基于BIM技術與B/S架構的大壩安全可視化監(jiān)測系統(tǒng)

杰德爾別克·馬迪尼葉提，牛志偉，李培聰，張宇，蒯鵬程，李家田

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.河海大學實驗中心，江蘇 南京 210098)

隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，水利行業(yè)面臨的局勢越來越嚴峻，對大壩管理提出的要求及標準也越來越高，傳統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)已不能滿足當前水利的需求[1-2].中國大部分大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采用的是C/S(客戶端/服務器)架構模式[3]，這些監(jiān)測系統(tǒng)資源共享和各部門間協(xié)同性能差，不支持循環(huán)周期長的管理項目[4-5].對于大壩整體結構、監(jiān)測布置等缺少可視化展示，主要通過 CAD 圖紙以及各類監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映工程實際運行情況[6].管理人員通過測點編號不能直觀、清晰地看到測點所在的地理位置及環(huán)境，不能及時發(fā)現(xiàn)隱患或病害，直接影響了水利工程的安全運行.

近幾年，BIM技術為工程領域帶來了革命性的改變，水利行業(yè)中BIM技術的應用持續(xù)增加，并在部分工程中體現(xiàn)了很好的經(jīng)濟價值.在水利工程全生命周期中，BIM技術可以在降低造價、縮短工期和優(yōu)化設計等方面帶來更好的效益，因此，在大壩安全監(jiān)測中應用BIM技術，可以有效避免傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的缺點.

文中針對目前大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)研發(fā)中的不足，充分利用BIM技術，并結合PHP動態(tài)網(wǎng)頁和MySQL數(shù)據(jù)庫，建立B/S架構的大壩安全可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩全方位可視化展示，包括監(jiān)測點時程曲線及各種信息的展示，并實現(xiàn)實時添加監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控等一系列功能，便于管理人員準確掌握大壩運行狀態(tài)，從而直觀地發(fā)現(xiàn)工程風險所在，提高安全分析的準確性.

1 大壩安全可視化系統(tǒng)開發(fā)主要技術

1.1 Revit及Dynamo簡介

BIM技術有多種特點[7]，但其中最大的特點為參數(shù)化.一個只有幾何形狀而缺乏相關信息的模型使用價值較低，沒有通用性，通過BIM技術建立的模型除了定義參數(shù)以外，還可以實現(xiàn)信息共享.目前使用較多的參數(shù)化軟件為Bentley公司和Autodesk公司開發(fā)的系列軟件，其中Autodesk公司開發(fā)的軟件平臺在水利行業(yè)中應用較廣泛.Revit軟件是Autodesk公司核心軟件之一，也是快速搭建BIM模型的重要技術手段[8].通過Revit參數(shù)化族模塊可以搭建出適合用戶需求的不規(guī)則模型，可以通過定義好的參數(shù)來控制模型外形、材質及可見性.Revit創(chuàng)建的BIM模型可以實現(xiàn)虛擬可視化、專業(yè)出圖、數(shù)據(jù)管理和協(xié)作等功能[7]，是面向建筑全生命周期的BIM解決方案的基礎.本系統(tǒng)可視化三維模型運用Revit參數(shù)化模塊，快速生成模型所需的各種參數(shù)化族，為系統(tǒng)提供仿真度較高且精準的大壩模型及場景.

對于結構復雜的建筑物，Revit本身功能可能難以實現(xiàn)，尤其是壩體內部廊道縱橫交錯，比較復雜，很難精確搭建模型.Dynamo for Revit是Revit參數(shù)化插件之一[9]，通過自身的功能及編寫Python語言構建出更復雜的建筑物模型，主要建模方法為在工作界面中連接功能節(jié)點設置出一套程序流，通過輸入、處理和輸出的基本邏輯解決問題.它具有與Revit同步、高度參數(shù)化、設計可持續(xù)性和提高建模效率等特點.

1.2 B/S與BIM技術的集成

B/S(Brower/Server,瀏覽器/服務器)模式又稱為B/S結構、B/S架構[10]，是Web興起后的一種網(wǎng)絡結構模式.Web瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件.這種B/S模式在應用中表現(xiàn)出的優(yōu)點：① 統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能的核心部分集中到服務器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用；② 客戶機上只需要安裝1個瀏覽器，服務器上安裝SQL Server,Oracle,MySQL等數(shù)據(jù)庫；③ 瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互.

