楊啟亮，邢建春

（陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，南京 210007）

一、前言

信息是驅(qū)動包括設(shè)計(jì)、構(gòu)造、運(yùn)維在內(nèi)的建筑全生命期活動的核心元素，參與其中的“人、機(jī)、物”等活動主體通過共享建筑信息來協(xié)同推動建筑活動的進(jìn)程。信息用于描述建筑特征，也是對建筑的抽象，在建筑不同階段的可靠傳遞、流轉(zhuǎn)和共享，對提升建筑工程建設(shè)與運(yùn)維的進(jìn)度、質(zhì)量、效益具有重要意義。建筑信息模型（BIM）是目前較為完善的建筑信息描述方法，被視為土木建筑領(lǐng)域重要的技術(shù)進(jìn)展之一，引發(fā)了建筑行業(yè)生產(chǎn)管理、運(yùn)維過程的重大變化。按照研究定義，BIM是對建筑設(shè)施物理、功能等特性的數(shù)字化表達(dá)，通過參數(shù)化模型對建筑實(shí)體進(jìn)行立體、直觀、精確的刻畫描述[1]；也指對構(gòu)造建筑信息活動的描述[2]?？梢哉J(rèn)為，BIM的本質(zhì)是將現(xiàn)實(shí)世界的建筑物理實(shí)體映射為虛擬對象實(shí)體，而當(dāng)前定義突出了建筑實(shí)體的靜態(tài)信息（如幾何屬性、結(jié)構(gòu)屬性）。

隨著智慧城市、智慧戰(zhàn)場、元宇宙[3]的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）、“信息 - 物理”融合交互[4,5]，城市災(zāi)害預(yù)演、戰(zhàn)場全息模擬等應(yīng)用需求不斷涌現(xiàn)，涉及這些新型技術(shù)系統(tǒng)的建筑設(shè)施構(gòu)造與信息描述的復(fù)雜性不斷增加，對具有動態(tài)性、真實(shí)性、實(shí)時性的新型建筑信息建模能力提出了新要求。這類新型的建筑設(shè)施信息模型，既要提供復(fù)雜信息系統(tǒng)中的參數(shù)化三維模型，還要反映建筑實(shí)體的動態(tài)變化以及相應(yīng)物理過程（如結(jié)構(gòu)形變、管網(wǎng)壓力分布、對象運(yùn)行特性），以此支持快速、精確、安全、高效的建筑全生命期管理和決策。

然而，以BIM為代表的建筑信息建模技術(shù)，側(cè)重建筑幾何數(shù)據(jù)、空間位置、關(guān)系模型、質(zhì)量屬性等靜態(tài)信息的定義與刻畫，是典型的“靜態(tài)信息模型”，未能體現(xiàn)建筑實(shí)體的物理規(guī)律融合、動態(tài)信息接入[6,7]。近年來，已有研究關(guān)注BIM與外部環(huán)境的交互以及物理仿真問題，如以BIM為基礎(chǔ)的過程擴(kuò)展[8,9]、BIM 與人的交互[10,11]、BIM 與物的交互[12～17]、BIM 動態(tài)模擬[18]，但依然無法進(jìn)行物理世界實(shí)體的實(shí)時感知與調(diào)控，反映建筑實(shí)體動態(tài)物理特性及過程的物理模型缺乏，難以適應(yīng)面向直觀性、真實(shí)性、動態(tài)性的BIM應(yīng)用新需求。

研究并建立一種能夠更加真實(shí)描述建筑、融合動態(tài)運(yùn)行物理規(guī)律、具備動態(tài)交互能力的新型BIM，具有理論意義和應(yīng)用價值。本文立足已有研究基礎(chǔ)[6,7]，提出一種建筑信息描述新形式的建筑信息物理模型（BIPM），闡明建筑固有的靜態(tài)信息模型與動態(tài)交互模型、物理規(guī)律模型疊加 / 融合的一般性原理、方法和技術(shù)，形成建筑物理實(shí)體在信息世界中的數(shù)字孿生體；可為高效構(gòu)造智慧建筑新型技術(shù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的理論與技術(shù)支撐，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)管控、AR/MR 交互、全性能動態(tài)模擬評估等關(guān)鍵內(nèi)容。

二、建筑信息物理模型的研究背景與概念內(nèi)涵

（一）問題提出背景

更加真實(shí)、高效地描述建筑并建立相應(yīng)的信息模型，一直是建筑領(lǐng)域的重要研究主題。建筑信息的描述手段先后經(jīng)歷了口口相傳、人工繪制圖紙、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字化設(shè)計(jì)（CAD）等發(fā)展階段（見圖1）。在早期，有關(guān)建筑及其建設(shè)過程的信息描述主要以語言交流實(shí)現(xiàn)，沒有存貯介質(zhì)和模型；后來，通過人工繪制圖紙實(shí)現(xiàn)建筑信息的具象化、圖形化并可長期存儲，但仍面臨共享傳遞不便的問題；再后來，隨著CAD 技術(shù)的推廣應(yīng)用，以電子文件形式描述和共享建筑信息顯著提高了流轉(zhuǎn)效率；如今，建筑信息描述和共享進(jìn)入了BIM 階段，可對建筑進(jìn)行三維立體描述，實(shí)現(xiàn)建筑信息在建筑全生命期內(nèi)的無損傳遞，提高了建筑生產(chǎn)和運(yùn)行的高效協(xié)同能力。

