建筑信息物理模型：一種建筑信息描述新形式

楊啟亮，邢建春

（陸軍工程大學國防工程學院，南京 210007）

一、前言

信息是驅動包括設計、構造、運維在內的建筑全生命期活動的核心元素，參與其中的“人、機、物”等活動主體通過共享建筑信息來協同推動建筑活動的進程。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、流轉和共享，對提升建筑工程建設與運維的進度、質量、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，被視為土木建筑領域重要的技術進展之一，引發了建筑行業生產管理、運維過程的重大變化。按照研究定義，BIM是對建筑設施物理、功能等特性的數字化表達，通過參數化模型對建筑實體進行立體、直觀、精確的刻畫描述[1]；也指對構造建筑信息活動的描述[2]。可以認為，BIM的本質是將現實世界的建筑物理實體映射為虛擬對象實體，而當前定義突出了建筑實體的靜態信息（如幾何屬性、結構屬性）。

隨著智慧城市、智慧戰場、元宇宙[3]的發展，增強現實（AR）、混合現實（MR）、“信息 - 物理”融合交互[4,5]，城市災害預演、戰場全息模擬等應用需求不斷涌現，涉及這些新型技術系統的建筑設施構造與信息描述的復雜性不斷增加，對具有動態性、真實性、實時性的新型建筑信息建模能力提出了新要求。這類新型的建筑設施信息模型，既要提供復雜信息系統中的參數化三維模型，還要反映建筑實體的動態變化以及相應物理過程（如結構形變、管網壓力分布、對象運行特性），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，側重建筑幾何數據、空間位置、關系模型、質量屬性等靜態信息的定義與刻畫，是典型的“靜態信息模型”，未能體現建筑實體的物理規律融合、動態信息接入[6,7]。近年來，已有研究關注BIM與外部環境的交互以及物理仿真問題，如以BIM為基礎的過程擴展[8,9]、BIM 與人的交互[10,11]、BIM 與物的交互[12～17]、BIM 動態模擬[18]，但依然無法進行物理世界實體的實時感知與調控，反映建筑實體動態物理特性及過程的物理模型缺乏，難以適應面向直觀性、真實性、動態性的BIM應用新需求。

研究并建立一種能夠更加真實描述建筑、融合動態運行物理規律、具備動態交互能力的新型BIM，具有理論意義和應用價值。本文立足已有研究基礎[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信息模型與動態交互模型、物理規律模型疊加 / 融合的一般性原理、方法和技術，形成建筑物理實體在信息世界中的數字孿生體；可為高效構造智慧建筑新型技術系統提供統一的理論與技術支撐，涵蓋物聯網管控、AR/MR 交互、全性能動態模擬評估等關鍵內容。

二、建筑信息物理模型的研究背景與概念內涵

（一）問題提出背景

更加真實、高效地描述建筑并建立相應的信息模型，一直是建筑領域的重要研究主題。建筑信息的描述手段先后經歷了口口相傳、人工繪制圖紙、計算機輔助數字化設計（CAD）等發展階段（見圖1）。在早期，有關建筑及其建設過程的信息描述主要以語言交流實現，沒有存貯介質和模型；后來，通過人工繪制圖紙實現建筑信息的具象化、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 技術的推廣應用，以電子文件形式描述和共享建筑信息顯著提高了流轉效率；如今，建筑信息描述和共享進入了BIM 階段，可對建筑進行三維立體描述，實現建筑信息在建筑全生命期內的無損傳遞，提高了建筑生產和運行的高效協同能力。

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？如何定義和實現？值得指出的是，我國建筑CAD、BIM 等標準框架都源自引進，在新一代模型發展過程中需要加強自主創新研究，追求形成原生定義、有影響力的建筑信息描述標準模型；呼應諸多新型應用需求，加快發展具有直觀性、真實性、動態性的新型BIM，形成參數化的三維實體呈現能力、虛擬實體與物理實體的融合交互能力、物理特性動態呈現能力。例如，戰場全息模擬系統需要三維立體呈現的戰場防護工程設施幾何實體模型，將戰場物聯網感知而得的實時信息（如爆炸沖擊波壓力）疊加到防護工程設施三維模型上并進行動態監視，動態呈現防護設施當前的物理過程效應（如沖擊波壓力作用下的形變），如此才能近乎真實地呈現、復盤戰場場景，提高戰場態勢生成的快速性和精確性。

