隧道工程全生命周期BIM云平台建设方案

■ 常莹 瞿文婷

隧道工程全生命周期BIM云平台建设方案

■ 常莹 瞿文婷

隧道工程信息化是隧道工程研究的一个重要方向。为解决隧道工程中BIM应用出现的若干问题，提出隧道工程全生命周期BIM云平台建设方案。通过对BIM云平台的组成架构进行剖析，以PaaS层作为BIM云结构中的核心，构建统一存储管理BIM模型和数据的平台，并对处于隧道工程各生命阶段的用户如何与平台进行信息交互应用进行探讨。

盾构隧道；信息化；云平台；BIM

1 BIM在隧道工程中的应用现状

BIM技术的崛起，使土木工程的管理方式发生了翻天覆地的变化[1]。BIM允许项目人员通过各类信息化技术获取工程信息，并整合至模型中，使项目信息能够在项目全生命周期中进行共享，以减少信息在流转过程中造成的损失。

与一般的公路工程、桥梁工程相比，地下隧道工程建设难度更大，是由地下工程本身的一些特点决定的。地下工程风险性极大，安全隐患多，施工过程中容易发生事故；地下工程是一个不可逆的过程，因此对施工过程的监控要求更加严格。BIM的可视化特性使这类无法用肉眼观察到的地下空间工程得到了更有效的管理。

近年来，逐渐有专家学者将BIM技术应用到隧道项目中。上海长江隧桥建设发展有限公司[2]将BIM技术应用于长江西路越江隧道工程浦西岸边段项目，进行管线搬迁和交通翻交的施工过程模拟和施工方案论证，取得了显著效果。中国中铁以宝兰线石鼓山隧道为依托，对隧道的主要洞门、明洞、暗洞、附属洞室、辅助坑道等进行了BIM三维设计模版的研究和创建[3]。上海市城建总院也对BIM技术有充分的研究，并应用于上海地铁徐家汇交通枢纽、上海轨交11号线迪士尼配套项目等[4]。然而，隧道工程的BIM应用仍存在一定的问题。

（1）BIM模型的存储过于离散[5]。BIM的意义在于其协同性能够使项目全生命周期的参与方进行信息共享，然而往往受限于单位、地域等因素，BIM使用中仍出现信息割裂的状况，即设计单位、施工单位、运维单位等分别独自建立自己的BIM模型，在自己的工程阶段进行使用，为辅助管理自身业务而使用，导致了大量的重复劳力和资源浪费。虽然一些主流软件在这些方面已有所突破，如达索公司近年推出的3D EXPERIENCE平台，致力于打造社交化、互联化的协同3D工作平台，但应用案例较少，只有上海市政工程设计研究总院在赣江二桥项目中进行了尝试[6]，整个平台的实用性仍需等待时间的考验。

（2）由于BIM软件的不统一，导致使用者，尤其是设计者在完成设计方案时需要使用3～4个甚至更多的BIM软件，这就需要用户在电脑上安装多个BIM软件，为使用者带来负担。

（3）模型交互标准（IFC）仍在研制当中，没有一个统一的模型标准，不同公司的软件之间进行模型传输时，会发生模型信息缺失、错漏、失真等问题，导致建模者要在不同软件内进行模型校核等额外的工作。

（4）现有的BIM技术应用，很多是采用单机模式，即每位终端用户均在系统内安装BIM软件，在自己的机器上运行BIM模型[7]。然而多数隧道工程的施工和运维环境都较偏远、恶劣，为了运行BIM软件需要在工地上配置一台性能较好的计算机，购买硬件的成本较高，为企业带来额外的经济压力。

（5）数据管理难度大。由于数据分散在不同的终端设备上，数据管理人员需要同步维护多个版本的数据，导致管理难度增加。

2 BIM云平台组成

2.1 BIM云平台网络结构

运用云技术可以有效解决以上问题[8]。随着分布式计算、虚拟化技术的发展，推进了云概念的研究。最早提出云计算概念的是计算机科学家John McCarthy，并描述计算机可成为一种公用基础设施，云计算作为虚拟的资源，可以像水、电等一样供人们使用。通常由专门的网络公司搭建计算机存储和运算中心，提供云服务[9]。云计算具有的伸缩性使用户不拘泥于硬件的限制，只需要关注于自己的需求，通过网线的传输，即可访问到自己所需要的资源。

BIM云即通过云技术实现虚拟集成，将BIM软件、图形处理、数据处理部署在云端，形成统一的BIM平台，为用户提供完整的信息提取与服务，支持全生命周期各个阶段、各参与方进行信息交互。BIM云的拓扑结构见图1。

如图1所示，每个单位建立自己的局域网，单位人员可在自己的局域网内进行信息交互。局域网通过网络与云BIM平台相连，获取平台的服务和信息。云计算对于网络支持的要求较高，在网络不通的情况下可能会影响正常的工作，因此，在局域网和网络间设一台本地服务器，作为数据缓存和备份功能，定期将局域网内和云平台的数据信息进行同步，在没有网络的情况下，仅通过内部的局域网进行工作，以防网络障碍时无法获取数据，影响工程正常开展。

