智能建造正在引領未來水電工程的建造方式
2021-09-29 17:23:16
來源：西部決策網
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智能建造作為新一代信息技術與工程建造融合形成的工程建造創(chuàng)新模式 ，在實現工程要素資源數字化的基礎上，通過規(guī)范化建模、網絡化交互、可視化認知、高性能計算以及智能化決策支持，實現數字鏈驅動下的立項策劃、規(guī)劃設計、施（加）工生產、運維服務一體化集成與高效協同，交付以人為本、智能化的綠色可持續(xù)工程產品與服務]。智能建造應重點發(fā)展面向全產業(yè)鏈一體化的工程軟件、面向智能工地的工程物聯網、面向人機共融的智能化工程機械、面向智能決策的工程大數據等領域技術，支持工程建造全過程、全要素、全參與方協同和產業(yè)轉型。隨著水電工程建設技術方法手段由“人工化階段→機械化與計算機化階段→數字仿真和信息化階段→智能建造階段”演變]，已經逐漸形成圍繞“全面感知、真實分析、實時控制”的閉環(huán)智能控制理論，以監(jiān)測數據仿真分析一體化、施工管理和預警控制在線化、關鍵工藝過程智能化的控制為核心，集智能化建壩技術和管理模式為一體，實現大型水電工程優(yōu)質高效建造的技術體系。
智能建造技術發(fā)展現狀
智能建造技術涉及水利水電工程的全生命周期，其技術體系主要由BIM技術、物聯網技術、3D打印技術、人工智能技術、云計算和大數據技術等技術支撐搭建而成。
（一）BIM技術。BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文簡稱，最初由建筑行業(yè)提出，后逐漸拓展到整個工程建設領域。我國從2000年開始有了BIM概念方面的學術研究；2005年Autodesk進入中國進行軟件推廣，BIM概念逐漸在國內被認知?；?BIM（建筑信息模型）的三維協同設計是以數字技術為基礎，以信息模型為載體，不同專業(yè)的人員組成協同設計團隊，共享數據、信息和知識。對地形地質條件復雜、水工結構多樣的水利水電工程，三維協同具有可視化、多專業(yè)協同、高仿真模擬、方便工程優(yōu)化等特點。
2016年10月中國水利水電勘測設計協會會員共同發(fā)起成立了水利水電BIM聯盟；2017年中國水利水電勘測設計協會發(fā)布了《水利水電BIM標準體系》，奠定了水利水電BIM行業(yè)技術標準基礎。水利水電行業(yè)依托“948”和“973”等科研計劃取得了一批BIM研究成果，解決了部分應用難題，但研究成果還不具有行業(yè)通用性，國產化程度較低。中國電建華東院通過與Bently公司合作，已經研發(fā)出了自主知識產權的水利行業(yè)BIM設計軟件產品，并有了一定市場占有率。
（二）物聯網技術。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發(fā)展階段，其英文名稱是Internet of things(IOT)，即物物相連的互聯網。自 2012 年開始，國家提倡“互聯網 +”，我國將物聯網技術逐漸應用于各行各業(yè)。受物聯網廣泛應用的啟發(fā)，王光謙等提出了智慧水利的概念[5]。物聯網相關技術在智慧水利領域的研究和應用，主要集中在實時感知、水信互聯、過程跟蹤、智能處理等方面。物聯網技術在水利水電行業(yè)中的應用主要是利用傳感器、有線/無線網絡、云計算、3S等技術實現水利信息的及時獲取與科學管理，進而在全國范圍內建立完善系統(tǒng)的水網，促進我國水利行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；谒W，工作人員可以建立一個抗旱防洪、水質檢測、多項數據監(jiān)測管理、水利工程監(jiān)管、水利信息共享的網絡平臺，讓政府、企業(yè)與群眾一起參與水利事業(yè)建設，實現水利系統(tǒng)的智能化管理。
