学术速递|华中科技大学与中国建筑科学研究院合作发表SCI论文：跨行业BIM数据融合的数字剧场构建：一种场景驱动的本体框架在中国科学院、JCR双1区Top期刊【Building Simulation】发表

马恩成、丁烈云、王瑶、姜立和张群

建筑信息模型（BIM）作为工程数字化的核心工具，正面临两大挑战：一方面，追求高精度数字孪生导致模型数据爆炸，存储和处理成本飙升；另一方面，多源数据跨项目、跨领域的语义关联不足，数据利用率低下。面对以上问题，华中科技大学与中国建筑科学研究院的研究团队，基于“数字孪生”理念，借鉴李飞飞团队提出的“数字表亲”概念，在国际上创新提出了“数字剧场”（Digital Theater）理念及框架，为解决这些难题提供了新思路。该理念框架以场景驱动为核心，通过动态修剪数据、构建多领域融合本体模型等，实现了BIM数据的精准整合与高效应用，相关成果已发表于《Building Simulation》期刊。

摘要：随着建筑信息模型（BIM）的广泛应用，新建与既有项目中积累了海量BIM模型资源。作为这类模型的关键应用方向，数字孪生面临两大核心挑战：一是几何与属性数据呈指数级增长，存在“数据爆炸”风险；二是跨项目、跨领域的多源数据间语义关联不足，导致数据利用率低下。本文聚焦“通过场景驱动降低系统复杂度，同时实现跨领域BIM数据深度语义融合”的难题，提出基于本体的“数字剧场”框架，该框架依据场景需求定义数据边界，通过动态精简策略控制复杂度。通过将简化的数据标准与多域融合本体模型相结合，该框架构建了基于场景的数据集成规则，用于语义对齐。具有对象存储设计的自适应关系数据库进一步支持高效的工程数据存储和利用。所提出的方法显著降低了数据处理的复杂性，以更低成本实现多领域数据集成应用，同时提升BIM数据的决策支撑能力。研究表明，“数字剧场”框架在建筑、交通、城市管理等多元场景中具备应用潜力，为工程数字化与智慧城市发展提供了新路径。

关键词：BIM；工程数据管理框架；多源数据融合；场景驱动

01背景介绍

城镇化与建筑业信息化转型推动现代工程项目规模与复杂度剧增，传统信息管理方法存在信息碎片化、更新滞后等问题。BIM技术作为数字孪生核心工具，虽能实现信息集成共享，但追求“完美数字孪生”导致模型过度细化，引发数据爆炸与成本上升；同时，BIM模型强调高精度几何与领域语义，导致跨项目、跨领域模型隔离，难以支撑城市管理、企业运营等实际决策。

现有研究在数据标准化（如IFC格式）、融合技术（如几何拓扑算法）、存储架构（如关系数据库优化）等方面存在局限：标准化方案扩展性不足，融合技术侧重几何层面而语义融合效率低，存储方案难以适应复杂应用场景。为此，本文提出多源数据融合管理框架，解决数据爆炸与跨领域语义鸿沟问题。

02创新点及主要内容

（1）提出“数字剧场”概念，动态精简数据复杂度

什么是“数字剧场”？重新定义BIM数据的呈现方式：想象一场话剧：舞台上只需要与当前剧本相关的角色、道具和情节，多余的元素会被精简。“数字剧场”正是如此——以场景为“剧本”，动态呈现BIM数据中与当前场景紧密相关的核心信息，无关数据则被“请出舞台”。

“数字剧场”以场景为“剧本”，仅保留与当前场景相关的核心BIM数据（如模型对象、几何、关系），类比剧场中“角色”“造型”“关系”按需呈现，有效降低数据量与成本。与数字孪生的全场景高精度复制、数字表亲的低精度多样性相比，数字剧场聚焦当前场景，复杂度稳定且适应精准应用，如图1所示。

图1 数字剧场概念图

为什么数字剧场能成为“最优解”？

v  数字孪生的困境：如同将整座城市的每一粒沙子都复制到虚拟世界，虽然精确却代价高昂。例如，一个变电站的全场景数字孪生可能需要数TB存储，且每次变更都需同步更新所有关联数据，维护成本极高。

v  数字表亲的局限：虽以低成本实现数据多样性，但精度不足。例如，AI训练若依赖数字表亲的“近似数据”，可能导致智能审查误判率高达30%。

v  数字剧场的突破：通过动态修剪无关信息，存储成本降低50%以上；同时建立跨域数据关联，让建筑、交通、电力等领域数据无缝协同，设备查询响应速度提升60%。这种“按需定制”的思路，既避免了数字孪生的冗余负担，又弥补了数字表亲的精度缺陷，让BIM数据真正为场景服务。

