智能建造正在引領(lǐng)未來水電工程的建造方式
2021-09-29 17:23:16
來源：西部決策網(wǎng)
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智能建造作為新一代信息技術(shù)與工程建造融合形成的工程建造創(chuàng)新模式 ，在實現(xiàn)工程要素資源數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過規(guī)范化建模、網(wǎng)絡(luò)化交互、可視化認(rèn)知、高性能計算以及智能化決策支持，實現(xiàn)數(shù)字鏈驅(qū)動下的立項策劃、規(guī)劃設(shè)計、施（加）工生產(chǎn)、運維服務(wù)一體化集成與高效協(xié)同，交付以人為本、智能化的綠色可持續(xù)工程產(chǎn)品與服務(wù)]。智能建造應(yīng)重點發(fā)展面向全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的工程軟件、面向智能工地的工程物聯(lián)網(wǎng)、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(shù)據(jù)等領(lǐng)域技術(shù)，支持工程建造全過程、全要素、全參與方協(xié)同和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。隨著水電工程建設(shè)技術(shù)方法手段由“人工化階段→機械化與計算機化階段→數(shù)字仿真和信息化階段→智能建造階段”演變]，已經(jīng)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(shù)據(jù)仿真分析一體化、施工管理和預(yù)警控制在線化、關(guān)鍵工藝過程智能化的控制為核心，集智能化建壩技術(shù)和管理模式為一體，實現(xiàn)大型水電工程優(yōu)質(zhì)高效建造的技術(shù)體系。
智能建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
智能建造技術(shù)涉及水利水電工程的全生命周期，其技術(shù)體系主要由BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3D打印技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)等技術(shù)支撐搭建而成。
（一）BIM技術(shù)。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(shè)領(lǐng)域。我國從2000年開始有了BIM概念方面的學(xué)術(shù)研究；2005年Autodesk進(jìn)入中國進(jìn)行軟件推廣，BIM概念逐漸在國內(nèi)被認(rèn)知?；?BIM（建筑信息模型）的三維協(xié)同設(shè)計是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息模型為載體，不同專業(yè)的人員組成協(xié)同設(shè)計團(tuán)隊，共享數(shù)據(jù)、信息和知識。對地形地質(zhì)條件復(fù)雜、水工結(jié)構(gòu)多樣的水利水電工程，三維協(xié)同具有可視化、多專業(yè)協(xié)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(shè)計協(xié)會會員共同發(fā)起成立了水利水電BIM聯(lián)盟；2017年中國水利水電勘測設(shè)計協(xié)會發(fā)布了《水利水電BIM標(biāo)準(zhǔn)體系》，奠定了水利水電BIM行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。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(yīng)用難題，但研究成果還不具有行業(yè)通用性，國產(chǎn)化程度較低。中國電建華東院通過與Bently公司合作，已經(jīng)研發(fā)出了自主知識產(chǎn)權(quán)的水利行業(yè)BIM設(shè)計軟件產(chǎn)品，并有了一定市場占有率。
（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)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(lián)網(wǎng)。自 2012 年開始，國家提倡“互聯(lián)網(wǎng) +”，我國將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)。受物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的啟發(fā)，王光謙等提出了智慧水利的概念[5]。物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在智慧水利領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，主要集中在實時感知、水信互聯(lián)、過程跟蹤、智能處理等方面。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利水電行業(yè)中的應(yīng)用主要是利用傳感器、有線/無線網(wǎng)絡(luò)、云計算、3S等技術(shù)實現(xiàn)水利信息的及時獲取與科學(xué)管理，進(jìn)而在全國范圍內(nèi)建立完善系統(tǒng)的水網(wǎng)，促進(jìn)我國水利行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；谒W(wǎng)，工作人員可以建立一個抗旱防洪、水質(zhì)檢測、多項數(shù)據(jù)監(jiān)測管理、水利工程監(jiān)管、水利信息共享的網(wǎng)絡(luò)平臺，讓政府、企業(yè)與群眾一起參與水利事業(yè)建設(shè)，實現(xiàn)水利系統(tǒng)的智能化管理。