受上述背景因素的綜合驅動而提出了BIPM，旨在形成一種原生定義、指向現實應用需求的建筑信息描述新形式。

（二）研究現狀分析

1. 面向建筑全生命期的BIM應用

BIM技術已滲透至建筑工程全生命期的各個階段[8]，在設計[19,20]、施工[9,21]階段的研究應用更為深入和成熟。例如，BIM用于設計階段風險管理過程中的關鍵因素控制[19]，拓展形成施工管理4D 模型[9]、集成物聯網的模塊化集成施工平臺[21]，在建筑能源[22,23]、安全風險分析與災害預防[24,25]等方面得到較好應用。近年來，基于BIM 的建筑運維[26,27]成為研究熱點，BIM與大數據、物聯網等技術融合也是重要趨勢。

也要注意到，現有研究多將BIM視為與外部物理世界隔離、封閉且純粹的虛擬模型，側重構建可在虛擬信息世界中高效運行的BIM 實體模型；而BIM模型及其支撐技術，不具有與外部物理世界交互協同的能力，不支持相關軟件設施，仍處于“聾啞模型”層次。例如，國際上應用廣泛的工業基礎類[10,28]，采用面向對象思想，從領域層、共享層、核心層、資源層定義建筑實體對象，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行直接交互的模型實體。

2. BIM動態交互

BIM技術在人機交互AR、建筑運維動態管控、建筑性能動態模擬等方向應用逐步深化。為了實時響應工程動態過程、保障良好的用戶體驗，BIM與外部環境動態交互問題獲得進一步關注。① 在BIM與人的交互方面，開發了BIM 與虛擬現實（VR）結合的虛擬訓練平臺，實現與人的動作行為的交互及自動響應[11]。② 在BIM 與物理系統的交互方面，著重考慮將外部物理環境、對象動態數據等接入到BIM 平臺中。例如，提出了一種信息集成概念框架[12]，研究了BIM與建筑設施及環境進行實時數據交互的方法與技術[13～15]；針對建筑結構健康檢測需求，擴展了BIM模型并增加了結構傳感器實體，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（CPS）概念[4,5]引入到建筑工程領域[17,18]，形成面向“信息 - 物理”融合的BIM 擴展方法[6,7]。這些工作側重構建一種面向建筑工程的CPS系統，仍屬“特定而專設”方法，缺乏統一的通用化交互模型和物理模型。③ 在建筑性能動態模擬方面，可將BIM集成到第三方仿真工具提供的動態模型庫中，但BIM設計工具與第三方仿真工具存在數據交互接口不統一、自動化程度不高等問題[29]。

隨著物聯網動態管控、虛擬現實與AR、動態場景模擬仿真等對BIM應用需求的不斷增加，BIM與外部環境（如用戶、物理系統）的動態交互、動態模型集成等獲得更多關注。然而，多數研究針對單一方面（如交互模型[11]、動態物理模型[29]）、具體問題（如結構傳感器擴展[16]、指射頻識別對象擴展[17]）而展開，通用性不強，無法解決BIM虛擬實體與物理實體雙向實時交互、動態物理模型融合問題，具有統一化特征的BIM 模型及支撐技術依然缺乏。

3. 其他相關領域信息建模技術

地理信息系統、產品設計與制造等領域與建筑信息建模密切相關，較為重視物理實體信息化建模研究。在地理信息建模方面，三維地理信息系統（3D-GIS）是以數字化的三維形式來表達地理空間實體的信息模型[30]。隨著智慧城市建設的發展，三維城市信息模型（CIM）[31～33]成為3D-GIS 的重要研究內容。雖然3D-GIS（或CIM）與BIM 類似都能表達結構與環境空間實體，但3D-GIS 側重從建筑單體到城市、國土等宏觀層面的空間信息表達，不能用于單體建筑內建筑構件、設施設備等更加微觀和具體對象的數字化描述。融合BIM、AR 等技術以提高模型的交互性，成為3D-GIS、CIM 的重要發展方向[30,34]。

