復(fù)雜環(huán)境城市軌道交通盾構(gòu)施工CLOUD—BIM架構(gòu)設(shè)計

摘 要：針對復(fù)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(chǔ)上，提出CLOUD-BIM思想并探討其架構(gòu)設(shè)計和平臺搭建要點，研究結(jié)論可供實際工程參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；盾構(gòu)施工；CLOUD-BIM；架構(gòu)

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是發(fā)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(yīng)用，被譽(yù)為繼計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design）技術(shù)之后建筑工程行業(yè)的第二次革命。BIM是在計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多維模型信息集成技術(shù)，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，為建筑設(shè)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(jù)，在項目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過BIM中插入、提取和修改信息，以支持和反饋各自職責(zé)的協(xié)同工作[1]。據(jù)美國建筑工程行業(yè)應(yīng)用效果統(tǒng)計，建筑行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)后可以顯著降低綜合成本，特別是工程愈復(fù)雜其應(yīng)用效果愈明顯。2016年國內(nèi)發(fā)達(dá)城市和相關(guān)省市的建設(shè)主管部門已先后出臺了大力推廣BIM技術(shù)的政策和扶持措施，在日常教學(xué)、科研和工程建設(shè)部門的接觸工作中，我們也切實感覺到了BIM技術(shù)的潛在優(yōu)勢和業(yè)界對相關(guān)人才的現(xiàn)實迫切需求。

1 城市軌道交通盾構(gòu)施工特點

BIM技術(shù)利用建筑工程項目的各項相關(guān)數(shù)據(jù)建立數(shù)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(xiàn)設(shè)計意圖。

由于城市軌道交通工程規(guī)模大、專業(yè)技術(shù)復(fù)雜、參建單位多、施工要求高、工程進(jìn)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(yè)界面臨諸多困難與壓力，因而采用BIM技術(shù)則是解決問題和提高工程建設(shè)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(jī)方式完成BIM建模過程，并按照工作協(xié)同方式開展相同專業(yè)和不同專業(yè)的建模和應(yīng)用。實踐工程實踐表明，當(dāng)建筑工程體量較大、建筑功能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、現(xiàn)場施工條件復(fù)雜時，各個專業(yè)建立的BIM模型數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)飛快增長，動輒數(shù)十GB的規(guī)模為現(xiàn)場實際應(yīng)用和模型動態(tài)更新帶來很大的難度。顯然，對于城市軌道交通工程土建、機(jī)電、設(shè)備等工序復(fù)雜眾多的專業(yè)應(yīng)用場合，其BIM模型的建模將面臨更為現(xiàn)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(xiàn)場，專設(shè)高性能計算機(jī)服務(wù)器機(jī)房和多位BIM運維人員隨時維護(hù)，其高昂的運行成本是不符合現(xiàn)實需求的。為了不斷提高城市軌道交通行業(yè)BIM應(yīng)用水平，真正使這項新技術(shù)發(fā)揮其應(yīng)用的效果，應(yīng)根據(jù)城市軌道交通行業(yè)需求和工程實際尋求更好的技術(shù)方案。

3 CLOUD-BIM架構(gòu)設(shè)計

隨著大數(shù)據(jù)分析和云計算技術(shù)的研發(fā)和技術(shù)成熟，分布式計算機(jī)集群和互聯(lián)網(wǎng)融合，為城市軌道交通BIM應(yīng)用提供了另外一種可行技術(shù)途徑。

通過分析城市軌道交通施工環(huán)境與大規(guī)模BIM應(yīng)用、施工運維的矛盾可知，復(fù)雜工程BIM數(shù)字模型容量龐大和響應(yīng)滯后是影響和限制BIM應(yīng)用的最大障礙，因此本文提出CLOUD-BIM的技術(shù)思路，即利用分布式計算機(jī)集群和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供物理平臺，以一個施工合同段為單位，將先期通過單機(jī)和工作協(xié)同模式建立的區(qū)間隧道、地下車站、車輛段和機(jī)電、管線等BIM模型，按一定的授權(quán)權(quán)限分別存入云環(huán)境（公共云或私有云），根據(jù)各個專業(yè)的需求和施工進(jìn)度，由施工工地人員通過移動網(wǎng)絡(luò)或工地局域網(wǎng)進(jìn)行BIM信息的動態(tài)維護(hù)，全系統(tǒng)運維由云環(huán)境技術(shù)人員承擔(dān)，由此完成CLOUD-BIM的全部流程。

