“BIM+”时代的到来，推动了大型设计、施工企业产业化转型升级。BIM与GIS是如何跨界融合的？期间遇到了哪些技术难点？本文将结合超图经验回顾BIM+GIS的深度融合之路，一起探究未来发展方向。
图1 立交桥的BIM数据与天地图影像数据叠加显示
近年来，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的快速发展，促进了建筑业全产业链的变革。国家住房和城乡建设部连续发布指导性文件和政策，大力推进BIM技术在规划、设计、施工和运维等领域的集成应用，促进工程建设项目全生命周期的信息化管理。
参考“互联网+”思维，建筑行业将BIM与其他先进技术或与应用系统集成，以期发挥更大的综合价值，相对应地提出了“BIM+”的概念，例如：BIM+VR/AR、BIM+3D打印、BIM+大数据、BIM+IoT、BIM+GIS等。其中，BIM与GIS融合应用已经成为学术界和产业界的研究热点。BIM与GIS的融合，使微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息实现交换和相互操作，将GIS从宏观领域引入了微观领域，拓展了三维GIS的应用领域，为GIS的发展带来了新的契机。
本文将剖析BIM+GIS跨界融合的意义，围绕BIM全生命周期，介绍BIM与GIS在应用中的结合点和价值点，并从SuperMap GIS软件技术的角度指明BIM与GIS融合的关键技术，展望BIM+GIS技术发展的未来趋势与市场前景。
BIM与GIS跨界融合
BIM与GIS能跨界融合，是因为它们有一种天然的互补关系：BIM是用来整合和管理建筑物全生命周期的信息，GIS则是用来整合及管理建筑外部环境信息。BIM全生命周期的管理需要GIS的参与，BIM也将开拓三维GIS的应用领域，把GIS从宏观领域带入微观领域。
? GIS让BIM从微观走向宏观
BIM的整个全生命周期——从规划、设计、施工到运维，都是针对建筑本身，但是，周边宏观的地理环境要素也非常重要，比如建楼、修路等都需要兼顾已有的自然环境和人为环境信息。三维GIS研究宏观地理环境，可提供各种空间查询及空间分析能力。在BIM的各个阶段，三维GIS都可以为其提供可视化展示、管理、决策支持等技术方法。
三维GIS集成了大量的多源数据，如影像、地形、倾斜摄影模型、激光点云、地下管线等，我们可以在三维GIS系统中将BIM数据与多源数据相融合，实现更宏观、更全面的可视化展示与管理。如图1，我们可以很方便地在GIS系统中将立交桥的BIM数据叠加到天地图的影像数据上，可视化展示立交桥周边的宏观地理环境。
经过10多年的发展，三维GIS在智慧城市、园区管理、应急管理等领域已经积累了丰富的应用案例和解决方案（如图2），将3D Max模型替换成BIM数据，这些方案即可套用到BIM+GIS的项目中。这大大拓展了BIM技术的应用领域和应用周期，尤其可以将设计、施工阶段积累的BIM模型数据，继续运用在后期运营维护阶段中，有效延长了BIM数据的应用周期。
图2 校园设施管理系统
? BIM将GIS从宏观带入微观
BIM技术在设计和建造过程中积累的大量BIM模型数据，可以作为三维GIS应用的重要数据来源。相比3D Max模型数据，BIM模型数据更精细、精度更高，并且有完整的语义及属性信息，可以满足GIS应用中精细化管理的需要。另外，BIM模型数据拓扑结构更完整，更适合做空间查询和空间分析，BIM为三维GIS更深入的应用提供了三维数据支撑。
BIM也拓展了GIS的应用领域，两者的融合已经应用到桥梁、管廊、建筑、道路、水利大坝、隧道等领域。同时，BIM与GIS的跨界融合也为超图等GIS厂商带来了更多的合作伙伴。
BIM+GIS应用涵盖BIM全生命周期
BIM是一个建设项目的数字化表达，是一个共享的资源，为该设施从建设到拆除的全生命周期的所有决策提供可靠依据。在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，实现各自职责的协同作业。纵观BIM+GIS在各行业的应用，可以总结：BIM+GIS涵盖BIM的全生命周期，即规划、设计、施工、运维的各个阶段都有BIM与GIS深度融合的应用和价值。
? 规划阶段
