作为城市化发展的高级阶段，智慧城市通过大系统整合、新一代信息技术交互、公众多方参与和互动来实现城市的可持续创新，进而使城市管理更加精细、环境更加协调、经济更加繁荣、生活更加便捷。伴随着技术的不断发展，信息化手段、移动技术、智能穿戴及工具在工程建设和运维阶段的应用不断提升，基于城市基础设施的物理信息融合的智慧管理应运而生。

依托 BIM 这个包含建筑工程信息的三维模型，有效地提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。但其空间分析能力较为微观，并且 BIM 模型设计软件支持的空间范围小，无法承载海量大范围的地形数据，也不具备对地理信息进行分析和建筑周边环境整体展示的功能。地理信息系统 (GIS) 可以对整个地球空间上的信息进行宏观的分析与管理，清晰地展示建筑物与地理环境的关系，具有极强的空间综合分析能力，常被用来协助工程规划设计，还有城市中与地理空间有关的各类管理分析。但其局限性是无法展示微观模型，无法创建精细化的建筑模型和详细的模型信息。

因此，将 BIM 与 3DGIS 技术整合可以同时进行建筑的精细化模型创建以及大场景地理信息的管理和分析，实现了分析、管理从微观到宏观的海量数据，又能更全面地展示可视化信息。以 BIM 和 GIS 技术融合为核心的物理信息融合的管理手段，可以优化传统基础设施的管理方式，显著提高城市建设管理的智能化。

1、概述

1.1 BIM+3DGIS 技术应用现状

三维 GIS 可基于地形和周边宏观的地物信息，为 BIM 提供大场景规划、室外视域分析等三维 GIS 功能，提供决策支持；而 BIM 模型可为三维 GIS 提供精细的建筑构件信息，使得 GIS 从室外走向建筑内部，实现室内外一体化的管理。

基于 BIM 与 3DGIS 技术集成的软件平台开发，国内的专家、学者已经开展了一些研究。针对自主研发的隧道围岩量测自动化监测技术，建立 GIS 十 BIM 十物联网的安全监测平台；研发了基于 BIM 与 3DGIS 集成的铁路桥梁施工管理信息系统，实现从 3D GIS 可视化、漫游和三维空间分析到 BIM 施工管理、施工动态模拟和施工进度管理等功能；开发了基于 ZTMapGIS 的三维建筑信息管理系统，实现了建筑模型的可视域分析、爆管分析、火灾逃生模拟等功能。

传统的建设智能化管理系统主要基于人工运维方式，存在许多问题，例如：设备的利用率很低；重复建设率高；同时无法实现智能化物理系统监控和信息管理的互联互通及共享交换，无法满足智能建设在综合管理和服务方面业务协同的功能需求。当前不少城市基础设施存在各系统相互独立、大量信息孤岛、数字化基础弱等问题，基础设施难以做到可视化、信息化和效率化，数字化与自动化结合严重不足，缺乏统一的监控和运维平台等问题。

基础设施物理信息智能化管理才能驱动城市建设管理向前发展。从基础物理数字化到信息互联网十物联网十云计算基础的发展模式是智慧城市基础设施物理信息管理智能化建设的发展趋势。BIM 与 GIS 的融合可以实现从微观到宏观的多尺度城市管理，在室内导航、公共场所的应急管理、城市和景观规划、各种环境状况模拟等方面都将产生难以估量的价值。

智慧管理思路应服务基础设施的规划、设计、施工、运维等过程。因此，传统的城市基础设施建设管理过程与智慧管理思路需要快速对接、协同融合，应采用基于物理信息协同的智能化管理，搭建基础设施物理信息融合智能化管理平台。

2、智能化管理平台框架设计

城市基础设施物理信息融合智能化管理平台是基于 BIM 和 GIS 技术的融合，获取项目的物理精确信息数据以及实时的状态信息，实现基础信息数据管理、资源综合管理、结构健康监测、安全评估预警、指挥控制等功能。根据智慧基础设施综合管理的需求，从管控的整体管理思路出发，集成物理设备的实时监控数据、报警信息、联动控制信息等动态数据，结合云计算、云存储以及大数据挖掘等技术，针对基础设施的生命周期、结构信息、养护信息以及运行信息进行深度挖掘、关联分析与预测分析，建立基础设施管养模型，并通过 BIM 十 GIS 技术集成将基础设施物理监测信息可视化，进行物理信息融合，为管养部门提供强有力的养护决策和支持。

