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隧道工程全生命周期BIM云平臺建設(shè)方案

■ ?，?瞿文婷

隧道工程信息化是隧道工程研究的一個重要方向。為解決隧道工程中BIM應用出現(xiàn)的若干問題，提出隧道工程全生命周期BIM云平臺建設(shè)方案。通過對BIM云平臺的組成架構(gòu)進行剖析，以PaaS層作為BIM云結(jié)構(gòu)中的核心，構(gòu)建統(tǒng)一存儲管理BIM模型和數(shù)據(jù)的平臺，并對處于隧道工程各生命階段的用戶如何與平臺進行信息交互應用進行探討。

盾構(gòu)隧道；信息化；云平臺；BIM

1 BIM在隧道工程中的應用現(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允許項目人員通過各類信息化技術(shù)獲取工程信息，并整合至模型中，使項目信息能夠在項目全生命周期中進行共享，以減少信息在流轉(zhuǎn)過程中造成的損失。

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決定的。地下工程風險性極大，安全隱患多，施工過程中容易發(fā)生事故；地下工程是一個不可逆的過程，因此對施工過程的監(jiān)控要求更加嚴格。BIM的可視化特性使這類無法用肉眼觀察到的地下空間工程得到了更有效的管理。

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

（1）BIM模型的存儲過于離散[5]。BIM的意義在于其協(xié)同性能夠使項目全生命周期的參與方進行信息共享，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)計單位、施工單位、運維單位等分別獨自建立自己的BIM模型，在自己的工程階段進行使用，為輔助管理自身業(yè)務而使用，導致了大量的重復勞力和資源浪費。雖然一些主流軟件在這些方面已有所突破，如達索公司近年推出的3D EXPERIENCE平臺，致力于打造社交化、互聯(lián)化的協(xié)同3D工作平臺，但應用案例較少，只有上海市政工程設(shè)計研究總院在贛江二橋項目中進行了嘗試[6]，整個平臺的實用性仍需等待時間的考驗。

（2）由于BIM軟件的不統(tǒng)一，導致使用者，尤其是設(shè)計者在完成設(shè)計方案時需要使用3～4個甚至更多的BIM軟件，這就需要用戶在電腦上安裝多個BIM軟件，為使用者帶來負擔。

（3）模型交互標準（IFC）仍在研制當中，沒有一個統(tǒng)一的模型標準，不同公司的軟件之間進行模型傳輸時，會發(fā)生模型信息缺失、錯漏、失真等問題，導致建模者要在不同軟件內(nèi)進行模型校核等額外的工作。

（4）現(xiàn)有的BIM技術(shù)應用，很多是采用單機模式，即每位終端用戶均在系統(tǒng)內(nèi)安裝BIM軟件，在自己的機器上運行BIM模型[7]。然而多數(shù)隧道工程的施工和運維環(huán)境都較偏遠、惡劣，為了運行BIM軟件需要在工地上配置一臺性能較好的計算機，購買硬件的成本較高，為企業(yè)帶來額外的經(jīng)濟壓力。

（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多個版本的數(shù)據(jù)，導致管理難度增加。

2 BIM云平臺組成

2.1 BIM云平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

運用云技術(shù)可以有效解決以上問題[8]。隨著分布式計算、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，推進了云概念的研究。最早提出云計算概念的是計算機科學家John McCarthy，并描述計算機可成為一種公用基礎(chǔ)設(shè)施，云計算作為虛擬的資源，可以像水、電等一樣供人們使用。通常由專門的網(wǎng)絡(luò)公司搭建計算機存儲和運算中心，提供云服務[9]。云計算具有的伸縮性使用戶不拘泥于硬件的限制，只需要關(guān)注于自己的需求，通過網(wǎng)線的傳輸，即可訪問到自己所需要的資源。

BIM云即通過云技術(shù)實現(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，為用戶提供完整的信息提取與服務，支持全生命周期各個階段、各參與方進行信息交互。BIM云的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

如圖1所示，每個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)進行信息交互。局域網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)與云BIM平臺相連，獲取平臺的服務和信息。云計算對于網(wǎng)絡(luò)支持的要求較高，在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下可能會影響正常的工作，因此，在局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)間設(shè)一臺本地服務器，作為數(shù)據(jù)緩存和備份功能，定期將局域網(wǎng)內(nèi)和云平臺的數(shù)據(jù)信息進行同步，在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，僅通過內(nèi)部的局域網(wǎng)進行工作，以防網(wǎng)絡(luò)障礙時無法獲取數(shù)據(jù)，影響工程正常開展。

2.2 BIM云平臺整體架構(gòu)分析

BIM云平臺整體架構(gòu)見圖2。

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施服務層

云平臺架構(gòu)的最底層為IaaS（Infrastructure as a Service）物理資源層，即基礎(chǔ)設(shè)施服務層，包括服務器、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)施服務層的架構(gòu)見圖3，在終端用戶設(shè)置服務器設(shè)備，經(jīng)防火墻過濾，通過VPN與廣域網(wǎng)相連，通過BIM云平臺的防火墻，與核心交換機進行數(shù)據(jù)交換。核心交換機通過虛擬化技術(shù)，從BIM云平臺的服務器中進行業(yè)務處理或數(shù)據(jù)處理。

2.2.2 平臺服務層

云平臺架構(gòu)的上層為基于BIM的PaaS（Platform as a Service）層，即平臺服務層，是整個架構(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)庫的集成等功能，支持軟件服務商進行不同軟件的開發(fā)、部署和維護的全過程。PaaS層功能至少包括3方面內(nèi)容：

（1）BIM軟件服務。BIM軟件通常對硬件需求較高，且在全生命周期中通常會使用多個BIM軟件，將BIM軟件服務架構(gòu)在平臺中，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)在平臺層進行匯合，也使用戶可以從平臺中容易地獲取所需信息[10]。

