杰德尔别克·马迪尼叶提，牛志伟，李培聪，张宇，蒯鹏程，李家田

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.河海大学实验中心，江苏 南京 210098)

随着中国社会经济的发展，水利行业面临的局势越来越严峻，对大坝管理提出的要求及标准也越来越高，传统的安全管理系统已不能满足当前水利的需求[1-2].中国大部分大坝安全监测系统采用的是C/S(客户端/服务器)架构模式[3]，这些监测系统资源共享和各部门间协同性能差，不支持循环周期长的管理项目[4-5].对于大坝整体结构、监测布置等缺少可视化展示，主要通过 CAD 图纸以及各类监测数据来反映工程实际运行情况[6].管理人员通过测点编号不能直观、清晰地看到测点所在的地理位置及环境，不能及时发现隐患或病害，直接影响了水利工程的安全运行.

近几年，BIM技术为工程领域带来了革命性的改变，水利行业中BIM技术的应用持续增加，并在部分工程中体现了很好的经济价值.在水利工程全生命周期中，BIM技术可以在降低造价、缩短工期和优化设计等方面带来更好的效益，因此，在大坝安全监测中应用BIM技术，可以有效避免传统监测系统的缺点.

文中针对目前大坝安全监测信息管理系统研发中的不足，充分利用BIM技术，并结合PHP动态网页和MySQL数据库，建立B/S架构的大坝安全可视化系统，实现大坝全方位可视化展示，包括监测点时程曲线及各种信息的展示，并实现实时添加监测数据、实时监控等一系列功能，便于管理人员准确掌握大坝运行状态，从而直观地发现工程风险所在，提高安全分析的准确性.

1 大坝安全可视化系统开发主要技术

1.1 Revit及Dynamo简介

BIM技术有多种特点[7]，但其中最大的特点为参数化.一个只有几何形状而缺乏相关信息的模型使用价值较低，没有通用性，通过BIM技术建立的模型除了定义参数以外，还可以实现信息共享.目前使用较多的参数化软件为Bentley公司和Autodesk公司开发的系列软件，其中Autodesk公司开发的软件平台在水利行业中应用较广泛.Revit软件是Autodesk公司核心软件之一，也是快速搭建BIM模型的重要技术手段[8].通过Revit参数化族模块可以搭建出适合用户需求的不规则模型，可以通过定义好的参数来控制模型外形、材质及可见性.Revit创建的BIM模型可以实现虚拟可视化、专业出图、数据管理和协作等功能[7]，是面向建筑全生命周期的BIM解决方案的基础.本系统可视化三维模型运用Revit参数化模块，快速生成模型所需的各种参数化族，为系统提供仿真度较高且精准的大坝模型及场景.

对于结构复杂的建筑物，Revit本身功能可能难以实现，尤其是坝体内部廊道纵横交错，比较复杂，很难精确搭建模型.Dynamo for Revit是Revit参数化插件之一[9]，通过自身的功能及编写Python语言构建出更复杂的建筑物模型，主要建模方法为在工作界面中连接功能节点设置出一套程序流，通过输入、处理和输出的基本逻辑解决问题.它具有与Revit同步、高度参数化、设计可持续性和提高建模效率等特点.

1.2 B/S与BIM技术的集成

B/S(Brower/Server,浏览器/服务器)模式又称为B/S结构、B/S架构[10]，是Web兴起后的一种网络结构模式.Web浏览器是客户端最主要的应用软件.这种B/S模式在应用中表现出的优点：① 统一了客户端，将系统功能的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用；② 客户机上只需要安装1个浏览器，服务器上安装SQL Server,Oracle,MySQL等数据库；③ 浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互.

BIM技术是一种数据化工具，通过建筑模型整合项目的各类相关信息，在项目策划、设计、施工、运行和维护的全生命期中进行信息的共享和传递，可在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用.在大坝安全可视化系统中，BIM模型集成了仪器编号、安装日期、取得初值日期、坝段、高程等多源数据.

传统的BIM应用程序都基于桌面客户端，且需要较高的计算机配置：高频CPU、大内存、独立显卡[11-12].受计算机计算能力和内存限制等方面的影响，需要使用三维模型轻量化技术对模型进行深度处理.三维模型轻量化主要包括：模型轻量化显示和模型文件转换.

通过对BIM模型进行轻量化处理，实现B/S架构与BIM技术的集成，如图1所示.在大坝安全可视化系统中，对监测点的监测信息不断地更新，并通过数据库与BIM模型交互，便可实时呈现并自动存储三维可视化模型监测信息.