集成的物理信息融合智能化系统包括环境监测系统、排水系统、变配电系统、智能照明系统、门禁系统、消防系统等。如图 1 所示，基础设施物理信息智能化管理平台共划分为 4 个子系统，分别是环境物理设备监控系统、BIM 十 3DGIS 系统、运维平台和信息数据分析系统。不同的项目需要结合自身特点，综合考虑智能化管理平台架构，结合所需的逻辑架构、功能结构，系统化建设基于 BIM 十 GIS 集成的物理信息智能化管理平台。

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3、基于 BIM+3DGIS 物理信息智能化管理平台功能需求

3.1 BIM+3DGIS 三维信息管理

3DGIS 地图模块以三维空间物理信息数据资源库为基础，集成影像数据、矢量数据、建筑物模型，为管理人员提供可视化建设管理服务，直观展示建设地理信息、位置分布，周边道路、设施、环境信息以及重要单位，提高工作的准确性，推进建设、空间、设施设备科学化管理。在 3DGIS 场景中放入 BIM 模型，通过三维 GIS 虚拟再现区域建设物、管网系统及其他设备，在三维场景中实景的漫游、查询、统计以及多种空间分析等功能。

3.2 运维管理

1）设备及资产管理。利用系统中 BIM 模型所提供的设备及资产的相关资料和信息，运用信息化技术增强设备及资产监管力度，降低资产的闲置浪费，充分发挥设备效能，使业主在设备资产管理上更加规范，进而从整体上提高管理水平。该模块应提供设备的可视化管理、信息查询、故障分析、安全评估等操作功能。

2）工单管理。工单管理模块有利于设施设备的耗损预测及制定预防性的保养计划。管理人员可根据工单的紧急性或特定需求，制定执行计划，计算执行成本，为前期工作从申请到批准、执行、完工乃至最后的工作汇报提供一个完整的流程管理。

3）健康监测及预警。平台以 BIM 模型为载体，通过物联设备及网络传输手段，实现实时监测、监测分析、报警查询、质量评估等功能。通过应变监测、荷载监测等数据信息，监测该工程结构使用状态及其发展趋势，使结构实时处于可知和可控的状态，当相关监测数据发生异常时，系统自动发送警示消息。技术人员可针对性地对异常区域进行检查，寻找可能的事故隐患，快速排除故障维持正常运行。

应急情况可依据危险程度、影响程度、紧急程度进行分级，在系统中以不同颜色等级呈现处理排序，以及目前出现故障需处理的系统类型，使管理人员能快速的从系统中点选此项报警，直观了解出问题的设备，以及此设备在三维中的具体位置，并可查该设备的历史修缮信息，作为应急处置与故障排除的参考依据。

4）巡检管理。针对该平台，可配合开发手机应用软件用于物理设备巡检管理及日常设备维护记录。同时，在物理设备发生故障时，可在第一时间将故障信息推送至管理人员的手机客户端，APP 收到预警信息后，管理人员可及时到有效地处理设备问题，降低故障损失。

3.3 环境监控管理

通过管理平台预留接口，对前端摄像机、编码器、控制器等设备进行统一管理，通过管理平台实现全网统一的用户、权限和视频资源管理，满足系统多用户监控、管理需求。环境监控管理模块应具有安防设备管理、信息自动分类显示、事件查询、视频复核、远程控制等功能。

3.4 数据分析

该模块主要对项目运营消耗的能源 (如：电、水、热力等) 进行监测、记录、分析。通过智能能耗监测，实现对项目内的水、电、暖等能源消耗情况进行分量式监测以及电能分项数据采集，建立能源消耗和成本控制数据库，并构建多级能耗监管系统。通过 BIM 模型查看各分区内设备能耗信息，可以生成历史、实时、预测能耗趋势图、统计报表等。实时监测各种能源的详细使用情况，为节能降耗提供直观科学的依据，促进管理水平的提高，降低运营成本，使能源充分合理使用，控制浪费，达到节能减排，最终达到提高用能效率的目的。

4、基于 BIM+3DGIS 集成物理信息融合智能化管理平台的价值

1）实现各系统的统一管理。平台可以充分利用各子系统的数据，可以实现在统一的平台进行信息发布、在统一的综合数据管理系统进行数据维护和二次利用、在统一的配置管理界面对系统的参数进行调整等，真正实现平台的一站式管理城市基础设施智能化管理是完备的全过程信息整合平台，解决了传统管理过程中资料易缺失、查询不便、信息表达不一致、信息孤立等问题；同时，也实现了从规划、设计、建设到运维的全过程智能化管理，尤其是将运维环节中的日常巡检、健康监测、安全管理、应急处置等功能进行集成。

