中国のグリーン建築におけるBIM技術応用の研究総説：局所的応用から全ライフサイクルへ

WeChat連携 · 小纬 · 2024-09-26

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原文タイトル：中国のグリーンビルディングにおけるBIM技術応用研究のレビュー：部分的应用からライフサイクル全体の発展へ

原文掲載誌：土木工程与管理学报、2024年、41巻（03）：72-79頁

原文著者：张苏娟、张小龙、杨雨苗、郑赛那

要旨：本稿は、中国知網（CNKI）をデータソースとし、2900編の学術誌論文に基づいて、CiteSpace書誌計量ツールを用い、中国における建築情報モデリング（BIM）技術のグリーンビルディング分野への応用に関する研究の現状と発展傾向を分析した。書誌計量分析により、BIM技術をグリーンビルディングに応用した関連研究論文数を調べるとともに、キーワードおよびキーワードクラスタリングの知識マップを構築し、知識基盤、研究ホットスポット、進化傾向の三つの側面から当該分野の研究現状と変遷傾向を分析した。研究結果によると、グリーンビルディングにおけるBIM技術応用研究はおおむね四つの段階を経ており、2019年以降は安定的発展段階にある。既存の研究の多くはグリーンビルディングの特定段階におけるBIM技術応用に注目しており、今後はグリーンビルディングのライフサイクル全体におけるBIM技術の統合的応用をさらに探究できる。キーワード：BIM技術；CiteSpace；グリーンビルディング；持続可能性；低炭素；建築省エネ

2022年以降、双碳（カーボンピーク・カーボンニュートラル）戦略の「1+N」政策体系の構築完了に伴い、国は社会経済発展モデルのグリーン低炭素化への迅速な転換を一層求めるようになった。建築業界は伝統的な高エネルギー消費産業であり、2020年の全国の建築プロセス全体における二酸化炭素排出総量は50.8億t CO2で、全国の炭素排出量に占める割合は50.9%に達する。高い排出割合により、建築業界は産業のグリーン発展改革の重要な対象となっている。建築業界のグリーンかつスマートな設計・建設・運用管理方式を実現し、その質の高い持続可能な発展を推進するため、政府は建築分野の「双碳」行動を推進する一連の政策を打ち出した。2021年10月、中国は相次いで「新発展理念を完全・正確・全面的に貫徹し、カーボンピーク・カーボンニュートラル業務をしっかりと推進することに関する意見」や「2030年までのカーボンピーク行動方案」などを発表した。グリーンビルディング、低炭素建築、省エネ建築などは、建築分野における省エネ・排出削減の実質的な担い手であり、建材生産、建築計画・設計、施工、建築運用の各段階で排出削減の可能性を備えており、「双碳」目標の実現に向けた重要な手段である。

