BIM城市級鋼結構建筑群監測管理平臺數據交換技術探析

文_崔 玉（廣西交通職業技術學院，工程造價專業骨干教師、雙師型教師，高級工程師、講師，碩士）

一、城市級鋼結構建筑群監測管理平臺的背景

近年來，我國各中型城市鋼結構建設進入快速發展階段，同一城市內大型裝配式建筑連續集中興建。相較于普通建筑結構，各單體鋼結構建筑投資規模大、建設周期長，造型復雜，結構高度影響較大，在全壽命期運營和養護維修期間，建筑受各種因素影響或耦合共同作用，不可避免產生各種性能危機。同一城市同一階段建設的鋼結構建筑，其結構的損傷積累和抗力衰減具有某些類似性和相通性。因此，在鋼結構監測系統設計時，需通盤考慮城市級鋼結構建筑群在抵御自然災害和極端情況下，應對災難性突發事故的能力和措施，使系統具有良好的前瞻性和經濟性。

利用BIM技術對某市在建的城市級鋼結構建筑群監測管理平臺的架構、組成和功能等進行深入研究，分析監測平臺數據交換共享的關鍵難點，提出一種高效、便捷的基于BIM數據流驅動的數據交換技術，并設計基于數據流驅動的數據接口標準。

二、城市級鋼結構建筑群監測管理平臺總體設計

（一）平臺架構設計

城市級鋼結構建筑群監測管理平臺建設目標是基于鋼結構建筑“全壽命期”理念，為各單體鋼結構建筑建立集中完整的“電子檔案”，并進行同軟件平臺模塊化的設計與開發，便于未來各鋼結構建筑的生產、運輸、組裝、維護過程中所有靜態、動態數據的監測、檢測、巡查、加固、維修等，及其他同類建筑信息數據的管理、快速調用、綜合整理分析及輔助決策制定。

數據流程包括數據采集、數據整合、數據倉庫、前端客戶應用展現。平臺采用數據流驅動技術將相關分散業務系統數據進行數據整合，形成數據緩沖中間庫，該過程包括同地與異地的數據采集與整合，異構數據庫向同構數據庫的整合。并以業務需求、統計分析與決策支持需求為導向，按主題匯集決策數據建設數據倉庫。BIM即建筑群各類信息模型的集結，基于計算機數字化的相關技術，與實際工程建筑信息相組合，形成建筑的數據模型。平臺基于此理念設計一個中心數據庫，采用報表、Revit模型、三維數字等現代化工具，結合客制化系統訂制，開發數據中心應用展示系統，實現數據中心的用戶應用或者系統應用功能。

平臺系統及鋼結構建筑監測系統（以下簡稱“建筑系統”）承擔的工作內容如下。

（1）平臺總體目標，負責平臺總體設計并提出建筑系統建設和接入要求。負責設計平臺與各建筑系統的通信接口和數據接口標準，制定統一的界面風格標準，實現各建筑編制的系統功能和菜單的一致，監測界面風格的統一，確保平臺運行穩定、可靠、安全、高效，交互界面友好、美觀、操作便捷等。

（2）建筑系統總體目標，在建筑系統服從平臺要求的前提下，嚴格按照平臺總體設計的各項要求，遵照平臺總體設計明確通信接口和數據接口標準，按照系統功能和菜單的一致性以及監測界面風格的統一性要求，負責建筑系統功能實現及與平臺接口模塊的設計、開發和調試等工作。平臺系統與建筑系統是松散耦合關系，可并行進行開發和實施。

考慮某市對于鋼結構建筑安全監管的需求、后續受力的點型鋼監測及其他業務系統擴展接入的需求，對系統平臺軟、硬件體系架構設計采用虛擬化技術。在一次性投入服務器、磁盤陣列等硬件設施的基礎上，根據實際業務及數據接入需求在邏輯層面擴展相應的服務器及計算節點，滿足后續新增鋼結構建筑的監測、監控業務需求，避免數據中心重復投入建設，如圖1所示。

圖1 系統平臺邏輯結構

（二）平臺功能設計

城市級鋼結構建筑群監測管理平臺通過集約化遠程管理來實現鋼結構建筑的集中管理，以提高效率和水平。設計主要功能如下。

（1）自動化監測功能，接收由各工程節點傳感器、數據采集、傳輸設備等實時采集的環境特性信息和工程結構響應數據，通過平臺數據處理與控制模塊實現數據的在線預處理，同時在Web界面提供便捷的數據查看和操作方式。

