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智能建造正在引领未来水电工程的建造方式

发布时间:2021-09-29 来源:西部决策网 人气:
   
  智能建造作为新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式 ,在实现工程要素资源数字化的基础上,通过规范化建模、网络化交互、可视化认知、高性能计算以及智能化决策支持,实现数字链驱动下的立项策划、规划设计、施(加)工生产、运维服务一体化集成与高效协同,交付以人为本、智能化的绿色可持续工程产品与服务]。智能建造应重点发展面向全产业链一体化的工程软件、面向智能工地的工程物联网、面向人机共融的智能化工程机械、面向智能决策的工程大数据等领域技术,支持工程建造全过程、全要素、全参与方协同和产业转型。随着水电工程建设技术方法手段由“人工化阶段→机械化与计算机化阶段→数字仿真和信息化阶段→智能建造阶段”演变],已经逐渐形成围绕“全面感知、真实分析、实时控制”的闭环智能控制理论,以监测数据仿真分析一体化、施工管理和预警控制在线化、关键工艺过程智能化的控制为核心,集智能化建坝技术和管理模式为一体,实现大型水电工程优质高效建造的技术体系。
  
  智能建造技术发展现状
  
  智能建造技术涉及水利水电工程的全生命周期,其技术体系主要由BIM技术、物联网技术、3D打印技术、人工智能技术、云计算和大数据技术等技术支撑搭建而成。
  
  (一)BIM技术。BIM 是建筑信息模型(Building Information Modeling)的英文简称,最初由建筑行业提出,后逐渐拓展到整个工程建设领域。我国从2000年开始有了BIM概念方面的学术研究;2005年Autodesk进入中国进行软件推广,BIM概念逐渐在国内被认知。基于 BIM(建筑信息模型)的三维协同设计是以数字技术为基础,以信息模型为载体,不同专业的人员组成协同设计团队,共享数据、信息和知识。对地形地质条件复杂、水工结构多样的水利水电工程,三维协同具有可视化、多专业协同、高仿真模拟、方便工程优化等特点。
  
  2016年10月中国水利水电勘测设计协会会员共同发起成立了水利水电BIM联盟;2017年中国水利水电勘测设计协会发布了《水利水电BIM标准体系》,奠定了水利水电BIM行业技术标准基础。水利水电行业依托“948”和“973”等科研计划取得了一批BIM研究成果,解决了部分应用难题,但研究成果还不具有行业通用性,国产化程度较低。中国电建华东院通过与Bently公司合作,已经研发出了自主知识产权的水利行业BIM设计软件产品,并有了一定市场占有率。
  
  (二)物联网技术。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是信息化时代的重要发展阶段,其英文名称是Internet of things(IOT),即物物相连的互联网。自 2012 年开始,国家提倡“互联网 +”,我国将物联网技术逐渐应用于各行各业。受物联网广泛应用的启发,王光谦等提出了智慧水利的概念[5]。物联网相关技术在智慧水利领域的研究和应用,主要集中在实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理等方面。物联网技术在水利水电行业中的应用主要是利用传感器、有线/无线网络、云计算、3S等技术实现水利信息的及时获取与科学管理,进而在全国范围内建立完善系统的水网,促进我国水利行业的可持续发展。基于水网,工作人员可以建立一个抗旱防洪、水质检测、多项数据监测管理、水利工程监管、水利信息共享的网络平台,让政府、企业与群众一起参与水利事业建设,实现水利系统的智能化管理。
  
  (三)3D打印技术。3D打印运用所需物品的原材料如金属、粉末、水泥等进行逐层、快速的生产工作,《经济学人》杂志认为3D打印技术为“第三次工业革命”,将广泛用于建筑行业的设计、施工、管理等方面,其自动化、高效率、材料丰富给建筑业带来了更加丰富的建筑结构,颠覆了传统的土木工程建造技术。过去20多年,中国向3D打印技术世界领先水平迈出了一大步,未来随着3D打印技术的发展,各领域将逐渐深化对该技术的应用与拓展。
  
  (四)人工智能技术。人工智能是计算机学科的—个分支,主要研究内容包括知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等。目前,人工智能技术在建筑业的应用已相当广泛,在建筑规划中结合运筹学和逻辑数学进行施工现场管理;在建筑结构中利用人工网络神经进行结构健康检测;在施工过程中应用人工智能机械手臂进行结构安装;以及在工程管理中利用人工智能系统对项目全周期进行管理[7]。人工智能技术将在富自然功能协调流域建设、水利水电工程群多目标联合调度技术[8]等方面发挥重要作用。
  
  (五)云计算和大数据技术。从建造之初的规划、设计到后期的运营等过程中,会产生大量的勘察、造价、材料、建筑、工艺、管理等方面的数据,各类数据集合使得水利水电工程本身成为一个庞大的数据载体,云计算和大数据技术的核心价值即在于存储海量数据,挖掘数据潜在价值,为管理决策提供真实可靠的数据依据[9]。比如在规划设计阶段,基于勘测大数据和遥感观测数据,对施工区域海量的多维度勘察信息进行智能分析,实现有用设计参考数据的快速提取和勘察数据的自动分类等;在施工建造阶段,基于大数据技术快速、实时、准确采集与处理建筑材料信息,采用RFID电子标签的阅读器在材料运输、进场、出入库时对其信息快速读取,并通过物联网进行跟踪和监控,使原料管理更为便捷、准确;在运维管理阶段,业主方能够充分利用技术远程监督基础设施及各类设备运转状况,从而及时发现存在风险并作出预警。基于大数据与云计算的智能管理平台是该阶段智能建造技术的主要应用成果。
  