在產品設計與制造領域，物理產品的數字化描述與建模同樣是開展產品全生命周期有效管控的關鍵內容。在智能制造、工業4.0 等需求的引領下，工業物理產品信息建模經歷了從二維到三維再到數字孿生的演變[35]。數字孿生用于實現物理系統向信息空間數字化模型的映射，利用系統中分布的傳感器，對物理實體進行數據分析與建模，開展多學科、多物理量、多時間尺度、多概率的仿真[36]，將物理系統在真實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體、虛擬空間中的虛擬實體、虛實之間的雙向連接交互[38,39]，技術思想源于CPS[4,5]。數字孿生在智能制造、智能車間等領域應用前景良好[37,40]，但在智慧建筑、智慧城市領域的應用研究仍停留在概念階段，缺乏統一的信息模型、技術平臺、標準體系[34,41]。

當前，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，較少關注建模對象的物理過程，包含的技術方法難以沿用到高精度的建筑信息描述及建模過程。源于智能制造領域的數字孿生理念，蘊含了高保真建模、虛實交互等思想，但處于概念階段，缺少支撐技術和實用工具。整體來看，在建筑領域以及其他相關領域都缺乏基礎共性成果，未能形成可與外部實體動態交互、全真映射內在機理的建筑信息描述模型。

（三）BIPM概念內涵與基本特征

1. 概念內涵

針對更加真實和動態的應用場景對建筑信息描述方式的重大需求、構建自主可控BIM 的內在需要，本文提出了一種區別于現有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、建筑內在的物理模型、建筑與外部交互的模型，實現了建筑向信息世界更加真實全面的映射及投影。此處的“建筑”為廣義概念，不僅包括建筑結構本身，而且涵蓋建筑相關的專業設施設備（如管線、空調、配電）、物理環境（如溫度、濕度、光、聲）。因此，BIPM也指建筑及其相關專業的信息物理模型。

在BIPM概念中，有機融合建筑基本信息模型、交互模型、動態物理模型，形成“信息 - 物理”融合的建筑信息全新基礎模型（見圖2）；不僅能描述建筑尺寸、材質等“外在”靜態信息，也能描述建筑自身的“內在”物理機理、數字實體與物理實體交互等動態信息。究其實質，是建筑物理實體向信息世界更加保真的映射，形成建筑實體在信息世界的孿生體，具有與物理實體相同的結構行為、物理特性；虛擬孿生實體模型、建筑物理實體通過智能交互實現協同演化。

圖2 BIPM概念設想

2. 基本特征

相比靜態式BIM、BIM-4D等，BIPM在保持建筑基本信息的基礎上，具有新增特征：① 交互性，專門定義了交互實體，實現與物理世界建筑實體的動態交互；② 動態性，融合了反映動態運行過程的物理模型（如建筑熱濕物理場、力學模型），可近乎真實地在信息世界中動態模擬并呈現物理系統過程；③ 智能性，專門定義了用于推理決策的實體，增強模型的智能推理決策能力，決策結果通過交互實體作用于建筑物以實現運行自優化。

對比應用領域可見，靜態式BIM用于主要關注建筑靜態信息的階段（如建筑設計、施工），而BIPM 是動態模型，其應用既適應建筑設計、施工階段，也可拓展至建造、運維階段以覆蓋建筑全生命期。BIPM 與CPS[2,3]也有本質不同：前者仍是虛擬化的信息模型，將實際物理系統的物理規律進行模型化、虛擬化，轉化為可被計算機讀取和執行的信息模型；后者實為軟硬件系統，通過信息和控制策略來調控物理系統。BIPM與數字孿生體模型[38,39]也有實質不同：前者是駐留并運行于計算機上的純虛擬軟件模型，后者包括位于虛擬空間、包含物理場的數字（軟件）實體，位于物理空間的物理實體。

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

表1 BIPM與相關模型的區別

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，在數字空間中構造形成數字建筑，主要描述建筑“外在”信息（如幾何尺寸、建筑材料、連接關系），建筑“內在”信息（如結構的形變模型、建筑空間熱濕變化規律），建筑數字實體與外部物理實體的動態交互行為。相應地，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）。基本信息模型實體分別綁定物理模型實體、交互模型實體，構成具有動態性、交互性、智能性的BIPM實體。

