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(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.河海大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210098)

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利行業(yè)面臨的局勢(shì)越來越嚴(yán)峻，對(duì)大壩管理提出的要求及標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，傳統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前水利的需求[1-2].中國(guó)大部分大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)模式[3]，這些監(jiān)測(cè)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(zhǎng)的管理項(xiàng)目[4-5].對(duì)于大壩整體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)布置等缺少可視化展示，主要通過 CAD 圖紙以及各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來反映工程實(shí)際運(yùn)行情況[6].管理人員通過測(cè)點(diǎn)編號(hào)不能直觀、清晰地看到測(cè)點(diǎn)所在的地理位置及環(huán)境，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患或病害，直接影響了水利工程的安全運(yùn)行.

近幾年，BIM技術(shù)為工程領(lǐng)域帶來了革命性的改變，水利行業(yè)中BIM技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)增加，并在部分工程中體現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.在水利工程全生命周期中，BIM技術(shù)可以在降低造價(jià)、縮短工期和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面帶來更好的效益，因此，在大壩安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以有效避免傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn).

文中針對(duì)目前大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)研發(fā)中的不足，充分利用BIM技術(shù)，并結(jié)合PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，建立B/S架構(gòu)的大壩安全可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大壩全方位可視化展示，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線及各種信息的展示，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)添加監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等一系列功能，便于管理人員準(zhǔn)確掌握大壩運(yùn)行狀態(tài)，從而直觀地發(fā)現(xiàn)工程風(fēng)險(xiǎn)所在，提高安全分析的準(zhǔn)確性.

1 大壩安全可視化系統(tǒng)開發(fā)主要技術(shù)

1.1 Revit及Dynamo簡(jiǎn)介

BIM技術(shù)有多種特點(diǎn)[7]，但其中最大的特點(diǎn)為參數(shù)化.一個(gè)只有幾何形狀而缺乏相關(guān)信息的模型使用價(jià)值較低，沒有通用性，通過BIM技術(shù)建立的模型除了定義參數(shù)以外，還可以實(shí)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(tái)在水利行業(yè)中應(yīng)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(shù)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(zhì)及可見性.Revit創(chuàng)建的BIM模型可以實(shí)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(chǔ).本系統(tǒng)可視化三維模型運(yùn)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(zhǔn)的大壩模型及場(chǎng)景.

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，Revit本身功能可能難以實(shí)現(xiàn)，尤其是壩體內(nèi)部廊道縱橫交錯(cuò)，比較復(fù)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(yǔ)言構(gòu)建出更復(fù)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(diǎn)設(shè)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(shè)計(jì)可持續(xù)性和提高建模效率等特點(diǎn).

1.2 B/S與BIM技術(shù)的集成

B/S(Brower/Server,瀏覽器/服務(wù)器)模式又稱為B/S結(jié)構(gòu)、B/S架構(gòu)[10]，是Web興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式.Web瀏覽器是客戶端最主要的應(yīng)用軟件.這種B/S模式在應(yīng)用中表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)：① 統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用；② 客戶機(jī)上只需要安裝1個(gè)瀏覽器，服務(wù)器上安裝SQL Server,Oracle,MySQL等數(shù)據(jù)庫(kù)；③ 瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.

BIM技術(shù)是一種數(shù)據(jù)化工具，通過建筑模型整合項(xiàng)目的各類相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)的全生命期中進(jìn)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(hào)、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(yīng)用程序都基于桌面客戶端，且需要較高的計(jì)算機(jī)配置：高頻CPU、大內(nèi)存、獨(dú)立顯卡[11-12].受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和內(nèi)存限制等方面的影響，需要使用三維模型輕量化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)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(zhuǎn)換.

通過對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化處理，實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)與BIM技術(shù)的集成，如圖1所示.在大壩安全可視化系統(tǒng)中，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息不斷地更新，并通過數(shù)據(jù)庫(kù)與BIM模型交互，便可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并自動(dòng)存儲(chǔ)三維可視化模型監(jiān)測(cè)信息.