在规划阶段，BIM+GIS技术可以应用于场地分析、规划审批、方案论证等。例如，将设计方案叠加到倾斜摄影模型上，进行方案对比论证。另外，规划报建系统中的自动化审批也需要BIM与GIS融合，实现更加精确的分析与决策，比如：精确估算周边服务区、医院床位数、学校建筑面积等。
? 设计阶段
在设计阶段，BIM+GIS的应用发展前景广阔，尤其在BIM与GIS协同设计领域，BIM设计软件公司和GIS软件公司都在积极开展软件技术层面的合作，以推动BIM与GIS在协同设计领域的技术发展。在前期设计时，设计师可以参考更多源的GIS数据和空间信息，更方便、更直观地在宏观场景中设计建筑、道路等。
? 施工阶段
在施工阶段，BIM+GIS技术可进行施工进度模拟、施工组织模拟等。例如：北京城市副中心智慧监管项目平台（如图3）是典型的大型建筑施工管理项目，采用了超图二三维一体化GIS平台，主要业务包括视频监控与视频会商、劳务监控与进度监控、环境监测与设备监控，其中BIM监管平台通过前期预判、过程记录、事后追溯来实现全建造过程的管理，主要功能包括进度管理子系统、劳务子系统、视频监控子系统、大型设备监控子系统、环境监测子系统等。
图3 北京城市副中心智慧监管项目平台
? 运维阶段
在运维阶段，BIM+GIS技术可进行竣工模型交付、维护计划、资产管理、灾害应急模拟等。上海建坤基于SuperMap GIS基础软件开发的上海中心运营平台是BIM+GIS在运维阶段的典型应用，囊括了252GB上海中心大厦BIM模型数据量和315万个模型构件数，项目还集成了多种物联网设备，包括：安防、一卡通、楼宇自控、电能、消防、能源及环境系统、停车库等，系统支持对于BIM构造的各个资产管理部件进行显隐查询，设置了关键词模糊查询、分类定位查询等功能，通过数据可视化，辅助管理者分析与决策，为业主运营管理提供安全智慧保障，如图4。
图4 上海中心大厦BIM运营平台
BIM与GIS融合的技术难点
BIM+GIS应用涵盖BIM的全生命周期，在BIM的规划、设计、施工、运维各个阶段，超图的合作伙伴基于SuperMap GIS也已完成了很多典型的应用案例，同时发现BIM与GIS融合在数据接入、数据管理、数据匹配、模型实时绘制等方面存在技术难题。
为了应对BIM+GIS融合的技术难题，SuperMap GIS研发了BIM主流数据的无损接入、BIM数据到GIS平台厘米级准确匹配、超百万级BIM模型实时绘制等关键技术，开拓了三维GIS向建筑、桥梁、隧道、水利大坝等大型工程应用领域的发展，为BIM+GIS应用提供了有力的技术和平台支撑。
? BIM数据与GIS平台的无缝衔接
国内外BIM软件很多，但是文件格式各不相同，为了突破BIM数据接入GIS软件平台的瓶颈，SuperMap率先在三维GIS平台中实现了对三款主流BIM设计软件（Revit、Bentley、CATIA）的原生无损接入，成功研发了Revit、Bentley、CATIA三款BIM设计软件的数据导出插件，实现了一键式导入rvt、dgn、CATProduct等BIM模型格式数据，实现了BIM与GIS数据接口的跨领域无缝衔接，为BIM与GIS融合应用奠定了基础。
SuperMap GIS基础软件通过导入原生的多层次细节BIM模型、将同享的部件通过实例化方式绘制、简化冗余三角网、生成缓存等，充分利用图形硬件加速，实现了百万级BIM模型的实时绘制，解决了BIM与GIS结合应用的性能瓶颈。
SuperMap研发的三款BIM导出插件具有三大优势：
1、一键式导入BIM的顶点信息和属性信息，保证了BIM模型信息的完整性，支持按族分类导出，提供快捷的BIM分组管理；
2、支持大规模数据的高效渲染，支持导出带原生的多细节层次（LOD）模型，支持实例化绘制；
3、支持导出拓扑闭合的BIM三维实体数据模型，可以计算其体积、表面积及任意剖面，同时可以进行空间关系判断、空间运算和空间分析，支持3D打印。
图5 获取BIM剖面
? BIM数据在GIS平台的查询与分析
