建筑信息物理模型:一种建筑信息描述新形式.pdf
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1、建筑信息物理模型:一种建筑信息描述新形式DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.027建筑信息物理模型:一种建筑信息描述新形式杨启亮*,邢建春(陆军工程大学国防工程学院,南京 210007)摘要:信息是驱动建筑全生命期“人、机、物”协同,推进建筑活动有序运行的核心元素,而更加真实和高效的建筑信息描述及共享一直是建筑领域的重要研究主题。本文提出了作为建筑信息描述新形式的建筑信息物理模型(BIPM),旨在满足建筑物联实景监控、城市数字孪生等建筑虚实动态实景化交互协同的急剧增长需求,实现建筑物理实体向信息空间的全真映射和协同。BIPM由建筑基本信息模型、物理模型、交互模型构成,统一
2、了建筑外在几何属性信息、内在物理机理的描述。探讨了BIPM涉及的理论基础、关键技术,以建筑冷机的BIPM实现为例阐明了应用成效,进一步分析了BIPM的应用生态与价值。研究认为,应深化BIPM理论和核心关键技术研究,构建系列化的BIPM标准规范,研发体系化的BIPM建筑工业软件工具,更好拓展BIPM应用生态,追求形成自主可控的建筑信息模型新体系,为建筑设计、施工、运维,城市数字孪生等新型建筑工业基础软件的研制提供基础支撑。关键词:建筑信息描述;信息模型技术;建筑信息模型(BIM);数字孪生;建筑工业软件中图分类号:TU17 文献标识码:ABuilding Information and Phys
3、ical Model:A Novel Form of Information Description for BuildingsYang Qiliang*,Xing Jianchun(College of Defense Engineering,Army Engineering University of PLA,Nanjing 210007,China)Abstract:Information is the core element to drive humancyberphysical collaborations and promote the orderly operation of
4、building activities in the entire lifecycle of buildings.More realistic and efficient description and sharing of building information has always been an important theme pursued in the field of architecture.To meet the rapidly growing demand for interactive collaboration between virtual and real buil
5、ding conditions,this study proposes a novel form of information description for buildings,namely a building information and physical model(BIPM),for realizing the true mapping and collaboration from building physical entities to the information space.The BIPM is composed of a building basic informat
6、ion model,a physical model,and an interaction model,and unifies the description of the external geometric attribute information and the internal physical mechanisms of buildings.The theoretical foundation and key technical system of the BIPM are discussed,and the application effectiveness and benefi