BIM技術是一種數(shù)據(jù)化工具，通過建筑模型整合項目的各類相關信息，在項目策劃、設計、施工、運行和維護的全生命期中進行信息的共享和傳遞，可在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用.在大壩安全可視化系統(tǒng)中，BIM模型集成了儀器編號、安裝日期、取得初值日期、壩段、高程等多源數(shù)據(jù).

傳統(tǒng)的BIM應用程序都基于桌面客戶端，且需要較高的計算機配置：高頻CPU、大內存、獨立顯卡[11-12].受計算機計算能力和內存限制等方面的影響，需要使用三維模型輕量化技術對模型進行深度處理.三維模型輕量化主要包括：模型輕量化顯示和模型文件轉換.

通過對BIM模型進行輕量化處理，實現(xiàn)B/S架構與BIM技術的集成，如圖1所示.在大壩安全可視化系統(tǒng)中，對監(jiān)測點的監(jiān)測信息不斷地更新，并通過數(shù)據(jù)庫與BIM模型交互，便可實時呈現(xiàn)并自動存儲三維可視化模型監(jiān)測信息.

圖1 B/S與BIM技術集成框架Fig.1 B/S and BIM technology integration framework

2 甘再大壩可視化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 工程概況

甘再水電站位于柬埔寨貢布(Kampot)省會城市上游約15 km的甘再河干流上，距金邊150 km.電站具有發(fā)電、灌溉、供水、旅游等多項功能.樞紐工程由碾壓混凝土大壩、反調節(jié)堰、引水隧洞及3個發(fā)電廠房等水工建筑物組成.電站總庫容6.813億m3，電站總裝機容量為19.32萬kW，年平均發(fā)電量為4.98億kW·h.碾壓混凝土重力壩坐落于梯形河谷上，壩頂高程153.00 m，壩底高程41.00 m，最大壩高112.00 m，壩頂長568 m，壩頂寬度6.0 m，共分為10個壩段.其主要工程量：常態(tài)混凝土約為14萬m3，碾壓混凝土約145萬m3，溢洪道堰頂高程135.00 m，共設5孔，每孔凈寬12 m，中墩寬3.0 m，邊墩寬3.0 m，采用5扇12 m×15 m弧形鋼閘門，相應配5臺卷揚機控制閘門啟閉.

2.2 基于BIM技術的甘再大壩可視化模型開發(fā)

水工建筑物容易出現(xiàn)復雜不規(guī)則的形狀，Revit自帶的系統(tǒng)族很難滿足建模要求，因此需要重新創(chuàng)建和定義參數(shù)化族.根據(jù)該碾壓混凝土重力壩施工圖紙，需要創(chuàng)建的參數(shù)化族主要涉及啟閉機房、壩頂配電房、溢流壩段、擋水壩段、弧形鋼閘門、電梯井、廊道及10種監(jiān)測儀器等.根據(jù)Revit軟件特點，首先創(chuàng)建完成各參數(shù)化族，再導入項目文件對整個碾壓混凝土重力壩模型進行整合.

建立參數(shù)化族主要分2個步驟，首先創(chuàng)建模型幾何形狀，然后進行參數(shù)化.本模型大部分族是基于公制常規(guī)模型樣板建立的，首先導入或鏈接可用的CAD圖紙，根據(jù)圖紙描出或拾取模型輪廓，然后通過拉伸或放樣等命令來創(chuàng)建實體形狀.模型幾何形狀完成后進行參數(shù)化操作，先對需要參數(shù)化的部位注釋尺寸，之后在族類型里添加參數(shù).其中，所有參數(shù)分組方式為尺寸標注(包括長度、角度、坡度等類型)的參數(shù)都需要通過標簽功能與模型中注釋好的尺寸關聯(lián)，在需要創(chuàng)建不同尺寸的構件時修改對應參數(shù)，重命名即可得到新的構件，從而大大減少了建模工作量.

模型除了定義尺寸參數(shù)以外，還可以定義構建專屬信息、材質參數(shù)及附屬信息等內容，這些參數(shù)不需要關聯(lián)操作，只需添加定義即可.圖2為壩體壩頂參數(shù)化步驟.

