基于BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協(xié)同設(shè)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(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 710015）

數(shù)字技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用促進(jìn)了建筑行業(yè)的變革與創(chuàng)新，為建筑技術(shù)與業(yè)務(wù)流程的變革提供了新契機(jī)，使BIM協(xié)同技術(shù)在以云平臺為載體上得到相應(yīng)提升[1-2]。當(dāng)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(shù)據(jù)無法修改等弊端頻現(xiàn)，導(dǎo)致功能及數(shù)據(jù)安全難以得到有效保障[3-5]。本研究通過構(gòu)建“BIM+私有云”平臺的一體化協(xié)同模式和框架，實現(xiàn)BIM技術(shù)與云計算技術(shù)的集成應(yīng)用，充分發(fā)揮云技術(shù)平臺的超大規(guī)模和虛擬化特點(diǎn)彌補(bǔ)BIM技術(shù)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(diǎn)和項目數(shù)據(jù)分析等功能，提高工程項目管理協(xié)同水平，方便項目參建方基于同一平臺協(xié)同工作和統(tǒng)一決策。

1 相關(guān)概念及模式選擇

1.1 BIM協(xié)同理論

協(xié)同是指通過某種有效的方式，協(xié)調(diào)多個不同的個體和資源，在相互幫助和資源互通的基礎(chǔ)上實現(xiàn)同一計劃目標(biāo)的過程。而基于BIM技術(shù)協(xié)同管理的本質(zhì)是信息協(xié)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(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，防止因為數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)傳遞不及時等問題而導(dǎo)致的不良影響[6-7]。在這個協(xié)同過程中，各個參與主體聯(lián)系緊密，為確保工程目標(biāo)如期實現(xiàn)而形成有機(jī)整體。

1.2 云計算理論

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方法，用戶從云端訪問和獲取虛擬化資源，不受區(qū)域位置和終端設(shè)備的限制，具有超大規(guī)模、服務(wù)虛擬化、靈活性高和按需自助收費(fèi)等特點(diǎn)。面對日益復(fù)雜的現(xiàn)代工程項目而言，云計算的特點(diǎn)及優(yōu)勢必然使其成為現(xiàn)代工程協(xié)同管理的有力手段。

基于BIM+云計算的應(yīng)用與服務(wù)模式是集成BIM技術(shù)和云計算的優(yōu)勢，將BIM技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化為BIM技術(shù)云服務(wù)，通過云平臺部署各類基于BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件[8-9]。云服務(wù)平臺將軟件、硬件和信息數(shù)據(jù)資源作為一種服務(wù)提供給用戶，用戶只需要通過瀏覽器便可訪問軟件及應(yīng)用程序，無需下載和安裝，具有工作效率高、數(shù)據(jù)存儲靈活、方便實時維護(hù)及跨專業(yè)協(xié)同與共享等優(yōu)勢。部署方式由公有云和私有云，其中公有云部署價格優(yōu)惠，但由于用戶多、訪問量大，用戶數(shù)據(jù)安全存在較大安全隱患，且無法根據(jù)用戶需求進(jìn)行功能調(diào)整，必然造成部分功能無法實現(xiàn)和資源成本的浪費(fèi)。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(rèn)可和使用。云計算基礎(chǔ)框架如圖1所示。

圖1 云計算基礎(chǔ)內(nèi)容示意圖

因此，為了滿足地鐵工程建設(shè)海量數(shù)據(jù)信息的安全性、服務(wù)質(zhì)量及內(nèi)存擴(kuò)展性等需求，本研究提出了一種基于BIM-Private Cloud平臺的協(xié)同工作模式，并開展對地鐵工程施工一體化協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用和研究[10-11]。

2 一體化BIM-Private Cloud體系設(shè)計

企業(yè)BIM-Private Cloud平臺的體系設(shè)計主要包含：參與方架構(gòu)、云平臺功能及基于云平臺進(jìn)行多方協(xié)同的流程表示方法的確定三大重要內(nèi)容。參與方架構(gòu)表現(xiàn)參與云平臺工作的團(tuán)隊機(jī)構(gòu)及組織關(guān)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(xié)同流程則是各參與方在云平臺上進(jìn)行協(xié)同工作的指導(dǎo)，基于正確協(xié)同流程、明確的組織架構(gòu)和業(yè)務(wù)需求是工程質(zhì)量及成本得到有效保障的基礎(chǔ)。