7、ts of the BIPM are demonstrated using building chillers as an example.Furthermore,the application ecologies and values of the BIPM are analyzed.Research suggestions are proposed as follows:(1)deepening the research on BIPM theories and key technologies,(2)formulating serialized BIPM standards and sp
8、ecifications,and(3)developing BIPM building industry software tools to expand the BIPM application ecosystem.This study is expected to provide support for the development of new basic software for the building industry,收稿日期:2023-03-20;修回日期:2023-05-10通讯作者:*杨启亮,陆军工程大学国防工程学院教授,研究方向为智能建筑、建筑信息模型技术、自适应软件工
9、程、信息物理融合系统;E-mail:资助项目:国家自然科学基金项目(52178307);江苏省自然科学基金项目(BK20201335)本刊网址: 2023 年 第 25 卷 第 5 期involving architectural design,construction,operation and maintenance,and urban digital twins.Keywords:architectural information description;information modeling technology;building information model;digital
10、twins;building industry software一、前言信息是驱动包括设计、构造、运维在内的建筑全生命期活动的核心元素,参与其中的“人、机、物”等活动主体通过共享建筑信息来协同推动建筑活动的进程。信息用于描述建筑特征,也是对建筑的抽象,在建筑不同阶段的可靠传递、流转和共享,对提升建筑工程建设与运维的进度、质量、效益具有重要意义。建筑信息模型(BIM)是目前较为完善的建筑信息描述方法,被视为土木建筑领域重要的技术进展之一,引发了建筑行业生产管理、运维过程的重大变化。按照研究定义,BIM是对建筑设施物理、功能等特性的数字化表达,通过参数化模型对建筑实体进行立体、直观、精确的刻画描述
11、1;也指对构造建筑信息活动的描述2。可以认为,BIM的本质是将现实世界的建筑物理实体映射为虚拟对象实体,而当前定义突出了建筑实体的静态信息(如几何属性、结构属性)。随着智慧城市、智慧战场、元宇宙3的发展,增强现实(AR)、混合现实(MR)、“信息-物理”融合交互4,5,城市灾害预演、战场全息模拟等应用需求不断涌现,涉及这些新型技术系统的建筑设施构造与信息描述的复杂性不断增加,对具有动态性、真实性、实时性的新型建筑信息建模能力提出了新要求。这类新型的建筑设施信息模型,既要提供复杂信息系统中的参数化三维模型,还要反映建筑实体的动态变化以及相应物理过程(如结构形变、管网压力分布、对象运行特性),以此
12、支持快速、精确、安全、高效的建筑全生命期管理和决策。然而,以BIM为代表的建筑信息建模技术,侧重建筑几何数据、空间位置、关系模型、质量属性等静态信息的定义与刻画,是典型的“静态信息模型”,未能体现建筑实体的物理规律融合、动态信息接入6,7。近年来,已有研究关注BIM与外部环境的交互以及物理仿真问题,如以BIM为基础的过程扩 展8,9、BIM 与 人 的 交 互10,11、BIM 与 物 的 交互1217、BIM动态模拟18,但依然无法进行物理世界实体的实时感知与调控,反映建筑实体动态物理特性及过程的物理模型缺乏,难以适应面向直观性、真实性、动态性的BIM应用新需求。研究并建立一种能够更加真实描
