復雜環境城市軌道交通盾構施工CLOUD—BIM架構設計

摘 要：針對復雜城市軌道交通施工階段BIM建模需求和實際使用中的運維壓力，在分析本地BIM特點的基礎上，提出CLOUD-BIM思想并探討其架構設計和平臺搭建要點，研究結論可供實際工程參考。

關鍵詞：城市軌道交通；盾構施工；CLOUD-BIM；架構

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是發端于美國，近年來在我國土木工程界逐漸得到重視并不斷得到推廣應用，被譽為繼計算機輔助設計（Computer Aided Design）技術之后建筑工程行業的第二次革命。BIM是在計算機輔助設計（CAD）等技術基礎上發展起來的多維模型信息集成技術，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，為建筑設施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據，在項目的不同階段，不同利益相關方通過BIM中插入、提取和修改信息，以支持和反饋各自職責的協同工作[1]。據美國建筑工程行業應用效果統計，建筑行業應用BIM技術后可以顯著降低綜合成本，特別是工程愈復雜其應用效果愈明顯。2016年國內發達城市和相關省市的建設主管部門已先后出臺了大力推廣BIM技術的政策和扶持措施，在日常教學、科研和工程建設部門的接觸工作中，我們也切實感覺到了BIM技術的潛在優勢和業界對相關人才的現實迫切需求。

1 城市軌道交通盾構施工特點

BIM技術利用建筑工程項目的各項相關數據建立數字建筑模型，以模擬建筑物建造過程中真實信息，從而使建筑施工全過程可控以完整實現設計意圖。

由于城市軌道交通工程規模大、專業技術復雜、參建單位多、施工要求高、工程進度緊和工程管理步驟繁煩等特點，由此形成的“信息孤島”使得業界面臨諸多困難與壓力，因而采用BIM技術則是解決問題和提高工程建設綜合效益的根本出路。

2 一般BIM建模和運維方式分析

按照BIM工作流程，目前實際工程均采用單機方式完成BIM建模過程，并按照工作協同方式開展相同專業和不同專業的建模和應用。實踐工程實踐表明，當建筑工程體量較大、建筑功能和結構構造復雜、現場施工條件復雜時，各個專業建立的BIM模型數據量將呈現飛快增長，動輒數十GB的規模為現場實際應用和模型動態更新帶來很大的難度。顯然，對于城市軌道交通工程土建、機電、設備等工序復雜眾多的專業應用場合，其BIM模型的建模將面臨更為現實的困難，要求一般施工管理部門在條件簡陋的施工工地現場，專設高性能計算機服務器機房和多位BIM運維人員隨時維護，其高昂的運行成本是不符合現實需求的。為了不斷提高城市軌道交通行業BIM應用水平，真正使這項新技術發揮其應用的效果，應根據城市軌道交通行業需求和工程實際尋求更好的技術方案。

3 CLOUD-BIM架構設計

隨著大數據分析和云計算技術的研發和技術成熟，分布式計算機集群和互聯網融合，為城市軌道交通BIM應用提供了另外一種可行技術途徑。

通過分析城市軌道交通施工環境與大規模BIM應用、施工運維的矛盾可知，復雜工程BIM數字模型容量龐大和響應滯后是影響和限制BIM應用的最大障礙，因此本文提出CLOUD-BIM的技術思路，即利用分布式計算機集群和互聯網絡提供物理平臺，以一個施工合同段為單位，將先期通過單機和工作協同模式建立的區間隧道、地下車站、車輛段和機電、管線等BIM模型，按一定的授權權限分別存入云環境（公共云或私有云），根據各個專業的需求和施工進度，由施工工地人員通過移動網絡或工地局域網進行BIM信息的動態維護，全系統運維由云環境技術人員承擔，由此完成CLOUD-BIM的全部流程。

3.1 私有CLOUD-BIM架構與部署

圖1為城市軌道交通私有CLOUD-BIM架構示意圖，其中私有云環境通過一定數量的普通臺式機構成的小型集群搭建，該集群主要通過大數據技術完成分布式BIM模型的建立和維護，以及為現場施工工程師通過掌上電腦和移動互聯網快速訪問 BIM信息提供快捷支持。私有云環境具有構建成本低廉和運行維護技術難度低的特點，可設置在施工現場的小型機房內，工程師可通過局域網和無線WiFi進行快速訪問，特別適合工地現場商用網絡覆蓋不全、工點相對集中的施工場合。

