王智陽

摘 要：三河口水利樞紐是高碾壓混凝土拱壩，大壩建設規(guī)模居國內(nèi)已建同類壩型前茅，面臨眾多建設管控難題和提質增效建設管理要求?；贐IM技術建設“10+1”（10個子系統(tǒng)，1個平臺）施工期監(jiān)控管理智能化平臺，將現(xiàn)代信息技術與水利工程建設深度融合，剖析“10+1”平臺監(jiān)控管理智能化業(yè)務流程實施路線。圍繞智能溫控、碾壓質量，施工質量、進度仿真、變形監(jiān)測、灌漿質量、加漿振搗、人員車輛定位、視頻監(jiān)控、反演分析，提出了施工期監(jiān)控管理智能化平臺的實施路線、難點。

關鍵詞：水利工程;BIM;監(jiān)控管理;智能溫控;碾壓質量

Abstract：Sanhekou RCC arch dam is one of the few high RCC arch dams in China. The construction scale of the dam is in the forefront of similar dam types that have been built in China. It has faced many issues of construction， management and control and construction management requirements to improve the quality and efficiency. Based on the "10+1" （1 platform and 10 subsystems） intelligent platform for monitoring and management during the construction period built by BIM technology， this paper deeply integrated modern information technology with water conservancy project construction and the "10+1" platform monitoring and management implementation route of intelligent business processes were analyzed. Focusing on intelligent temperature control， rolling quality， construction quality， progress simulation， deformation monitoring， grouting quality， grouting and vibration， positioning of personnel and vehicles， video monitoring subsystem and back analysis， the implementation route， difficulty analysis， application effect and improvement thinking of intelligent platform for monitoring and management during construction period were summarized and explained.

Key words： hydraulic engineering; BIM; monitoring management; intelligent temperature control; rolling quality

隨著信息技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術不斷革新，智能化、現(xiàn)代化的智慧水利工程建設成為必然[1]。BIM技術作為一種能夠整合工程三維模型及工程全生命周期內(nèi)信息數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)參建各方相互協(xié)作的智能化管理技術，是智慧水利工程建設和管理的重要支撐[2-3]。1975年美國查克伊斯曼最早提出了BIM的概念。2005—2008年，美國、英國等掀起了BIM研究及應用的熱潮。我國BIM技術應用起步較晚，但發(fā)展迅速。2003年我國引入了BIM技術，并應用于建筑行業(yè)，在國家游泳中心、廣州珠江城大廈、上海中心大廈等工程的設計施工階段取得了良好效果[4]。之后BIM技術逐漸拓展到了水利行業(yè)，2017年水利水電BIM設計聯(lián)盟組織編制并發(fā)布了《水利水電BIM標準體系》[5]?，F(xiàn)階段，BIM技術在水利水電工程的設計、施工、管理等各個階段逐漸得到應用[6-7]。

三河口水利樞紐大壩是高碾壓混凝土拱壩，大壩建設規(guī)模居國內(nèi)已建同類壩型前茅，面臨眾多建設管控難題和提質增效建設管理要求。結合工程特點，大壩建設過程中的管控重點有：樞紐壩址所在地區(qū)年溫差大，溫控條件差，防裂難度大;碾壓混凝土抗裂能力相對常態(tài)混凝土偏弱，尤其是層間結合面質量控制難度大，層面防滲、抗裂能力較差;大壩澆筑過程中受結構形式、工藝要求以及澆筑機械與建筑材料等諸多因素影響，施工組織較為復雜;基礎灌漿工程受客觀條件影響大，如何減少人為干預，保證灌漿質量是工程亟待解決的問題;樞紐地處高山峽谷區(qū)，地形、地質條件復雜，蓄水后帶來的變形及應力問題不容輕視[8-11]。為提高施工質量、保障工程安全，三河口水利樞紐開工前，陜西省引漢濟渭工程建設有限公司基于BIM技術，利用大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術與水利工程相結合，對工程質量進行強有力的監(jiān)管，建設了“10+1”（10個子系統(tǒng)，1個平臺）管理平臺。