图1 B/S与BIM技术集成框架Fig.1 B/S and BIM technology integration framework

2 甘再大坝可视化监测系统开发

2.1 工程概况

甘再水电站位于柬埔寨贡布(Kampot)省会城市上游约15 km的甘再河干流上，距金边150 km.电站具有发电、灌溉、供水、旅游等多项功能.枢纽工程由碾压混凝土大坝、反调节堰、引水隧洞及3个发电厂房等水工建筑物组成.电站总库容6.813亿m3，电站总装机容量为19.32万kW，年平均发电量为4.98亿kW·h.碾压混凝土重力坝坐落于梯形河谷上，坝顶高程153.00 m，坝底高程41.00 m，最大坝高112.00 m，坝顶长568 m，坝顶宽度6.0 m，共分为10个坝段.其主要工程量：常态混凝土约为14万m3，碾压混凝土约145万m3，溢洪道堰顶高程135.00 m，共设5孔，每孔净宽12 m，中墩宽3.0 m，边墩宽3.0 m，采用5扇12 m×15 m弧形钢闸门，相应配5台卷扬机控制闸门启闭.

2.2 基于BIM技术的甘再大坝可视化模型开发

水工建筑物容易出现复杂不规则的形状，Revit自带的系统族很难满足建模要求，因此需要重新创建和定义参数化族.根据该碾压混凝土重力坝施工图纸，需要创建的参数化族主要涉及启闭机房、坝顶配电房、溢流坝段、挡水坝段、弧形钢闸门、电梯井、廊道及10种监测仪器等.根据Revit软件特点，首先创建完成各参数化族，再导入项目文件对整个碾压混凝土重力坝模型进行整合.

建立参数化族主要分2个步骤，首先创建模型几何形状，然后进行参数化.本模型大部分族是基于公制常规模型样板建立的，首先导入或链接可用的CAD图纸，根据图纸描出或拾取模型轮廓，然后通过拉伸或放样等命令来创建实体形状.模型几何形状完成后进行参数化操作，先对需要参数化的部位注释尺寸，之后在族类型里添加参数.其中，所有参数分组方式为尺寸标注(包括长度、角度、坡度等类型)的参数都需要通过标签功能与模型中注释好的尺寸关联，在需要创建不同尺寸的构件时修改对应参数，重命名即可得到新的构件，从而大大减少了建模工作量.

模型除了定义尺寸参数以外，还可以定义构建专属信息、材质参数及附属信息等内容，这些参数不需要关联操作，只需添加定义即可.图2为坝体坝顶参数化步骤.

图2 坝顶参数化步骤Fig.2 Dam crest parameterization steps

本模型最大的难点是创建坝体廊道，廊道路径复杂，有多个方向和交错点通过Revit族创建有一定的难度，即使创建出来时间成本会较高，Dynamo for Revit插件可以便捷地创建出这种多变化复杂路径，并解决剪切问题.创建思路为首先通过模型线绘制三维的廊道路径，然后利用空心放样命令建立空心形状，最后导入到整合模型，与坝体批量剪切生成.图3为生成廊道的dynamo程序缩略图.

启闭机房、坝顶配电房等上部结构通过Revit自带的系统族在项目文件里直接创建，其他部分族需要导入项目文件，用剪切、连接等命令搭建碾压混凝土重力坝模型.地形模型的创建方法是把CAD地形图导入Civi13D软件中，通过等高线创建三角网地形曲面，最后导入项目文件中.图4为部分参数化族模型.

图3 Dynamo廊道路径生成Fig.3 Dynamo corridor path generation

2.3 大坝监测信息数据库的构建

开发系统之前，一般先设计并建立好数据库，之后才可以进行下一步工作、由于全部的大坝监测信息在数据库中进行储存和管理，在建立全面数据库的基础上，调用数据库中的信息，达到监测信息与虚拟模型相结合的目的，同时也要考虑存储容量、响应速度、安全性及保密性等多方面的内容.文中系统采用MySQL数据库，设计软件为MySQL Workbench，整个数据库核心的2个表分别是t_measpoint测点信息表和t_datameas测量数据表.所有监测到的数据、日期、仪器信息、中间换算部分都是基于这2个表来完成，最终系统也需要与这2个表保持互动.

图5为数据库逻辑结构设计图.表1为监测指标与监测仪器关系表.

