■ 常瑩 瞿文婷

隧道工程全生命周期BIM云平臺(tái)建設(shè)方案

■ ?，?瞿文婷

隧道工程信息化是隧道工程研究的一個(gè)重要方向。為解決隧道工程中BIM應(yīng)用出現(xiàn)的若干問(wèn)題，提出隧道工程全生命周期BIM云平臺(tái)建設(shè)方案。通過(guò)對(duì)BIM云平臺(tái)的組成架構(gòu)進(jìn)行剖析，以PaaS層作為BIM云結(jié)構(gòu)中的核心，構(gòu)建統(tǒng)一存儲(chǔ)管理BIM模型和數(shù)據(jù)的平臺(tái)，并對(duì)處于隧道工程各生命階段的用戶(hù)如何與平臺(tái)進(jìn)行信息交互應(yīng)用進(jìn)行探討。

盾構(gòu)隧道；信息化；云平臺(tái)；BIM

1 BIM在隧道工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)的崛起，使土木工程的管理方式發(fā)生了翻天覆地的變化[1]。BIM允許項(xiàng)目人員通過(guò)各類(lèi)信息化技術(shù)獲取工程信息，并整合至模型中，使項(xiàng)目信息能夠在項(xiàng)目全生命周期中進(jìn)行共享，以減少信息在流轉(zhuǎn)過(guò)程中造成的損失。

與一般的公路工程、橋梁工程相比，地下隧道工程建設(shè)難度更大，是由地下工程本身的一些特點(diǎn)決定的。地下工程風(fēng)險(xiǎn)性極大，安全隱患多，施工過(guò)程中容易發(fā)生事故；地下工程是一個(gè)不可逆的過(guò)程，因此對(duì)施工過(guò)程的監(jiān)控要求更加嚴(yán)格。BIM的可視化特性使這類(lèi)無(wú)法用肉眼觀(guān)察到的地下空間工程得到了更有效的管理。

近年來(lái)，逐漸有專(zhuān)家學(xué)者將BIM技術(shù)應(yīng)用到隧道項(xiàng)目中。上海長(zhǎng)江隧橋建設(shè)發(fā)展有限公司[2]將BIM技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)江西路越江隧道工程浦西岸邊段項(xiàng)目，進(jìn)行管線(xiàn)搬遷和交通翻交的施工過(guò)程模擬和施工方案論證，取得了顯著效果。中國(guó)中鐵以寶蘭線(xiàn)石鼓山隧道為依托，對(duì)隧道的主要洞門(mén)、明洞、暗洞、附屬洞室、輔助坑道等進(jìn)行了BIM三維設(shè)計(jì)模版的研究和創(chuàng)建[3]。上海市城建總院也對(duì)BIM技術(shù)有充分的研究，并應(yīng)用于上海地鐵徐家匯交通樞紐、上海軌交11號(hào)線(xiàn)迪士尼配套項(xiàng)目等[4]。然而，隧道工程的BIM應(yīng)用仍存在一定的問(wèn)題。

（1）BIM模型的存儲(chǔ)過(guò)于離散[5]。BIM的意義在于其協(xié)同性能夠使項(xiàng)目全生命周期的參與方進(jìn)行信息共享，然而往往受限于單位、地域等因素，BIM使用中仍出現(xiàn)信息割裂的狀況，即設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)維單位等分別獨(dú)自建立自己的BIM模型，在自己的工程階段進(jìn)行使用，為輔助管理自身業(yè)務(wù)而使用，導(dǎo)致了大量的重復(fù)勞力和資源浪費(fèi)。雖然一些主流軟件在這些方面已有所突破，如達(dá)索公司近年推出的3D EXPERIENCE平臺(tái)，致力于打造社交化、互聯(lián)化的協(xié)同3D工作平臺(tái)，但應(yīng)用案例較少，只有上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院在贛江二橋項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試[6]，整個(gè)平臺(tái)的實(shí)用性仍需等待時(shí)間的考驗(yàn)。