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

2 甘再大壩可視化監(jiān)測(cè)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(huì)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(xiàng)功能.樞紐工程由碾壓混凝土大壩、反調(diào)節(jié)堰、引水隧洞及3個(gè)發(fā)電廠房等水工建筑物組成.電站總庫(kù)容6.813億m3，電站總裝機(jī)容量為19.32萬(wàn)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(zhǎng)568 m，壩頂寬度6.0 m，共分為10個(gè)壩段.其主要工程量：常態(tài)混凝土約為14萬(wàn)m3，碾壓混凝土約145萬(wàn)m3，溢洪道堰頂高程135.00 m，共設(shè)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(yīng)配5臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制閘門啟閉.

2.2 基于BIM技術(shù)的甘再大壩可視化模型開發(fā)

水工建筑物容易出現(xiàn)復(fù)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?jiǎng)?chuàng)建的參數(shù)化族主要涉及啟閉機(jī)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(cè)儀器等.根據(jù)Revit軟件特點(diǎn)，首先創(chuàng)建完成各參數(shù)化族，再導(dǎo)入項(xiàng)目文件對(duì)整個(gè)碾壓混凝土重力壩模型進(jìn)行整合.

建立參數(shù)化族主要分2個(gè)步驟，首先創(chuàng)建模型幾何形狀，然后進(jìn)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(dǎo)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(shí)體形狀.模型幾何形狀完成后進(jìn)行參數(shù)化操作，先對(duì)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(biāo)注(包括長(zhǎng)度、角度、坡度等類型)的參數(shù)都需要通過標(biāo)簽功能與模型中注釋好的尺寸關(guān)聯(lián)，在需要?jiǎng)?chuàng)建不同尺寸的構(gòu)件時(shí)修改對(duì)應(yīng)參數(shù)，重命名即可得到新的構(gòu)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(gòu)建專屬信息、材質(zhì)參數(shù)及附屬信息等內(nèi)容，這些參數(shù)不需要關(guān)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(diǎn)是創(chuàng)建壩體廊道，廊道路徑復(fù)雜，有多個(gè)方向和交錯(cuò)點(diǎn)通過Revit族創(chuàng)建有一定的難度，即使創(chuàng)建出來時(shí)間成本會(huì)較高，Dynamo for Revit插件可以便捷地創(chuàng)建出這種多變化復(fù)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(dǎo)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(jī)房、壩頂配電房等上部結(jié)構(gòu)通過Revit自帶的系統(tǒng)族在項(xiàng)目文件里直接創(chuàng)建，其他部分族需要導(dǎo)入項(xiàng)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(dǎo)入Civi13D軟件中，通過等高線創(chuàng)建三角網(wǎng)地形曲面，最后導(dǎo)入項(xiàng)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(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

開發(fā)系統(tǒng)之前，一般先設(shè)計(jì)并建立好數(shù)據(jù)庫(kù)，之后才可以進(jìn)行下一步工作、由于全部的大壩監(jiān)測(cè)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，在建立全面數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，達(dá)到監(jiān)測(cè)信息與虛擬模型相結(jié)合的目的，同時(shí)也要考慮存儲(chǔ)容量、響應(yīng)速度、安全性及保密性等多方面的內(nèi)容.文中系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)軟件為MySQL Workbench，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)核心的2個(gè)表分別是t_measpoint測(cè)點(diǎn)信息表和t_datameas測(cè)量數(shù)據(jù)表.所有監(jiān)測(cè)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(gè)表來完成，最終系統(tǒng)也需要與這2個(gè)表保持互動(dòng).

圖5為數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖.表1為監(jiān)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)儀器關(guān)系表.

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Database logical structure and conceptual design

表1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)儀器關(guān)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(cè)儀器測(cè)壓管滲壓計(jì)量水堰倒錘線引張線視準(zhǔn)線靜力水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)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(cè)信息可視化是通過輕量化技術(shù)將大壩BIM模型展現(xiàn)出來，利用PHP動(dòng)態(tài)語(yǔ)言將模型與監(jiān)測(cè)信息結(jié)合，并進(jìn)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(chǔ)功能，使軟件開發(fā)人員只需要簡(jiǎn)單的步驟就能開發(fā)BIM應(yīng)用，大大降低了技術(shù)門檻.BIMFACE基于JavaScript和WebGL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目文件在網(wǎng)頁(yè)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(kù)，然后定義DOM元素，最后把ViewToken作為參數(shù)傳遞給JavaScript.BIMFACE平臺(tái)在成功轉(zhuǎn)換模型后會(huì)提供AppKey，AppSecret，F(xiàn)ileId等參數(shù)，如需更改模型，在相應(yīng)的程序中更改這3個(gè)參數(shù)即可，并且在該過程中模型不會(huì)丟失監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝日期、儀器編號(hào)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(wù)器，以PHP腳本語(yǔ)言編譯系統(tǒng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，并實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器的連接.通過BIMFACE平臺(tái)輕量化技術(shù)，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(chǎng)景瀏覽功能外，還包括按屬性過濾條件隔離構(gòu)件或半透明顯示、沿坐標(biāo)軸剖切、查看參數(shù)、測(cè)量距離及漫游預(yù)覽模型等功能.