圖2 壩頂參數(shù)化步驟Fig.2 Dam crest parameterization steps

本模型最大的難點是創(chuàng)建壩體廊道，廊道路徑復雜，有多個方向和交錯點通過Revit族創(chuàng)建有一定的難度，即使創(chuàng)建出來時間成本會較高，Dynamo for Revit插件可以便捷地創(chuàng)建出這種多變化復雜路徑，并解決剪切問題.創(chuàng)建思路為首先通過模型線繪制三維的廊道路徑，然后利用空心放樣命令建立空心形狀，最后導入到整合模型，與壩體批量剪切生成.圖3為生成廊道的dynamo程序縮略圖.

啟閉機房、壩頂配電房等上部結構通過Revit自帶的系統(tǒng)族在項目文件里直接創(chuàng)建，其他部分族需要導入項目文件，用剪切、連接等命令搭建碾壓混凝土重力壩模型.地形模型的創(chuàng)建方法是把CAD地形圖導入Civi13D軟件中，通過等高線創(chuàng)建三角網(wǎng)地形曲面，最后導入項目文件中.圖4為部分參數(shù)化族模型.

圖3 Dynamo廊道路徑生成Fig.3 Dynamo corridor path generation

2.3 大壩監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫的構建

開發(fā)系統(tǒng)之前，一般先設計并建立好數(shù)據(jù)庫，之后才可以進行下一步工作、由于全部的大壩監(jiān)測信息在數(shù)據(jù)庫中進行儲存和管理，在建立全面數(shù)據(jù)庫的基礎上，調用數(shù)據(jù)庫中的信息，達到監(jiān)測信息與虛擬模型相結合的目的，同時也要考慮存儲容量、響應速度、安全性及保密性等多方面的內容.文中系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，設計軟件為MySQL Workbench，整個數(shù)據(jù)庫核心的2個表分別是t_measpoint測點信息表和t_datameas測量數(shù)據(jù)表.所有監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、日期、儀器信息、中間換算部分都是基于這2個表來完成，最終系統(tǒng)也需要與這2個表保持互動.

圖5為數(shù)據(jù)庫邏輯結構設計圖.表1為監(jiān)測指標與監(jiān)測儀器關系表.

圖5 數(shù)據(jù)庫邏輯結構設計Fig.5 Database logical structure and conceptual design

表1 監(jiān)測指標與監(jiān)測儀器關系表
Tab.1 Relationship between monitoring indica-tors and monitoring instruments

滲流滲流滲流變形變形變形變形變形監(jiān)測儀器測壓管滲壓計量水堰倒錘線引張線視準線靜力水準儀水準點測量方向順/橫河向橫河向橫河向沉降量順河向壩段1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#

2.4 甘再大壩Web輕量化展示

大壩監(jiān)測信息可視化是通過輕量化技術將大壩BIM模型展現(xiàn)出來，利用PHP動態(tài)語言將模型與監(jiān)測信息結合，并進行交互處理，為研究數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題提供支持.BIMFACE提供的基礎功能，使軟件開發(fā)人員只需要簡單的步驟就能開發(fā)BIM應用，大大降低了技術門檻.BIMFACE基于JavaScript和WebGL技術，實現(xiàn)了工程項目文件在網(wǎng)頁端顯示的功能，提供了一種能輕便快捷地查看BIM模型成果的方式，用戶不需安裝BIM軟件，直接查看BIM模型的完整信息.輕量化模型連接前端的基本流程：首先，引用BIMFACE的JavaScript顯示組件庫，然后定義DOM元素，最后把ViewToken作為參數(shù)傳遞給JavaScript.BIMFACE平臺在成功轉換模型后會提供AppKey，AppSecret，F(xiàn)ileId等參數(shù)，如需更改模型，在相應的程序中更改這3個參數(shù)即可，并且在該過程中模型不會丟失監(jiān)測點安裝日期、儀器編號等任何信息.

文中系統(tǒng)主要采用WampServer3.1.3集成環(huán)境作為服務器，以PHP腳本語言編譯系統(tǒng)動態(tài)網(wǎng)頁，并實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)庫與服務器的連接.通過BIMFACE平臺輕量化技術，用戶不需安裝BIM軟件，直接在前端瀏覽器查看BIM模型及完整信息.BIMFACE提供了多種功能，除了具備基本三維場景瀏覽功能外，還包括按屬性過濾條件隔離構件或半透明顯示、沿坐標軸剖切、查看參數(shù)、測量距離及漫游預覽模型等功能.