（三）3D打印技術。3D打印運用所需物品的原材料如金屬、粉末、水泥等進行逐層、快速的生產工作，《經濟學人》雜志認為3D打印技術為“第三次工業(yè)革命”，將廣泛用于建筑行業(yè)的設計、施工、管理等方面，其自動化、高效率、材料豐富給建筑業(yè)帶來了更加豐富的建筑結構，顛覆了傳統(tǒng)的土木工程建造技術。過去20多年，中國向3D打印技術世界領先水平邁出了一大步，未來隨著3D打印技術的發(fā)展，各領域將逐漸深化對該技術的應用與拓展。
（四）人工智能技術。人工智能是計算機學科的—個分支，主要研究內容包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統(tǒng)、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計等。目前，人工智能技術在建筑業(yè)的應用已相當廣泛，在建筑規(guī)劃中結合運籌學和邏輯數學進行施工現場管理；在建筑結構中利用人工網絡神經進行結構健康檢測；在施工過程中應用人工智能機械手臂進行結構安裝；以及在工程管理中利用人工智能系統(tǒng)對項目全周期進行管理[7]。人工智能技術將在富自然功能協調流域建設、水利水電工程群多目標聯合調度技術[8]等方面發(fā)揮重要作用。
（五）云計算和大數據技術。從建造之初的規(guī)劃、設計到后期的運營等過程中，會產生大量的勘察、造價、材料、建筑、工藝、管理等方面的數據，各類數據集合使得水利水電工程本身成為一個龐大的數據載體，云計算和大數據技術的核心價值即在于存儲海量數據，挖掘數據潛在價值，為管理決策提供真實可靠的數據依據[9]。比如在規(guī)劃設計階段，基于勘測大數據和遙感觀測數據，對施工區(qū)域海量的多維度勘察信息進行智能分析，實現有用設計參考數據的快速提取和勘察數據的自動分類等；在施工建造階段，基于大數據技術快速、實時、準確采集與處理建筑材料信息，采用RFID電子標簽的閱讀器在材料運輸、進場、出入庫時對其信息快速讀取，并通過物聯網進行跟蹤和監(jiān)控，使原料管理更為便捷、準確；在運維管理階段，業(yè)主方能夠充分利用技術遠程監(jiān)督基礎設施及各類設備運轉狀況，從而及時發(fā)現存在風險并作出預警?；诖髷祿c云計算的智能管理平臺是該階段智能建造技術的主要應用成果。
水電工程智能建造技術體系
水電工程智能建造面向工程規(guī)劃、建設、運行的全生命期，圍繞水電工程建設質量、安全、進度、投資、環(huán)保及施工區(qū)管理等六大目標，通過統(tǒng)一規(guī)范的工程數據結構分解與編碼體系，構建大壩全景信息模型，開發(fā)智能建造管理平臺，在剖析工程結構和建造過程的基礎上，構建了以單元工程及其工序與流程為基礎的建設過程實時管理和調控系統(tǒng)，形成了面向工程建設全過程的資源要素數字化管理、業(yè)務流程數字化管控、工藝過程智能化控制、實物成本精準化分析的智能建造技術體系，最終實現水電工程全生命期真實工作性態(tài)的可知可控和管理績效增值。
（一）資源要素數字化管理。資源要素包括人、設備、材料等，以綜合定位技術為基礎，面向作業(yè)人員達標準入與人員、設備行為狀態(tài)安全，研發(fā)可穿戴、便攜式和車載式定位終端等，實現建設過程作業(yè)人員與物資設備等資源要素的準入管理和行動軌跡分析。通過位置信息的時空分布規(guī)律以及時長與消耗規(guī)律，實現人員和設備行為的智能識別，動態(tài)判斷人員履職履責行為或設備運行狀態(tài)違規(guī)與否。通過資源流動的實時動態(tài)精準管理，在合法性、合規(guī)性以及工程建設活動業(yè)務資格資質與工點崗位的匹配性上，消除人、機、料、法、環(huán)的變化帶來的不確定性，消除隱患保證施工安全。