圖1 建筑信息描述與共享方式的歷史變遷

從歷史發(fā)展的維度來審視建筑信息描述方式的變遷，自然提出新的問題：新一代建筑信息描述與共享方式是什么？如何定義和實(shí)現(xiàn)？值得指出的是，我國建筑CAD、BIM 等標(biāo)準(zhǔn)框架都源自引進(jìn)，在新一代模型發(fā)展過程中需要加強(qiáng)自主創(chuàng)新研究，追求形成原生定義、有影響力的建筑信息描述標(biāo)準(zhǔn)模型；呼應(yīng)諸多新型應(yīng)用需求，加快發(fā)展具有直觀性、真實(shí)性、動態(tài)性的新型BIM，形成參數(shù)化的三維實(shí)體呈現(xiàn)能力、虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的融合交互能力、物理特性動態(tài)呈現(xiàn)能力。例如，戰(zhàn)場全息模擬系統(tǒng)需要三維立體呈現(xiàn)的戰(zhàn)場防護(hù)工程設(shè)施幾何實(shí)體模型，將戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)感知而得的實(shí)時信息（如爆炸沖擊波壓力）疊加到防護(hù)工程設(shè)施三維模型上并進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視，動態(tài)呈現(xiàn)防護(hù)設(shè)施當(dāng)前的物理過程效應(yīng)（如沖擊波壓力作用下的形變），如此才能近乎真實(shí)地呈現(xiàn)、復(fù)盤戰(zhàn)場場景，提高戰(zhàn)場態(tài)勢生成的快速性和精確性。

受上述背景因素的綜合驅(qū)動而提出了BIPM，旨在形成一種原生定義、指向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求的建筑信息描述新形式。

（二）研究現(xiàn)狀分析

1. 面向建筑全生命期的BIM應(yīng)用

BIM技術(shù)已滲透至建筑工程全生命期的各個階段[8]，在設(shè)計(jì)[19,20]、施工[9,21]階段的研究應(yīng)用更為深入和成熟。例如，BIM用于設(shè)計(jì)階段風(fēng)險管理過程中的關(guān)鍵因素控制[19]，拓展形成施工管理4D 模型[9]、集成物聯(lián)網(wǎng)的模塊化集成施工平臺[21]，在建筑能源[22,23]、安全風(fēng)險分析與災(zāi)害預(yù)防[24,25]等方面得到較好應(yīng)用。近年來，基于BIM 的建筑運(yùn)維[26,27]成為研究熱點(diǎn)，BIM與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合也是重要趨勢。

也要注意到，現(xiàn)有研究多將BIM視為與外部物理世界隔離、封閉且純粹的虛擬模型，側(cè)重構(gòu)建可在虛擬信息世界中高效運(yùn)行的BIM 實(shí)體模型；而BIM模型及其支撐技術(shù)，不具有與外部物理世界交互協(xié)同的能力，不支持相關(guān)軟件設(shè)施，仍處于“聾啞模型”層次。例如，國際上應(yīng)用廣泛的工業(yè)基礎(chǔ)類[10,28]，采用面向?qū)ο笏枷耄瑥念I(lǐng)域?qū)?、共享層、核心層、資源層定義建筑實(shí)體對象，同時支持模型分析、性能模擬等高級功能，但仍不支持可與外部物理世界進(jìn)行直接交互的模型實(shí)體。

2. BIM動態(tài)交互

BIM技術(shù)在人機(jī)交互AR、建筑運(yùn)維動態(tài)管控、建筑性能動態(tài)模擬等方向應(yīng)用逐步深化。為了實(shí)時響應(yīng)工程動態(tài)過程、保障良好的用戶體驗(yàn)，BIM與外部環(huán)境動態(tài)交互問題獲得進(jìn)一步關(guān)注。① 在BIM與人的交互方面，開發(fā)了BIM 與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）結(jié)合的虛擬訓(xùn)練平臺，實(shí)現(xiàn)與人的動作行為的交互及自動響應(yīng)[11]。② 在BIM 與物理系統(tǒng)的交互方面，著重考慮將外部物理環(huán)境、對象動態(tài)數(shù)據(jù)等接入到BIM 平臺中。例如，提出了一種信息集成概念框架[12]，研究了BIM與建筑設(shè)施及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互的方法與技術(shù)[13～15]；針對建筑結(jié)構(gòu)健康檢測需求，擴(kuò)展了BIM模型并增加了結(jié)構(gòu)傳感器實(shí)體，但僅具有感知能力而不具有控制能力[16]。另外，將信息物理融合系統(tǒng)（CPS）概念[4,5]引入到建筑工程領(lǐng)域[17,18]，形成面向“信息 - 物理”融合的BIM 擴(kuò)展方法[6,7]。這些工作側(cè)重構(gòu)建一種面向建筑工程的CPS系統(tǒng)，仍屬“特定而專設(shè)”方法，缺乏統(tǒng)一的通用化交互模型和物理模型。③ 在建筑性能動態(tài)模擬方面，可將BIM集成到第三方仿真工具提供的動態(tài)模型庫中，但BIM設(shè)計(jì)工具與第三方仿真工具存在數(shù)據(jù)交互接口不統(tǒng)一、自動化程度不高等問題[29]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)管控、虛擬現(xiàn)實(shí)與AR、動態(tài)場景模擬仿真等對BIM應(yīng)用需求的不斷增加，BIM與外部環(huán)境（如用戶、物理系統(tǒng)）的動態(tài)交互、動態(tài)模型集成等獲得更多關(guān)注。然而，多數(shù)研究針對單一方面（如交互模型[11]、動態(tài)物理模型[29]）、具體問題（如結(jié)構(gòu)傳感器擴(kuò)展[16]、指射頻識別對象擴(kuò)展[17]）而展開，通用性不強(qiáng)，無法解決BIM虛擬實(shí)體與物理實(shí)體雙向?qū)崟r交互、動態(tài)物理模型融合問題，具有統(tǒng)一化特征的BIM 模型及支撐技術(shù)依然缺乏。