3.2 公共CLOUD-BIM架構與部署

圖2是公共CLOUD-BIM架構示意圖。與圖1所示的私有CLOUD-BIM架構相比，其特點是將原來需要施工單位自行搭建和維護的小型計算機集群取消，將全部BIM模型和運維全部部署在商用云計算環境（SaaS模式），從而實現公共CLOUD-BIM架構。

采用公共CLOUD-BIM架構的優點是：以公共云環境代替私有云環境，施工單位只需要按實際需求向云計算提供商租用相應的云環境，而不再需要購置專用的多臺臺式計算機，不需要專門的小型計算機集群運行維護技術人員，至于架設有線通訊網絡和針對無線網絡覆蓋盲點增設無線WiFi路由器，則是任何環境均需要的。更重要的是，公共CLOUD-BIM架構對于大規模的城市軌道交通BIM模型、施工工點分散、技術環節復雜、涉及更多訪問用戶（除施工單位外，業主管理方、設計、監理、檢測、監督和安監等）具有更好的適應性，將大量云計算環境的運維交給云計算提供商，因此降低了施工方的成本和壓力。

值得注意的是，現有公共云計算提供商（如阿里云）均采用虛擬化方式向用戶提供計算需要的計算節點，用戶部署自己的CLOUD-BIM模型時，不建議在此基礎上另行采用虛擬計算環境，因此這樣做易引發系統不穩定等潛在風險。

4 CLOUD-BIM軟件

CLOUD-BIM軟件與硬件相輔相成、缺一不可。無論是私有云，或者是公共云，所需要的軟件主要有：

（1）節點計算機操作系統。節點計算機操作系統可采用開源軟件，如各種成熟內核版本的32/64位LINUX，本文采用Ubantu LINUX 64位12.04。

（2）大數據分析軟件。可供實際應用的開源大數據軟件有Hdoo

p、Spark或Storm等，它們均為Apache基金會的頂級開源項目，是計算機集群大數據分析的極佳工具，本文采用了Spark和Storm搭建了私有和公共CLOUD-BIM集群，均取得了很好的效果。

（3）BIM軟件。目前可供選擇的BIM軟件均為商用軟件，如Autodesk公司的Revit，國內軟件研發的軟件較多，但目前未有可用于云端部署的BIM軟件，為此實際應用時可采用兩種方案：

方案一：城市軌道交通各專業的BIM建模，均由離線單機采用協同工作模式完成，然后統一上傳至云端環境（私有和公共云），各類用戶訪問時需借助專門研發的CLOUD-BIM客戶端APP，從云端HDFS（Hdoop分布式文件存儲）按需快速取用相應的數據塊后，利用商用BIM軟件提供的API接口，交由接入云端的各個單機Revit軟件完成協同工作，BIM運維由授權現場施工工程師采用專用的APP完成，后臺云服務器由提供商的專業運維人員承擔。這種方式的優點是系統軟件研發難度最小和易于實現，缺點是CLOUD-BIM系統的軟件集成度不好，用戶體驗稍差。

方案二：為改善方案一的不足，與BIM軟件公司合作共同研發CLOUD-BIM軟件，或者自行開發相應的APP以實現云端軟件的無縫集成。

5 結束語

針對處于復雜地質、水文環境的城市軌道交通施工過程特點，制定不同層次的CLOUD-BIM技術架構和實施平臺，將為不斷深化BIM技術應用水平提供有力支撐。隨著信息技術的發展和人們認識水平的提高，CLOUD-BIM技術的廣泛應用，將為先進信息技術與傳統建筑工程勞動密集型行業改造和深度融合提供契機，同時為提高城市軌道交通施工質量打下堅實基礎，最終對城市軌道工程行業帶來顯著的經濟效益和社會效益，并推動全行業的科技進步不斷邁上新臺階。

參考文獻

[1]丁烈云.BIM應用·施工[M].上海：同濟大學出版社，2015.

[2]楊秀仁，等.城市軌道交通工程BIM設計實施基礎標準研究[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

作者簡介：周建春（1964-），男，河南社旗人，工學博士，副教授，從事橋梁與隧道教學與科研工作。