基于BIM的大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)開發(fā)

吳佳蓓，黃 銘

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

我國廣闊的地域決定了我國多變的自然氣候與復(fù)雜的地理條件，導(dǎo)致我國水資源時空分布不均。我國修建大量水利工程，用以調(diào)控水資源分布、優(yōu)化水資源配置。其中，大壩在防洪、灌溉、發(fā)電等方面發(fā)揮巨大作用，而大壩安全監(jiān)測是保障大壩安全運行的重要工作[1]。

由于大壩安全監(jiān)測項目和儀器數(shù)量眾多，監(jiān)測信息的采集與管理任務(wù)繁重，這就對傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測技術(shù)提出了更高要求[2]。監(jiān)測自動化技術(shù)則彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測的不足，大大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作的效率與頻次，從而采集到海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)需要得到有效地分析處理，才能準確反映出大壩的運行狀態(tài)[3]。

建筑信息模型(BIM)技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，是一種可以貫穿于項目的全生命周期的新管理方法，具有高度可視化功能，是應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化設(shè)計工具，能夠有效提高工作效率、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[4-5]。本文基于BIM技術(shù)，采用visual studio與C#語言對Revit進行二次開發(fā)，實現(xiàn)大壩三維模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互，構(gòu)建大壩的安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

2 安全監(jiān)測信息系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

Autodesk Revit Architecture是目前我國BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。Revit在建模中提供統(tǒng)一標準的默認樣板文件，且基于默認樣板的任意新項目可繼承來自樣板的所有族文件，大大提高設(shè)計效率。Revit也能夠進行自由形狀的建模和參數(shù)化設(shè)計，創(chuàng)建項目獨有的族文件。

此外，Autodesk Revit系列所有軟件都提供Application Programming Interface，用于Revit的二次開發(fā)。Revit的二次開發(fā)允許使用者通過API接口，實現(xiàn)一些重復(fù)工作的自動化、添加自定義功能或?qū)悠渌治瞿M軟件等多項工作[6]。

本文為有效地實現(xiàn)對壩體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器模型、監(jiān)測儀器布設(shè)的可視化管理，以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的便捷有效分析等功能，結(jié)合開發(fā)軟件visual studio，并使用C#語言，實現(xiàn)Revit與其他軟件的交互，開發(fā)大壩的安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

大壩的安全監(jiān)測信息系統(tǒng)以Revit為開發(fā)平臺，構(gòu)建工程的三維模型，并結(jié)合開發(fā)軟件visual studio對Revit進行二次開發(fā)，連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與預(yù)測分析[7]。大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)總體上分為四個模塊：大壩結(jié)構(gòu)管理、監(jiān)測儀器管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

大壩結(jié)構(gòu)管理模塊是基于大壩三維實體模型，通過對大壩的三維模型進行縮放、移動、隱藏等操作，從大壩的整體、局部、剖面等多視角呈現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)。

監(jiān)測儀器管理模塊是按照監(jiān)測儀器的實體裝置，建立各監(jiān)測儀器的等比例族模型，直觀地體現(xiàn)監(jiān)測儀器類型以及儀器的具體布設(shè)位置。

監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理。

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊是通過建立數(shù)學(xué)模型對實測數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，可對接多種數(shù)學(xué)模型以滿足不同情況下的建模分析需要。

2.2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

基于Revit的二次開發(fā)，本文利用visual studio結(jié)合C#語言對系統(tǒng)的各項功能進行開發(fā)。基本流程如下：1)visual studio中新建類庫，添加引用“RevitAPI”“RevitAPIUI”；2)依據(jù)功能的具體要求編寫代碼，生成解決方案(dll文件)；3)利用Revit的Add-In Manager模塊，對解決方案進行調(diào)試；4)部分功能調(diào)試成功后，在Revit的菜單欄中，添加自定義的選項卡頁，并在選項卡頁中添加對應(yīng)功能的命令按鈕。

2.3 數(shù)據(jù)分析模型

系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊是為了對數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，進行分析預(yù)測，從而掌握工程的安全運行狀態(tài)。針對不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，系統(tǒng)中可嵌入不同的數(shù)學(xué)模型，本文以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為例，對位移的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行建模計算，基本步驟如下：

首先，在(-1,1)內(nèi)隨機選定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各神經(jīng)元之間連接權(quán)值和閾值的初始值；沉降的影響因素，確定輸入為時效因子、水位因子以及降雨因子，輸出為沉降值；以實測數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練樣本；輸入訓(xùn)練樣本，按式(1)和式(2)計算各層輸出，同時計算誤差總和；若誤差總和滿足精度要求或訓(xùn)練次數(shù)達到5 000次，則結(jié)束訓(xùn)練，否則，修改權(quán)值和閾值后，繼續(xù)訓(xùn)練。

隱層輸出：

(1)

輸出層輸出：

(2)

其中，hj為隱含層各節(jié)點的輸入;yj為隱含層各節(jié)點的輸出;xi為輸入值;wij為輸入層到隱層的權(quán)值;θj為隱層閾值;ls為輸出層各節(jié)點輸入;Os為輸出層各節(jié)點的輸出;cjs為隱層到輸出層的權(quán)值;γj為輸出層閾值。