グリーン低炭素化への発展は、現在の建築業界と企業の持続可能な発展にとっての必然的要請となっている。建築情報モデリング（Building Information Modeling, BIM）技術は、建築の情報化・デジタル化を支える中核的な担い手として、建築の低炭素化とグリーン化を効果的に推進してきた。BIM技術に基づくグリーンビルディングの最適化設計や運用への応用は、ますます多くの研究者の関心を集めている。建築業界のデジタル革命を牽引する中核技術かつ重要な手段として、BIM技術は応用の深化と発展の過程で持続可能な発展の理念を付与されてきた。BIMは建築環境においてデジタルトランスフォーメーションの推進役として、グリーンビルディングとの適合性を示し続けており、可視化、情報化、シミュレーション化、協調性、多次元情報の連携といった技術的特徴により、建築設計のグリーン化、建設方式の低炭素化、建設技術のスマート化を進める建築ライフサイクル全体の応用において、シミュレーション解析と管理の手段として多様な機能を発揮している。例えば、建築設計段階でBIMを用いて省エネ分析や建材分析を行えば、建築のエネルギー消費をシミュレーションし、建材の選択と生産に指針を与えることができる。BIM技術に基づく二次開発により、建築運用段階のエネルギー消費パターンをシミュレーションし、排出削減に向けた運用の道筋を探る技術的支援が得られる。また、BIMは環境分析や設備稼働監視などの機能と組み合わせることで、建築のエネルギー消費管理にデータ情報を提供できる。総じて、BIMはグリーンビルディングのライフサイクル全体における持続可能な発展に強力な技術的支援を提供している。既存研究ではBIM技術応用に関するレビューも行われており、花园园らは中国国内のBIM運用管理に関する研究現状とホットな課題を詳細に分析し、BIM技術を運用段階に応用する際の難点を提起した。Volkらは建築分野におけるBIM技術の応用現状を調査し、プロジェクト実施におけるBIMの限界を指摘した。また、Bradleyらは建設主体の視点からインフラ分野におけるBIM応用を論じ、BIMプロセスと業務プロセスを結び付けることの重要性を提唱した。BIM技術のグリーンビルディング分野への応用は広く注目されているものの、中国のグリーンビルディングにおけるBIM研究の現状については、いまだ完全かつ体系的な総括がなされていない。中国における当該分野の発展過程と研究動向をより的確に把握し、グリーンビルディングにおけるBIM技術応用の今後の研究方向を検討するには、関連する研究成果を整理し、体系化して分析し、既存の研究成果をさらに帰納・総括することが必要である。そこで本稿は、中国のグリーンビルディングにおけるBIM技術応用の現状に主眼を置き、中国知網（CNKI）を文献選定データベースとし、可視化文献分析ソフトウェア（CiteSpace）と文献検索・管理システム（NoteExpress）を用いて、当該研究分野の発表論文数を計量統計し、キーワードなどの分析とクラスタリングを行い、対応する知識マップを作成して定量分析を行い、BIM技術のグリーンビルディング分野への応用に関する研究の概要と研究ホットスポットを導き出すとともに、当該分野の研究発展傾向を掘り起こし、BIM技術とグリーンビルディングのさらなる効果的な結合に指針と参考を提供する。

1 研究設計

1.1 データソース

文献分析の基礎はテキストデータの収集であり、そのためには適切な文献データベースと確立された文献検索戦略が必要である。データの正確性と網羅性を確保するため、本稿では国内文献データが比較的整備されているCNKIデータベースを検索システムとして選定し、文献収集を行った。高度検索機能を用い、「BIM」または「建築情報モデリング」を含み、かつ「グリーン」または「省エネ」または「低炭素」を含むものを主題語として検索した。ここで「省エネ」は「グリーンビルディング評価基準」における「グリーン性能」の重要な内包であり、「低炭素」は建築・建設の「グリーン性」を測る重要な基準の一つである。収録種別は学術誌論文に設定した。予備検索の結果によると、最初の関連文献の発表は2006年であり、関連性のない学科分野の文献を除き、合計3501編が検索された。これらの文献を一件ずつ手作業で選別し、ニュース、会議通知、情報提供、関連性の低い文献および重複文献を除外した結果、最終的に2900件の有効文献を得た。

1.2 分析方法

選別後の文献に対し、CiteSpace v.6.1.2版ソフトウェアを用いて可視化分析を行い、「知識基盤」の既存データを「研究フロンティア」の統計分析へとマッピングし、BIM技術とグリーンビルディングの融合応用研究分野の科学知識マップを生成した。具体的には、本稿は定量分析と定性分析を組み合わせ、一方では分野内の高頻度語彙とその出現頻度を統計的に研究し、CiteSpaceとNoteExpressを用いた可視化分析・統計分析を通じて、キーワードネットワーク、キーワードクラスタリングネットワーク、時系列分布図を作成し、当該分野の研究状況と進化傾向を反映させた。他方では、定性分析により文献の主要内容を整理し、BIM技術とグリーンビルディングの融合に関する研究ホットスポットを紹介し、BIMがグリーンビルディングにもたらす技術的価値を分析した。本稿のデータ検索および知識マップ構築のフローは図1に示すとおりである。

図1 データ検索および知識マップ構築のフロー

2 知識基盤分析

グリーンビルディングへのBIM技術応用に関する文献数に基づき、研究の時系列上の分布特性を分析することができる（図2参照。2022年のデータは不完全なため集計せず、2006〜2021年の合計は2728編である）。研究文献の時系列図を分析すると、当該分野の発展はおおまかに以下の四つの段階に区分できる：

(1) 初期発展段階（2006〜2009年）： 2006年以前は、当該分野の研究は空白状態であり、初期発展段階の年間発表論文数は少なく、変動幅も小さかった。2006〜2009年の年間平均発表論文数は5編未満である。最も早い論文発表者は重慶大学建築・都市計画学院の曾旭东であり、2006年に設計分野で初めて省エネ建築設計手法を提唱し、BIM技術と建築エネルギー消費分析を結び付けて省エネ設計を深化させた。