3. 其他相關(guān)領(lǐng)域信息建模技術(shù)

地理信息系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域與建筑信息建模密切相關(guān)，較為重視物理實(shí)體信息化建模研究。在地理信息建模方面，三維地理信息系統(tǒng)（3D-GIS）是以數(shù)字化的三維形式來表達(dá)地理空間實(shí)體的信息模型[30]。隨著智慧城市建設(shè)的發(fā)展，三維城市信息模型（CIM）[31～33]成為3D-GIS 的重要研究內(nèi)容。雖然3D-GIS（或CIM）與BIM 類似都能表達(dá)結(jié)構(gòu)與環(huán)境空間實(shí)體，但3D-GIS 側(cè)重從建筑單體到城市、國土等宏觀層面的空間信息表達(dá)，不能用于單體建筑內(nèi)建筑構(gòu)件、設(shè)施設(shè)備等更加微觀和具體對象的數(shù)字化描述。融合BIM、AR 等技術(shù)以提高模型的交互性，成為3D-GIS、CIM 的重要發(fā)展方向[30,34]。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，物理產(chǎn)品的數(shù)字化描述與建模同樣是開展產(chǎn)品全生命周期有效管控的關(guān)鍵內(nèi)容。在智能制造、工業(yè)4.0 等需求的引領(lǐng)下，工業(yè)物理產(chǎn)品信息建模經(jīng)歷了從二維到三維再到數(shù)字孿生的演變[35]。數(shù)字孿生用于實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型的映射，利用系統(tǒng)中分布的傳感器，對物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模，開展多學(xué)科、多物理量、多時間尺度、多概率的仿真[36]，將物理系統(tǒng)在真實(shí)場景中的全生命周期過程反映出來[37]；主要分為物理空間中的物理實(shí)體、虛擬空間中的虛擬實(shí)體、虛實(shí)之間的雙向連接交互[38,39]，技術(shù)思想源于CPS[4,5]。數(shù)字孿生在智能制造、智能車間等領(lǐng)域應(yīng)用前景良好[37,40]，但在智慧建筑、智慧城市領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍停留在概念階段，缺乏統(tǒng)一的信息模型、技術(shù)平臺、標(biāo)準(zhǔn)體系[34,41]。

當(dāng)前，3D-GIS、CIM研究主要面向宏觀且粗粒度的地理空間與城市空間，較少關(guān)注建模對象的物理過程，包含的技術(shù)方法難以沿用到高精度的建筑信息描述及建模過程。源于智能制造領(lǐng)域的數(shù)字孿生理念，蘊(yùn)含了高保真建模、虛實(shí)交互等思想，但處于概念階段，缺少支撐技術(shù)和實(shí)用工具。整體來看，在建筑領(lǐng)域以及其他相關(guān)領(lǐng)域都缺乏基礎(chǔ)共性成果，未能形成可與外部實(shí)體動態(tài)交互、全真映射內(nèi)在機(jī)理的建筑信息描述模型。

（三）BIPM概念內(nèi)涵與基本特征

1. 概念內(nèi)涵

針對更加真實(shí)和動態(tài)的應(yīng)用場景對建筑信息描述方式的重大需求、構(gòu)建自主可控BIM 的內(nèi)在需要，本文提出了一種區(qū)別于現(xiàn)有BIM的建筑信息描述新形式，即BIPM。BIPM融合了建筑外在的可視化模型、建筑內(nèi)在的物理模型、建筑與外部交互的模型，實(shí)現(xiàn)了建筑向信息世界更加真實(shí)全面的映射及投影。此處的“建筑”為廣義概念，不僅包括建筑結(jié)構(gòu)本身，而且涵蓋建筑相關(guān)的專業(yè)設(shè)施設(shè)備（如管線、空調(diào)、配電）、物理環(huán)境（如溫度、濕度、光、聲）。因此，BIPM也指建筑及其相關(guān)專業(yè)的信息物理模型。

在BIPM概念中，有機(jī)融合建筑基本信息模型、交互模型、動態(tài)物理模型，形成“信息 - 物理”融合的建筑信息全新基礎(chǔ)模型（見圖2）；不僅能描述建筑尺寸、材質(zhì)等“外在”靜態(tài)信息，也能描述建筑自身的“內(nèi)在”物理機(jī)理、數(shù)字實(shí)體與物理實(shí)體交互等動態(tài)信息。究其實(shí)質(zhì)，是建筑物理實(shí)體向信息世界更加保真的映射，形成建筑實(shí)體在信息世界的孿生體，具有與物理實(shí)體相同的結(jié)構(gòu)行為、物理特性；虛擬孿生實(shí)體模型、建筑物理實(shí)體通過智能交互實(shí)現(xiàn)協(xié)同演化。