（2）由于BIM軟件的不統(tǒng)一，導(dǎo)致使用者，尤其是設(shè)計(jì)者在完成設(shè)計(jì)方案時(shí)需要使用3～4個(gè)甚至更多的BIM軟件，這就需要用戶(hù)在電腦上安裝多個(gè)BIM軟件，為使用者帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

（3）模型交互標(biāo)準(zhǔn)（IFC）仍在研制當(dāng)中，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的模型標(biāo)準(zhǔn)，不同公司的軟件之間進(jìn)行模型傳輸時(shí)，會(huì)發(fā)生模型信息缺失、錯(cuò)漏、失真等問(wèn)題，導(dǎo)致建模者要在不同軟件內(nèi)進(jìn)行模型校核等額外的工作。

（4）現(xiàn)有的BIM技術(shù)應(yīng)用，很多是采用單機(jī)模式，即每位終端用戶(hù)均在系統(tǒng)內(nèi)安裝BIM軟件，在自己的機(jī)器上運(yùn)行BIM模型[7]。然而多數(shù)隧道工程的施工和運(yùn)維環(huán)境都較偏遠(yuǎn)、惡劣，為了運(yùn)行BIM軟件需要在工地上配置一臺(tái)性能較好的計(jì)算機(jī)，購(gòu)買(mǎi)硬件的成本較高，為企業(yè)帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)壓力。

（5）數(shù)據(jù)管理難度大。由于數(shù)據(jù)分散在不同的終端設(shè)備上，數(shù)據(jù)管理人員需要同步維護(hù)多個(gè)版本的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致管理難度增加。

2 BIM云平臺(tái)組成

2.1 BIM云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

運(yùn)用云技術(shù)可以有效解決以上問(wèn)題[8]。隨著分布式計(jì)算、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了云概念的研究。最早提出云計(jì)算概念的是計(jì)算機(jī)科學(xué)家John McCarthy，并描述計(jì)算機(jī)可成為一種公用基礎(chǔ)設(shè)施，云計(jì)算作為虛擬的資源，可以像水、電等一樣供人們使用。通常由專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)公司搭建計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和運(yùn)算中心，提供云服務(wù)[9]。云計(jì)算具有的伸縮性使用戶(hù)不拘泥于硬件的限制，只需要關(guān)注于自己的需求，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)的傳輸，即可訪(fǎng)問(wèn)到自己所需要的資源。

BIM云即通過(guò)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬集成，將BIM軟件、圖形處理、數(shù)據(jù)處理部署在云端，形成統(tǒng)一的BIM平臺(tái)，為用戶(hù)提供完整的信息提取與服務(wù)，支持全生命周期各個(gè)階段、各參與方進(jìn)行信息交互。BIM云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

如圖1所示，每個(gè)單位建立自己的局域網(wǎng)，單位人員可在自己的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行信息交互。局域網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與云BIM平臺(tái)相連，獲取平臺(tái)的服務(wù)和信息。云計(jì)算對(duì)于網(wǎng)絡(luò)支持的要求較高，在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下可能會(huì)影響正常的工作，因此，在局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)間設(shè)一臺(tái)本地服務(wù)器，作為數(shù)據(jù)緩存和備份功能，定期將局域網(wǎng)內(nèi)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行同步，在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的情況下，僅通過(guò)內(nèi)部的局域網(wǎng)進(jìn)行工作，以防網(wǎng)絡(luò)障礙時(shí)無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，影響工程正常開(kāi)展。