1 三河口水利樞紐施工期監(jiān)控管理智能化實施路線

在三河口水利樞紐碾壓混凝土拱壩確定的設計體型結構、設計施工分區(qū)、施工裝備下，結合變化的環(huán)境條件和流動的資源要素，實現(xiàn)科學管理大壩質量、安全提質增效的目標，運用現(xiàn)代信息技術手段（BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、可視化等），以產(chǎn)品及機械、環(huán)境過程為載體，采用信息自動采集、實時傳輸、動態(tài)分析、評價預警、終端推送、數(shù)據(jù)挖掘等方法，開展三河口水利樞紐施工期監(jiān)控管理智能化技術研究。三河口水利樞紐施工期監(jiān)控管理智能化實施路線見圖1。

2 項目實施重難點分析

（1）合理搭建樞紐區(qū)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和完整性。數(shù)據(jù)是信息的載體，將大壩施工過程中采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至服務器，分析、指導施工是水利工程智能建造的核心。大型水利水電工程地處偏遠山區(qū)，一般不具備移動公網(wǎng)條件，為保證壩體內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)實時傳輸至服務器，需要搭建無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。通過骨干回程鏈路點對點無線網(wǎng)橋、工業(yè)級AP和點對多點無線網(wǎng)橋組建無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，基本可以滿足施工過程中實時采集數(shù)據(jù)的要求，施工過程中通信點位應按照與工程布置相結合、與施工組織相融合、維護保養(yǎng)方便實用的原則設計?；炷涟韬拖到y(tǒng)、左右岸壩肩、大壩基坑和壩體、消力塘等部位都是傳感器重點布置區(qū)域，應在無線中心基站、骨干網(wǎng)橋布置與工程布置相結合的同時，做到維護保養(yǎng)方便、可行。施工過程中，塔吊吊裝、混凝土運輸、金屬結構安裝及施工臨時停電等都是影響網(wǎng)絡環(huán)境的重要因素，因此應合理搭建樞紐區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)，做到既保障網(wǎng)絡質量和安全，也避免不必要的硬件投資浪費。

（2）統(tǒng)籌考慮BIM模型搭建與業(yè)務需求。大壩混凝土澆筑過程中，設計單位一般按照設計體型進行建模，未考慮施工過程中單元倉位的劃分。建設期，BIM模型需要進行有效分割，并重新建立與實際分倉一致的模型才可以與施工過程信息相匹配。例如，為進行大壩施工期壩體溫度控制，BIM模型搭建時應充分考慮大壩澆筑的施工工藝、施工組織方案等，以動態(tài)反映混凝土分區(qū)、壩型變化、預埋件、溫度計、冷卻水管等的布置、調整和施工順序，以及施工進度等綜合信息。同時，為進行施工過程仿真建模，應將模型與施工組織計劃充分結合，建立可視化動態(tài)BIM，施工計劃產(chǎn)生的相關任務可以自動關聯(lián)到BIM模型上，調整施工進度圖后，進度安排也會自動更新，并在模型仿真中體現(xiàn)。通過建立與大壩施工過程動態(tài)關聯(lián)的BIM模型，可在項目建設前期實現(xiàn)進度信息、施工組織方案和施工過程模擬的可視化，在建設過程中模擬工程變更情況及風險事件發(fā)生的后果。設計變更、施工圖更改時，通過模型可以快速聯(lián)動修改施工進度計劃。例如，針對倉面施工仿真，應建立包括塔機、裝載車、皮帶機、真空溜槽、振動碾、履帶吊、推土機、裝載機等的組合施工模型，進行多施工設備共同運行時的動態(tài)仿真?；趥}面設計和澆筑設備的布置，實現(xiàn)大壩混凝土倉面澆筑的施工過程仿真模擬，通過對工藝過程的編排，動態(tài)優(yōu)化澆筑設備布置和施工程序，及時調配施工設備及數(shù)量以滿足施工需要，并在施工中保障各工序銜接。即BIM模型搭建時應考慮業(yè)務需求，在三維模型的基礎上，結合現(xiàn)場施工環(huán)境、施工工序，利用模型模擬現(xiàn)場施工全過程。