（三）3D打印技術(shù)。3D打印運用所需物品的原材料如金屬、粉末、水泥等進(jìn)行逐層、快速的生產(chǎn)工作，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為3D打印技術(shù)為“第三次工業(yè)革命”，將廣泛用于建筑行業(yè)的設(shè)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(jié)構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)的土木工程建造技術(shù)。過去20多年，中國向3D打印技術(shù)世界領(lǐng)先水平邁出了一大步，未來隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)⒅饾u深化對該技術(shù)的應(yīng)用與拓展。
（四）人工智能技術(shù)。人工智能是計算機學(xué)科的—個分支，主要研究內(nèi)容包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學(xué)習(xí)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(shè)計等。目前，人工智能技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，在建筑規(guī)劃中結(jié)合運籌學(xué)和邏輯數(shù)學(xué)進(jìn)行施工現(xiàn)場管理；在建筑結(jié)構(gòu)中利用人工網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測；在施工過程中應(yīng)用人工智能機械手臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行管理[7]。人工智能技術(shù)將在富自然功能協(xié)調(diào)流域建設(shè)、水利水電工程群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)[8]等方面發(fā)揮重要作用。
（五）云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)。從建造之初的規(guī)劃、設(shè)計到后期的運營等過程中，會產(chǎn)生大量的勘察、造價、材料、建筑、工藝、管理等方面的數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)集合使得水利水電工程本身成為一個龐大的數(shù)據(jù)載體，云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心價值即在于存儲海量數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)潛在價值，為管理決策提供真實可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[9]。比如在規(guī)劃設(shè)計階段，基于勘測大數(shù)據(jù)和遙感觀測數(shù)據(jù)，對施工區(qū)域海量的多維度勘察信息進(jìn)行智能分析，實現(xiàn)有用設(shè)計參考數(shù)據(jù)的快速提取和勘察數(shù)據(jù)的自動分類等；在施工建造階段，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)快速、實時、準(zhǔn)確采集與處理建筑材料信息，采用RFID電子標(biāo)簽的閱讀器在材料運輸、進(jìn)場、出入庫時對其信息快速讀取，并通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控，使原料管理更為便捷、準(zhǔn)確；在運維管理階段，業(yè)主方能夠充分利用技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)督基礎(chǔ)設(shè)施及各類設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況，從而及時發(fā)現(xiàn)存在風(fēng)險并作出預(yù)警。基于大數(shù)據(jù)與云計算的智能管理平臺是該階段智能建造技術(shù)的主要應(yīng)用成果。
水電工程智能建造技術(shù)體系
水電工程智能建造面向工程規(guī)劃、建設(shè)、運行的全生命期，圍繞水電工程建設(shè)質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資、環(huán)保及施工區(qū)管理等六大目標(biāo)，通過統(tǒng)一規(guī)范的工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解與編碼體系，構(gòu)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(jié)構(gòu)和建造過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以單元工程及其工序與流程為基礎(chǔ)的建設(shè)過程實時管理和調(diào)控系統(tǒng)，形成了面向工程建設(shè)全過程的資源要素數(shù)字化管理、業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管控、工藝過程智能化控制、實物成本精準(zhǔn)化分析的智能建造技術(shù)體系，最終實現(xiàn)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(shù)字化管理。