圖2 BIPM概念設(shè)想

2. 基本特征

相比靜態(tài)式BIM、BIM-4D等，BIPM在保持建筑基本信息的基礎(chǔ)上，具有新增特征：① 交互性，專門定義了交互實(shí)體，實(shí)現(xiàn)與物理世界建筑實(shí)體的動態(tài)交互；② 動態(tài)性，融合了反映動態(tài)運(yùn)行過程的物理模型（如建筑熱濕物理場、力學(xué)模型），可近乎真實(shí)地在信息世界中動態(tài)模擬并呈現(xiàn)物理系統(tǒng)過程；③ 智能性，專門定義了用于推理決策的實(shí)體，增強(qiáng)模型的智能推理決策能力，決策結(jié)果通過交互實(shí)體作用于建筑物以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行自優(yōu)化。

對比應(yīng)用領(lǐng)域可見，靜態(tài)式BIM用于主要關(guān)注建筑靜態(tài)信息的階段（如建筑設(shè)計(jì)、施工），而BIPM 是動態(tài)模型，其應(yīng)用既適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)、施工階段，也可拓展至建造、運(yùn)維階段以覆蓋建筑全生命期。BIPM 與CPS[2,3]也有本質(zhì)不同：前者仍是虛擬化的信息模型，將實(shí)際物理系統(tǒng)的物理規(guī)律進(jìn)行模型化、虛擬化，轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)讀取和執(zhí)行的信息模型；后者實(shí)為軟硬件系統(tǒng)，通過信息和控制策略來調(diào)控物理系統(tǒng)。BIPM與數(shù)字孿生體模型[38,39]也有實(shí)質(zhì)不同：前者是駐留并運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的純虛擬軟件模型，后者包括位于虛擬空間、包含物理場的數(shù)字（軟件）實(shí)體，位于物理空間的物理實(shí)體。

BIPM 將突破現(xiàn)有BIM 技術(shù)框架限制，形成自主定義和控制的建筑信息描述新模型，更具有建筑工程領(lǐng)域的具體指向性（見表1），對豐富BIM理論與技術(shù)體系、推動建筑領(lǐng)域數(shù)字孿生研究具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

表1 BIPM與相關(guān)模型的區(qū)別

三、建筑信息物理模型總體框架

BIPM的核心要義在于全真、完整地描述建筑，在數(shù)字空間中構(gòu)造形成數(shù)字建筑，主要描述建筑“外在”信息（如幾何尺寸、建筑材料、連接關(guān)系），建筑“內(nèi)在”信息（如結(jié)構(gòu)的形變模型、建筑空間熱濕變化規(guī)律），建筑數(shù)字實(shí)體與外部物理實(shí)體的動態(tài)交互行為。相應(yīng)地，BIPM 總體框架主要包括基本信息模型、物理模型、交互模型3種子模型（見圖3）?；拘畔⒛Ｐ蛯?shí)體分別綁定物理模型實(shí)體、交互模型實(shí)體，構(gòu)成具有動態(tài)性、交互性、智能性的BIPM實(shí)體。

圖3 BIPM總體框架

在BIPM 各子模型融合的具體實(shí)現(xiàn)思路上，基本信息模型包含建筑幾何、尺寸等屬性信息，可采用數(shù)據(jù)文件、靜態(tài)數(shù)據(jù)庫表等形式存貯此類靜態(tài)信息；物理模型可采用靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式存貯物理規(guī)律；外部交互模型主要處理靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息（描述模型的屬性構(gòu)成、連接關(guān)系），動態(tài)監(jiān)測信息（如物聯(lián)網(wǎng)采集來的環(huán)境溫度）：前者可與模型的靜態(tài)信息一起，由統(tǒng)一的文件或數(shù)據(jù)庫形式存儲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型融合；后者可存儲到實(shí)時數(shù)據(jù)庫表，通過統(tǒng)一的對象編號建立靜態(tài)數(shù)據(jù)文件與動態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)庫之間的鏈接，實(shí)現(xiàn)模型融合及底層數(shù)據(jù)集成。

一是基本信息模型，包括建筑的基本對象實(shí)體，如空調(diào)機(jī)組、門等，刻畫了建筑實(shí)體的幾何、尺寸、位置等基本靜態(tài)屬性。

二是物理模型，作為對建筑物理行為內(nèi)在機(jī)理規(guī)律的刻畫，包括建筑基本實(shí)體的時變特性、功能特性，如空調(diào)機(jī)組換熱過程物理解析模型、門的力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)老化疲勞規(guī)律等。部分物理過程可能無法經(jīng)由數(shù)理解析公式來建立，可采用大數(shù)據(jù)、人工智能等分析方法建立相應(yīng)的黑盒模型。動態(tài)化的物理模型是實(shí)現(xiàn)BIPM 動態(tài)性的技術(shù)保障，可由大數(shù)據(jù)、智能算法來驅(qū)動構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)自我演化，一定程度上顯現(xiàn)了智能性特征。

三是交互模型，由一套信息物理融合交互實(shí)體構(gòu)成，包括感知器實(shí)體、決策控制器實(shí)體、執(zhí)行器實(shí)體、動畫實(shí)體。建立這些實(shí)體及其交互關(guān)系，需要分析和抽象CPS 的“感知 - 決策 - 實(shí)施”反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)行為；通過概念實(shí)體進(jìn)行建筑虛擬實(shí)體（如空調(diào)模型）、建筑物理實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組）的動態(tài)交互，由此體現(xiàn)BIPM的交互性特征。① 感知器實(shí)體，實(shí)時感知物理實(shí)體的參數(shù)和狀態(tài)（如溫度、門的開閉），用于從物理世界到信息世界的信息傳遞。② 決策控制器實(shí)體，基于感知器的信息進(jìn)行自主決策推理，將決策結(jié)果（控制指令）傳遞給執(zhí)行器對象，由執(zhí)行器對象驅(qū)動建筑物理實(shí)體改變其運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)BIPM智能決策和自主管理。③ 執(zhí)行器實(shí)體，執(zhí)行（用戶或決策控制器實(shí)體）施加到BIPM 虛擬實(shí)體上的控制動作（如啟動、停止、溫度參數(shù)設(shè)定），驅(qū)動建筑物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的改變，將信息（或控制指令）從BIPM 虛擬實(shí)體空間傳遞至建筑物理空間。④ 動畫實(shí)體，在信息空間中動態(tài)展示虛擬BIPM 與對應(yīng)物理世界中建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，以一致性的三維可視化呈現(xiàn)虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的運(yùn)動狀態(tài)。