2.1 BIM-Private Cloud參與方架構(gòu)確定

在參與方的組織架構(gòu)體系中，業(yè)主方起到核心主導(dǎo)地位，需要對地鐵工程全生命周期的質(zhì)量、進(jìn)度、安全和成本目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施。業(yè)主單位由于其自身部分業(yè)主專業(yè)知識欠缺，在方案制定和決策部署時存在一定風(fēng)險和不確定性。因此，亟需第三方BIM咨詢單位協(xié)助業(yè)主進(jìn)行項目管理和科學(xué)決策。一體化BIM-Private Cloud平臺參與方架構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化BIM-Private Cloud平臺參與方架構(gòu)

2.2 BIM-Private Cloud功能需求確定

2.2.1 硬件需求

構(gòu)建以建筑信息模型為基礎(chǔ)的一體化協(xié)同私有云平臺，基于公司搭建的私有云平臺滿足數(shù)據(jù)信息傳輸存儲、模型信息動態(tài)編輯、軟件集成交互等應(yīng)用功能，協(xié)調(diào)各參與方對項目設(shè)計施工階段的數(shù)據(jù)、質(zhì)量、投資等進(jìn)行共享和獲取，從而實現(xiàn)設(shè)計施工階段一體化協(xié)同工作模式。

2.2.2 軟件需求

基于BIM-Private Cloud平臺，將傳統(tǒng)BIM技術(shù)實施應(yīng)用轉(zhuǎn)移至企業(yè)內(nèi)部云端，通過應(yīng)用程序的訪問，實現(xiàn)可視化協(xié)同設(shè)計、碰撞檢測、深化設(shè)計、進(jìn)度和成本控制等功能?？绲赜?、跨層次、跨專業(yè)的協(xié)同管理機(jī)制大大降低對客戶端的性能要求，實現(xiàn)設(shè)計施工階段的有效決策和精細(xì)化管理。

2.3 BIM-Private Cloud應(yīng)用框架確定

根據(jù)BIM技術(shù)與云計算技術(shù)的協(xié)同工作機(jī)理，研究一套基于私有云平臺BIM技術(shù)一體化協(xié)同應(yīng)用框架，該框架由基礎(chǔ)設(shè)施層、支撐服務(wù)層、實施應(yīng)用層和用戶訪問層4部分組成。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層為云服務(wù)平臺提供軟硬件設(shè)備資源；支撐服務(wù)層滿足海量數(shù)據(jù)的計算、處理和傳輸?shù)裙δ埽粚嵤?yīng)用層即人機(jī)對話的接口，是提供基于私有云平臺端BIM技術(shù)的具體應(yīng)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(yīng)用端。BIM-Private Cloud應(yīng)用結(jié)構(gòu)框架如圖3所示[12]。

圖3 基于BIM-Private Cloud應(yīng)用結(jié)構(gòu)框架

2.3.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層通過云存儲設(shè)備、云計算設(shè)備、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署構(gòu)建項目云端數(shù)據(jù)管理中心，采用網(wǎng)絡(luò)計算和分布式系統(tǒng)等虛擬化技術(shù)實現(xiàn)各類云端資源池，進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)的云端處理和存儲。

2.3.2 支撐服務(wù)層

支撐服務(wù)層是BIM-Private Cloud一體化協(xié)同工作的核心，在云端部署項目服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和模型服務(wù)三大模塊，滿足地鐵工程BIM技術(shù)的應(yīng)用需求。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)和模型服務(wù)模塊用于封裝和管理BIM模型軟件需要的各種數(shù)據(jù)，以滿足各類BIM軟件的需求和實時調(diào)用。

