基于BIM 的大壩運(yùn)維期監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)開發(fā)研究

賈寧霄 包騰飛 吳 陽

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，南京 210098；3.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

信息的存儲(chǔ)和交換模式一直被認(rèn)為是BIM 技術(shù)的核心，為了實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同設(shè)計(jì)軟件之間的協(xié)調(diào)，國(guó)際協(xié)同工作聯(lián)盟(International Alliance for Interoperability，IAI)發(fā)布了基于建筑對(duì)象的工業(yè)基礎(chǔ)類模型標(biāo)準(zhǔn)IFC[1].IFC標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為BIM 技術(shù)的信息存儲(chǔ)和交換提供了新的思路，并且已成為各國(guó)建筑BIM 標(biāo)準(zhǔn)的組成部分.

在水工領(lǐng)域，人們也在積極探索基于BIM 的信息儲(chǔ)存和交換方法，力求與傳統(tǒng)建筑行業(yè)接軌，然而在實(shí)踐過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了BIM 技術(shù)在水工全生命周期，尤其是運(yùn)維期上的不足.與傳統(tǒng)建筑行業(yè)相比，水工領(lǐng)域的BIM 發(fā)展缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、涉及專業(yè)繁多、數(shù)據(jù)量龐大；大壩進(jìn)入運(yùn)維期后，監(jiān)測(cè)儀器依然不斷地產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久，在此期間若不進(jìn)行有效的管理，及時(shí)分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性就會(huì)大打折扣，甚至?xí)绊懘髩伟踩u(píng)定的結(jié)果.現(xiàn)行的基于IFC 的BIM 標(biāo)準(zhǔn)皆以建筑設(shè)計(jì)為中心，不能進(jìn)行靈活的定制和擴(kuò)展，其*.ifc文件必須通過building SMART 的認(rèn)證才能成功輸出[2]；加之IFC結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合中小型單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定制，因此在權(quán)威機(jī)構(gòu)提出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之前，IFC還不能成為解決大壩運(yùn)維期監(jiān)測(cè)信息管理的最佳手段.

為了解決上述問題，彌補(bǔ)IFC在實(shí)際應(yīng)用中的不足.本文以Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ)，研究了其信息儲(chǔ)存和交換方法，為大壩運(yùn)維期監(jiān)測(cè)信息管理提供了思路，并通過二次開發(fā)，以某拱壩項(xiàng)目為例來驗(yàn)證本文提出方法的可行性.

1 Microstation平臺(tái)BIM 信息架構(gòu)

1.1 Microstation平臺(tái)簡(jiǎn)介

Microstation是Bentley公司開發(fā)的一系列BIM設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)平臺(tái).平臺(tái)使用統(tǒng)一的*.dgn格式文件，保證了信息交流的暢通無阻，并且提供了豐富的接口，支持二次開發(fā)[3].Microstation在BIM 時(shí)代之前就是優(yōu)秀的三維CAD 設(shè)計(jì)軟件，在GIS領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入BIM 時(shí)代后，依托其強(qiáng)大的三維可視化能力和信息管理技術(shù)，很快就成為市政、水利等領(lǐng)域BIM 軟件的重要組成部分.

1.2 Microstation平臺(tái)內(nèi)部信息架構(gòu)

Bentley軟件經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)形成跨多行業(yè)的龐大體系，雖然圖形界面都以Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ)，但各專業(yè)軟件的非圖形數(shù)據(jù)依然使用各自的信息架構(gòu).為了解決BIM 時(shí)代日益嚴(yán)峻的數(shù)據(jù)交互問題，Bentley公司開發(fā)了工程信息框架(Engineering Content Framework，簡(jiǎn)稱EC框架)作為其平臺(tái)內(nèi)部的信息儲(chǔ)存和交換標(biāo)準(zhǔn).

EC框架以dgn文件為載體，采用XML 代碼儲(chǔ)存信息，支持靈活的自定義功能[4]；能夠自解析，不依賴于特定軟件，支持Bentley體系中的所有軟件.EC框架采用了面向?qū)ο蟮母拍睿褂帽?類-實(shí)例的結(jié)構(gòu)定義和存儲(chǔ)信息.EC 表(EC Schema)是EC 框架的核心，每個(gè)dgn 文件可以有多份EC 表；EC 類(EC Class)是EC表中的主要成員，其中包含有EC 屬性(EC Property).當(dāng)EC屬性被數(shù)據(jù)填充后，則形成EC實(shí)例(EC Instance)，EC 實(shí)例可被附加在圖形元素上，成為圖形元素的非圖形屬性.EC表則相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫，EC 類、EC 屬性和EC 實(shí)例可以類比為數(shù)據(jù)庫中的表、字段和數(shù)據(jù)行.EC框架在dgn文件中的基本架構(gòu)如圖1所示.