四、建筑信息物理模型理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)

將抽象的BIPM 總體框架轉(zhuǎn)化為在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的軟件體并進(jìn)行高效運(yùn)行管理，是推動BIPM 走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，需以理論基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破為依托。BIPM 是動態(tài)與靜態(tài)信息、離散與連續(xù)模型的復(fù)合體，其構(gòu)造與運(yùn)行管理的理論基礎(chǔ)涉及建筑結(jié)構(gòu)、建筑物理、離散數(shù)學(xué)、形式語言與自動機(jī)、控制理論、軟件工程等學(xué)科。從應(yīng)用視角看，BIPM 本質(zhì)上是1 個軟件體，在一定程度上也是智能體，構(gòu)造與運(yùn)行管理的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋數(shù)字表征與可計(jì)算描述、數(shù)字實(shí)體與建筑物理實(shí)體的鏈接交互、物理場可視化、軟件體自演化等。

（一）BIPM理論基礎(chǔ)

1. 離散與連續(xù)邏輯融合的建筑狀態(tài)時空建模理論

BIPM 中的基本信息模型用于對建筑空間結(jié)構(gòu)的數(shù)字描述，相應(yīng)狀態(tài)的時空軌跡表現(xiàn)為離散、靜態(tài)、有窮、串行，邏輯基礎(chǔ)多為離散數(shù)學(xué)。BIPM中的物理模型用于刻畫建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的物理規(guī)律，相應(yīng)狀態(tài)的時空軌跡表現(xiàn)為連續(xù)、動態(tài)、無窮、并發(fā)，邏輯基礎(chǔ)多為力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)。在理論層面建立BIPM 離散、連續(xù)相混合，統(tǒng)一狀態(tài)的時空演變數(shù)學(xué)模型，是關(guān)鍵科學(xué)問題，主要涉及：研究建筑設(shè)施、設(shè)備單元物理過程的模型化、數(shù)字化方法，已有數(shù)字仿真模型在BIPM 中的嵌入與集成方法，基本信息模型的時空語義物理表達(dá)等。

2. 信息空間與物理空間耦合的建筑交互行為建模理論

BIPM 作為軟件數(shù)字實(shí)體，運(yùn)行于信息空間，但在眾多應(yīng)用場景中（如數(shù)字孿生、智慧運(yùn)維等）需要與關(guān)聯(lián)的建筑物理系統(tǒng)（如建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)等）進(jìn)行雙向交互；感知真實(shí)物理的運(yùn)行參數(shù)，在可視化呈現(xiàn)后輸入物理模型進(jìn)行推演運(yùn)算，再將基于BIPM 的仿真結(jié)果輸出并作用到真實(shí)物理系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)以虛控實(shí)、優(yōu)化調(diào)控。這種雙向交互行為跨越了數(shù)字、物理空間的邊界，具有多層級、多尺度、不確定性、并發(fā)性等特征。刻畫和建模相關(guān)建筑行為是關(guān)鍵科學(xué)問題，主要涉及：BIPM 信息與物理空間交互并發(fā)行為的描述機(jī)制，基本信息模型、物理模型、交互模型的組合連接交互關(guān)系建立，異常事件擾動下BIPM 與物理系統(tǒng)交互時空演變規(guī)律以及關(guān)鍵性質(zhì)確保方法等。

3. BIPM可信分析與驗(yàn)證理論

BIPM 是信息 - 物理耦合、多物理場融合、具有多尺度層級、構(gòu)造性復(fù)雜的邏輯體，內(nèi)部邏輯交互的正確性、執(zhí)行路徑的暢通程度、執(zhí)行結(jié)果的有效性唯有經(jīng)過嚴(yán)格的分析和驗(yàn)證，才能確保BIPM的可信性。從建筑單元要素實(shí)體關(guān)系，拓展至幾何、物理、交互等單個模型，再到多模型組裝的BIPM 復(fù)合模型，由此形成分層級嚴(yán)格推理的驗(yàn)證與分析方法，具有完備性驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、性能驗(yàn)證、一致性驗(yàn)證、兼容性驗(yàn)證等能力。

（二）BIPM關(guān)鍵技術(shù)

1. BIPM的數(shù)字表征與可計(jì)算描述技術(shù)

抽象的BIPM 概念框架轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的實(shí)體模型，才能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行和管理，涉及的核心問題有：BIPM 的概念要素實(shí)體封裝并轉(zhuǎn)化為可計(jì)算實(shí)體的形式，以計(jì)算機(jī)的規(guī)約語言描述可計(jì)算實(shí)體來實(shí)現(xiàn)BIPM的持久化存儲。