2.2 BIM云平臺(tái)整體架構(gòu)分析

BIM云平臺(tái)整體架構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層

云平臺(tái)架構(gòu)的最底層為IaaS（Infrastructure as a Service）物理資源層，即基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層，包括服務(wù)器、路由設(shè)備等，由基礎(chǔ)硬件設(shè)備作為系統(tǒng)的支撐?；A(chǔ)設(shè)施服務(wù)層的架構(gòu)見(jiàn)圖3，在終端用戶(hù)設(shè)置服務(wù)器設(shè)備，經(jīng)防火墻過(guò)濾，通過(guò)VPN與廣域網(wǎng)相連，通過(guò)BIM云平臺(tái)的防火墻，與核心交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。核心交換機(jī)通過(guò)虛擬化技術(shù)，從BIM云平臺(tái)的服務(wù)器中進(jìn)行業(yè)務(wù)處理或數(shù)據(jù)處理。

2.2.2 平臺(tái)服務(wù)層

云平臺(tái)架構(gòu)的上層為基于BIM的PaaS（Platform as a Service）層，即平臺(tái)服務(wù)層，是整個(gè)架構(gòu)的核心，整合硬件上的資源，結(jié)合虛擬化技術(shù)，使其可支持模型的建立和集成、BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的集成等功能，支持軟件服務(wù)商進(jìn)行不同軟件的開(kāi)發(fā)、部署和維護(hù)的全過(guò)程。PaaS層功能至少包括3方面內(nèi)容：

（1）BIM軟件服務(wù)。BIM軟件通常對(duì)硬件需求較高，且在全生命周期中通常會(huì)使用多個(gè)BIM軟件，將BIM軟件服務(wù)架構(gòu)在平臺(tái)中，可以提高各參與方的工作效率。

（2）信息資源提供。信息資源包括模型和數(shù)據(jù)，各生命階段的數(shù)據(jù)在平臺(tái)層進(jìn)行匯合，也使用戶(hù)可以從平臺(tái)中容易地獲取所需信息[10]。

（3）信息資源管理。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的控制與管理。隧道全生命周期中涉及的信息資源見(jiàn)圖4。而信息資源的管理需要基于以下2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①模型標(biāo)準(zhǔn)格式。市場(chǎng)上BIM軟件繁多，各軟件所支持的模型格式也各有異同，使用不同BIM軟件時(shí)通常需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。為了更好地協(xié)同各階段的模型交換，標(biāo)準(zhǔn)化的模型格式必不可少，統(tǒng)一的格式減少了在格式轉(zhuǎn)換中模型失真的風(fēng)險(xiǎn)，也減少平臺(tái)因存儲(chǔ)不同格式而占用的空間；②數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。在項(xiàng)目周期過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并非過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)對(duì)其他階段都是有價(jià)值的，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄對(duì)于平臺(tái)來(lái)說(shuō)會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)冗余。其解決方案是針對(duì)于不同項(xiàng)目階段，制定信息交換標(biāo)準(zhǔn)，確定每個(gè)工作流階段所需交付的信息。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于提高了信息傳遞的質(zhì)量，既保證了信息需求又減少了信息的存儲(chǔ)量。

2.2.3 軟件服務(wù)層

PaaS的上層為SaaS（Software as a Service）層，即軟件服務(wù)層。該層允許軟件開(kāi)發(fā)商通過(guò)調(diào)用接口或使用交付語(yǔ)言等方式接入平臺(tái)，獲取平臺(tái)的資源和功能，制造具有不同功能的軟件，供終端用戶(hù)使用。終端設(shè)備除包括PC設(shè)備外，還包括隧道工程過(guò)程中使用到的各類(lèi)傳感器[11]。

總之，隧道工程中各階段的用戶(hù)雖然可以共享BIM模型和數(shù)據(jù)信息，但各階段獲取信息的方式和管理的著眼點(diǎn)又有所不同。所以相比于建立一個(gè)統(tǒng)一的SaaS軟件，建立PaaS層，允許不同階段的用戶(hù)在PaaS平臺(tái)上建立契合自己業(yè)務(wù)流程的軟件更為合適。建立PaaS層可以很好地平衡各階段用戶(hù)對(duì)公共資源的獲取與自身信息資源的關(guān)注。