(2) 緩やかな発展段階（2010〜2014年）： 2010年に発表された文献数は12編に達し、発表論文数は緩やかな増加傾向を示した。国の関連政策が、グリーンビルディングにおけるBIM技術応用の発展を促進した。例えば、中国の住宅都市農村建設部（MOHURD）が発表した「2011〜2015年建築業情報化発展綱要」は、BIMなどの新技術応用を加速するという発展要求を打ち出した。また2011年には、住宅都市農村建設部（MOHURD）が新たな「グリーンビルディング評価基準」の改訂完了を要求した。以後、発表論文数は年々増加し、研究内容も徐々に充実して、グリーン施工、炭素排出量計量などの研究成果が生み出された。

(3) 急速拡大段階（2015〜2018年）： 第三段階はおおむね2015年に始まり（年間発表論文数は122編）、この段階の発表論文数は急速な増加傾向を示した。2015年に施行された新基準GB/T 50378—2014「グリーンビルディング評価基準」は、グリーンビルディングの類型を拡張した。2016年には、住宅都市農村建設部（MOHURD）が「2016〜2020年建築業情報化発展綱要」を発表し、BIMなどの新技術の統合的応用能力の強化を要求した。発展綱要の指針の下、その後の研究の多くは建築業界のグリーン化、統合化、情報化の協調的発展に注目し、これを推進した。

(4) 安定的発展段階（2019年〜現在）： 2019年の年間発表論文数は490編とピークに達し、以後の年間発表論文数はいずれも400編を超えて安定化傾向を示したことから、この段階は安定的発展段階と位置づけられる。BIMの普及と応用の深化に伴い、BIMはグリーンビルディングのライフサイクル全体の管理に情報統合の有効なツールを提供し、BIMとグリーンビルディングの多様なシナリオにおける融合を推進している。

図2 研究文献の時系列分布

3 研究ホットスポット分析

3.1 高頻度キーワード分析

キーワードは全文の主旨と思想を凝縮したものであり、キーワードの統計と分析によって当該分野の核心的な内容と研究ホットスポットを浮き彫りにできる。また、キーワード知識マップを作成すれば、研究の動向と知識の構造を反映できる。予備分析後の可視化ネットワークは密度が高すぎて重点が明確でなかったため、重要なリンクを残して図の可読性を高めるとともに、その重要な構造的特徴を際立たせることにした。Pathfinder Network（PFNET、経路探索ネットワーク）によるネットワーク剪定方法を採用し、併せてネットワーク補助剪定戦略であるPruning the Merged Network（統合後のネットワークの剪定）を選択した。キーワード知識マップは図3に示すとおりである。

図3 キーワード知識マップ

当該分野の高頻度キーワードをより正確に確定するため、語義が同一または類似し、特異性に乏しく、関連性が低いキーワードを人為的に識別・選別し、BIM、建築情報モデリング、グリーン、省エネ、低炭素などの主題検索語を削除した上で、出現頻度と中心性の大きさに基づいて研究の高頻度キーワードを整理した（表1参照）。表1に示すように、前述の発展段階に対応して、高頻度キーワードの多くは緩やかな発展段階と急速な発展段階に位置しており、この二つの段階がBIM技術のグリーンビルディング応用研究のピーク期であることがさらに裏付けられた。

表1 研究の高頻度キーワード

高頻度キーワードは、グリーンビルディングの施工段階におけるBIM技術の幅広い応用を明らかにしている。戈祥林らは具体的な建築事例において、BIMモデルの構築を通じて初めて施工過程全体のグリーン施工を実現し、施工によって生じる環境破壊を低減した。以後、グリーンビルディングの施工段階におけるBIM応用に関する研究は年々増加した。また、「建築工事」「建築設計」というキーワードの出現は、初期研究においてBIMがグリーンビルディング工事の設計段階を重視していたことを示している。例えば、龙文志は上海中心大厦（Shanghai Tower）の設計段階におけるBIM技術の統合を切り口として、BIM設計の核心理念を論じた。次に図3から分かるように、情報化からは「施工管理」「プロジェクト管理」「グリーン設計」「協同設計」などの内容が派生しており、BIMの情報化などの機能がグリーンビルディングの複数の段階で応用されていることを示している。時間の経過とともに、グリーン建設は「モノのインターネット」「暖通空調（HVAC）」「クラウドコンピューティング」などと結び付き、BIMは様々な新技術を統合してグリーンビルディングのライフサイクル全体への統合的応用を進め始めた。特に、建築の運用段階への応用・実装に注目が集まるようになり、例えば马国丰と宋雪はBIMによる全プロセス情報の保存・管理を活用し、情報抽出とデータマイニングを通じて建築のスマート運用管理プラットフォームを構築し、オフィス建築の運用管理のスマート化を推進した。