一是BIPM 可計(jì)算實(shí)體的實(shí)現(xiàn)與構(gòu)造技術(shù)。采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法，研究BIPM 基本信息模型中要素實(shí)體的軟件對象式封裝、調(diào)用、關(guān)聯(lián)等技術(shù)。針對BIPM 的物理模型實(shí)現(xiàn)方法，研究基于解析模型的建筑物理模型構(gòu)件化封裝與調(diào)用，基于大數(shù)據(jù)、智能分析生成黑盒模型的建筑物理模型實(shí)體化封裝、調(diào)用、演化。針對BIPM 的建筑信息物理交互模型實(shí)現(xiàn)方法，研究要素實(shí)體軟件中對象形式的封裝、調(diào)用、協(xié)作，信息與物理實(shí)體的交互反饋、閉環(huán)協(xié)同。

二是BIPM 可計(jì)算實(shí)體的規(guī)約化描述與結(jié)構(gòu)化存儲。研究基于信息建模語言（如EXPRESS語言）的BIPM 實(shí)體規(guī)約化描述方法、結(jié)構(gòu)化信息存儲機(jī)制，建立BIPM 的統(tǒng)一描述模型，支持BIPM 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上的開放式存取、全生命期信息交換、持久化存儲。

2. 虛擬BIPM 實(shí)體與建筑物理實(shí)體的鏈接耦合與交互協(xié)同技術(shù)

交互性是BIPM 的重要特征，需要確保虛擬BIPM 實(shí)體與其建筑物理實(shí)體的可靠綁定、高效交互。建筑物理實(shí)體是實(shí)現(xiàn)虛擬空間、物理世界匹配交互的基礎(chǔ)，需唯一標(biāo)識BIPM 信息實(shí)體，研究相關(guān)匹配綁定的方法及機(jī)制。

一是虛擬BIPM 實(shí)體與建筑物理實(shí)體的鏈接耦合，包括各自標(biāo)識方法、基于標(biāo)識的快速匹配綁定與鏈接耦合機(jī)制、信息傳輸機(jī)制等。

二是虛擬BIPM 實(shí)體與建筑物理實(shí)體的動態(tài)交互協(xié)同，包括典型場景下的協(xié)同交互機(jī)制、基于形式化方法的實(shí)體之間動態(tài)交互行為數(shù)學(xué)建模、基于模型檢驗(yàn)的動態(tài)交互行為實(shí)時性與安全性分析。

3. BIPM的動態(tài)解析與可視運(yùn)行技術(shù)

BIPM 是立體化、多參數(shù)的虛擬實(shí)體，需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度并動態(tài)可視呈現(xiàn)，涉及兩方面：動態(tài)解析BIPM 模型的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如幾何、物理、交互等模型類別；基于解析出的參數(shù)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維BIPM實(shí)體的動態(tài)生成與呈現(xiàn)。

一是BIPM 數(shù)據(jù)的動態(tài)解析方法。針對BIPM數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲特征，研究基本信息模型、動態(tài)物理模型、動態(tài)交互模型的分類解析算法，具備對BIPM描述語法、語義的高效解析能力。

二是BIPM 動態(tài)可視化呈現(xiàn)與運(yùn)行技術(shù)。基于解析數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形化技術(shù)，研究BIPM 三維幾何模型動態(tài)生成算法、虛擬實(shí)體與物理實(shí)體交互接口動態(tài)綁定方法、物理模型構(gòu)件的動態(tài)鏈接與執(zhí)行方法等。

4. BIPM自適應(yīng)演化技術(shù)

依據(jù)復(fù)雜環(huán)境下BIPM 的自適應(yīng)演化特征，實(shí)現(xiàn)BIPM數(shù)字實(shí)體與物理體的性能 / 功能自主同步、可自主進(jìn)化的BIPM智能推理預(yù)測能力。

一是BIPM物理模型自適應(yīng)演化方法。BIPM對應(yīng)的物理實(shí)體，其物理特性（如混凝土梁的力學(xué)性能）必然隨著時間而變化。研究BIPM物理模型自動隨時間演化的機(jī)制及方法，以自適應(yīng)演化實(shí)現(xiàn)物理模型與實(shí)際物理體性能的自主同步，使BIPM 內(nèi)部封裝的物理模型能夠較好地反映實(shí)際物理性能。

二是BIPM 驅(qū)動物理體自適應(yīng)尋優(yōu)方法。自演化的BIPM 具有較好的推理預(yù)測能力，利用虛擬空間中的BIPM 推理預(yù)測結(jié)果，驅(qū)動建筑物理體自主尋優(yōu)，支持實(shí)現(xiàn)以虛控實(shí)、虛實(shí)共生、虛實(shí)協(xié)同進(jìn)化的終極目標(biāo)。

五、建筑信息物理模型應(yīng)用案例與價值分析

（一）BIPM應(yīng)用案例

冷機(jī)是建筑空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，構(gòu)建數(shù)字孿生冷機(jī)系統(tǒng)對提升建筑空調(diào)冷機(jī)運(yùn)維效能、優(yōu)化運(yùn)行能力、支持建筑運(yùn)行節(jié)能減碳等均有積極意義。基于BIPM概念與技術(shù)框架，自行開發(fā)了建筑數(shù)字孿生體圖形化建模語言、代碼自動生成工具[42]，自主研制了建筑冷機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)[43]，驗(yàn)證了BIPM 技術(shù)理念的可用性；通過冷機(jī)孿生實(shí)體與物理實(shí)體的雙向交互，形成了冷機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)（見圖4）[43]。