圖3 BIPM總體框架

在BIPM 各子模型融合的具體實現思路上，基本信息模型包含建筑幾何、尺寸等屬性信息，可采用數據文件、靜態數據庫表等形式存貯此類靜態信息；物理模型可采用靜態數據結構形式存貯物理規律；外部交互模型主要處理靜態數據結構信息（描述模型的屬性構成、連接關系），動態監測信息（如物聯網采集來的環境溫度）：前者可與模型的靜態信息一起，由統一的文件或數據庫形式存儲，進而實現模型融合；后者可存儲到實時數據庫表，通過統一的對象編號建立靜態數據文件與動態實時數據庫之間的鏈接，實現模型融合及底層數據集成。

一是基本信息模型，包括建筑的基本對象實體，如空調機組、門等，刻畫了建筑實體的幾何、尺寸、位置等基本靜態屬性。

二是物理模型，作為對建筑物理行為內在機理規律的刻畫，包括建筑基本實體的時變特性、功能特性，如空調機組換熱過程物理解析模型、門的力學模型、結構老化疲勞規律等。部分物理過程可能無法經由數理解析公式來建立，可采用大數據、人工智能等分析方法建立相應的黑盒模型。動態化的物理模型是實現BIPM 動態性的技術保障，可由大數據、智能算法來驅動構建并實現自我演化，一定程度上顯現了智能性特征。

三是交互模型，由一套信息物理融合交互實體構成，包括感知器實體、決策控制器實體、執行器實體、動畫實體。建立這些實體及其交互關系，需要分析和抽象CPS 的“感知 - 決策 - 實施”反饋閉環結構以及相應行為；通過概念實體進行建筑虛擬實體（如空調模型）、建筑物理實體（如空調機組）的動態交互，由此體現BIPM的交互性特征。① 感知器實體，實時感知物理實體的參數和狀態（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 決策控制器實體，基于感知器的信息進行自主決策推理，將決策結果（控制指令）傳遞給執行器對象，由執行器對象驅動建筑物理實體改變其運動狀態，實現BIPM智能決策和自主管理。③ 執行器實體，執行（用戶或決策控制器實體）施加到BIPM 虛擬實體上的控制動作（如啟動、停止、溫度參數設定），驅動建筑物理實體運行狀態的改變，將信息（或控制指令）從BIPM 虛擬實體空間傳遞至建筑物理空間。④ 動畫實體，在信息空間中動態展示虛擬BIPM 與對應物理世界中建筑實體的運行狀態，以一致性的三維可視化呈現虛擬實體與物理實體的運動狀態。

四、建筑信息物理模型理論基礎與關鍵技術

將抽象的BIPM 總體框架轉化為在計算機上執行的軟件體并進行高效運行管理，是推動BIPM 走向工程應用的關鍵步驟，需以理論基礎研究、關鍵技術突破為依托。BIPM 是動態與靜態信息、離散與連續模型的復合體，其構造與運行管理的理論基礎涉及建筑結構、建筑物理、離散數學、形式語言與自動機、控制理論、軟件工程等學科。從應用視角看，BIPM 本質上是1 個軟件體，在一定程度上也是智能體，構造與運行管理的關鍵技術涵蓋數字表征與可計算描述、數字實體與建筑物理實體的鏈接交互、物理場可視化、軟件體自演化等。