3.2 キーワードクラスタリングとホットスポット分析

キーワードクラスタリングとは、キーワードの共起関係に基づき、特定のアルゴリズムを用いてキーワードの関連性についてクラスタリング分析を行うことを指す。キーワードクラスタリングの知識マップは図4に示すとおりであり、ネットワークのモジュール度はQ=0.8579>0.3で、図が極めて有意であることが分かる。ネットワークの同質性はS=0.9737>0.7で、キーワードクラスタリングの結果が高い信頼性を有することが分かる。ネットワークの同質性とモジュール度はいずれも1に近く、このネットワークのクラスタリング結果が合理的であることを示している。キーワードクラスタリングのタイムライン知識マップは図5に示すとおりである。

図4 キーワードクラスタリングの知識マップ

図5 キーワードクラスタリングのタイムライン図譜

ホットスポット研究の第一の大分類に当たるキーワード「グリーンビルディング」は、建築分野が持続可能性へ転換するための方法の一つである。 初期の研究は建築設計段階の省エネ設計と最適化設計に重点を置いており、建築省エネ設計手法の研究と並行して、各専門分野の建築エネルギー消費シミュレーションソフトウェアにおけるBIMデータのインターフェース開発と応用を模索し、グリーンビルディング全プロセスにわたるパラメトリック設計を全面的に実施する準備を進めた。BIM技術はその協同設計性を発揮し、グリーンビルディングにおけるグリーン分析、エネルギー消費分析、省エネ改修に段階的に応用されるようになり、さらに構造設計や性能分析にも深く応用されるに至った。

第二の大分類のキーワードは、新技術や情報化などの語彙に焦点を当てている。 BIMは新技術と結び付いてグリーンビルディングの建設に応用されている。例えば、ブロックチェーン、ビッグデータ、モノのインターネット、クラウドコンピューティングなどの新たなデジタル手段が、階層分析法（AHP）の改良、エネルギー消費評価、運用管理、建築環境モニタリング、スマートビル建設などに応用されている。特に近年、コンピュータ技術の急速な発展に伴い、建築の運用・維持段階におけるBIMとモノのインターネットなどの新技術との融合が徐々に増加している。

第三の大分類のキーワードは、施工管理、グリーン施工、建築業界などに焦点を当てている。 時系列で見ると、グリーン施工の研究の進展はグリーン設計より遅れており、設計と施工の一体化が徐々に推進された。その後の研究は、グリーン施工の全プロセスに焦点を当て、省エネ・排出削減技術の研究とともに、プロジェクト管理などの管理技術の向上を推進した。

4 進化傾向の分析

4.1 研究段階の区分

CiteSpaceを用いて一定期間内のキーワード出現頻度を統計し、これを基礎として研究テーマの変化を予測し、研究テーマの進化傾向を得る（図6参照）。研究文献の時系列図（図2）と区分した四つの段階を踏まえ、本節では各段階のキーワードについて詳細な分析を行う。

図6 キーワードのタイムゾーン図

(1) 初期発展段階（2006〜2009年） この段階では、BIM技術のグリーンビルディングへの応用は始まったばかりであり、国家政策が先導的な役割を果たした。2005年7月1日、中国初の「公共建築省エネ設計基準」が正式に施行され、2006年には中国のGB/T 50378—2006「グリーンビルディング評価基準」初版が公布され、グリーンビルディング設計の発展を導いた。この段階の関連研究は、グリーンビルディングの設計段階におけるBIM応用に重点を置き、グリーンビルディングの理念に基づく評価体系を提唱した。例えば、曾旭东は2006年に初めて、BIM技術と建築エネルギー消費分析を結び付けて省エネ建築設計を行うことを提唱した。この段階では、関連ソフトウェアの限界や建築省エネ意識の未普及により、グリーンビルディング設計段階におけるBIM技術の応用範囲と深さには一定の限界があった。