13、述建筑、融合动态运行物理规律、具备动态交互能力的新型BIM,具有理论意义和应用价值。本文立足已有研究基础6,7,提出一种建筑信息描述新形式的建筑信息物理模型(BIPM),阐明建筑固有的静态信息模型与动态交互模型、物理规律模型叠加/融合的一般性原理、方法和技术,形成建筑物理实体在信息世界中的数字孪生体;可为高效构造智慧建筑新型技术系统提供统一的理论与技术支撑,涵盖物联网管控、AR/MR交互、全性能动态模拟评估等关键内容。二、建筑信息物理模型的研究背景与概念内涵(一)问题提出背景更加真实、高效地描述建筑并建立相应的信息模型,一直是建筑领域的重要研究主题。建筑信息的描述手段先后经历了口口相传、人工绘
14、制图纸、计算机辅助数字化设计(CAD)等发展阶段(见图1)。在早期,有关建筑及其建设过程的信息描述主要以语言交流实现,没有存贮介质和模型;后来,通过人工绘制图纸实现建筑信息的具象化、图形化并可长期存储,但仍面临共享传递不便的问题;再后来,随着CAD技术的推广应用,以电子文件形式描述和共享建筑信息显著提高了流转效率;如今,建筑信息描述和共享进入了BIM阶段,可对建筑进行三维立体描述,实现建筑信息在建筑全生命期内的无损传递,提高了建筑生产和运行的高效协同能力。从历史发展的维度来审视建筑信息描述方式的变迁,自然提出新的问题:新一代建筑信息描述与共享方式是什么?如何定义和实现?值得指出的是,我国建筑C
15、AD、BIM等标准框架都源自引进,在新一代模型发展过程中需要加强自主创新研究,223建筑信息物理模型:一种建筑信息描述新形式追求形成原生定义、有影响力的建筑信息描述标准模型;呼应诸多新型应用需求,加快发展具有直观性、真实性、动态性的新型BIM,形成参数化的三维实体呈现能力、虚拟实体与物理实体的融合交互能力、物理特性动态呈现能力。例如,战场全息模拟系统需要三维立体呈现的战场防护工程设施几何实体模型,将战场物联网感知而得的实时信息(如爆炸冲击波压力)叠加到防护工程设施三维模型上并进行动态监视,动态呈现防护设施当前的物理过程效应(如冲击波压力作用下的形变),如此才能近乎真实地呈现、复盘战场场景,提高
16、战场态势生成的快速性和精确性。受上述背景因素的综合驱动而提出了BIPM,旨在形成一种原生定义、指向现实应用需求的建筑信息描述新形式。(二)研究现状分析1.面向建筑全生命期的BIM应用BIM技术已渗透至建筑工程全生命期的各个阶段8,在设计19,20、施工9,21阶段的研究应用更为深入和成熟。例如,BIM用于设计阶段风险管理过程中的关键因素控制19,拓展形成施工管理 4D 模型9、集成物联网的模块化集成施工平台21,在建筑能源22,23、安全风险分析与灾害预防24,25等方面得到较好应用。近年来,基于BIM的建筑运维26,27成为研究热点,BIM与大数据、物联网等技术融合也是重要趋势。也要注意到,
17、现有研究多将BIM视为与外部物理世界隔离、封闭且纯粹的虚拟模型,侧重构建可在虚拟信息世界中高效运行的BIM实体模型;而BIM模型及其支撑技术,不具有与外部物理世界交互协同的能力,不支持相关软件设施,仍处于“聋哑模型”层次。例如,国际上应用广泛的工业基础类10,28,采用面向对象思想,从领域层、共享层、核心层、资源层定义建筑实体对象,同时支持模型分析、性能模拟等高级功能,但仍不支持可与外部物理世界进行直接交互的模型实体。2.BIM动态交互BIM技术在人机交互AR、建筑运维动态管控、建筑性能动态模拟等方向应用逐步深化。为了实时响应工程动态过程、保障良好的用户体验,BIM与外部环境动态交互问题获得进
18、一步关注。在BIM与人的交互方面,开发了BIM与虚拟现实(VR)结合的虚拟训练平台,实现与人的动作行为的交互及自动响应11。在BIM与物理系统的交互方面,着重考虑将外部物理环境、对象动态数据等接入到BIM平台中。例如,提出了一种信息集成概念框架12,研究了BIM与建筑设施及环境进行实时数据交互的方法与技术1315;针对建筑结构健康检测需求,扩展了BIM模型并增加了结构传感器实体,但仅具有感知能力而不具有控制能力16。另外,将信息物理融合系统(CPS)概念4,5引入到建筑工程领图1建筑信息描述与共享方式的历史变迁224中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 5 期域17,18,形成面向“信
19、息-物理”融合的BIM扩展方法6,7。这些工作侧重构建一种面向建筑工程的CPS系统,仍属“特定而专设”方法,缺乏统一的通用化交互模型和物理模型。在建筑性能动态模拟方面,可将BIM集成到第三方仿真工具提供的动态模型库中,但BIM设计工具与第三方仿真工具存在数据交互接口不统一、自动化程度不高等问题29。随着物联网动态管控、虚拟现实与AR、动态场景模拟仿真等对BIM应用需求的不断增加,BIM与外部环境(如用户、物理系统)的动态交互、动态模型集成等获得更多关注。然而,多数研究针对单一方面(如交互模型11、动态物理模型29)、具体问题(如结构传感器扩展16、指射频识别对象扩展17)而展开,通用性不强,无