（一）BIPM理論基礎

1. 離散與連續邏輯融合的建筑狀態時空建模理論

BIPM 中的基本信息模型用于對建筑空間結構的數字描述，相應狀態的時空軌跡表現為離散、靜態、有窮、串行，邏輯基礎多為離散數學。BIPM中的物理模型用于刻畫建筑結構、環境、機電設備系統的物理規律，相應狀態的時空軌跡表現為連續、動態、無窮、并發，邏輯基礎多為力學、電學、熱學。在理論層面建立BIPM 離散、連續相混合，統一狀態的時空演變數學模型，是關鍵科學問題，主要涉及：研究建筑設施、設備單元物理過程的模型化、數字化方法，已有數字仿真模型在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 作為軟件數字實體，運行于信息空間，但在眾多應用場景中（如數字孿生、智慧運維等）需要與關聯的建筑物理系統（如建筑結構、機電系統等）進行雙向交互；感知真實物理的運行參數，在可視化呈現后輸入物理模型進行推演運算，再將基于BIPM 的仿真結果輸出并作用到真實物理系統上，實現以虛控實、優化調控。這種雙向交互行為跨越了數字、物理空間的邊界，具有多層級、多尺度、不確定性、并發性等特征。刻畫和建模相關建筑行為是關鍵科學問題，主要涉及：BIPM 信息與物理空間交互并發行為的描述機制，基本信息模型、物理模型、交互模型的組合連接交互關系建立，異常事件擾動下BIPM 與物理系統交互時空演變規律以及關鍵性質確保方法等。

3. BIPM可信分析與驗證理論

BIPM 是信息 - 物理耦合、多物理場融合、具有多尺度層級、構造性復雜的邏輯體，內部邏輯交互的正確性、執行路徑的暢通程度、執行結果的有效性唯有經過嚴格的分析和驗證，才能確保BIPM的可信性。從建筑單元要素實體關系，拓展至幾何、物理、交互等單個模型，再到多模型組裝的BIPM 復合模型，由此形成分層級嚴格推理的驗證與分析方法，具有完備性驗證、功能驗證、性能驗證、一致性驗證、兼容性驗證等能力。

（二）BIPM關鍵技術

1. BIPM的數字表征與可計算描述技術

抽象的BIPM 概念框架轉化為可計算的實體模型，才能在計算機上運行和管理，涉及的核心問題有：BIPM 的概念要素實體封裝并轉化為可計算實體的形式，以計算機的規約語言描述可計算實體來實現BIPM的持久化存儲。

一是BIPM 可計算實體的實現與構造技術。采用面向對象的系統分析與設計方法，研究BIPM 基本信息模型中要素實體的軟件對象式封裝、調用、關聯等技術。針對BIPM 的物理模型實現方法，研究基于解析模型的建筑物理模型構件化封裝與調用，基于大數據、智能分析生成黑盒模型的建筑物理模型實體化封裝、調用、演化。針對BIPM 的建筑信息物理交互模型實現方法，研究要素實體軟件中對象形式的封裝、調用、協作，信息與物理實體的交互反饋、閉環協同。

二是BIPM 可計算實體的規約化描述與結構化存儲。研究基于信息建模語言（如EXPRESS語言）的BIPM 實體規約化描述方法、結構化信息存儲機制，建立BIPM 的統一描述模型，支持BIPM 數據在計算機上的開放式存取、全生命期信息交換、持久化存儲。

2. 虛擬BIPM 實體與建筑物理實體的鏈接耦合與交互協同技術

交互性是BIPM 的重要特征，需要確保虛擬BIPM 實體與其建筑物理實體的可靠綁定、高效交互。建筑物理實體是實現虛擬空間、物理世界匹配交互的基礎，需唯一標識BIPM 信息實體，研究相關匹配綁定的方法及機制。

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

二是虛擬BIPM 實體與建筑物理實體的動態交互協同，包括典型場景下的協同交互機制、基于形式化方法的實體之間動態交互行為數學建模、基于模型檢驗的動態交互行為實時性與安全性分析。

3. BIPM的動態解析與可視運行技術

BIPM 是立體化、多參數的虛擬實體，需要在計算機上進行運行調度并動態可視呈現，涉及兩方面：動態解析BIPM 模型的結構化數據，如幾何、物理、交互等模型類別；基于解析出的參數和數據，實現三維BIPM實體的動態生成與呈現。

一是BIPM 數據的動態解析方法。針對BIPM數據的結構化存儲特征，研究基本信息模型、動態物理模型、動態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 動態可視化呈現與運行技術。基于解析數據，結合計算機圖形化技術，研究BIPM 三維幾何模型動態生成算法、虛擬實體與物理實體交互接口動態綁定方法、物理模型構件的動態鏈接與執行方法等。