(2) 緩やかな発展段階（2010〜2014年） 2010年、グリーンビルディングへのBIM技術応用は緩やかな発展段階に入った。BIMは可視化、協同設計、情報化、デジタル化といった技術的特長と強みを発揮し、主にグリーンビルディングの建築企画・設計段階に応用され、一部の研究がグリーン施工におけるBIM技術の応用に言及した。2013年になると、関連研究はBIM技術と「グリーン施工」に言及し始めた。例えば、李骁は、建設過程でBIMを活用すれば、建設現場の建設資源管理を事前にシミュレーションし、作業フローを最適化し、工事の手戻りと資源の浪費を減らすことができると提唱した。グリーンビルディングへのBIM技術応用における「プロジェクト管理」は、主に、BIMがプロジェクト間の関連修正を実現し、情報の重複入力を減らし、各参加者の協同作業の効率を高める点に表れている。グリーンビルディングの「持続可能性」「経済性」も研究者の追求目標であり、そこから「低炭素建築」と、これに関連する低炭素設計、炭素排出量の算定方法、低炭素建築の炭素排出基準が登場した。例えば、华虹らは公共建築の低炭素設計と炭素排出量計量のニーズに基づき、BIM技術による低炭素設計分析手法を用いた炭素排出量計量モデルを構築した。この段階の発展が緩やかだった理由の一つは、建築業界におけるBIMの応用過程で統一された業界標準がいまだ整備されていなかったことにある。前の段階と比べると関連ソフトウェアは徐々に更新・改良されてきたが、その開発は依然として改善の余地がある。

(3) 急速拡大段階（2015〜2018年） 2015年、BIM技術はグリーンビルディングのライフサイクル全体における様々な段階に広く応用され始めた。「グリーン建設」「ライフサイクル全体」「施工管理」がこの段階のキーワードとして初めて姿を現し、それに伴って「モノのインターネット」「クラウドコンピューティング」「ビッグデータ」などの新興技術とBIM技術の交差融合が進み、技術面からグリーンビルディングのライフサイクル全体の発展が促進された。2017年には、「プレハブ」が研究キーワードの一つとなった。従来の鉄筋コンクリート造建築や鉄骨構造建築と比較して、新興のプレハブ建築はグリーンビルディングの実現過程で相応の強みを発揮する。例えば、徐照らはプレハブ建築のプレキャスト部材生産段階におけるBIM応用を整理・体系的に分析し、BIMとプレキャスト部材を結び付けたグリーンビルディングの発展方向を提唱した。

(4) 安定的発展段階（2019年〜現在） 2019年、当該分野の研究文献数は極大値に達し、以後は安定的発展段階にある。研究者たちは、グリーンビルディングにおけるBIMのより効率的かつ全面的な応用を絶えず模索している。この段階では、各種技術の応用が徐々に最適化・精緻化され、例えばスマート建設現場のクラウドプラットフォームの構築・運用、建設技術の省エネ最適化などが進んだ。グリーンビルディングの運用段階におけるBIM技術の応用はさらに深化し、多くの研究者は、プレハブ建築、都市鉄道交通、水利プロジェクト、橋梁プロジェクト、共同溝（ユーティリティトンネル）などの実プロジェクトのニーズに対応するため、研究面から対応する管理プラットフォームの企画・設計を行った。例えば、李忠富らはグリーン公共建築の運用段階におけるBIM技術の効果を研究・分析し、BIMのさらなる応用・普及を後押しした。

4.2 研究フロンティア分析

研究文献における語彙の出現頻度は、通常、研究の発展傾向を映し出す。CiteSpaceを用いた分析で可視化図譜を作成し、出現頻度の高い突発語（バースト語）を分析することで、研究分野のフロンティアを予測できる。突発語の強度と出現時期に基づいて最新の研究動向を識別すると、当該分野でこれまでに現れた研究フロンティアは、「協同設計」「建築省エネ」「ソフトウェアシミュレーション」「統合的応用」「クラウドコンピューティング」などに主に集中していたことが分かる。

（紙幅の都合により、本稿の後続の「5 結論」および参考文献の部分は原文を参照されたい。）

END

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