  水电工程智能建造技术体系
  
  水电工程智能建造面向工程规划、建设、运行的全生命期,围绕水电工程建设质量、安全、进度、投资、环保及施工区管理等六大目标,通过统一规范的工程数据结构分解与编码体系,构建大坝全景信息模型,开发智能建造管理平台,在剖析工程结构和建造过程的基础上,构建了以单元工程及其工序与流程为基础的建设过程实时管理和调控系统,形成了面向工程建设全过程的资源要素数字化管理、业务流程数字化管控、工艺过程智能化控制、实物成本精准化分析的智能建造技术体系,最终实现水电工程全生命期真实工作性态的可知可控和管理绩效增值。
  
  (一)资源要素数字化管理。资源要素包括人、设备、材料等,以综合定位技术为基础,面向作业人员达标准入与人员、设备行为状态安全,研发可穿戴、便携式和车载式定位终端等,实现建设过程作业人员与物资设备等资源要素的准入管理和行动轨迹分析。通过位置信息的时空分布规律以及时长与消耗规律,实现人员和设备行为的智能识别,动态判断人员履职履责行为或设备运行状态违规与否。通过资源流动的实时动态精准管理,在合法性、合规性以及工程建设活动业务资格资质与工点岗位的匹配性上,消除人、机、料、法、环的变化带来的不确定性,消除隐患保证施工安全。
  
  (二)业务流程数字化管控。以规范化、格式化、标准化业务流程及其表格系统、定位技术和移动互联为基础,面向单元工程质量验收和安全隐患排查治理,借助移动端如手机、PAD和定位技术进行实时在线动态管理,实现业务流程和管理程序的“实时、实地、实人、实据、实物”管控,确保现场一线管理活动记录和资料的完整性、真实性、有效性、可追溯性,提高流程的过程质量和履约能力,可以实现单元工程中备料信息包括水泥和骨料等生产厂家、监测时间、监测结果等的电子化记录,达到源头控制,记录工序、单元等的验收情况,并根据工序和单元质量验收标准进行评定[10]。
  
  (三)工艺过程智能化控制。以施工工艺过程精细管理为主线,对施工过程(如基坑开挖、混凝土浇筑、混凝土温控、固结灌浆、帷幕灌浆、金属结构制作与安装、接缝灌浆、回填灌浆、接触灌浆等)和技术服务(如试验检测、安全监测、测量管理等)的各工序数据进行全面采集、集成分析与展示应用,通过智能温控管理、碾压质量管理、浇筑及振捣管理、灌浆质量管理[11]等系统功能实现业务链、各工序一条龙的智能优化分析,从而对其中某一环节进行调控,增强工艺过程的控制能力。
  
  (四)实物成本精准化分析。对材料设备等的实物直接投入,以及资源要素的过程变化,进行实时实地量化管理,实现时空环境下人力资源、设备动态、物资运输的在线实时动态调度和交互管理,通过定制式的单元工程如混凝土仓号的备仓、浇筑和养护的全过程管理,结合单元实物工程量和建设过程单仓,各工序资源消耗量,最终达到资源消耗优化、成本分析优化的协同管理,消除浪费,降低成本。以BIM模型为支撑,检索单元工程涉及的所有资料是否齐全,包括过程质量验评资料、过程变更依据以及后期计算书纸质资料等,确保工程施工资料的完整性和工程结算的准确性,有利于工程结算、审计和合同验收。
  
  结论与展望
  
  经过近20年的发展,水电工程建设已基本形成机械化、信息化、数字化为主体的建设格局,随着现代信息技术、数据技术与传感技术的快速发展,正朝着智能化方向迈进。国家对智能建造的扶持力度不断加大,智能建造正在引领着未来水电工程的建造方式。本文基于智能建造在水利行业的发展以及形势提出以下建议:
  
  一是建设单位应对重大、典型水电工程有明确BIM设计要求,引导BIM设计成果应用于工程全生命周期;
  
  二是设计单位应尽可能地提升设计水平,积极拥抱信息技术,增强设计成果数字化提交的水平;
  
  三是水利施工企业应加大信息化改造,各单位根据自身的项目管理制度形成智能建造管理平台,统一导入导出接口,传感器及各类型数据采集协议,开放数据共享;
  
  四是监理单位应尽快适应信息化监理方式和流程,参与到具体施工过程管理,注重资料积累和分析;
  
  五是运管单位应提升计算机应用水平,学习和掌握数据维护、报警处理、基本维护等基础技能,剖析需求,明确管理方式和要点;
  
  六是软件企业应看到智能建造的一片蓝海,加大研发投入和力度,从成果展示、业务流程、智能分析等多方面为各相关参与单位提供软件产品和服务。
  
  一场新革命已经开始,一个新时代正在到来,同时信息时代正在为各行各业创造快速发展的平台,智能建造技术将设计、施工、管理等各方数据整合起来,智慧水利、智慧城市、绿色建筑、特色小镇都将重新定义行业未来,智能建造必将成为引爆信息宇宙的“奇点”。
  
  (本文作者:张正伟,系民建中央科教委员会特邀委员、中国水电三局华中公司总经理助理,一级智能建造师)
责任编辑:艾米杰
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