（2）工廠監控功能，利用實時視頻技術對鋼結構工廠情況進行監視，通過動態監測控制系統提高工廠的質量管控能力，將最關鍵的設計信息匹配上數據化的生產控制和管理。通過科學計算實現可視化功能與性能的銜接預設、預制構件產品及進場裝置的排期計劃、標準化產品的生產控制，以及聯動優化實時修改的目的，并通過設計樣圖和構建模型的互聯網信息化數據，進一步提高信息的準確性，最終實現鋼結構分解構件自動化生產加工。

（3）構件運輸中安全報警與狀態評估功能，鋼結構構件屬于大型運輸構件，路線的不準確及監控的不到位都將影響構件的質量和到達現場的效率。通過對自動化監測數據進行統一的識別、處理、分析、報警，并對構件的運輸狀況和行車安全性進行分析評估，將有利于鋼結構構件運輸環節的順利進行。

（4）安裝工程質量管控功能，對單層和多高層鋼結構的主體構件、地下鋼構件、標條及墻架等次要結構、鋼平臺、馬路口、鋼梯、防護欄等結構安裝施工方面進行質量控制工作，使各部門責任人時刻對照與結構安裝測量校正、高強度螺栓連接摩擦面抗滑系數等有關的施工工藝及方法數據。

（5）數據存儲管理功能，對系統全壽命期的監測數據、施工期數據、預警數據等進行統一管理，實現對整個平臺所有數據的管理，完成數據歸檔、查詢、存儲。

（6）用戶權限管理功能，實現對用戶和角色具有的橋梁及頁面的權限進行管理。

（7）設備管理功能，實現對部分非承重裝配式構件的添加、維修、損壞等信息的輔助管理。

（8）后臺信息管理功能，實現消息發送管理工作、系統日志管理工作及參數設置、后端信息管理保護等的綜合功能。

三、基于數據流驅動的平臺數據交換技術研究

在以往的建筑檢測體系設計和數據中心健康檢測平臺構建中，各個建筑以及中心的應用子系統之間往往使用不同的信息技術與體系結構來建設各自的軟硬件體系，即使其為相應行業發展提供了良好的促進作用，但由于各信息系統數據獨立存儲，構成了一個個“信息孤島”，導致各行業系統內部很難進行資源共享，從而嚴重抑制了健康檢驗、監控和維護以及各有關部門間、各行業系統內部之間的協同性和效率的提高。如何在不修改自身操作系統的基礎上進行跨平臺數據存取，也成為本次平臺建設中需要考慮和解決的問題。

根據目前網絡大數據管理技術的發展情況，設計以數據流驅動的設計方向，利用BIM數據平臺的建設突破了當前“信息孤島”的現狀，構建了各種行業體系的大結構數據共享平臺并建立綜合信息庫。同時，通過利用統一的數據網絡平臺組建各業務體系內部數據的一個安全通道，在信息資源共享的基礎上也保證了各種行業數據的安全性。而從未來市場發展趨勢的角度看，當前建立的BIM數據網絡平臺已經能夠為今后新建的業務體系標準的確定奠定基礎，只要標準基本形成，新建業務體系就能夠直接使用共享的基礎信息庫數據，降低對數據收集的資金投入，更好地提高效率和服務質量。

數據驅動的模式是基于BIM數據分析網絡平臺的使用，主要用于異構信息系統內部的消息數據交換。但在消息數據交換流程中，數據交換網絡平臺自身需要處理的各種問題只有一小部分，其本質上就是一種中介件，在面對客戶時屏蔽信息系統底層的相關信息，包括網絡系統的協議、數據信息的傳送安全問題等，所以設計的消息數據交換網絡平臺并不具備業務系統自身的數據處理功能，只能利用程序將數據信息從業務信息系統中抽取出來，然后再上傳到消息數據交換平臺，無法自動地從一個業務信息系統中直接獲取數據消息。設計業務的應用操作系統利用消息數據交換平臺，在開發流程中不需要關心數據格式轉換、消息的傳送、數據信息路由等問題，而只需關注于業務自身的數據處理部門。業務與數據接口的脫離將極大提升效率，降低系統的耦合性。