圖1 EC框架的基本架構(gòu)

新版本的EC 框架還支持定義EC Relationship Class和EC Relationship Instance，以實(shí)現(xiàn)類似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)行的功能.綜上所述，使用EC框架，可以很方便地自定義業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；對(duì)于程序中已存在的非EC 格式數(shù)據(jù)，通過Microstation平臺(tái)可以將其轉(zhuǎn)換為支持EC框架的*.i-model文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；除此之外，采用XML 作為儲(chǔ)存格式的特性也決定了EC 框架與IFC 具有良好的兼容性.XML是一種半結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語言，具有獨(dú)立性強(qiáng)，易擴(kuò)展的特點(diǎn)，并且擁有描述復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力[5]，與使用EXPRESS語言的IFC文件相比，有諸多的相似性.兩者之間的相互映射關(guān)系也是人們研究的重點(diǎn)，付秀娟[6]通過研究EXPRESS與XML 的映射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的開發(fā)；魏群[7]通過研究EXPRESS的數(shù)據(jù)模式，實(shí)現(xiàn)了EXPRESS 向XML及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射；因此，當(dāng)新的IFC標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，自定義的EC 框架也可以轉(zhuǎn)換為IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù).張毅[8]等人便利用EC 框架，成功實(shí)現(xiàn)了鐵路領(lǐng)域的IFC Schema擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了由EC向IFC的轉(zhuǎn)換.

1.3 Microstation平臺(tái)外部信息架構(gòu)

除了使用EC 框架作為內(nèi)部信息存儲(chǔ)和交換的方式外，Microstation平臺(tái)還支持連接外部數(shù)據(jù)庫條目.平臺(tái)支持采用ODBC、Oracle、OLEDB 等方式連接數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫連接信息以EntityNumber 和MSLINK 的形式記錄在圖形元素上.EntityNumber和MSLINK 均為int32類型整數(shù)，屬于DatabaseLink類的一部分，前者指向數(shù)據(jù)庫表，后者指向表中的數(shù)據(jù)行.與Microstation平臺(tái)建立連接的數(shù)據(jù)庫會(huì)事先建立mscatalog表，其中記錄了EntityNumber和其他表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每張表也會(huì)增加MSLINK 字段，以標(biāo)識(shí)表中的數(shù)據(jù)行，其關(guān)系如圖2所示.通過這種方法，平臺(tái)中的圖形元素便會(huì)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)行建立關(guān)聯(lián)，并且只要EntityNumber和MSLINK 的關(guān)系不被破壞，數(shù)據(jù)庫信息的改變就不會(huì)影響關(guān)聯(lián)關(guān)系.這種外部信息架構(gòu)十分適合可變數(shù)據(jù)與圖形元素之間的綁定，并且類似于“指針”的連接方式，既可以保證連接的緊密性，又可以顯著減少dgn文件的大小.

圖2 Microstation平臺(tái)外部信息架構(gòu)

2 某拱壩監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)的創(chuàng)建

Microstation提供了豐富的信息開發(fā)API，本文在深入研究Microstation API的基礎(chǔ)上，利用C#編程語言，以定制化的Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于EC框架和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)程序的編寫，平臺(tái)主要分為儀器信息管理模塊和監(jiān)測(cè)信息管理模塊，技術(shù)具體實(shí)施方案如圖3所示.

圖3 平臺(tái)技術(shù)實(shí)施方案

2.1 儀器信息管理模塊

2.1.1 實(shí)現(xiàn)方法

儀器信息管理模塊編程的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)EC 屬性的建立、連接、查詢和刪除功能.EC 屬性的建立主要依靠Microstation API下的ECSchema、ECClass和ECProperty類來實(shí)現(xiàn)，通過new 操作符創(chuàng)建新的EC表、EC類和EC屬性，并通過屬性傳遞參數(shù)來設(shè)置三者的名稱和顯示標(biāo)簽，名稱是實(shí)例在程序中使用的稱號(hào)，只支持英文，顯示標(biāo)簽則是實(shí)例在與用戶交互時(shí)使用的名稱，可以使用中文.用戶界面采用winform編寫，通過Treeview 控件臨時(shí)記錄用戶填寫的信息，當(dāng)填寫完成后，利用循環(huán)語句將Treeview 控件節(jié)點(diǎn)上的信息全部寫入新建的EC表中.

連接圖形元素之前要建立EC 實(shí)例，使用DgnECManager類下的LocateSchemaInScope方法定位EC表，并通過GetClass方法定位表中的類.圖形元素的定位則使用DgnElementSetTool類中的OnDataButton方法.最后，將用戶輸入的數(shù)據(jù)傳遞給屬性后，使用CreateInstanceOnElement方法將實(shí)例附加在圖形元素上.