2）BIM 与 3DGIS 技术融合的应用优势。通过将 BIM 和 GIS 整合，先对建筑进行建模，然后把建筑空间信息与其周围地理环境共享，应用到城市三维 GIS 分析中，就极大的降低了建筑空间信息的成本。运用 GIS 和 BIM 建立的精细建筑内部与宏观路网结合的城市系统模型，实现了城市地上地下设施一体化管理、室内外设施一体化管理，又实现生活中可见设施与工程隐蔽设计的一体化管理，从而达到城市全要素空间设施的智能化管理。

3）平台操作简单高效化。平台上的数据均为可进行二次利用的具有高附加值的信息，能够充分根据管理人员的需求或者工作特点来进行操作和管理，从而降低了平台管理人员操作各个系统的专业门槛，真正以需求来驱动平台的建设和管理过程，使得管理人员从海量繁琐的信息数据和复杂的操作中脱离开，在做好管理工作的同时还能有效降低人力成本。

4）平台管理无地域限制。基于云计算、物联网等信息技术开发的智能化管理平台具有高兼容性的同时还可以进行远程控制，不受地域限制，能够有效减少基础软硬件环境的重复建设，降低成本并且管理灵活。

5、若干 BIM+GIS 集成物理信息融合智能化管理平台应用案例

5.1 成都泛悦城市工地的智慧工地管理

智慧工地是指运用信息化手段，通过三维设计平台建立工程项目信息模型，结合使用物联网智能硬件实时采集工程相关数据，打造施工过程管理的信息化系统，实现协同互联、智能监控、科学决策的高效管理模式，并将工程信息模型与物联网采集的工程环境数据进行挖掘分析，为工程施工提供过程趋势预测及科学预案，实现工程施工可视化管理和物理信息融合智慧化决策 [fist。该案例以 BIM 十 GIS 为核心，以项目施工阶段管理为主线，探索搭建了智慧工地管理平台。图 2 是该项目在基坑开挖检测时 BIM 模型在 3DGIS 中的展示。

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5.2 黄骅港智慧港口综合管廊智慧基础建设云平台

黄骅港项目将建成国内领先的物理感知建设、智慧建设的综合云平台，采用云计算、BIM、物联网、大数据等现代信息科技应用，构建建设智慧环境，有效节省各种资源，形成基于物理信息和绿色环保的智慧建设生态环境。黄骅港智慧港口综合管廊集成 BIM 十 3DGIS 十 FM 十 IOT 智能运维管理平台系统，如图 3 所示该系统以单主机双屏幕的方式呈现，掌握物理宏观的地理信息到微观的设施设备信息，并从事件处理框架中获取监控数据、维护纪录、统计分析等信息。

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5.3 内蒙古综合管廊 BIM+GIS+VR 智慧基础建设云平台

该项目开发了综合管廊 VR 互动系统，包括 VR 头盔漫游，以及设备属性查询、环境监控查询等互动功能。借助 VR 系统，帮助非专业人士更好地了解管廊设备的内部结构、运作状态、事故状态、检修方式等建立管廊 BIM/VR 系统，并将无线传感器采集的实时数据根据 VR 系统互动，体验可视化、数字化、智能化的沉浸式效果，图 4 展示了仿真范例。

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6 结论与展望

BIM 与 GIS 集成应用为构建智慧城市提供了数据基础和技术支持。将基础设施 BIM 模型整合 GIS 监控数据，则市政道路、桥隧、轨道交通等的工作状态等信息可以及时反馈到 BIM 模型中，这对多尺度的城市基础设施管理具有重要的现实意义。相对于传统的建设智能化系统的信息相对孤立、交互性较差、数字化程度低，基于 BIM 十 GIS 智能化管理平台在信息共享及集成、可视化、协同性、安全性等方面有显著成效。

但是在 BIM 十 GIS 技术集成处于探索阶段的背景下，基于 BIM 十 GIS 的智能化管理平台的发展将会面临较多挑战，例如：如何实现 BIM 模型轻量化、数据格式转换和标准扩展等。此外，BIM 与 GIS 的整合应用中，可以结合其他技术 (如物联网、大数据等)，来增强智慧城市管理的时效性、信息共享性及数据准确性。因此，不同的项目需要结合自身特点，综合考虑智能化管理平台架构，结合所需的逻辑架构、功能结构及辅助技术，系统化建设基于 BIM 十 GIS 集成的物理信息智能化管理平台。

基于 BIM 十 GIS 的物理信息融合智能化管理平台将是一个能够全面感知的载体，植入 VR 技术、物联网、云计算等先进技术的创新建设模式，创建线上以数据浓缩呈现的虚拟世界，真正从源头打造智慧城市。