平臺與各建筑子系統之間存在著“異地、異主、異構”的特性，即各子系統之間存在著所在地域不同、管理主體不同、技術架構不同的特性，為保證系統的整合性和數據的兼容性，設計者在吸取前人經驗的基礎上，提出了基于數據流驅動模型的數據交換平臺。各個建筑子系統可以從不同的途徑獲取建筑數據，并通過數據交換平臺為信息的交流與傳輸創造一條更安全的通道，從而實現省級平臺與建筑系統各類數據的歸集、轉換，為后續的數據挖掘分析提供必要的前提條件。

數據流驅動模型包括業務系統適配器、發送模塊、數據轉換中間件、接收模塊等部分，其工作流程如圖2所示。

圖2 數據流驅動模型工作流程

圖3 業務數據接口標準設計

數據流驅動模型主要工作流程如下。

（1）建筑系統A通過系統內置的業務系統適配器接口將業務數據流傳輸給發送模塊。

（2）發送模塊對建筑監測系統發送的數據流進行數據格式轉換，并通過中間件接口將數據發送給數據驅動模型。

（3）數據驅動模型接收建筑系統A的數據流，通過模型內部事先定義好的數據接口標準，實現數據整合及轉換，并發送給平臺系統B的數據接收模塊。

（4）接收模塊通過數據驅動模型將數據流信息轉化為監測平臺統一數據格式，并存儲在平臺數據庫中。

四、數據接口標準設計

數據流驅動模型的核心是數據接口標準的設計，主要包括業務數據標準和數據接口標準。

（一）業務數據接口標準

由于本系統是面向某市某區域下鋼結構工程的監測管理平臺，各建筑子系統之間存在著軟件架構不同、運行平臺不同的特點，因而采取具有跨平臺特性的Web Service技術進行業務數據接口的設計，平臺數據接口傳輸方式如圖3所示。

Web Service是一種新的Web應用程序分支，是模塊化、自包含、自描述的應用，可以發布、精準定位并通過Web端調用，可以執行從簡到繁的商務處理功能。一旦部署以后，其他Web Service應用程序可以搜索并調用它部署的服務。

對于涉及除監測數據以外的鋼結構構件維修養護、預警評估等類型的數據交換，平臺方與建筑方按照約定好的格式，采用Web Service技術編寫對應的業務數據接口標準，并在數據驅動模型的統一管理下實現數據交換共享。

表1 通用報文格式定義

（二）監測數據接口標準

實時監測數據存在數據量大、數據實時性要求高的特點，因此平臺與建筑數據接口采用TCP或UDP標準協議，建筑系統需將監測數據按照確定的報文格式組裝成數據包發送至平臺中心，平臺中心負責對建筑上送的報文進行解包、處理、存儲、顯示。

本系統與建筑系統之間以報文格式編譯實時監測數據，然后傳輸給平臺數據處理，報文格式有三種。

（1）通用報文格式適用于振動加速度、光纖光柵應變、位移、主梁撓度、溫濕度、風荷載等各類傳感器數據。

（2）GNSS報文格式僅適用于GNSS服務器發送的GNSS數據。

（3）車軸車速儀報文格式僅適用于車軸車速儀傳來的采集數據。針對不同數據類型，制定統一的數據上傳協議接口，以保證傳輸數據的正確性和穩定性。以通用報文格式為例，其詳細定義如表1所示。

五、結論

構建城市級鋼結構建筑群監測管理平臺可以較全面地把握鋼結構工程從建造到服役全過程的受力與損傷的演化規律，是保障大型鋼結構的建造和服役安全的有效手段，本文結合實際項目，主要做了以下幾方面的工作。

（1）提出城市級鋼結構建筑群監測管理平臺的總體架構，明確平臺采用的技術路線及平臺與建筑系統的工作界面劃分，通過平臺功能設計，構建系統生產自動化監測、運輸監控、建設安全報警與狀態評估四大功能模塊，為系統平臺的后續研發設計提供設計依據。

（2）針對多源跨平臺數據難以共享交換的難點，提出基于BIM數據流驅動的平臺數據交換技術，通過采用數據交換中間件技術，有效整合建筑及平臺各類數據，解決不同系統數據之間“異地、異構、異主”的關鍵性難題，大大提高了對各建筑子系統集中統一管理的能力。

（3）提出監測平臺與建筑監測系統的業務數據接口標準和監測數據接口標準，通過采用不同的數據交互技術，實現不同類型數據的快速共享交換，滿足平臺對于數據高可控性、高實時性、高安全性的要求，為建筑系統的接入提供了參考標準。