只利用官方提供的功能和開源資源達(dá)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(jìn)一步開發(fā)對(duì)應(yīng)的JS語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)儀器編號(hào)的獲取，同時(shí)給定1個(gè)鼠標(biāo)監(jiān)聽click事件.獲取儀器編號(hào)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(shí)也可展現(xiàn)各監(jiān)測(cè)儀器的時(shí)程曲線.通過這一系列的預(yù)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(yè)面.

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

通過多維信息的載體模型與監(jiān)測(cè)信息相結(jié)合的集成技術(shù)，將所有的集成信息導(dǎo)入某平臺(tái)中，可以方便且全面地掌握大壩監(jiān)測(cè)信息，虛擬模型與數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物及測(cè)點(diǎn)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(chǔ)上擴(kuò)展集成了數(shù)據(jù)庫(kù)中該構(gòu)件所需的屬性信息和監(jiān)測(cè)信息.對(duì)所開發(fā)的3個(gè)部分，即數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)及輕量化模型最后進(jìn)行一個(gè)關(guān)聯(lián)與整合，其中網(wǎng)頁(yè)端與輕量化模型的整合較為簡(jiǎn)單，通過相關(guān)的標(biāo)簽或語(yǔ)句可以完美地展現(xiàn)輕量化處理后的可視化模型.同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與模型關(guān)聯(lián)之前也要做一些預(yù)處理，也就是以二維的方式展示數(shù)據(jù)變化情況，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(kù)關(guān)聯(lián)、Echarts畫圖控件[13]及Ajax技術(shù)等內(nèi)容.數(shù)據(jù)以圖標(biāo)的形式展示后需要關(guān)聯(lián)模型，而關(guān)聯(lián)模型的關(guān)鍵在于之前所提到的儀器編號(hào)，選擇某儀器后，通過BIMFACE二次開發(fā)的鼠標(biāo)監(jiān)聽及獲取屬性功能可以獲取模型中的儀器編號(hào)，然后進(jìn)一步與數(shù)據(jù)庫(kù)中的t_measpoint測(cè)點(diǎn)信息表和t_datameas測(cè)量數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)，如對(duì)應(yīng)成功可以在可視化頁(yè)面下方展示此監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)的時(shí)程曲線.圖7為選中某監(jiān)測(cè)儀器后所顯示的測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖.

系統(tǒng)除了可實(shí)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(hào)，查詢以往和目前儀器所監(jiān)測(cè)到的所有數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)管理的目的.同時(shí)可以手動(dòng)上傳每天監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，達(dá)到半自動(dòng)化效果.

圖7 監(jiān)測(cè)儀器與對(duì)應(yīng)的時(shí)程曲線展示Fig.7 Display of monitoring instruments and corresponding time-history curves

3 結(jié) 論

文中研究表明，將BIM技術(shù)應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測(cè)可視化顯示是可行的，能夠直觀地顯示大壩結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，使大壩安全管理更為便捷簡(jiǎn)化，最終研究結(jié)果可總結(jié)為以下幾點(diǎn).

1) 提出面向水利工程全生命周期的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)思路，通過分析水利工程項(xiàng)目特點(diǎn)，同時(shí)分析BIM技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方式，為BIM信息集成模型的可視化監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)制定了基本開發(fā)框架.

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

3) 結(jié)合水利工程結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，利用Revit軟件信息共享優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型信息傳遞與輕量化，為平臺(tái)提供了可視化的可能.同時(shí)采用PHP腳本語(yǔ)言將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)前端的可視化展示.

4) 將上述研究成果集成應(yīng)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在瀏覽器端進(jìn)行大壩及監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的三維模型查詢、瀏覽、觀測(cè)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.