这种“按需精简”的思路，既避免了数字孪生的冗余负担，又弥补了数字表亲的精度缺陷，让BIM数据真正为场景服务。数字剧场与基于IFC标准的方案对比见表1、图2。

表1 数字剧场与目前基于IFC标准的方案对比表

图2 数字剧场与目前基于IFC标准的方案对比图

（2）构建场景驱动的全流程管理体系

从场景到应用：“数字剧场”如何落地？

框架的核心是一套场景驱动的全流程管理体系（图3），从需求分析到数据应用形成闭环：

1.写好“剧本”：场景分析 像导演拆解剧本一样，梳理具体场景的核心需求（如变电站运维需关注设备分布与巡检路线），制定数据需求清单，明确“必须出现的角色”。

2.标准化“台词”：数据收集与规范 从多源异构数据（如建筑 IFC 模型、电力GIM模型、传感器数据）中，提取与场景相关的子集，通过“简化数据标准框架”统一格式，避免“方言不通”。

3.搭建“舞台关系”：跨域数据关联 基于本体融合技术，自动+手动建立数据间的关联。例如，变电站中“墙体与变压器”的空间位置关系可自动识别，而“消防系统与供电设备”的功能依赖则需人工补充，形成完整的数据关系网络。

4.灵活“换场”：自适应存储与应用 采用“场景自适应数据库”，像搭积木一样按需调整存储结构，支持快速查询与更新。比如铁路项目中，设计变更时能自动通知关联专业，避免信息滞后。

图3 基于场景驱动数字剧场的全流程管理体系

（3）案例验证

为什么它能成为行业新范式？

数据“减负”：动态修剪无关信息，存储成本显著降低。

跨域“对话”：突破建筑、交通、电力等领域的标准壁垒，实现数据无缝协同。

场景“定制”：从变电站到铁路，从设计到运维，灵活适配不同场景需求。

Ø  变电站项目：融合建筑（IFC）与电气（GIM）数据，构建跨领域本体模型，实现设备分布查询、巡检路径规划等决策支持，半自动化关联方法的宏F1分数达0.69。

Ø  铁路工程：整合多专业数据，通过数据网络实现设计变更自动通知，问题检测率、协作效率显著提升，大幅减少人工审核时间。

（4）场景拓展

不止于工程：这些领域都在用它“降本增效”

“数字剧场”的价值早已超越单一工程场景（如图4所示）：

Ø  设计师：铁路项目中，多专业模型实时联动，设计变更时相关领域自动同步，减少80%的人工核对成本。

Ø  企业与 AI：通过跨域数据融合，为AI训练提供高质量 “知识网络”，让智能审查更精准。

Ø  业主与运维：变电站运维中，基于设备与空间的关联数据，巡检路线规划效率提升40%。

Ø  城市管理者：整合交通、建筑、电力数据，快速评估临时交通管制的影响范围，让决策更科学。

图4 数字剧场场景拓展图

未来，随着智慧城市的推进，“数字剧场”或将成为数据协同的核心范式——让每一份数据都出现在最需要的“场景舞台”上，既不冗余，也不缺席。

03成果小结

本文提出的“数字剧场”概念及多源BIM数据融合管理框架，建立了场景驱动的范式，通过定制化集成降低系统复杂度，并以高扩展性框架确保适应性。在变电站工程和铁路工程的案例研究中，验证了该方案的有效性：降低了数据处理复杂度，提升了多领域数据集成效率，增强了决策支持能力。同时，识别出方案的部分局限性并提出潜在对策，如利用UML模型优化属性建模、加强早期跨学科本体协调等。该框架在设计协同、企业数据验证、业主智能运维、政府城市管理等领域具有潜在应用价值，为工程数字化发展提供了创新思路。

作者团队简介

本论文第一作者为华中科技大学博士研究生马恩成，通讯作者为华中科技大学丁烈云院士和中国建筑科学研究院姜立研究员，共同作者包括中国建筑科学研究院王瑶博士和张群工程师。团队聚焦BIM技术、数字孪生、跨领域数据融合等方向，致力于工程数字化与智能运维研究，在建筑信息建模、多源数据管理等领域发表多篇高水平论文，推动BIM技术在工程实践中的应用。

引用

Ma E, Ding L, Wang Y, et al. (2025). Construct of digital theater for cross-industry BIM data fusion: A scenario-driven ontology-based framework. Building Simulation. https://doi.org/10.1007/s12273-025-1315-x.

期刊介绍

Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2025年SCI影响因子5.9，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中国科学院期刊分区，工程技术类1区Top。