3 BIM云平臺(tái)在隧道工程各階段SaaS應(yīng)用探討

在隧道工程中，項(xiàng)目全生命周期分為勘察階段、設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、建造階段和運(yùn)維階段。各階段過(guò)程中其軟件應(yīng)用的著眼點(diǎn)也各不相同。以下重點(diǎn)探討各階段SaaS軟件的應(yīng)用方向，以及如何與PaaS層進(jìn)行交互。

3.1 勘察階段

盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與建設(shè)對(duì)地下空間環(huán)境信息的把握要求高，因此，通過(guò)科學(xué)手段獲取地層信息是地下建設(shè)工程中十分重要的環(huán)節(jié)。

隧道建設(shè)前期會(huì)使用鉆孔法對(duì)地層進(jìn)行詳細(xì)勘察，為地層信息的主要來(lái)源。勘察單位收集地層信息，并根據(jù)信息在SaaS平臺(tái)上進(jìn)行地層模型的建立，傳輸至BIM-PaaS平臺(tái)，供后期設(shè)計(jì)及施工時(shí)使用。

3.2 設(shè)計(jì)階段

隧道工程設(shè)計(jì)工作涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)，每個(gè)專(zhuān)業(yè)還需多個(gè)人員完成，需要有相應(yīng)的SaaS軟件提供BIM模型的協(xié)同設(shè)計(jì)功能，以完成隧道模型的建立。

隧道模型建立過(guò)程包含3個(gè)步驟：首先建立隧道骨架模型，其次建立隧道詳細(xì)模型，最后進(jìn)行碰撞檢測(cè)。在這個(gè)過(guò)程中，BIM云平臺(tái)使設(shè)計(jì)人員能夠獲取自己所需的土層信息和模型，并在此基礎(chǔ)上建立模型，至設(shè)計(jì)階段結(jié)束，模型建立完成后，由平臺(tái)控制，回傳至BIM云平臺(tái)，將土層模型和隧道模型進(jìn)行結(jié)合，并將相應(yīng)的設(shè)計(jì)信息存檔。

3.3 生產(chǎn)階段

目前隧道的建造多使用盾構(gòu)法施工技術(shù)，要求工程將標(biāo)準(zhǔn)化的管片生產(chǎn)過(guò)程納入監(jiān)控管理，管片質(zhì)量的好壞對(duì)盾構(gòu)隧道的耐久性有著直接的關(guān)系。

生產(chǎn)階段不涉及模型的建立，但對(duì)管片生產(chǎn)的基礎(chǔ)信息有大量需求，例如混凝土抗?jié)B、鋼筋加工、鋼筋骨架制作、管片外觀(guān)、管片蒸養(yǎng)等。在標(biāo)準(zhǔn)化生成管片構(gòu)件的過(guò)程中，可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將射頻識(shí)別（RFID）芯片預(yù)埋入構(gòu)件中，即可從生產(chǎn)開(kāi)始對(duì)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一化管理。在施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)RFID芯片掃描，即可獲得在生產(chǎn)過(guò)程中的全部數(shù)據(jù)，大大方便了施工人員對(duì)管片質(zhì)量的監(jiān)控。

生產(chǎn)階段SaaS軟件的基本需求是從平臺(tái)中獲取管片設(shè)計(jì)信息，完成管片生產(chǎn)后，需交付生成信息至BIM云平臺(tái)，以供后期施工和運(yùn)維過(guò)程中，對(duì)管片信息進(jìn)行追溯和查詢(xún)。

3.4 施工階段

施工階段首先從BIM云平臺(tái)中獲取已有的地質(zhì)信息模型、隧道設(shè)計(jì)信息模型和管片生產(chǎn)信息。運(yùn)用BIM模型進(jìn)行施工模擬，對(duì)環(huán)境昏暗的隧道工程施工有著很好的指導(dǎo)功能，可避免許多安全隱患。詳細(xì)的地質(zhì)信息模型也為隧道安全施工提供保障。而施工階段對(duì)模型的精細(xì)度、信息量又有所不同，所以需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步處理。處理的主要工作可包括模型拆分、資源配置和施工設(shè)置[3]。隧道施工過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生大量信息，該階段SaaS軟件可提供生產(chǎn)信息，對(duì)BIM云平臺(tái)中的信息進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