查詢屬性時(shí)，使用OnDataButton方法定位圖形元素，并通過FindInstances方法獲得圖形元素上的EC屬性，并將其傳遞給圖形界面.刪除屬性則通過類似的方法，在定位圖形元素后，使用Instance類中的Delete方法刪除實(shí)例.

2.1.2 儀器信息管理模塊的應(yīng)用

本文采用某拱壩項(xiàng)目監(jiān)測(cè)儀器信息及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源.壩內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器包括應(yīng)力計(jì)、溫度計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、正倒垂線等.拱壩BIM 模型已提前創(chuàng)建，由于監(jiān)測(cè)儀器體積較小，因此在模型中使用球形單元來表示.監(jiān)測(cè)儀器信息包括儀器型號(hào)、埋設(shè)坐標(biāo)、使用狀態(tài)、儀器參數(shù)等信息，使用“創(chuàng)建EC 屬性工具”創(chuàng)建新的EC表、EC類和EC屬性，如圖4所示.

圖4 創(chuàng)建EC屬性工具

EC屬性創(chuàng)建后，使用“連接EC 屬性”工具為圖形元素添加EC實(shí)例.以第14號(hào)壩段的T65DB14溫度計(jì)為例，溫度計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)N-T，量程-30℃～+70℃，電阻溫度系數(shù)為5，高程560m.錄入該溫度計(jì)信息后，通過鼠標(biāo)選擇對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)單元，即可將EC實(shí)例附加在圖形元素上，如圖5所示.

圖5 將T65DB14溫度計(jì)儀器信息附加在對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)上

EC實(shí)例連接成功后，使用Microstation自帶的屬性查詢工具即可實(shí)現(xiàn)EC 屬性查詢.查詢工具除了實(shí)現(xiàn)查詢功能外，還可以通過在工具框中修改數(shù)值，實(shí)現(xiàn)EC 屬性修改功能，修改后的屬性會(huì)保存在EC實(shí)例當(dāng)中，如圖6所示.

圖6 查詢?cè)谽C屬性

2.2 監(jiān)測(cè)信息管理模塊

2.2.1 實(shí)現(xiàn)方法

平臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫連接方式為ODBC.連接至平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫表應(yīng)經(jīng)過事先處理，添加mscatalog表和MSLINK 字段，除此之外，對(duì)數(shù)據(jù)庫其它字段的類型及數(shù)目沒有明確限制.當(dāng)界面初始化時(shí)，新建SqlConnection類的實(shí)例，將數(shù)據(jù)庫信息傳遞給ConnectionString屬性后，使用Open方法開啟數(shù)據(jù)庫連接.數(shù)據(jù)庫查詢使用SQL語句，獲得數(shù)據(jù)庫表對(duì)應(yīng)的EntityNumber 值和MSLINK 值，并與數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)一起作為實(shí)參傳遞給DatabaseLink 類的CreateDatabaseLink 方法，從而創(chuàng)建DatabaseLink 類的實(shí)例.通過GetLocatedElement方法獲得選中的圖形元素后，使用方法AddDatabaseLink將DatabaseLink實(shí)例傳遞給圖形元素，實(shí)現(xiàn)圖形元素與數(shù)據(jù)庫行的連接.

查詢?cè)財(cái)?shù)據(jù)庫屬性時(shí)，通過GetDatabaseLinks方法獲得元素上的EntityNumber和MSLINK 值，并使用SQL語句查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取.

用戶界面使用WPF編寫，提供了豐富的查詢選項(xiàng).由于連接至圖形元素的儀器屬性在數(shù)據(jù)庫中所包含的字段數(shù)目不盡相同，因此使用WPF 中的Data-Grid控件作為數(shù)據(jù)顯示方法，DataGrid控件可以直接與數(shù)據(jù)庫行進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定(DataBinding)，表頭數(shù)目會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫表中字段的多少進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整.當(dāng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化時(shí)，其變化會(huì)直接反映到用戶界面，在用戶界面修改數(shù)據(jù)后，結(jié)果也會(huì)同步記錄到數(shù)據(jù)庫中.

數(shù)據(jù)分析功能也通過WPF 的數(shù)據(jù)綁定功能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器種類的不同，提供不同的分析結(jié)果.當(dāng)數(shù)據(jù)庫中記錄有儀器圖片及說明文檔等信息時(shí)，利用WPF控件，可實(shí)現(xiàn)圖片及PDF文檔的查看功能.

2.2.2 監(jiān)測(cè)信息管理模塊的應(yīng)用

進(jìn)入工具界面會(huì)進(jìn)行初始化，連接至數(shù)據(jù)庫.進(jìn)入“創(chuàng)建元素與數(shù)據(jù)庫連接”界面后，選擇需要連接的數(shù)據(jù)庫表，表中的數(shù)據(jù)行會(huì)顯示在右側(cè)的DataGrid控件中.DataGrid控件可進(jìn)行排序查找操作，除此之外，也可手動(dòng)輸入SQL語句進(jìn)行查詢.選擇表格中的數(shù)據(jù)行以及圖形元素后，點(diǎn)擊確定即可完成連接，如圖7所示.