图5 数据库逻辑结构设计Fig.5 Database logical structure and conceptual design

表1 监测指标与监测仪器关系表
Tab.1 Relationship between monitoring indica-tors and monitoring instruments

渗流渗流渗流变形变形变形变形变形监测仪器测压管渗压计量水堰倒锤线引张线视准线静力水准仪水准点测量方向顺/横河向横河向横河向沉降量顺河向坝段1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#1#-10#

2.4 甘再大坝Web轻量化展示

大坝监测信息可视化是通过轻量化技术将大坝BIM模型展现出来，利用PHP动态语言将模型与监测信息结合，并进行交互处理，为研究数据处理、决策分析等一系列问题提供支持.BIMFACE提供的基础功能，使软件开发人员只需要简单的步骤就能开发BIM应用，大大降低了技术门槛.BIMFACE基于JavaScript和WebGL技术，实现了工程项目文件在网页端显示的功能，提供了一种能轻便快捷地查看BIM模型成果的方式，用户不需安装BIM软件，直接查看BIM模型的完整信息.轻量化模型连接前端的基本流程：首先，引用BIMFACE的JavaScript显示组件库，然后定义DOM元素，最后把ViewToken作为参数传递给JavaScript.BIMFACE平台在成功转换模型后会提供AppKey，AppSecret，FileId等参数，如需更改模型，在相应的程序中更改这3个参数即可，并且在该过程中模型不会丢失监测点安装日期、仪器编号等任何信息.

文中系统主要采用WampServer3.1.3集成环境作为服务器，以PHP脚本语言编译系统动态网页，并实现后台数据库与服务器的连接.通过BIMFACE平台轻量化技术，用户不需安装BIM软件，直接在前端浏览器查看BIM模型及完整信息.BIMFACE提供了多种功能，除了具备基本三维场景浏览功能外，还包括按属性过滤条件隔离构件或半透明显示、沿坐标轴剖切、查看参数、测量距离及漫游预览模型等功能.

只利用官方提供的功能和开源资源达不到最终的可视化目的，因此在这里需要引用BIMFACE官方提供的代码，进一步开发对应的JS语句，实现仪器编号的获取，同时给定1个鼠标监听click事件.获取仪器编号主要是用于后续的数据可视化展示工作，展现模型的同时也可展现各监测仪器的时程曲线.通过这一系列的预处理之后，最终可以满足浏览器端获取数据，并快速展示的要求.图6为系统可视化展示页面.

图6 系统可视化展示页面Fig.6 System visual display page

通过多维信息的载体模型与监测信息相结合的集成技术，将所有的集成信息导入某平台中，可以方便且全面地掌握大坝监测信息，虚拟模型与数据信息的关联可实现对建筑物及测点不同层次、模块、单元以及周边环境的虚拟协同，在三维几何模型的基础上扩展集成了数据库中该构件所需的属性信息和监测信息.对所开发的3个部分，即数据库、动态网页及轻量化模型最后进行一个关联与整合，其中网页端与轻量化模型的整合较为简单，通过相关的标签或语句可以完美地展现轻量化处理后的可视化模型.同时数据库与模型关联之前也要做一些预处理，也就是以二维的方式展示数据变化情况，可以实现监测数据的可视化展示.数据的可视化展示主要涉及数据库关联、Echarts画图控件[13]及Ajax技术等内容.数据以图标的形式展示后需要关联模型，而关联模型的关键在于之前所提到的仪器编号，选择某仪器后，通过BIMFACE二次开发的鼠标监听及获取属性功能可以获取模型中的仪器编号，然后进一步与数据库中的t_measpoint测点信息表和t_datameas测量数据表对应，如对应成功可以在可视化页面下方展示此监测仪器数据的时程曲线.图7为选中某监测仪器后所显示的测点时程曲线图.

系统除了可实现模型与数据的可视化展示以外，还可以根据日期选择仪器类型及编号，查询以往和目前仪器所监测到的所有数据，达到实时监控、远程数据库管理的目的.同时可以手动上传每天监测到的数据，达到半自动化效果.

图7 监测仪器与对应的时程曲线展示Fig.7 Display of monitoring instruments and corresponding time-history curves

3 结 论

文中研究表明，将BIM技术应用于大坝安全监测可视化显示是可行的，能够直观地显示大坝结构及监测点的准确定位，使大坝安全管理更为便捷简化，最终研究结果可总结为以下几点.

1) 提出面向水利工程全生命周期的大坝监测系统设计与开发思路，通过分析水利工程项目特点，同时分析BIM技术与互联网技术在大坝安全监测中的应用方式，为BIM信息集成模型的可视化监测信息管理平台制定了基本开发框架.

2) 对大坝各部位进行拆分，并明确其组成部分，通过详细的划分去建立和应用BIM模型，为后期的一整套开发提供了细致且信息化的智能模型.

3) 结合水利工程结构与监测特点，利用Revit软件信息共享优势，实现了BIM模型信息传递与轻量化，为平台提供了可视化的可能.同时采用PHP脚本语言将监测数据与BIM模型完美结合，实现了BIM模型与监测数据在网页前端的可视化展示.

4) 将上述研究成果集成应用于甘再碾压混凝土重力坝，开发甘再大坝安全可视化监测系统，实现了在浏览器端进行大坝及监测测点的三维模型查询、浏览、观测数据处理及分析等功能，大大提高了系统的可视化管理水平.