以現(xiàn)有的施工BIM軟件為例，在虹梅南路—金海路施工管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程施工進(jìn)度的監(jiān)測(cè)和管理。系統(tǒng)以業(yè)務(wù)流程為線(xiàn)索，提供管片進(jìn)場(chǎng)、管片吊裝、盾構(gòu)推進(jìn)、拼裝成環(huán)、隧道巡檢過(guò)程中信息的記錄和檢索。信息收集歸納后，除通過(guò)報(bào)表、二維曲線(xiàn)方式進(jìn)行展示（見(jiàn)圖5）以外，也可在BIM模型中進(jìn)行三維展示（見(jiàn)圖6）。在有拼裝信息的情況下，可通過(guò)管片構(gòu)件編號(hào)，將生產(chǎn)信息、施工信息附著在BIM模型上；另外地面沉降信息、同步注漿信息等，可通過(guò)隧道環(huán)號(hào)將信息與BIM模型進(jìn)行鏈接，完成整個(gè)BIM信息平臺(tái)的搭建，完成隧道歷史信息的查詢(xún)。

3.5 運(yùn)維階段

運(yùn)維階段可對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工階段進(jìn)行信息追溯，有了歷史信息的提供，可以更好地為運(yùn)維階段提供決策，若發(fā)生問(wèn)題，也為分析問(wèn)題原因提供有力的證據(jù)。

在運(yùn)維階段，工作人員需要對(duì)隧道定時(shí)進(jìn)行巡檢，巡檢設(shè)備通常為配有RFID掃描功能的手持設(shè)備，硬件性能不會(huì)太高，為支持此類(lèi)的終端設(shè)備，BIM平臺(tái)可對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，使設(shè)備僅從平臺(tái)中獲取日常巡檢必備信息則可。運(yùn)維過(guò)程中的信息傳輸至該階段的SaaS程序，定期與BIM云平臺(tái)信息進(jìn)行整合。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，從隧道工程全生命周期的角度建立項(xiàng)目管理系統(tǒng)方案，通過(guò)信息化手段，將工程各階段的參與方納入方案，以期達(dá)到減少數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)中造成的損失，使項(xiàng)目各方能夠更好地協(xié)同工作。其次，應(yīng)用云技術(shù)，建立BIM云平臺(tái)，將管理平臺(tái)架構(gòu)在云端，解決隧道工程中傳統(tǒng)BIM應(yīng)用出現(xiàn)的模型存儲(chǔ)離散、硬件成本高、數(shù)據(jù)管理難度大等問(wèn)題。

基于BIM云平臺(tái)的隧道工程協(xié)同管理方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工程全生命周期的管理和監(jiān)控。由于隧道工程中各階段的用戶(hù)對(duì)BIM模型和數(shù)據(jù)信息的需求不完全相同，因此采用以PaaS為核心的平臺(tái)、各階段用戶(hù)制造自己相應(yīng)的SaaS軟件更為合適。平臺(tái)可為各階段用戶(hù)過(guò)濾不需要的信息、提供階段所需信息，為工程提供更好的管理。隧道工程BIM云平臺(tái)能使復(fù)雜的地下工程透明化，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)龐雜的工程資料綜合動(dòng)態(tài)管理，提高數(shù)據(jù)可視化程度，充分體現(xiàn)工程信息的價(jià)值，提高工程效率，為實(shí)現(xiàn)工程智能決策提供基礎(chǔ)。

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常 瑩：上海城建（集團(tuán)）公司，高級(jí)工程師，上海，200032

瞿文婷：上海大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士研究生，上海，200072

責(zé)任編輯 盧敏

U45；TP39

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1672-061X（2015）06-0065-05