圖7 創(chuàng)建元素與數(shù)據(jù)庫連接

同一圖形元素可以連接多條數(shù)據(jù)行，因此查詢界面可根據(jù)數(shù)據(jù)表或MSLINK 值來指定需要查詢的數(shù)據(jù)行，當(dāng)明確對(duì)應(yīng)的MSLINK 值時(shí)，可直接選擇MSLINK 值進(jìn)行查詢，但更多情況下，這一數(shù)值是未知的，因此提供其他查詢方法，例如根據(jù)埋設(shè)坐標(biāo)查詢，如圖8所示.利用DataGrid控件，可以實(shí)現(xiàn)查詢界面的數(shù)據(jù)修改功能，在表格中修改數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確認(rèn)后，完成修改的數(shù)據(jù)會(huì)直接記錄到數(shù)據(jù)庫中.

圖8 元素?cái)?shù)據(jù)庫屬性查詢界面

若存在監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值信息，點(diǎn)擊“測(cè)值信息”按鈕會(huì)進(jìn)入分析界面.根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器的不同，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的方式也不盡相同.當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器為溫度計(jì)時(shí)，測(cè)值信息界面將生成指定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化曲線，并篩選出異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，而當(dāng)監(jiān)測(cè)儀器為應(yīng)力計(jì)時(shí)，圖表還包括3個(gè)方向上的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，如圖9所示.

圖9 S9-01DB14應(yīng)力計(jì)測(cè)值信息

2.3 基于BIM 的拱壩信息管理平臺(tái)分析

與傳統(tǒng)基于IFC的BIM 信息儲(chǔ)存和分類方法相比，平臺(tái)基于EC框架的信息管理方法可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類、讀寫，具有較強(qiáng)的定制化能力，其基于XML的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也為未來的格式轉(zhuǎn)換提供了便利.然而，EC框架定義于dgn文件內(nèi)部，無法處理大量數(shù)據(jù)，因此只適合于數(shù)據(jù)量較小，且不會(huì)頻繁變化的屬性.

針對(duì)大數(shù)據(jù)BIM 管理，平臺(tái)采用數(shù)據(jù)庫和BIM模型相結(jié)合的方法，既包含了監(jiān)測(cè)儀器信息，又包含了測(cè)值信息，數(shù)據(jù)的提取和處理也更加方便.由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在dgn文件外部，文件體積也得到了控制.然而，要想查詢數(shù)據(jù)庫信息就必須保證數(shù)據(jù)庫平臺(tái)始終在線，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或其他因素時(shí)會(huì)導(dǎo)致無法查詢，這對(duì)運(yùn)維管理人員提出了一定的挑戰(zhàn).

與傳統(tǒng)的只通過數(shù)據(jù)庫管理信息的方法相比，平臺(tái)采用在BIM 軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的方法，可以實(shí)現(xiàn)BIM 模型與BIM 信息的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，使存儲(chǔ)的信息不易丟失；BIM 軟件提供的三維模型展示功能可以實(shí)現(xiàn)信息的可視化，為管理者提供更直觀的管理界面；由于BIM 信息交流的便利性，平臺(tái)信息的讀寫不僅局限于運(yùn)維階段，也可以在設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)BIM 階段進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了信息的有效溝通，可滿足拱壩全生命周期管理的要求.

3 結(jié) 論

在我國(guó)大壩筑壩數(shù)量整體減少的趨勢(shì)下，運(yùn)維期BIM 技術(shù)的研究及應(yīng)用將對(duì)我國(guó)大壩安全管理的質(zhì)量和效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響.本文以Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合了EC 框架和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了大壩安全監(jiān)測(cè)儀器信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息的增、刪、查、改功能，為運(yùn)維期大壩安全管理提供了思路，彌補(bǔ)了BIM 信息缺失的不足.主要得出以下結(jié)論：

1)EC框架支持靈活擴(kuò)展，信息錄入簡(jiǎn)單快捷，與BIM 模型關(guān)聯(lián)緊密.因此適宜中小型單位自行定制BIM 信息框架，以作為BIM 信息的補(bǔ)充.

2)在Microstation平臺(tái)基礎(chǔ)上建立BIM 模型與數(shù)據(jù)庫條目連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM 模型的關(guān)聯(lián)，解決了EC 框架不支持大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的弊端，提高了BIM 信息管理的效率.

然而，水工行業(yè)BIM 數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)建筑行業(yè)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息丟失的情況，數(shù)據(jù)之間傳遞效率低，其解決方法還有待進(jìn)一步研究.