2.2 BIM云平台整体架构分析

BIM云平台整体架构见图2。

2.2.1 基础设施服务层

云平台架构的最底层为IaaS（Infrastructure as a Service）物理资源层，即基础设施服务层，包括服务器、路由设备等，由基础硬件设备作为系统的支撑。基础设施服务层的架构见图3，在终端用户设置服务器设备，经防火墙过滤，通过VPN与广域网相连，通过BIM云平台的防火墙，与核心交换机进行数据交换。核心交换机通过虚拟化技术，从BIM云平台的服务器中进行业务处理或数据处理。

2.2.2 平台服务层

云平台架构的上层为基于BIM的PaaS（Platform as a Service）层，即平台服务层，是整个架构的核心，整合硬件上的资源，结合虚拟化技术，使其可支持模型的建立和集成、BIM数据库的集成等功能，支持软件服务商进行不同软件的开发、部署和维护的全过程。PaaS层功能至少包括3方面内容：

（1）BIM软件服务。BIM软件通常对硬件需求较高，且在全生命周期中通常会使用多个BIM软件，将BIM软件服务架构在平台中，可以提高各参与方的工作效率。

（2）信息资源提供。信息资源包括模型和数据，各生命阶段的数据在平台层进行汇合，也使用户可以从平台中容易地获取所需信息[10]。

（3）信息资源管理。实现平台对用户进行数据交换时的控制与管理。隧道全生命周期中涉及的信息资源见图4。而信息资源的管理需要基于以下2个标准：①模型标准格式。市场上BIM软件繁多，各软件所支持的模型格式也各有异同，使用不同BIM软件时通常需要进行格式转换。为了更好地协同各阶段的模型交换，标准化的模型格式必不可少，统一的格式减少了在格式转换中模型失真的风险，也减少平台因存储不同格式而占用的空间；②数据交换标准。在项目周期过程中会产生大量数据，并非过程中的所有数据对其他阶段都是有价值的，将所有数据进行记录对于平台来说会出现大量的数据冗余。其解决方案是针对于不同项目阶段，制定信息交换标准，确定每个工作流阶段所需交付的信息。这样做的优势在于提高了信息传递的质量，既保证了信息需求又减少了信息的存储量。

2.2.3 软件服务层

PaaS的上层为SaaS（Software as a Service）层，即软件服务层。该层允许软件开发商通过调用接口或使用交付语言等方式接入平台，获取平台的资源和功能，制造具有不同功能的软件，供终端用户使用。终端设备除包括PC设备外，还包括隧道工程过程中使用到的各类传感器[11]。

总之，隧道工程中各阶段的用户虽然可以共享BIM模型和数据信息，但各阶段获取信息的方式和管理的着眼点又有所不同。所以相比于建立一个统一的SaaS软件，建立PaaS层，允许不同阶段的用户在PaaS平台上建立契合自己业务流程的软件更为合适。建立PaaS层可以很好地平衡各阶段用户对公共资源的获取与自身信息资源的关注。

3 BIM云平台在隧道工程各阶段SaaS应用探讨

在隧道工程中，项目全生命周期分为勘察阶段、设计阶段、生产阶段、建造阶段和运维阶段。各阶段过程中其软件应用的着眼点也各不相同。以下重点探讨各阶段SaaS软件的应用方向，以及如何与PaaS层进行交互。

3.1 勘察阶段

盾构隧道的设计与建设对地下空间环境信息的把握要求高，因此，通过科学手段获取地层信息是地下建设工程中十分重要的环节。

隧道建设前期会使用钻孔法对地层进行详细勘察，为地层信息的主要来源。勘察单位收集地层信息，并根据信息在SaaS平台上进行地层模型的建立，传输至BIM-PaaS平台，供后期设计及施工时使用。

3.2 设计阶段

隧道工程设计工作涉及多个专业，每个专业还需多个人员完成，需要有相应的SaaS软件提供BIM模型的协同设计功能，以完成隧道模型的建立。

隧道模型建立过程包含3个步骤：首先建立隧道骨架模型，其次建立隧道详细模型，最后进行碰撞检测。在这个过程中，BIM云平台使设计人员能够获取自己所需的土层信息和模型，并在此基础上建立模型，至设计阶段结束，模型建立完成后，由平台控制，回传至BIM云平台，将土层模型和隧道模型进行结合，并将相应的设计信息存档。

3.3 生产阶段

目前隧道的建造多使用盾构法施工技术，要求工程将标准化的管片生产过程纳入监控管理，管片质量的好坏对盾构隧道的耐久性有着直接的关系。

生产阶段不涉及模型的建立，但对管片生产的基础信息有大量需求，例如混凝土抗渗、钢筋加工、钢筋骨架制作、管片外观、管片蒸养等。在标准化生成管片构件的过程中，可结合物联网技术，将射频识别（RFID）芯片预埋入构件中，即可从生产开始对构件进行统一化管理。在施工过程中，通过对RFID芯片扫描，即可获得在生产过程中的全部数据，大大方便了施工人员对管片质量的监控。