（3）分析采集的數(shù)據(jù)，指導現(xiàn)場施工管理。智能溫控、變形監(jiān)測、加漿振搗子系統(tǒng)等對現(xiàn)場的施工情況進行全方位監(jiān)測，獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。對這些海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，使其有效反饋至現(xiàn)場，指導現(xiàn)場施工管理至關重要。

各子系統(tǒng)工作時，設計要求、施工方案等資料被上傳至三河口水利樞紐智能建造建設管理平臺，同時依據(jù)相關規(guī)范對關鍵控制參數(shù)設置閾值及容許誤差。當子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與設計要求及施工方案相違背，或關鍵參數(shù)將要突破閾值時，平臺系統(tǒng)會進行提示;當關鍵參數(shù)超越閾值及容許誤差后，系統(tǒng)還會發(fā)出警報。管理人員可根據(jù)系統(tǒng)的提示信息，追溯現(xiàn)場問題進行整改優(yōu)化，以保證施工質量。同時反演分析子系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行仿真分析、安全質量評估及預測，為施工方案動態(tài)優(yōu)化調整提出合理建議。例如，實時監(jiān)測混凝土澆筑溫度，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，通過監(jiān)測信息與理想溫度過程線的對比，結合溫度傳感器設備參數(shù)分析計算下階段通水冷卻流量和溫度，并將通水參數(shù)的調整指令即時下達至通水控制硬件設備，從而實現(xiàn)對澆筑溫度的智能調控，保障混凝土澆筑質量。

同時，系統(tǒng)根據(jù)預先錄入的設計要求及規(guī)范標準對異常監(jiān)測數(shù)據(jù)進行報警，當最高溫度、降溫速率、表面溫度、溫度梯度等超出設計要求時，或根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢預判有可能超出設計要求時，系統(tǒng)自動生成報警信息，并將報警信息實時發(fā)送至相關人員的移動設備端，提示工作人員實施干預。

3 基于BIM技術的智能建造應用

基于BIM技術的建設期管理系統(tǒng)包括1個平臺和10個子系統(tǒng)，1個平臺就是基于BIM技術的智能化監(jiān)控管理平臺，10個子系統(tǒng)分別是智能溫控、碾壓質量、施工質量、進度仿真、變形監(jiān)測、灌漿質量、加漿振搗、人員車輛定位、視頻監(jiān)控、反演分析子系統(tǒng)。

（1）三河口水利樞紐施工智能化監(jiān)控管理平臺。針對項目實施各階段的信息流失、信息孤島問題，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的概念，建立水利樞紐施工智能化監(jiān)控管理平臺。該平臺基于BIM的三維數(shù)字化技術、信息交換標準、數(shù)據(jù)存儲及訪問技術、信息集成技術，對三河口水利樞紐的各階段信息進行集成，確保數(shù)據(jù)的一致性，為項目所有參與方提供共享操作和管理平臺。數(shù)據(jù)流程框架見圖2。

（2）智能溫控管理子系統(tǒng)。采用智能溫控管理子系統(tǒng)對大壩澆筑倉大體積混凝土進行全覆蓋。系統(tǒng)由軟件、硬件兩部分組成，工作原理是通過預先埋置的溫度傳感器實時監(jiān)測壩體溫度、調整冷卻通水流量，對大壩內(nèi)部溫度進行控制。

在實際施工過程中，壩后馬道安裝有進水包、回水包、四通換向閥、流量測控裝置以及分控站等設備，倉面內(nèi)埋設冷卻水管和溫度傳感器，同時通過手持式電子溫度計對出機口溫度、入倉溫度和澆筑溫度進行監(jiān)測。傳感器將采集的溫度信息無線傳輸?shù)綔乜毓芾碜酉到y(tǒng)，經(jīng)過運算轉化為溫控曲線，溫控系統(tǒng)自動對大體積混凝土的實測溫度曲線與標準溫度曲線進行對比。溫控系統(tǒng)基于氣溫信息、內(nèi)部溫度信息、通水水溫信息、材料絕熱溫升以及混凝土齡期等要素進行分析反演，自主制定冷卻通水方案，并通過無線網(wǎng)絡將具體的通水指令發(fā)送至流量調節(jié)控制裝置，通過電磁閥調整通水流量，以保證壩體溫度始終處于受控狀態(tài)。