2.3.3 實施應(yīng)用層

在人機(jī)對話接口的支持下，它向云計算終端用戶提供基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件應(yīng)用服務(wù)。用戶可在Web瀏覽器直接使用應(yīng)用軟件，解決不同操作系統(tǒng)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(wěn)定、方便快捷的使用環(huán)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(quán)的角色權(quán)限內(nèi)通過PC端或移動端隨時訪問云端數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于云平臺的一體化業(yè)務(wù)協(xié)同工作。

3 一體化BIM-Private Cloud協(xié)同路徑研究

基于BIM-Private Cloud平臺的地鐵工程全過程一體化協(xié)同研究，包括方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段、深化設(shè)計階段、施工運(yùn)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(xié)同平臺，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)無縫對接和互聯(lián)互通，提高各參與方的協(xié)同效率，減輕中心服務(wù)器的壓力，達(dá)到項目綜合管理的目的。

圖4 BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協(xié)同設(shè)計平臺圖

3.1 規(guī)劃設(shè)計階段

地鐵工程大多處于城市鬧市區(qū)，施工工期緊、工程質(zhì)量要求高。因此，在項目規(guī)劃設(shè)計階段基于BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、無人機(jī)航拍等技術(shù)，進(jìn)行地形地質(zhì)建模、場地建模、車站區(qū)間主體建模、環(huán)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(zhì)環(huán)境及周邊環(huán)境的限制性因素，通過方案比選輔助規(guī)劃方案設(shè)計。

3.2 初步設(shè)計階段

在項目規(guī)劃設(shè)計階段的基礎(chǔ)上，各專業(yè)負(fù)責(zé)人根據(jù)授權(quán)賬號登錄Web瀏覽器，直接使用應(yīng)用軟件程序創(chuàng)建車站土建和機(jī)電BIM模型，并以云鏈接的方式將各專業(yè)模型進(jìn)行整合，三維模型所見即所得，實現(xiàn)業(yè)主、設(shè)計、施工方之間的高效協(xié)同，通過三維可視化展示及時發(fā)現(xiàn)圖紙“錯、漏、碰、缺”等問題，并對設(shè)計方案的準(zhǔn)確性進(jìn)行審查。

3.3 深化設(shè)計階段

深化設(shè)計階段具體內(nèi)容包括管線綜合優(yōu)化、機(jī)電碰撞檢查、工程量統(tǒng)計、方案優(yōu)化設(shè)計、模型交付等。在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上整合土建、機(jī)電專業(yè)模型在三維空間中進(jìn)行碰撞檢測，對設(shè)計圖紙的“錯、漏、碰、缺”等問題進(jìn)行及時規(guī)避，根據(jù)碰撞報告、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并利用準(zhǔn)確的模型信息進(jìn)行地鐵車站區(qū)間工程量的精細(xì)化管控分析。依托BIM-Private Cloud平臺使業(yè)主、設(shè)計方、施工方在移動端異地遠(yuǎn)程進(jìn)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(jié)省了項目協(xié)調(diào)時間，保證了溝通及解決問題的時效性，提高了工程質(zhì)量，縮短了項目周期。

3.4 施工運(yùn)維階段

將深化設(shè)計地鐵車站區(qū)間BIM模型與施工進(jìn)度計劃、成本進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成BIM4D和BIM5D模型，根據(jù)模型進(jìn)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(jī)等資源進(jìn)行優(yōu)化配置。通過BIM模型中快速精準(zhǔn)獲取平面、立面、剖面視圖以及材料用量，為現(xiàn)場施工提供精細(xì)化指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

本研究針對地鐵工程施工周期緊、進(jìn)度質(zhì)量要求高，交叉作業(yè)頻繁，建立了基于BIM-Private Cloud的地鐵工程一體化協(xié)同設(shè)計平臺。該平臺以私有云為應(yīng)用基礎(chǔ)，充分發(fā)揮了BIM技術(shù)的信息化水平，實現(xiàn)地鐵工程施工不同專業(yè)、不同組織界面跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)之間的高效協(xié)同。一體化BIM-Private Cloud體系設(shè)計和實施應(yīng)用，為地鐵工程施工以及其他復(fù)雜工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)和平臺支撐。