只利用官方提供的功能和開源資源達不到最終的可視化目的，因此在這里需要引用BIMFACE官方提供的代碼，進一步開發(fā)對應的JS語句，實現(xiàn)儀器編號的獲取，同時給定1個鼠標監(jiān)聽click事件.獲取儀器編號主要是用于后續(xù)的數(shù)據(jù)可視化展示工作，展現(xiàn)模型的同時也可展現(xiàn)各監(jiān)測儀器的時程曲線.通過這一系列的預處理之后，最終可以滿足瀏覽器端獲取數(shù)據(jù)，并快速展示的要求.圖6為系統(tǒng)可視化展示頁面.

圖6 系統(tǒng)可視化展示頁面Fig.6 System visual display page

通過多維信息的載體模型與監(jiān)測信息相結合的集成技術，將所有的集成信息導入某平臺中，可以方便且全面地掌握大壩監(jiān)測信息，虛擬模型與數(shù)據(jù)信息的關聯(lián)可實現(xiàn)對建筑物及測點不同層次、模塊、單元以及周邊環(huán)境的虛擬協(xié)同，在三維幾何模型的基礎上擴展集成了數(shù)據(jù)庫中該構件所需的屬性信息和監(jiān)測信息.對所開發(fā)的3個部分，即數(shù)據(jù)庫、動態(tài)網(wǎng)頁及輕量化模型最后進行一個關聯(lián)與整合，其中網(wǎng)頁端與輕量化模型的整合較為簡單，通過相關的標簽或語句可以完美地展現(xiàn)輕量化處理后的可視化模型.同時數(shù)據(jù)庫與模型關聯(lián)之前也要做一些預處理，也就是以二維的方式展示數(shù)據(jù)變化情況，可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化展示.數(shù)據(jù)的可視化展示主要涉及數(shù)據(jù)庫關聯(lián)、Echarts畫圖控件[13]及Ajax技術等內容.數(shù)據(jù)以圖標的形式展示后需要關聯(lián)模型，而關聯(lián)模型的關鍵在于之前所提到的儀器編號，選擇某儀器后，通過BIMFACE二次開發(fā)的鼠標監(jiān)聽及獲取屬性功能可以獲取模型中的儀器編號，然后進一步與數(shù)據(jù)庫中的t_measpoint測點信息表和t_datameas測量數(shù)據(jù)表對應，如對應成功可以在可視化頁面下方展示此監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)的時程曲線.圖7為選中某監(jiān)測儀器后所顯示的測點時程曲線圖.

系統(tǒng)除了可實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的可視化展示以外，還可以根據(jù)日期選擇儀器類型及編號，查詢以往和目前儀器所監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)，達到實時監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)庫管理的目的.同時可以手動上傳每天監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，達到半自動化效果.

圖7 監(jiān)測儀器與對應的時程曲線展示Fig.7 Display of monitoring instruments and corresponding time-history curves

3 結 論

文中研究表明，將BIM技術應用于大壩安全監(jiān)測可視化顯示是可行的，能夠直觀地顯示大壩結構及監(jiān)測點的準確定位，使大壩安全管理更為便捷簡化，最終研究結果可總結為以下幾點.

1) 提出面向水利工程全生命周期的大壩監(jiān)測系統(tǒng)設計與開發(fā)思路，通過分析水利工程項目特點，同時分析BIM技術與互聯(lián)網(wǎng)技術在大壩安全監(jiān)測中的應用方式，為BIM信息集成模型的可視化監(jiān)測信息管理平臺制定了基本開發(fā)框架.

2) 對大壩各部位進行拆分，并明確其組成部分，通過詳細的劃分去建立和應用BIM模型，為后期的一整套開發(fā)提供了細致且信息化的智能模型.

3) 結合水利工程結構與監(jiān)測特點，利用Revit軟件信息共享優(yōu)勢，實現(xiàn)了BIM模型信息傳遞與輕量化，為平臺提供了可視化的可能.同時采用PHP腳本語言將監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型完美結合，實現(xiàn)了BIM模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁前端的可視化展示.

4) 將上述研究成果集成應用于甘再碾壓混凝土重力壩，開發(fā)甘再大壩安全可視化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了在瀏覽器端進行大壩及監(jiān)測測點的三維模型查詢、瀏覽、觀測數(shù)據(jù)處理及分析等功能，大大提高了系統(tǒng)的可視化管理水平.