基于BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協同設計研究

劉世濤，王 偉，馬少雄，劉乾嶸，張昊澤，王曉鵬

（1.中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 710015）

數字技術與互聯網的快速發展與應用促進了建筑行業的變革與創新，為建筑技術與業務流程的變革提供了新契機，使BIM協同技術在以云平臺為載體上得到相應提升[1-2]。當前云平臺安置于公有云，功能較為單一、僅限于模型管理、模型數據無法修改等弊端頻現，導致功能及數據安全難以得到有效保障[3-5]。本研究通過構建“BIM+私有云”平臺的一體化協同模式和框架，實現BIM技術與云計算技術的集成應用，充分發揮云技術平臺的超大規模和虛擬化特點彌補BIM技術的信息計算和傳遞效率低等不足，使其同時具有BIM軟件平臺的特點和項目數據分析等功能，提高工程項目管理協同水平，方便項目參建方基于同一平臺協同工作和統一決策。

1 相關概念及模式選擇

1.1 BIM協同理論

協同是指通過某種有效的方式，協調多個不同的個體和資源，在相互幫助和資源互通的基礎上實現同一計劃目標的過程。而基于BIM技術協同管理的本質是信息協同管理，其核心在于對工程項目各階段、各參與方之間傳遞的信息數據進行有效管理，防止因為數據缺失或數據傳遞不及時等問題而導致的不良影響[6-7]。在這個協同過程中，各個參與主體聯系緊密，為確保工程目標如期實現而形成有機整體。

1.2 云計算理論

云計算是一種基于互聯網的計算方法，用戶從云端訪問和獲取虛擬化資源，不受區域位置和終端設備的限制，具有超大規模、服務虛擬化、靈活性高和按需自助收費等特點。面對日益復雜的現代工程項目而言，云計算的特點及優勢必然使其成為現代工程協同管理的有力手段。

基于BIM+云計算的應用與服務模式是集成BIM技術和云計算的優勢，將BIM技術應用轉化為BIM技術云服務，通過云平臺部署各類基于BIM技術的應用軟件[8-9]。云服務平臺將軟件、硬件和信息數據資源作為一種服務提供給用戶，用戶只需要通過瀏覽器便可訪問軟件及應用程序，無需下載和安裝，具有工作效率高、數據存儲靈活、方便實時維護及跨專業協同與共享等優勢。部署方式由公有云和私有云，其中公有云部署價格優惠，但由于用戶多、訪問量大，用戶數據安全存在較大安全隱患，且無法根據用戶需求進行功能調整，必然造成部分功能無法實現和資源成本的浪費。此外，私有云部署方案可有效克服公有云的不足，并且能夠保證社會資源的合理分配，該方案正逐漸被用戶認可和使用。云計算基礎框架如圖1所示。

圖1 云計算基礎內容示意圖

因此，為了滿足地鐵工程建設海量數據信息的安全性、服務質量及內存擴展性等需求，本研究提出了一種基于BIM-Private Cloud平臺的協同工作模式，并開展對地鐵工程施工一體化協同設計的應用和研究[10-11]。

2 一體化BIM-Private Cloud體系設計

企業BIM-Private Cloud平臺的體系設計主要包含：參與方架構、云平臺功能及基于云平臺進行多方協同的流程表示方法的確定三大重要內容。參與方架構表現參與云平臺工作的團隊機構及組織關系；云平臺功能表示私有云平臺能夠滿足參與方工作需求；多方協同流程則是各參與方在云平臺上進行協同工作的指導，基于正確協同流程、明確的組織架構和業務需求是工程質量及成本得到有效保障的基礎。

2.1 BIM-Private Cloud參與方架構確定

在參與方的組織架構體系中，業主方起到核心主導地位，需要對地鐵工程全生命周期的質量、進度、安全和成本目標進行統籌規劃、分步實施。業主單位由于其自身部分業主專業知識欠缺，在方案制定和決策部署時存在一定風險和不確定性。因此，亟需第三方BIM咨詢單位協助業主進行項目管理和科學決策。一體化BIM-Private Cloud平臺參與方架構如圖2所示。

圖2 一體化BIM-Private Cloud平臺參與方架構

2.2 BIM-Private Cloud功能需求確定

2.2.1 硬件需求

構建以建筑信息模型為基礎的一體化協同私有云平臺，基于公司搭建的私有云平臺滿足數據信息傳輸存儲、模型信息動態編輯、軟件集成交互等應用功能，協調各參與方對項目設計施工階段的數據、質量、投資等進行共享和獲取，從而實現設計施工階段一體化協同工作模式。

2.2.2 軟件需求

基于BIM-Private Cloud平臺，將傳統BIM技術實施應用轉移至企業內部云端，通過應用程序的訪問，實現可視化協同設計、碰撞檢測、深化設計、進度和成本控制等功能。跨地域、跨層次、跨專業的協同管理機制大大降低對客戶端的性能要求，實現設計施工階段的有效決策和精細化管理。