資源要素包括人、設(shè)備、材料等，以綜合定位技術(shù)為基礎(chǔ)，面向作業(yè)人員達(dá)標(biāo)準(zhǔn)入與人員、設(shè)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(xiàn)建設(shè)過程作業(yè)人員與物資設(shè)備等資源要素的準(zhǔn)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(xiàn)人員和設(shè)備行為的智能識別，動態(tài)判斷人員履職履責(zé)行為或設(shè)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(zhǔn)管理，在合法性、合規(guī)性以及工程建設(shè)活動業(yè)務(wù)資格資質(zhì)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(wù)流程數(shù)字化管控。以規(guī)范化、格式化、標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)流程及其表格系統(tǒng)、定位技術(shù)和移動互聯(lián)為基礎(chǔ)，面向單元工程質(zhì)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(shù)進(jìn)行實時在線動態(tài)管理，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程和管理程序的“實時、實地、實人、實據(jù)、實物”管控，確保現(xiàn)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(zhì)量和履約能力，可以實現(xiàn)單元工程中備料信息包括水泥和骨料等生產(chǎn)廠家、監(jiān)測時間、監(jiān)測結(jié)果等的電子化記錄，達(dá)到源頭控制，記錄工序、單元等的驗收情況，并根據(jù)工序和單元質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定[10]。
（三）工藝過程智能化控制。以施工工藝過程精細(xì)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(jié)灌漿、帷幕灌漿、金屬結(jié)構(gòu)制作與安裝、接縫灌漿、回填灌漿、接觸灌漿等)和技術(shù)服務(wù)(如試驗檢測、安全監(jiān)測、測量管理等)的各工序數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集、集成分析與展示應(yīng)用，通過智能溫控管理、碾壓質(zhì)量管理、澆筑及振搗管理、灌漿質(zhì)量管理[11]等系統(tǒng)功能實現(xiàn)業(yè)務(wù)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(jìn)行調(diào)控，增強工藝過程的控制能力。
（四）實物成本精準(zhǔn)化分析。對材料設(shè)備等的實物直接投入，以及資源要素的過程變化，進(jìn)行實時實地量化管理，實現(xiàn)時空環(huán)境下人力資源、設(shè)備動態(tài)、物資運輸?shù)脑诰€實時動態(tài)調(diào)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(hù)的全過程管理，結(jié)合單元實物工程量和建設(shè)過程單倉，各工序資源消耗量，最終達(dá)到資源消耗優(yōu)化、成本分析優(yōu)化的協(xié)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(zhì)量驗評資料、過程變更依據(jù)以及后期計算書紙質(zhì)資料等，確保工程施工資料的完整性和工程結(jié)算的準(zhǔn)確性，有利于工程結(jié)算、審計和合同驗收。
結(jié)論與展望
經(jīng)過近20年的發(fā)展，水電工程建設(shè)已基本形成機械化、信息化、數(shù)字化為主體的建設(shè)格局，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)與傳感技術(shù)的快速發(fā)展，正朝著智能化方向邁進(jìn)。國家對智能建造的扶持力度不斷加大，智能建造正在引領(lǐng)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(shè)單位應(yīng)對重大、典型水電工程有明確BIM設(shè)計要求，引導(dǎo)BIM設(shè)計成果應(yīng)用于工程全生命周期；
二是設(shè)計單位應(yīng)盡可能地提升設(shè)計水平，積極擁抱信息技術(shù)，增強設(shè)計成果數(shù)字化提交的水平；
三是水利施工企業(yè)應(yīng)加大信息化改造，各單位根據(jù)自身的項目管理制度形成智能建造管理平臺，統(tǒng)一導(dǎo)入導(dǎo)出接口，傳感器及各類型數(shù)據(jù)采集協(xié)議，開放數(shù)據(jù)共享；
四是監(jiān)理單位應(yīng)盡快適應(yīng)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(yīng)提升計算機應(yīng)用水平，學(xué)習(xí)和掌握數(shù)據(jù)維護(hù)、報警處理、基本維護(hù)等基礎(chǔ)技能，剖析需求，明確管理方式和要點；
六是軟件企業(yè)應(yīng)看到智能建造的一片藍(lán)海，加大研發(fā)投入和力度，從成果展示、業(yè)務(wù)流程、智能分析等多方面為各相關(guān)參與單位提供軟件產(chǎn)品和服務(wù)。
一場新革命已經(jīng)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(shù)將設(shè)計、施工、管理等各方數(shù)據(jù)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(jīng)理助理，一級智能建造師)
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