生产阶段SaaS软件的基本需求是从平台中获取管片设计信息，完成管片生产后，需交付生成信息至BIM云平台，以供后期施工和运维过程中，对管片信息进行追溯和查询。

3.4 施工阶段

施工阶段首先从BIM云平台中获取已有的地质信息模型、隧道设计信息模型和管片生产信息。运用BIM模型进行施工模拟，对环境昏暗的隧道工程施工有着很好的指导功能，可避免许多安全隐患。详细的地质信息模型也为隧道安全施工提供保障。而施工阶段对模型的精细度、信息量又有所不同，所以需要对模型进行进一步处理。处理的主要工作可包括模型拆分、资源配置和施工设置[3]。隧道施工过程中又会产生大量信息，该阶段SaaS软件可提供生产信息，对BIM云平台中的信息进行补充和完善。

以现有的施工BIM软件为例，在虹梅南路—金海路施工管理系统中，实现了对工程施工进度的监测和管理。系统以业务流程为线索，提供管片进场、管片吊装、盾构推进、拼装成环、隧道巡检过程中信息的记录和检索。信息收集归纳后，除通过报表、二维曲线方式进行展示（见图5）以外，也可在BIM模型中进行三维展示（见图6）。在有拼装信息的情况下，可通过管片构件编号，将生产信息、施工信息附着在BIM模型上；另外地面沉降信息、同步注浆信息等，可通过隧道环号将信息与BIM模型进行链接，完成整个BIM信息平台的搭建，完成隧道历史信息的查询。

3.5 运维阶段

运维阶段可对隧道的设计、施工阶段进行信息追溯，有了历史信息的提供，可以更好地为运维阶段提供决策，若发生问题，也为分析问题原因提供有力的证据。

在运维阶段，工作人员需要对隧道定时进行巡检，巡检设备通常为配有RFID扫描功能的手持设备，硬件性能不会太高，为支持此类的终端设备，BIM平台可对模型进行轻量化处理，使设备仅从平台中获取日常巡检必备信息则可。运维过程中的信息传输至该阶段的SaaS程序，定期与BIM云平台信息进行整合。

4 结束语

首先，从隧道工程全生命周期的角度建立项目管理系统方案，通过信息化手段，将工程各阶段的参与方纳入方案，以期达到减少数据信息流转中造成的损失，使项目各方能够更好地协同工作。其次，应用云技术，建立BIM云平台，将管理平台架构在云端，解决隧道工程中传统BIM应用出现的模型存储离散、硬件成本高、数据管理难度大等问题。

基于BIM云平台的隧道工程协同管理方案，可实现对隧道工程全生命周期的管理和监控。由于隧道工程中各阶段的用户对BIM模型和数据信息的需求不完全相同，因此采用以PaaS为核心的平台、各阶段用户制造自己相应的SaaS软件更为合适。平台可为各阶段用户过滤不需要的信息、提供阶段所需信息，为工程提供更好的管理。隧道工程BIM云平台能使复杂的地下工程透明化，真正实现对庞杂的工程资料综合动态管理，提高数据可视化程度，充分体现工程信息的价值，提高工程效率，为实现工程智能决策提供基础。

[1] 张建平，李丁，林佳瑞，等． BIM在工程施工中的应用[J]． 施工技术（下半月）， 2012， 41(16)：10-17．

[2] 刘小方． BIM在长江西路越江隧道项目的应用[J]． 土木建筑工程信息技术，2013，5(6)：107-110，114．

[3] 李俊松，董凤翔，张毅，等． 基于达索平台的铁路隧道工程全生命周期BIM技术应用探讨[J]． 铁路技术创新，2014(2)：53-56．

[4] 陈昕． 市政项目中的信息技术应用[J]． 中国建设信息，2013(24)：58-61．

[5] 余芳强，张建平，刘强，等． 基于云计算的半结构化BIM数据库研究[J]． 土木建筑工程信息技术，2013，5(6)：1-6．

[6] 周轶琰． BIM技术在大型斜拉桥设计中的探索应用[J]． 土木建筑工程信息技术，2014，6(5)：53-60．

[7] 徐迅，骆汉宾，魏然，等． 建筑企业BIM私有云平台中心建设与实施[J]． 土木工程与管理学报，2014，31(2)：84-90．

[8] 潘多忠． BIM技术在工程全过程精细化项目管理中的应用[J]． 土木建筑工程信息技术，2014，6(4)：49-54．

[9] 徐迅，李万乐，骆汉宾，等． 建筑企业BIM私有云平台中心建设与实施[J]． 土木工程与管理学报，2014，31(2)：84-90．

[10] Amarnath C B，Sawhney A，Maheswari J U． Cloud computing to enhance collaboration, coordination and communication in the construction industry[C]//2011 World Congress on Information and Communication Technologies（WICT)， 2011：1 235-1 240．

[11] 孙鸽梅． 基于BIM，RFID和云计算技术的智慧建筑研究[J]． 硅谷，2014(1)： 52-53．

常 莹：上海城建（集团）公司，高级工程师，上海，200032

瞿文婷：上海大学土木工程学院，硕士研究生，上海，200072

责任编辑 卢敏

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