2.3 BIM-Private Cloud應用框架確定

根據BIM技術與云計算技術的協同工作機理，研究一套基于私有云平臺BIM技術一體化協同應用框架，該框架由基礎設施層、支撐服務層、實施應用層和用戶訪問層4部分組成。其中，基礎設施層為云服務平臺提供軟硬件設備資源；支撐服務層滿足海量數據的計算、處理和傳輸等功能；實施應用層即人機對話的接口，是提供基于私有云平臺端BIM技術的具體應用；用戶訪問層是項目參建方訪問BIM云平臺的窗口，包括PC端和移動應用端。BIM-Private Cloud應用結構框架如圖3所示[12]。

圖3 基于BIM-Private Cloud應用結構框架

2.3.1 基礎設施層

基礎設施層通過云存儲設備、云計算設備、數據庫和網絡設備部署構建項目云端數據管理中心，采用網絡計算和分布式系統等虛擬化技術實現各類云端資源池，進行BIM數據的云端處理和存儲。

2.3.2 支撐服務層

支撐服務層是BIM-Private Cloud一體化協同工作的核心，在云端部署項目服務、數據服務和模型服務三大模塊，滿足地鐵工程BIM技術的應用需求。其中，數據服務和模型服務模塊用于封裝和管理BIM模型軟件需要的各種數據，以滿足各類BIM軟件的需求和實時調用。

2.3.3 實施應用層

在人機對話接口的支持下，它向云計算終端用戶提供基于互聯網的軟件應用服務。用戶可在Web瀏覽器直接使用應用軟件，解決不同操作系統用戶交流通信的障礙，免除下載安裝客戶端的繁瑣流程，給予用戶一個更加安全穩定、方便快捷的使用環境。

2.3.4 用戶訪問層

用戶訪問層即BIM-Private Cloud的訪問門戶，項目各參與方在其授權的角色權限內通過PC端或移動端隨時訪問云端數據，進行基于云平臺的一體化業務協同工作。

3 一體化BIM-Private Cloud協同路徑研究

基于BIM-Private Cloud平臺的地鐵工程全過程一體化協同研究，包括方案設計階段、初步設計階段、深化設計階段、施工運維階段，如圖4所示。將原有相互孤立的項目操作流程整合到云端一體化協同平臺，實現信息數據無縫對接和互聯互通，提高各參與方的協同效率，減輕中心服務器的壓力，達到項目綜合管理的目的。

圖4 BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協同設計平臺圖

3.1 規劃設計階段

地鐵工程大多處于城市鬧市區，施工工期緊、工程質量要求高。因此，在項目規劃設計階段基于BIM技術、GIS技術、無人機航拍等技術，進行地形地質建模、場地建模、車站區間主體建模、環境模擬、管線搬遷模擬、交通組織模擬等，以三維可視化的形式展示項目的地質環境及周邊環境的限制性因素，通過方案比選輔助規劃方案設計。

3.2 初步設計階段

在項目規劃設計階段的基礎上，各專業負責人根據授權賬號登錄Web瀏覽器，直接使用應用軟件程序創建車站土建和機電BIM模型，并以云鏈接的方式將各專業模型進行整合，三維模型所見即所得，實現業主、設計、施工方之間的高效協同，通過三維可視化展示及時發現圖紙“錯、漏、碰、缺”等問題，并對設計方案的準確性進行審查。

3.3 深化設計階段

深化設計階段具體內容包括管線綜合優化、機電碰撞檢查、工程量統計、方案優化設計、模型交付等。在初步設計的基礎上整合土建、機電專業模型在三維空間中進行碰撞檢測，對設計圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題進行及時規避，根據碰撞報告、規范標準對模型進行優化設計，并利用準確的模型信息進行地鐵車站區間工程量的精細化管控分析。依托BIM-Private Cloud平臺使業主、設計方、施工方在移動端異地遠程進行圖紙會審，為各參與方提供了直觀便捷的溝通平臺，大大節省了項目協調時間，保證了溝通及解決問題的時效性，提高了工程質量，縮短了項目周期。

3.4 施工運維階段

將深化設計地鐵車站區間BIM模型與施工進度計劃、成本進行關聯，形成BIM4D和BIM5D模型，根據模型進行施工模擬和成本分析，確定施工方案的可行性和施工工序的合理性，對施工過程中的人、材、機等資源進行優化配置。通過BIM模型中快速精準獲取平面、立面、剖面視圖以及材料用量，為現場施工提供精細化指導。

4 結束語

本研究針對地鐵工程施工周期緊、進度質量要求高，交叉作業頻繁，建立了基于BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協同設計平臺。該平臺以私有云為應用基礎，充分發揮了BIM技術的信息化水平，實現地鐵工程施工不同專業、不同組織界面跨層級、跨地域、跨系統之間的高效協同。一體化BIM-Private Cloud體系設計和實施應用，為地鐵工程施工以及其他復雜工程應用提供關鍵技術和平臺支撐。