（二）業(yè)務流程數字化管控。以規(guī)范化、格式化、標準化業(yè)務流程及其表格系統(tǒng)、定位技術和移動互聯為基礎，面向單元工程質量驗收和安全隱患排查治理，借助移動端如手機、PAD和定位技術進行實時在線動態(tài)管理，實現業(yè)務流程和管理程序的“實時、實地、實人、實據、實物”管控，確保現場一線管理活動記錄和資料的完整性、真實性、有效性、可追溯性，提高流程的過程質量和履約能力，可以實現單元工程中備料信息包括水泥和骨料等生產廠家、監(jiān)測時間、監(jiān)測結果等的電子化記錄，達到源頭控制，記錄工序、單元等的驗收情況，并根據工序和單元質量驗收標準進行評定[10]。
（三）工藝過程智能化控制。以施工工藝過程精細管理為主線，對施工過程(如基坑開挖、混凝土澆筑、混凝土溫控、固結灌漿、帷幕灌漿、金屬結構制作與安裝、接縫灌漿、回填灌漿、接觸灌漿等)和技術服務(如試驗檢測、安全監(jiān)測、測量管理等)的各工序數據進行全面采集、集成分析與展示應用，通過智能溫控管理、碾壓質量管理、澆筑及振搗管理、灌漿質量管理[11]等系統(tǒng)功能實現業(yè)務鏈、各工序一條龍的智能優(yōu)化分析，從而對其中某一環(huán)節(jié)進行調控，增強工藝過程的控制能力。
（四）實物成本精準化分析。對材料設備等的實物直接投入，以及資源要素的過程變化，進行實時實地量化管理，實現時空環(huán)境下人力資源、設備動態(tài)、物資運輸的在線實時動態(tài)調度和交互管理，通過定制式的單元工程如混凝土倉號的備倉、澆筑和養(yǎng)護的全過程管理，結合單元實物工程量和建設過程單倉，各工序資源消耗量，最終達到資源消耗優(yōu)化、成本分析優(yōu)化的協同管理，消除浪費，降低成本。以BIM模型為支撐，檢索單元工程涉及的所有資料是否齊全，包括過程質量驗評資料、過程變更依據以及后期計算書紙質資料等，確保工程施工資料的完整性和工程結算的準確性，有利于工程結算、審計和合同驗收。
結論與展望
經過近20年的發(fā)展，水電工程建設已基本形成機械化、信息化、數字化為主體的建設格局，隨著現代信息技術、數據技術與傳感技術的快速發(fā)展，正朝著智能化方向邁進。國家對智能建造的扶持力度不斷加大，智能建造正在引領著未來水電工程的建造方式。本文基于智能建造在水利行業(yè)的發(fā)展以及形勢提出以下建議：
一是建設單位應對重大、典型水電工程有明確BIM設計要求，引導BIM設計成果應用于工程全生命周期；
二是設計單位應盡可能地提升設計水平，積極擁抱信息技術，增強設計成果數字化提交的水平；
三是水利施工企業(yè)應加大信息化改造，各單位根據自身的項目管理制度形成智能建造管理平臺，統(tǒng)一導入導出接口，傳感器及各類型數據采集協議，開放數據共享；
四是監(jiān)理單位應盡快適應信息化監(jiān)理方式和流程，參與到具體施工過程管理，注重資料積累和分析；
五是運管單位應提升計算機應用水平，學習和掌握數據維護、報警處理、基本維護等基礎技能，剖析需求，明確管理方式和要點；
六是軟件企業(yè)應看到智能建造的一片藍海，加大研發(fā)投入和力度，從成果展示、業(yè)務流程、智能分析等多方面為各相關參與單位提供軟件產品和服務。
一場新革命已經開始，一個新時代正在到來，同時信息時代正在為各行各業(yè)創(chuàng)造快速發(fā)展的平臺，智能建造技術將設計、施工、管理等各方數據整合起來，智慧水利、智慧城市、綠色建筑、特色小鎮(zhèn)都將重新定義行業(yè)未來，智能建造必將成為引爆信息宇宙的“奇點”。
(本文作者：張正偉，系民建中央科教委員會特邀委員、中國水電三局華中公司總經理助理，一級智能建造師)
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