20、法解决BIM虚拟实体与物理实体双向实时交互、动态物理模型融合问题,具有统一化特征的BIM模型及支撑技术依然缺乏。3.其他相关领域信息建模技术地理信息系统、产品设计与制造等领域与建筑信息建模密切相关,较为重视物理实体信息化建模研究。在地理信息建模方面,三维地理信息系统(3D-GIS)是以数字化的三维形式来表达地理空间实体的信息模型30。随着智慧城市建设的发展,三维城市信息模型(CIM)3133成为3D-GIS的重要研究内容。虽然3D-GIS(或CIM)与BIM类似都能表达结构与环境空间实体,但3D-GIS侧重从建筑单体到城市、国土等宏观层面的空间信息表达,不能用于单体建筑内建筑构件、设施设备等更
21、加微观和具体对象的数字化描述。融合BIM、AR等技术以提高模型的交互性,成为3D-GIS、CIM的重要发展方向30,34。在产品设计与制造领域,物理产品的数字化描述与建模同样是开展产品全生命周期有效管控的关键内容。在智能制造、工业4.0等需求的引领下,工业物理产品信息建模经历了从二维到三维再到数字孪生的演变35。数字孪生用于实现物理系统向信息空间数字化模型的映射,利用系统中分布的传感器,对物理实体进行数据分析与建模,开展多学科、多物理量、多时间尺度、多概率的仿真36,将物理系统在真实场景中的全生命周期过程反映出来37;主要分为物理空间中的物理实体、虚拟空间中的虚拟实体、虚实之间的双向连接交互3
22、8,39,技术思想源于CPS4,5。数字孪生在智能制造、智能车间等领域应用前景良好37,40,但在智慧建筑、智慧城市领域的应用研究仍停留在概念阶段,缺乏统一的信息模型、技术平台、标准体系34,41。当前,3D-GIS、CIM研究主要面向宏观且粗粒度的地理空间与城市空间,较少关注建模对象的物理过程,包含的技术方法难以沿用到高精度的建筑信息描述及建模过程。源于智能制造领域的数字孪生理念,蕴含了高保真建模、虚实交互等思想,但处于概念阶段,缺少支撑技术和实用工具。整体来看,在建筑领域以及其他相关领域都缺乏基础共性成果,未能形成可与外部实体动态交互、全真映射内在机理的建筑信息描述模型。(三)BIPM概念
23、内涵与基本特征1.概念内涵针对更加真实和动态的应用场景对建筑信息描述方式的重大需求、构建自主可控BIM的内在需要,本文提出了一种区别于现有BIM的建筑信息描述新形式,即BIPM。BIPM融合了建筑外在的可视化模型、建筑内在的物理模型、建筑与外部交互的模型,实现了建筑向信息世界更加真实全面的映射及投影。此处的“建筑”为广义概念,不仅包括建筑结构本身,而且涵盖建筑相关的专业设施设备(如管线、空调、配电)、物理环境(如温度、湿度、光、声)。因此,BIPM也指建筑及其相关专业的信息物理模型。在BIPM概念中,有机融合建筑基本信息模型、交互模型、动态物理模型,形成“信息-物理”融合的建筑信息全新基础模型
24、(见图2);不仅能描述建筑尺寸、材质等“外在”静态信息,也能描述建筑自身的“内在”物理机理、数字实体与物理实体交互等动态信息。究其实质,是建筑物理实体向信息世界更加保真的映射,形成建筑实体在信息世界的孪生体,具有与物理实体相同的结构行为、物理特性;虚拟孪生实体模型、建筑物理实体通过智能交互实现协同演化。2.基本特征相比静态式BIM、BIM-4D等,BIPM在保持建筑基本信息的基础上,具有新增特征:交互性,专门定义了交互实体,实现与物理世界建筑实体的动态交互;动态性,融合了反映动态运行过程的225建筑信息物理模型:一种建筑信息描述新形式物理模型(如建筑热湿物理场、力学模型),可近乎真实地在信息世
25、界中动态模拟并呈现物理系统过程;智能性,专门定义了用于推理决策的实体,增强模型的智能推理决策能力,决策结果通过交互实体作用于建筑物以实现运行自优化。对比应用领域可见,静态式BIM用于主要关注建筑静态信息的阶段(如建筑设计、施工),而BIPM是动态模型,其应用既适应建筑设计、施工阶段,也可拓展至建造、运维阶段以覆盖建筑全生命期。BIPM与CPS2,3也有本质不同:前者仍是虚拟化的信息模型,将实际物理系统的物理规律进行模型化、虚拟化,转化为可被计算机读取和执行的信息模型;后者实为软硬件系统,通过信息和控制策略来调控物理系统。BIPM与数字孪生体模型38,39也有实质不同:前者是驻留并运行于计算机上
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