3.1 私有CLOUD-BIM架構(gòu)與部署

圖1為城市軌道交通私有CLOUD-BIM架構(gòu)示意圖，其中私有云環(huán)境通過一定數(shù)量的普通臺式機(jī)構(gòu)成的小型集群搭建，該集群主要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)完成分布式BIM模型的建立和維護(hù)，以及為現(xiàn)場施工工程師通過掌上電腦和移動互聯(lián)網(wǎng)快速訪問 BIM信息提供快捷支持。私有云環(huán)境具有構(gòu)建成本低廉和運行維護(hù)技術(shù)難度低的特點，可設(shè)置在施工現(xiàn)場的小型機(jī)房內(nèi)，工程師可通過局域網(wǎng)和無線WiFi進(jìn)行快速訪問，特別適合工地現(xiàn)場商用網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全、工點相對集中的施工場合。

3.2 公共CLOUD-BIM架構(gòu)與部署

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

采用公共CLOUD-BIM架構(gòu)的優(yōu)點是：以公共云環(huán)境代替私有云環(huán)境，施工單位只需要按實際需求向云計算提供商租用相應(yīng)的云環(huán)境，而不再需要購置專用的多臺臺式計算機(jī)，不需要專門的小型計算機(jī)集群運行維護(hù)技術(shù)人員，至于架設(shè)有線通訊網(wǎng)絡(luò)和針對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲點增設(shè)無線WiFi路由器，則是任何環(huán)境均需要的。更重要的是，公共CLOUD-BIM架構(gòu)對于大規(guī)模的城市軌道交通BIM模型、施工工點分散、技術(shù)環(huán)節(jié)復(fù)雜、涉及更多訪問用戶（除施工單位外，業(yè)主管理方、設(shè)計、監(jiān)理、檢測、監(jiān)督和安監(jiān)等）具有更好的適應(yīng)性，將大量云計算環(huán)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(xiàn)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(jié)點，用戶部署自己的CLOUD-BIM模型時，不建議在此基礎(chǔ)上另行采用虛擬計算環(huán)境，因此這樣做易引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定等潛在風(fēng)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(jié)點計算機(jī)操作系統(tǒng)。節(jié)點計算機(jī)操作系統(tǒng)可采用開源軟件，如各種成熟內(nèi)核版本的32/64位LINUX，本文采用Ubantu LINUX 64位12.04。

（2）大數(shù)據(jù)分析軟件?？晒嶋H應(yīng)用的開源大數(shù)據(jù)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(jī)集群大數(shù)據(jù)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(nèi)軟件研發(fā)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(yīng)用時可采用兩種方案：

方案一：城市軌道交通各專業(yè)的BIM建模，均由離線單機(jī)采用協(xié)同工作模式完成，然后統(tǒng)一上傳至云端環(huán)境（私有和公共云），各類用戶訪問時需借助專門研發(fā)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(yīng)的數(shù)據(jù)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(jī)Revit軟件完成協(xié)同工作，BIM運維由授權(quán)現(xiàn)場施工工程師采用專用的APP完成，后臺云服務(wù)器由提供商的專業(yè)運維人員承擔(dān)。這種方式的優(yōu)點是系統(tǒng)軟件研發(fā)難度最小和易于實現(xiàn)，缺點是CLOUD-BIM系統(tǒng)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(fā)CLOUD-BIM軟件，或者自行開發(fā)相應(yīng)的APP以實現(xiàn)云端軟件的無縫集成。

5 結(jié)束語

針對處于復(fù)雜地質(zhì)、水文環(huán)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(shù)架構(gòu)和實施平臺，將為不斷深化BIM技術(shù)應(yīng)用水平提供有力支撐。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和人們認(rèn)識水平的提高，CLOUD-BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將為先進(jìn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)建筑工程勞動密集型行業(yè)改造和深度融合提供契機(jī)，同時為提高城市軌道交通施工質(zhì)量打下堅實基礎(chǔ)，最終對城市軌道工程行業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并推動全行業(yè)的科技進(jìn)步不斷邁上新臺階。

參考文獻(xiàn)

[1]丁烈云.BIM應(yīng)用·施工[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

[2]楊秀仁，等.城市軌道交通工程BIM設(shè)計實施基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)博士，副教授，從事橋梁與隧道教學(xué)與科研工作。