建筑物是以城市为代表的人工环境的重要组成部分,是智慧城市空间基础设施的核心,同时也是建筑工程信息化研究的基本对象。从建筑物的表面模型、内外一体化模型到时空动态模型,它们不但可以地精确地描述城市形态的基本单元,还可以构成建筑和城市的发展进程的重要部分。从微观工程活动和宏观城市发展的融合视角研究动态建筑物数据模型,不但可以使建筑信息领域的数据与模型资源更好地应用于地理信息领域,同时也可以为建筑施工过程信息化提供借鉴。内外一体化建筑物数据模型是地理环境时空演化环境下构建动态建筑物数据模型的基础,它可以连接建筑规划、设计、施工、运维到拆除等应用环节,进而促进建筑信息化的全生命周期应用和分析。研究具有时态特性的建筑物时空数据模型是对传统地理信息建筑物模型的新变革,它将有效地推动传统建筑物的静态模型应用向动态全生命周期应用的转变。建筑施工过程作为建筑物全生命周期演化的重要环节,是建筑物静态模型的时态扩展,需要相应的时空数据模型支持。以CityGML为代表的城市数据模型主要建立了建筑物的静态模型,缺乏对建筑物时态和演化特性的支持。BIM从微观工程实践出发建立建设工程中的数据标准,解决不同应用周期的数据交换,缺乏宏观视角下对施工活动的模型抽象和时空关系模型。将地理信息时空数据模型理论和方法与建筑信息领域几何模型相结合,构建具有内外一体化特性的建筑物时空过程数据模型,既可以满足GIS对建筑时态表达的需求,也可为建筑施工过程统计、计算、综合和可视化等信息化应用提供支持。本文以语义、位置、几何、关系、属性和演化等六个基本要素构成的地理信息模型分析理论为研究框架,遵循建筑施工专业知识和规律,构建面向建筑土建施工工程的GIS时空数据模型,为施工过程演化的模拟和计算提供时空数据模型支持。本文的主要研究内容及成果如下:(1)建筑施工过程的时空层次细节模型剖析了建筑施工演化过程中不同专业层次的认知需要,以层次细节建模方法为基础,提出了面向建筑施工过程的时空层次细节模型。该模型从建筑物对象、建筑空间、建筑构件、建筑材料和供应链等五个级别进行空间层次等级划分,并分别描述了不同空间层次等级下的对象时空特征、对象关系和耦合机制,从而为建筑施工数据模型构建提供了时空基础框架。建筑施工过程层次细节模型将空间层次等级与时间分辨率进行融合建模,为建筑施工过程的时空层次等级规律研究提供了有益探索。(2)基于建筑构件粒度的施工对象模型研究了建筑构件对象模型的时间特征、几何特征和属性特征,分析了建筑构件在建筑施工过程中的枢纽作用,提出了基于建筑构件的施工对象模型。构件施工对象模型以现有GIS和BIM模型为基础,综合考虑了不同建筑施工过程层次细节下的时态需求,扩展了构件对象工序时间和工艺时间特性,支撑不同时空层次等级的过程演化需要。以施工专业知识为基础,针对建筑构件工艺属性进行了扩展,提出了建筑施工工艺模型。施工工艺模型以工艺周期和几何分解两种模式支持建筑构件的状态演化和形态演化,分别描述建筑构件的时间渐变和几何形态突变过程。本文所提出的构件施工对象模型从物理、化学和社会等方面针对建筑构件属性进行了有效扩充,并通过建筑构件与施工工艺模型的关联支持构件空间粒度下的时态和形态演变。(3)建筑施工过程时空数据模型构建分析了以人工活动为主导因素的施工过程时空特征,提出了由驱动、事件、状态和过程共同构成的时空数据概念模型,为施工过程演化表达提供基础理论支持。以虚拟时间和事实时间为参照将施工过程分为过程模拟和实际建造两种不同的时间环境,并以建筑物模型为核心,基于工序模型连接管理任务和事件连接施工建造过程的框架,分别构建了面向施工计划和实际建造的时空数据模型。提出了基于构件位置、空间层次、空间关系和时间区间的对象时空编码方法,为基于时空数据库的建筑构件模型的检索和交互提供时空寻址支持。虚拟时间和事实时间相结合的建筑施工过程数据模型为施工过程模拟仿真与过程管理提供了更加全面的模型支持。(4)基于建筑施工图的时空过程构建与仿真分析了建筑施工图中工艺信息提取规则和顺序流程,结合语义、位置、几何和关系信息,构建了完整的面向建筑施工过程的数据信息抽取方法。基于本文所构建的时空数据模型,构建了由数据层、模型层、功能层和可视化层构成的施工过程仿真原型系统,通过数据提取、工艺建模、工序建模、活动建模和应用计算等功能提供了施工过程构建的解决方案。通过实验表明,面向建筑施工过程的GIS时空数据模型综合考虑了建筑物模型的几何、关系和时态的内在关联性,较好地解决了建筑施工过程大众化认知、城市宏观管理和工程专业建设等不同层次的需求,为在GIS环境下发展建筑物全生命周期应用提供了理论方法探索。面向建筑施工过程的GIS时空数据模型是建筑科学和地理信息科学领域的交叉问题,旨在进一步推动时态建筑物数据模型理论和构建方法研究,促进空间语义精细化建筑数据模型向时空语义精细化数据模型的发展,为融合宏观地理环境演化和微观工程环境管理的建筑物全生命周期应用提供新的数据模型支持。