技术也越来越多地助力于绿色施工管理，形成更为优化的绿色施工管理方案。建筑的全生命周期包括规划、设计、施工以及运营维护阶段，目前研究较多关注BIM技术在绿色建筑的规划设计和施工阶段的应用。运维阶段作为全生命周期的最后一环，所需工作时间长、内容复杂且管理难度大，倘若设计施工阶段的建筑数据信息无法完整传输到建筑的运维阶段，会给运维阶段的管理带来更大影响，而BIM可以发挥其协同性和参数化，借助信息模型实现全生命周期中设计施工到运维阶段所有建筑数据的交互，提高绿色建筑的运维效率。突现词中仍未出现“运维”等词，但有部分学者对绿色建筑全生命周期的BIM技术效益进行分析，为BIM技术的推广应用提供助力。李忠富等认为BIM对于绿色建筑运营阶段的经济效果随着运营期时间的延长而增加；陈烨提出了基于BIM的绿色建筑运营成本测算方法，为后续动态成本预测与智慧化成本控制提供了研究参考。基于以上分析结果，对比国外相关研究，进一步指出未来我国绿色建筑BIM技术应用的研究方向。1) 结合其他数字技术，进一步探究绿色施工BIM应用。BIM在传统施工阶段主要应用于施工平面布置、施工质量控制和进度控制方面，近年来BIM在绿色建筑领域的发展补充了绿色施工研究内容，正在完善以往国外研究所提出的研究空白，形成了新的研究形势。而2020—2022年突显词显示智慧工地等数字化技术研究逐步发展，未来绿色施工的BIM应用将进一步集成物联网、云计算等数字技术。2) 探究绿色BIM应用的数据交互。绿色建筑领域BIM应用数据之间的弱操作性，尤其是语义弱操作性的空白使得数据提取与传递受到阻碍，国内强调软件接口的开发与应用。如何提高数据交互效率，整合不同数据传输方法(如标准化数据格式、web服务和平台等)以实现强互操作性则是未来需要关注的问题；此外，既有BIM标准的发展推动了模型数据的转换与更新，而在绿色建筑BIM领域则需要纳入建筑碳排放数据交换标准，关注数据格式的统一性和不同阶段的交互，以更好实现基于BIM的建筑全生命周期碳排放量计算。3) 关注绿色建筑运维阶段BIM应用。虽然既有研究已经开始呼吁项目后期阶段(如运维或拆除阶段)的BIM技术应用，而目前运维和拆除阶段的绿色BIM应用仍有一定缺乏。因此未来研究可以进一步深入探究BIM在绿色低碳建筑全生命周期的运维和拆除阶段等的纵向深度应用，探究基于BIM技术辅助绿色建筑的管理决策，从建材生产、建筑运行两大阶段的能耗分析模拟入手，为运维阶段的数据信息奠定基础。4) 进一步探究BIM技术在绿色建筑全生命周期应用。整合以往基于建筑设计、施工和运维阶段的研究成果，基于项目全生命周期视角探究BIM技术与绿色建筑的有效结合，使得绿色建筑能耗达到全局的最优化，真正实现技术与低碳应用场景在全生命周期的深度融合。这将进一步助力建筑行业数字化和低碳化发展。绿色低碳循环发展是当前建筑行业和企业可持续发展的必然要求，而BIM技术作为建筑信息化和数字化的核心载体，是有效支撑建筑低碳化和绿色化发展的重要工具。绿色BIM的理念和相关技术也得到了越来越多学者的关注。本研究主要基于CiteSpace等文献计量软件，以2006—2022年间CNKI数据库的绿色建筑领域BIM技术应用的相关文献作为数据来源，对筛选出来的2900篇文献进行统计与可视化分析，利用软件绘制出知识图谱并揭示了该领域的研究热点和发展趋势，为把握该领域的研究重点提供参考依据。(1) 从研究热点看，该领域的研究数量从2006年开始稳步增长，早期研究主要关注BIM技术在绿色建筑规划和设计阶段的应用，优化建筑节能设计，随后绿色建筑结合多种信息化技术在建筑施工管理、项目管理等方面逐步发展，装配式建筑和绿色施工的理念得到了进一步发展。BIM与绿色建筑理念的结合在建筑工程设计、施工管理阶段深入运用的基础上，研究开始更多地向运维阶段横向拓展。整体上来看，目前已有研究多关注绿色建筑某一阶段的BIM技术应用，但是建筑工程各个阶段之间仍然存在数据交互和信息割裂等问题。未来研究可将焦点放到扩展BIM在绿色建筑应用范围上，进一步探究全生命周期下绿色建筑的BIM技术综合应用。(2) 从演进趋势看，本文提取BIM技术应用于绿色建筑相关研究发展的四个阶段，即初步发展阶段、缓慢发展阶段、快速拓展阶段和稳定发展阶段。在初步发展阶段(2006—2009年)，基于BIM的绿色建筑设计开始起步；在缓慢发展阶段(2010—2014年)，BIM技术的优势开始广泛应用于绿色建筑的规划设计阶段进行低碳设计、节能设计、优化设计方案等；在快速拓展阶段(2015—2018年)，绿色施工和绿色建造等理念开始推行，BIM开始应用于绿色建筑的施工阶段，并逐步与物联网、云计算、大数据等数字技术相结合，向建筑的全生命周期拓展；在稳定发展阶段(2019年至今)，基于全生命周期的绿色建筑的BIM技术应用得到进一步深化，在运维阶段的应用也得到更多关注。(3) 从研究方向来看，绿色建筑BIM技术应用的进一步探究可以关注以下四个方面：1) 结合数字技术的绿色施工BIM应用；2) 绿色BIM应用的数据交互；3) 绿色建筑运维阶段BIM应用的深入探究；4) 全寿命周期的绿色BIM应用。(1) 研究文献主要以CNKI为数据源，而未考虑英文文献中我国绿色建筑BIM技术应用的部分文献。(2) 其次，文献计量分析基于所搜集2006—2022年文献，随着可持续发展的全球趋势，绿色建筑理念和BIM技术的集成发展会演化形成新的研究趋势，可待进一步研究。作者单位：张苏娟，张小龙，杨雨苗，厦门大学建筑与土木工程学院；郑赛那，东南大学土木工程学院
作者联系方式：zhangsj@xmu.edu.cn
我国全过程工程咨询政策文本内容分析——基于政策工具视角
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内容来源 / 张苏娟 张小龙 杨雨苗 郑赛那
责任编辑 / 高颖
图文编辑 / 唐玲