（3）信息資源管理。實現(xiàn)平臺對用戶進行數(shù)據(jù)交換時的控制與管理。隧道全生命周期中涉及的信息資源見圖4。而信息資源的管理需要基于以下2個標準：①模型標準格式。市場上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軟件時通常需要進行格式轉(zhuǎn)換。為了更好地協(xié)同各階段的模型交換，標準化的模型格式必不可少，統(tǒng)一的格式減少了在格式轉(zhuǎn)換中模型失真的風險，也減少平臺因存儲不同格式而占用的空間；②數(shù)據(jù)交換標準。在項目周期過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并非過程中的所有數(shù)據(jù)對其他階段都是有價值的，將所有數(shù)據(jù)進行記錄對于平臺來說會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)冗余。其解決方案是針對于不同項目階段，制定信息交換標準，確定每個工作流階段所需交付的信息。這樣做的優(yōu)勢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量。

2.2.3 軟件服務層

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

總之，隧道工程中各階段的用戶雖然可以共享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又有所不同。所以相比于建立一個統(tǒng)一的SaaS軟件，建立PaaS層，允許不同階段的用戶在PaaS平臺上建立契合自己業(yè)務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對公共資源的獲取與自身信息資源的關(guān)注。

3 BIM云平臺在隧道工程各階段SaaS應用探討

在隧道工程中，項目全生命周期分為勘察階段、設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、建造階段和運維階段。各階段過程中其軟件應用的著眼點也各不相同。以下重點探討各階段SaaS軟件的應用方向，以及如何與PaaS層進行交互。

3.1 勘察階段

盾構(gòu)隧道的設(shè)計與建設(shè)對地下空間環(huán)境信息的把握要求高，因此，通過科學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)前期會使用鉆孔法對地層進行詳細勘察，為地層信息的主要來源?？辈靻挝皇占貙有畔?，并根據(jù)信息在SaaS平臺上進行地層模型的建立，傳輸至BIM-PaaS平臺，供后期設(shè)計及施工時使用。

3.2 設(shè)計階段

隧道工程設(shè)計工作涉及多個專業(yè)，每個專業(yè)還需多個人員完成，需要有相應的SaaS軟件提供BIM模型的協(xié)同設(shè)計功能，以完成隧道模型的建立。

隧道模型建立過程包含3個步驟：首先建立隧道骨架模型，其次建立隧道詳細模型，最后進行碰撞檢測。在這個過程中，BIM云平臺使設(shè)計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)計階段結(jié)束，模型建立完成后，由平臺控制，回傳至BIM云平臺，將土層模型和隧道模型進行結(jié)合，并將相應的設(shè)計信息存檔。

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)，要求工程將標準化的管片生產(chǎn)過程納入監(jiān)控管理，管片質(zhì)量的好壞對盾構(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、管片蒸養(yǎng)等。在標準化生成管片構(gòu)件的過程中，可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將射頻識別（RFID）芯片預埋入構(gòu)件中，即可從生產(chǎn)開始對構(gòu)件進行統(tǒng)一化管理。在施工過程中，通過對RFID芯片掃描，即可獲得在生產(chǎn)過程中的全部數(shù)據(jù)，大大方便了施工人員對管片質(zhì)量的監(jiān)控。

生產(chǎn)階段SaaS軟件的基本需求是從平臺中獲取管片設(shè)計信息，完成管片生產(chǎn)后，需交付生成信息至BIM云平臺，以供后期施工和運維過程中，對管片信息進行追溯和查詢。

3.4 施工階段

施工階段首先從BIM云平臺中獲取已有的地質(zhì)信息模型、隧道設(shè)計信息模型和管片生產(chǎn)信息。運用BIM模型進行施工模擬，對環(huán)境昏暗的隧道工程施工有著很好的指導功能，可避免許多安全隱患。詳細的地質(zhì)信息模型也為隧道安全施工提供保障。而施工階段對模型的精細度、信息量又有所不同，所以需要對模型進行進一步處理。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]。隧道施工過程中又會產(chǎn)生大量信息，該階段SaaS軟件可提供生產(chǎn)信息，對BIM云平臺中的信息進行補充和完善。

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，實現(xiàn)了對工程施工進度的監(jiān)測和管理。系統(tǒng)以業(yè)務流程為線索，提供管片進場、管片吊裝、盾構(gòu)推進、拼裝成環(huán)、隧道巡檢過程中信息的記錄和檢索。信息收集歸納后，除通過報表、二維曲線方式進行展示（見圖5）以外，也可在BIM模型中進行三維展示（見圖6）。在有拼裝信息的情況下，可通過管片構(gòu)件編號，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，可通過隧道環(huán)號將信息與BIM模型進行鏈接，完成整個BIM信息平臺的搭建，完成隧道歷史信息的查詢。

3.5 運維階段

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

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

4 結(jié)束語

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

基于BIM云平臺的隧道工程協(xié)同管理方案，可實現(xiàn)對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對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、各階段用戶制造自己相應的SaaS軟件更為合適。平臺可為各階段用戶過濾不需要的信息、提供階段所需信息，為工程提供更好的管理。隧道工程BIM云平臺能使復雜的地下工程透明化，真正實現(xiàn)對龐雜的工程資料綜合動態(tài)管理，提高數(shù)據(jù)可視化程度，充分體現(xiàn)工程信息的價值，提高工程效率，為實現(xiàn)工程智能決策提供基礎(chǔ)。

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常 瑩：上海城建（集團）公司，高級工程師，上海，200032

瞿文婷：上海大學土木工程學院，碩士研究生，上海，200072

責任編輯 盧敏

U45；TP39

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1672-061X（2015）06-0065-05