圖4 基于BIPM的冷機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

BIPM 的基本信息模型功能主要由BIM 模型文件實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)信息模型作為數(shù)字孿生冷機(jī)的基礎(chǔ)，首先要解決直觀上“像不像”的問題；使用冷機(jī)BIM作為靜態(tài)信息模型，可以復(fù)用現(xiàn)有模型，也可簡化開發(fā)過程，與未來數(shù)字孿生系統(tǒng)拓展保持底層技術(shù)的一致性。冷機(jī)BIM 模型由Revit 建模工具構(gòu)建，可定義幾何尺寸等屬性；選擇xBIM Toolkit 中的xBIM WeXplorer 組件，嵌入應(yīng)用程序Web 頁面，作為BIM模型渲染引擎。

采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立冷機(jī)BIPM的物理模型，在分析冷機(jī)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，形成擬合物理方程以求解冷機(jī)性能系數(shù)（COP）[43]。數(shù)字孿生冷機(jī)物理模型支持交互模型的優(yōu)化控制，預(yù)測調(diào)整冷機(jī)設(shè)定值后的COP 值并判斷該調(diào)整能否實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，據(jù)此向運(yùn)維人員給出操作建議。冷機(jī)BIPM 的交互模型用于冷機(jī)BIPM 實(shí)體（數(shù)字孿生體）與物理冷機(jī)進(jìn)行交互，采用RS-485 協(xié)議進(jìn)行連接，通過Modbus數(shù)據(jù)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向信息交互。

冷機(jī)BIPM 實(shí)體向用戶提供了接近真實(shí)物理冷機(jī)的交互體驗(yàn)，可直觀、實(shí)時監(jiān)控冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)，依據(jù)內(nèi)置的COP 物理模型實(shí)時運(yùn)算COP 指標(biāo)；基于COP指標(biāo)優(yōu)化來調(diào)控實(shí)際冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)冷機(jī)BIPM 實(shí)體與物理體的雙向交互、融合共生、協(xié)同優(yōu)化。在氣候條件穩(wěn)定的情況下開展了為期4 天的冷機(jī)運(yùn)行COP 測試試驗(yàn)。其中，前2 天物理冷機(jī)沒有連接其BIPM 孿生體，后2 天物理冷機(jī)連接BIPM 孿生體并通過BIPM 動態(tài)調(diào)優(yōu)物理冷機(jī)。物理冷機(jī)與BIPM 孿生實(shí)體連接以及交互運(yùn)行與否的效果對比如圖5 所示，可見協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行時的COP 值顯著高于未連接工況，說明引入BIPM 帶來了良好收益。究其原因，BIPM 內(nèi)置了冷機(jī)的物理模型以增強(qiáng)預(yù)測能力，利于動態(tài)調(diào)控優(yōu)化實(shí)際物理設(shè)備。BIPM對冷機(jī)COP性能的改善還可由COP差異值來刻畫（見圖6）。在94 個采集點(diǎn)上，有85 個COP 值得到改善，占比超過90%；有48 個COP 差異值明顯，體現(xiàn)了冷機(jī)BIPM 孿生體在提高物理冷機(jī)效率、改善節(jié)能成效方面的極大潛力。

圖5 物理冷機(jī)連接BIPM孿生體前后運(yùn)行COP結(jié)果對比

圖6 物理冷機(jī)連接BIPM孿生體前后運(yùn)行COP差異值對比

（二）BIPM應(yīng)用生態(tài)與價值

BIPM 作為新的建筑信息描述形式，可突破現(xiàn)有BIM 技術(shù)框架的限制，豐富BIM 理論與技術(shù)體系，應(yīng)用前景體現(xiàn)在兩方面：BIPM可在建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命期，應(yīng)急和戰(zhàn)時場景下應(yīng)用，顯著拓展傳統(tǒng)以設(shè)計(jì)為主的BIM應(yīng)用空間；基礎(chǔ)模型自身封裝了建筑物理過程動態(tài)模擬、信息物理實(shí)體動態(tài)交互等能力，可為建筑運(yùn)維動態(tài)管控、城市數(shù)字孿生、戰(zhàn)場動態(tài)全息模擬等新型系統(tǒng)的高效研發(fā)提供直接支持。

1. 建筑設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用前景

在建筑設(shè)計(jì)階段構(gòu)建基于BIPM 的建筑設(shè)計(jì)工具，相較基于BIM的設(shè)計(jì)工具，在常規(guī)的三維立體設(shè)計(jì)能力之外，因內(nèi)置了物理模型而具有較強(qiáng)的仿真預(yù)測能力。例如，在設(shè)計(jì)墻體時，基于BIPM 設(shè)計(jì)工具可進(jìn)行墻體受強(qiáng)沖擊條件下的形變、破壞效應(yīng)仿真，在設(shè)計(jì)階段即增強(qiáng)未來施工、運(yùn)維階段的預(yù)見性。

2. 建筑施工階段的應(yīng)用前景

在建筑施工階段，基于BIPM 可形成多種有價值應(yīng)用。與BIM類似，構(gòu)建虛擬施工平臺，直觀展示施工運(yùn)行工序；由于內(nèi)置了建筑設(shè)備的物理模型，BIPM在施工階段即具有虛擬調(diào)試功能。例如，大型地下工程的空調(diào)系統(tǒng)異常復(fù)雜，若在實(shí)體安裝后的調(diào)試實(shí)驗(yàn)中才發(fā)現(xiàn)缺陷，可造成更換組件困難；而依托BIPM 的仿真能力和虛擬調(diào)試功能，在實(shí)體空調(diào)系統(tǒng)安裝之前即在BIPM 施工虛擬平臺上進(jìn)行虛擬調(diào)試，測試空調(diào)系統(tǒng)的溫 / 濕度調(diào)節(jié)性能、各部件之間的協(xié)作情況。再如，在施工過程中建立混凝土BIPM，因其含有混凝土收縮變形等物理模型，可以在施工過程中對建筑混凝土結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行仿真分析并開展相應(yīng)的質(zhì)量控制。