不同于3D Max数据，BIM数据具备完善的拓扑完整性及闭合性，不能简单地作为模型数据导入，要兼顾到BIM数据的拓扑结构。BIM数据进入SuperMap GIS平台存储成三维实体数据模型，借助GIS技术可以进行交、并、差等布尔运算，支持获取剖面（如图5），支持计算体积、表面积，支持三维空间关系判定和三维空间查询，支持BIM与地形、倾斜数据进行裁剪、镶嵌、挖洞操作。例如：隧道模型构建凸包后与地形进行布尔运算，实现在山体模型中挖出贯通的隧道。除此之外，BIM模型通过GIS平台还可导出STL模型格式，实现对BIM模型的3D打印。
? 多源数据融合和坐标转换
SuperMap GIS平台支持地形、影像、3D Max等精细模型、倾斜摄影建模、激光点云、三维管线、三维场数据、三维水面特效等多源数据（如图6），可以很方便地实现BIM与多源数据的融合应用。
图6 多源数据融合
目前，SuperMap GIS提供七参数转换功能，方便工程坐标系下的BIM模型自动匹配到地理坐标系。例如，在雅砻江流域水电全生命周期数字管理平台研究与应用项目中，基于SuperMap GIS，我们完美解决了设计的BIM模型和地形数据在平面坐标系和地球坐标系之间的转换，可实现在地球曲率影响下的模型和地形精确匹配，避免渲染时的裂缝和漏洞等问题，满足水电企业建设、运营、管理对数据的精度需求（如图7）。2017年底，超图软件与雅砻江流域水电开发有限公司、中国电建集团成都院、天津大学携手共同获得2017年度水力发电科学技术奖一等奖（如图8）。
图7 BIM模型与地形的精确匹配
图8 2017年度水力发电科学技术奖一等奖
? 基于WebGL的“零”客户端三维GIS技术
SuperMap采用前沿的HTML5 WebGL技术，推出了“零”客户端三维产品——SuperMap iClient3D for WebGL。SuperMap iClient3D for WebGL是一款轻量级的三维客户端开发平台，支持硬件加速的可视化渲染技术，免除了三维渲染对插件的依赖，用户无需下载、安装插件，即可高效浏览三维服务，提升了用户的Web开发及终端访问体验。WebGL技术提供的硬件加速渲染可借助系统显卡在浏览器流畅显示三维场景和模型，前端开发者通过WebGL技术可以方便地在浏览器上实现Web端三维效果（如图9）。
SuperMap iClient3D for WebGL通过S3M图层，可加载倾斜摄影模型、BIM、精模、点云、矢量、地下管线、地形、动态水面、场模型等多源数据，提供了实用的三维量测及三维空间分析功能，包括距离量测和面积量测，日照分析、剖面分析、等高线分析、坡度分析、淹没分析、通视分析、可视域分析、天际线分析等三维空间分析功能。
图9 BIM在WebGL客户端的展示
从BIM到CIM
中国工程院院士吴志强在BIM的技术上提出了CIM——城市信息模型（City Information Modeling）：三维城市空间模型和城市动态信息的有机综合体，将微观建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）、宏观地理空间数据（GeoSpatial Data，简称GSD）、物联网（Internet of Things，简称 IoT）数据进行统一，形成综合数据处理计算平台。
我们可以用CIM=BIM+GIS+IoT的公式来表达这几者之间的关系。BIM、GIS、物联网的融合应用，给BIM与GIS的发展带来了新的契机，也为智慧城市建设提供了新的技术支撑。
随着三维GIS与BIM技术的不断发展，以三维地理模型构建、三维空间分析为主的三维GIS与BIM结合的技术日益成熟，并逐渐应用到各行各业。在BIM领域，从规划到设计、施工、运维管理，整个产业链条上，很多单位都期望借助“BIM+”实现产业化升级，各个环节都能找到GIS参与的机会，这将给三维GIS应用带来新的发展契机。
SuperMap提供了BIM+GIS无缝对接ABC三款BIM设计软件的插件，支持海量BIM的流畅绘制；导入的BIM模型支持三维空间分析、运算；支持多源数据融合和坐标转换，可以将BIM、倾斜摄影、地形、影像等各类数据融合和匹配到一起。超图和合作伙伴一起，实现了很多行业典型的BIM+GIS解决方案和应用案例。
SuperMap切入三维GIS新兴市场——BIM+GIS，实现了二三维一体化GIS软件产品和产业化，保障我国地理信息系统建设安全性、可控性，大幅提升我国国产GIS基础软件的核心竞争力。