3 工程實例

本文以某水庫大壩為例，按照上文系統(tǒng)的功能模塊劃分和開發(fā)流程，以Revit為平臺，結(jié)合visual studio和C#語言，開發(fā)基于BIM技術(shù)的大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

3.1 大壩的三維建模

Revit中建模一般是先建立項目的軸網(wǎng)和標高，然后利用軟件自帶的樣板文件和族文件，建立三維模型，再依據(jù)軸網(wǎng)和標高準確放置。由于水工建筑物的結(jié)構(gòu)不同于一般的建筑物，無法直接使用Revit提供的樣板文件與族文件。為了充分展現(xiàn)水工建筑物的特點，本文利用二維的CAD圖紙，對大壩的不同部分，如壩體、防浪墻、正常溢洪道、泄洪涵洞等，通過放樣、拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)等操作，分別繪制三維模型，再通過軸網(wǎng)和標高進行整合，從而形成大壩的整體三維模型，如圖2所示。

為了更好地實現(xiàn)基于BIM的安全監(jiān)測功能，在大壩三維模型中放置監(jiān)測儀器的等比例三維模型，直觀體現(xiàn)儀器的類型以及布設(shè)位置[8]。利用Revit的“族”圖元特性，在項目中新建族模型，依照監(jiān)測儀器的實體裝置，通過放樣融合、旋轉(zhuǎn)等操作，創(chuàng)建各監(jiān)測儀器的三維模型，如圖3,圖4所示，并設(shè)置好模型的各項參數(shù)，如幾何尺寸、材料等，以儀器的名稱命名，載入項目文件夾中，形成自定義族庫。

布設(shè)大壩的各類監(jiān)測儀器時，利用自定義族庫，只需確定監(jiān)測儀器的類型和布設(shè)的具體位置，載入對應(yīng)的族模型，即可快速在系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)測儀器三維模型。

3.2 監(jiān)測信息可視化管理

大壩的監(jiān)測項目眾多，數(shù)據(jù)量大，為對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效的管理，本文利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合Revit二次開發(fā)，在Revit中建立監(jiān)測項目與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效便捷管理，并采用了兩種方法，一種是在菜單欄中建立與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的命令按鈕；另一種是通過監(jiān)測儀器的三維模型，直接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

大壩的安全監(jiān)測方案依據(jù)工程實際進行設(shè)計，例如降雨量監(jiān)測在工程中可以放置雨量計進行監(jiān)測，也可直接使用當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。考慮以上兩種情況，本文對降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)采用第一種關(guān)聯(lián)方式。

為實現(xiàn)降雨量監(jiān)測項目與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，在visual studio中新建類庫，添加引用“RevitAPI.dll”“RevitAPIUI.dll”，實現(xiàn)IExternalApplication接口。在類庫中新建winform窗體，獲取從數(shù)據(jù)庫中讀取的降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用C#語言編寫winform窗體與Revit交互代碼，并在菜單欄中生成相應(yīng)的命令按鈕，從而實現(xiàn)降雨量監(jiān)測項目與監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。使用者單擊Revit菜單欄中的“降雨”按鈕，即可查詢數(shù)據(jù)庫中降雨的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5所示。

系統(tǒng)對位移、滲流量等具有三維模型的監(jiān)測項目，使用了上文中的兩種方法關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，下文以位移監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)為例，對第二種方法的使用進行闡述。

基于Revit軟件參數(shù)化建模的特性，每個監(jiān)測儀器模型在建立時，擁有不同且唯一的ElementID[9]。在新建的類庫中，同樣添加引用并實現(xiàn)IExternalApplication接口，不同的是編譯代碼時，使用pick object()方法，將測點的ID號與類庫中的winform窗體綁定，從而實現(xiàn)儀器三維模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。使用者在系統(tǒng)中查看位移測點時，單擊該測點的三維模型，即可查詢該測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測分析

從系統(tǒng)中調(diào)用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測分析。本文以沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為例，采用模塊中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行分析預(yù)測。依據(jù)大壩的實際情況，選取時效因子t、水位因子h、前期雨量和(前3天)R1-3為輸入因子，將測點2018年9月1日～9月25日的實測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，當(dāng)模型的總體誤差降至0.001或訓(xùn)練次數(shù)達到5 000次時停止訓(xùn)練。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對測點的25組實測數(shù)據(jù)進行計算，并預(yù)測后3天的沉降，如圖7所示。其中沉降的實測值與擬合值的相對平均誤差為0.65%，預(yù)測沉降的平均相對誤差為0.58%，表明本文構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度較高，預(yù)測效果較好[10-11]。

4 結(jié)語

本文基于BIM技術(shù)，在Revit中，利用二維CAD圖紙建立工程的三維模型，依照監(jiān)測儀器實體裝置，建立監(jiān)測儀器族模型，并利用visual studio和C#語言，對Revit進行二次

開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的交互，內(nèi)建安全監(jiān)測模型，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析。以某水庫大壩作為工程實例，構(gòu)建大壩的安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，全方位呈現(xiàn)了大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器類型及布設(shè)，提高了安全監(jiān)測的可視化程度；數(shù)據(jù)管理模塊通過Revit與數(shù)據(jù)庫的交互，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理；監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對實測數(shù)據(jù)的預(yù)測分析取得較好的預(yù)測效果[12]。