3. 建筑運(yùn)維階段的應(yīng)用前景

BIPM 融合了物理模型和交互模型，適用于建筑運(yùn)維階段。構(gòu)建基于BIPM 的建筑數(shù)字孿生體，為建筑運(yùn)維提供全場景、立體可視的綜合平臺，可提升建筑運(yùn)維快速反應(yīng)能力。BIPM 交互模型與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)疊加，將增強(qiáng)建筑物理系統(tǒng)的實(shí)時感知和控制能力。BIPM 物理模型疊加建筑運(yùn)維業(yè)務(wù)，對建筑運(yùn)維預(yù)案進(jìn)行推演和決策評估，將結(jié)果反饋到實(shí)際建筑物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)維過程的優(yōu)化調(diào)度、應(yīng)急安全事件的預(yù)先處置。例如，構(gòu)建建筑室內(nèi)火災(zāi)蔓延BIPM，在運(yùn)維平臺上進(jìn)行突發(fā)火情的蔓延擴(kuò)散模擬，提高火災(zāi)應(yīng)急疏散方案的有效性。

六、結(jié)語

本文針對建筑物聯(lián)實(shí)景化運(yùn)維、城市數(shù)字孿生、戰(zhàn)場MR等應(yīng)用對動態(tài)實(shí)時交互、真實(shí)映射模擬的迫切需求，辨識BIM技術(shù)框架的不足，提出了BIPM 這一靜態(tài)與動態(tài)相融合、信息與物理相融合的建筑信息描述新形式。BIPM 具有動態(tài)性、交互性、智能性，可更加真實(shí)地將物理世界的建筑實(shí)體映射到信息世界中，適應(yīng)AR、動態(tài)全息模擬、物聯(lián)網(wǎng)交互、可視化應(yīng)急決策等更復(fù)雜應(yīng)用場景；革新了對傳統(tǒng)BIM僅能封裝幾何等靜態(tài)屬性信息的認(rèn)識，是自主可控BIM 創(chuàng)新研究的有益探索。BIPM使相關(guān)信息在建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等虛擬信息世界中順暢流動，還將建筑信息流無縫延伸至物理世界；不但能夠單純地與人交互，而且可以真實(shí)模擬物理動態(tài)過程，自主地同外部物理設(shè)施設(shè)備進(jìn)行交互。BIPM 技術(shù)能夠自然地應(yīng)用到建筑運(yùn)維動態(tài)管控、AR、城市數(shù)字孿生、戰(zhàn)場動態(tài)全真模擬等新興領(lǐng)域，顯著拓展了傳統(tǒng)BIM的應(yīng)用空間。

BIPM作為對標(biāo)BIM的一種建筑信息描述形式，當(dāng)前研究與應(yīng)用仍顯初步，為了拓展應(yīng)用范圍，可從以下方面予以深化。① 研究BIPM理論和關(guān)鍵技術(shù)，支持BIPM 從抽象概念到具象的工程應(yīng)用。開展離散與連續(xù)邏輯融合的建筑狀態(tài)時空建模、信息空間與物理空間耦合的建筑交互行為建模、BIPM可信分析構(gòu)造與驗(yàn)證等研究，形成BIPM理論基礎(chǔ)。突破BIPM 的數(shù)字表征與可計(jì)算描述、虛擬BIPM實(shí)體與建筑物理實(shí)體的鏈接耦合與交互協(xié)同、動態(tài)解析與可視輕量運(yùn)行、BIPM 自適應(yīng)演化等關(guān)鍵技術(shù)，確立BIPM 技術(shù)體系。② 構(gòu)建系列化的BIPM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成數(shù)據(jù)交換和交互格式，保障推廣應(yīng)用。構(gòu)建面向設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)的BIPM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、BIPM 內(nèi)部子模型接口標(biāo)準(zhǔn)、信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、模型交付標(biāo)準(zhǔn)，盡量增強(qiáng)與現(xiàn)有BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。③ 研發(fā)體系化的BIPM建筑工業(yè)軟件工具，覆蓋建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命期。采用軟件工程思維，研發(fā)BIPM 快速生成自動化工具，提高BIPM軟件開發(fā)效率，降低開發(fā)門坎。面向MR、數(shù)字孿生等新業(yè)態(tài)，研發(fā)基于BIPM 的數(shù)字孿生應(yīng)用基礎(chǔ)軟件，形成數(shù)字孿生監(jiān)控、仿真、推演、訓(xùn)練等能力，建立可持續(xù)的BIPM技術(shù)和應(yīng)用生態(tài)。

致謝

深圳大學(xué)陳湘生院士在稿件撰寫過程中給予指導(dǎo)性意見，研究團(tuán)隊(duì)李蘇亮、孔琳琳、鄒榮偉等同學(xué)幫助整理部分文稿。謹(jǐn)致謝意。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:March 20, 2023;Revised date:May 10, 2023

Corresponding author:Yang Qiliang is a professor from the College of Defense Engineering, Army Engineering University of PLA. His major research fields include intelligent building, building information modeling technology, adaptive software engineering, and cyber-physical system.E-mail: yql@893.com.cn

Funding project:National Natural Science Foundation of China project(2021-XZ-24); Natural Science Foundation of Jiangsu Province project(BK20201335)