4. BIPM自適應演化技術

依據復雜環境下BIPM 的自適應演化特征，實現BIPM數字實體與物理體的性能 / 功能自主同步、可自主進化的BIPM智能推理預測能力。

一是BIPM物理模型自適應演化方法。BIPM對應的物理實體，其物理特性（如混凝土梁的力學性能）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制及方法，以自適應演化實現物理模型與實際物理體性能的自主同步，使BIPM 內部封裝的物理模型能夠較好地反映實際物理性能。

二是BIPM 驅動物理體自適應尋優方法。自演化的BIPM 具有較好的推理預測能力，利用虛擬空間中的BIPM 推理預測結果，驅動建筑物理體自主尋優，支持實現以虛控實、虛實共生、虛實協同進化的終極目標。

五、建筑信息物理模型應用案例與價值分析

（一）BIPM應用案例

冷機是建筑空調系統的核心設備，構建數字孿生冷機系統對提升建筑空調冷機運維效能、優化運行能力、支持建筑運行節能減碳等均有積極意義。基于BIPM概念與技術框架，自行開發了建筑數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數字孿生系統[43]，驗證了BIPM 技術理念的可用性；通過冷機孿生實體與物理實體的雙向交互，形成了冷機數字孿生系統（見圖4）[43]。

圖4 基于BIPM的冷機數字孿生系統實現原理

BIPM 的基本信息模型功能主要由BIM 模型文件實現。靜態信息模型作為數字孿生冷機的基礎，首先要解決直觀上“像不像”的問題；使用冷機BIM作為靜態信息模型，可以復用現有模型，也可簡化開發過程，與未來數字孿生系統拓展保持底層技術的一致性。冷機BIM 模型由Revit 建模工具構建，可定義幾何尺寸等屬性；選擇xBIM Toolkit 中的xBIM WeXplorer 組件，嵌入應用程序Web 頁面，作為BIM模型渲染引擎。

采用機器學習方法建立冷機BIPM的物理模型，在分析冷機運行歷史數據的基礎上，形成擬合物理方程以求解冷機性能系數（COP）[43]。數字孿生冷機物理模型支持交互模型的優化控制，預測調整冷機設定值后的COP 值并判斷該調整能否實現優化，據此向運維人員給出操作建議。冷機BIPM 的交互模型用于冷機BIPM 實體（數字孿生體）與物理冷機進行交互，采用RS-485 協議進行連接，通過Modbus數據通信協議實現雙向信息交互。

冷機BIPM 實體向用戶提供了接近真實物理冷機的交互體驗，可直觀、實時監控冷機運行參數，依據內置的COP 物理模型實時運算COP 指標；基于COP指標優化來調控實際冷機的運行狀態，實現冷機BIPM 實體與物理體的雙向交互、融合共生、協同優化。在氣候條件穩定的情況下開展了為期4 天的冷機運行COP 測試試驗。其中，前2 天物理冷機沒有連接其BIPM 孿生體，后2 天物理冷機連接BIPM 孿生體并通過BIPM 動態調優物理冷機。物理冷機與BIPM 孿生實體連接以及交互運行與否的效果對比如圖5 所示，可見協同優化運行時的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 內置了冷機的物理模型以增強預測能力，利于動態調控優化實際物理設備。BIPM對冷機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，體現了冷機BIPM 孿生體在提高物理冷機效率、改善節能成效方面的極大潛力。

圖5 物理冷機連接BIPM孿生體前后運行COP結果對比

圖6 物理冷機連接BIPM孿生體前后運行COP差異值對比

（二）BIPM應用生態與價值

BIPM 作為新的建筑信息描述形式，可突破現有BIM 技術框架的限制，豐富BIM 理論與技術體系，應用前景體現在兩方面：BIPM可在建筑設計、施工、運維全生命期，應急和戰時場景下應用，顯著拓展傳統以設計為主的BIM應用空間；基礎模型自身封裝了建筑物理過程動態模擬、信息物理實體動態交互等能力，可為建筑運維動態管控、城市數字孿生、戰場動態全息模擬等新型系統的高效研發提供直接支持。

1. 建筑設計階段的應用前景

在建筑設計階段構建基于BIPM 的建筑設計工具，相較基于BIM的設計工具，在常規的三維立體設計能力之外，因內置了物理模型而具有較強的仿真預測能力。例如，在設計墻體時，基于BIPM 設計工具可進行墻體受強沖擊條件下的形變、破壞效應仿真，在設計階段即增強未來施工、運維階段的預見性。

2. 建筑施工階段的應用前景

在建筑施工階段，基于BIPM 可形成多種有價值應用。與BIM類似，構建虛擬施工平臺，直觀展示施工運行工序；由于內置了建筑設備的物理模型，BIPM在施工階段即具有虛擬調試功能。例如，大型地下工程的空調系統異常復雜，若在實體安裝后的調試實驗中才發現缺陷，可造成更換組件困難；而依托BIPM 的仿真能力和虛擬調試功能，在實體空調系統安裝之前即在BIPM 施工虛擬平臺上進行虛擬調試，測試空調系統的溫 / 濕度調節性能、各部件之間的協作情況。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構變形進行仿真分析并開展相應的質量控制。

3. 建筑運維階段的應用前景

BIPM 融合了物理模型和交互模型，適用于建筑運維階段。構建基于BIPM 的建筑數字孿生體，為建筑運維提供全場景、立體可視的綜合平臺，可提升建筑運維快速反應能力。BIPM 交互模型與物聯網技術疊加，將增強建筑物理系統的實時感知和控制能力。BIPM 物理模型疊加建筑運維業務，對建筑運維預案進行推演和決策評估，將結果反饋到實際建筑物理系統，實現建筑運維過程的優化調度、應急安全事件的預先處置。例如，構建建筑室內火災蔓延BIPM，在運維平臺上進行突發火情的蔓延擴散模擬，提高火災應急疏散方案的有效性。

六、結語

本文針對建筑物聯實景化運維、城市數字孿生、戰場MR等應用對動態實時交互、真實映射模擬的迫切需求，辨識BIM技術框架的不足，提出了BIPM 這一靜態與動態相融合、信息與物理相融合的建筑信息描述新形式。BIPM 具有動態性、交互性、智能性，可更加真實地將物理世界的建筑實體映射到信息世界中，適應AR、動態全息模擬、物聯網交互、可視化應急決策等更復雜應用場景；革新了對傳統BIM僅能封裝幾何等靜態屬性信息的認識，是自主可控BIM 創新研究的有益探索。BIPM使相關信息在建筑規劃、設計、施工、運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，而且可以真實模擬物理動態過程，自主地同外部物理設施設備進行交互。BIPM 技術能夠自然地應用到建筑運維動態管控、AR、城市數字孿生、戰場動態全真模擬等新興領域，顯著拓展了傳統BIM的應用空間。

BIPM作為對標BIM的一種建筑信息描述形式，當前研究與應用仍顯初步，為了拓展應用范圍，可從以下方面予以深化。① 研究BIPM理論和關鍵技術，支持BIPM 從抽象概念到具象的工程應用。開展離散與連續邏輯融合的建筑狀態時空建模、信息空間與物理空間耦合的建筑交互行為建模、BIPM可信分析構造與驗證等研究，形成BIPM理論基礎。突破BIPM 的數字表征與可計算描述、虛擬BIPM實體與建筑物理實體的鏈接耦合與交互協同、動態解析與可視輕量運行、BIPM 自適應演化等關鍵技術，確立BIPM 技術體系。② 構建系列化的BIPM標準規范，形成數據交換和交互格式，保障推廣應用。構建面向設計、施工、運維等環節的BIPM 技術標準，規范應用統一標準、BIPM 內部子模型接口標準、信息分類與編碼標準、數據存儲標準、模型交付標準，盡量增強與現有BIM數據標準的兼容性。③ 研發體系化的BIPM建筑工業軟件工具，覆蓋建筑設計、施工、運維等全生命期。采用軟件工程思維，研發BIPM 快速生成自動化工具，提高BIPM軟件開發效率，降低開發門坎。面向MR、數字孿生等新業態，研發基于BIPM 的數字孿生應用基礎軟件，形成數字孿生監控、仿真、推演、訓練等能力，建立可持續的BIPM技術和應用生態。

致謝

深圳大學陳湘生院士在稿件撰寫過程中給予指導性意見，研究團隊李蘇亮、孔琳琳、鄒榮偉等同學幫助整理部分文稿。謹致謝意。

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務沖突。

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)