（3）碾壓質量管理子系統(tǒng)。碾壓質量管理子系統(tǒng)通過在碾壓車輛上安裝具有高精度GPS接收機的監(jiān)測設備，實時采集壩面碾壓施工機械的碾壓信息，監(jiān)控對大壩澆筑碾壓質量有影響的相關參數(shù)。動態(tài)采集和監(jiān)測倉面碾壓機械運行軌跡、運行速度、振動狀態(tài)，實時自動計算和統(tǒng)計倉面任意位置處的碾壓遍數(shù)、壓實厚度、壓實后高程，并在大壩倉面施工數(shù)字地圖上可視化顯示，同時可供在線查詢。當碾壓機械運行速度、振動狀態(tài)、碾壓遍數(shù)和壓實厚度等不達標時，系統(tǒng)自動向車輛司機、現(xiàn)場監(jiān)理和施工人員發(fā)送報警信息，提示不達標的詳細內(nèi)容以及所在空間位置等，并在現(xiàn)場監(jiān)理分控站PC監(jiān)控終端上醒目提示，同時把該報警信息寫入施工異常數(shù)據(jù)庫備查。

（4）施工質量管理子系統(tǒng)。施工質量管理子系統(tǒng)以碾壓混凝土拱壩施工單元（澆筑倉）為核心，對碾壓遍數(shù)、碾壓厚度等數(shù)據(jù)進行采集，實時分析以及反饋共享，實現(xiàn)工程施工質量信息的在線查詢和管理。系統(tǒng)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)測結果等的電子化記錄，達到源頭控制;系統(tǒng)記錄工序、單元等的驗收情況，并根據(jù)工序和單元質量驗收標準進行評定。

（5）進度仿真管理子系統(tǒng)。進度仿真管理子系統(tǒng)通過建立工程三維單元模型，并在模型上疊加計劃進度數(shù)據(jù)，在三維模型上進行工程進度演示、工程進度對比分析、施工強度對比分析、施工進度計劃調整模擬等。它以項目的工序分解管理為依據(jù)，采用可視化方式為用戶提供工程進度計劃編制、工程進度模擬演示、工程進度計劃過程審批、實際進度信息管理、工程進度報表定制和施工影響因素分析等管理功能。

（6）變形監(jiān)測管理子系統(tǒng)。變形監(jiān)測管理子系統(tǒng)主要解決施工期大壩變形漏測問題，針對典型壩段，實時捕捉施工期壩體變形情況，滿足典型壩段變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及節(jié)點控制設備數(shù)據(jù)實時交互。分類顯示所采集的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過直觀對比采集的周期數(shù)據(jù)，進行大壩變形的分析及監(jiān)測效果評估，實現(xiàn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時管理與評價。同時根據(jù)評價結果開發(fā)大壩變形風險預警系統(tǒng)軟件，對施工要素進行智能預警及干預，通過人機互動方式對預警信息進行實時查詢及播報，并及時通知施工人員進行處理。

（7）灌漿質量管理子系統(tǒng)。灌漿質量管理子系統(tǒng)通過在灌漿廊道內(nèi)布置灌漿記錄儀，并在灌漿管路上安裝壓力、密度、流量傳感器，通過廊道內(nèi)的無線網(wǎng)絡，將所采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)焦酀{質量管理子系統(tǒng)當中，生成流量、壓力及密度等參數(shù)與時間的關系曲線。管理人員在未到達現(xiàn)場、未拿到紙質資料的情況下，可在系統(tǒng)中及時查看當前正在進行的灌漿質量情況，有效監(jiān)管施工過程。該系統(tǒng)實現(xiàn)了灌漿過程數(shù)字化、無人值守監(jiān)控，不再依靠人工記錄，既快捷又準確。

（8）加漿振搗管理子系統(tǒng)。加漿振搗管理子系統(tǒng)主要對碾壓混凝土大壩上下游變態(tài)混凝土區(qū)進行質量監(jiān)控，通過在加漿管路上安裝密度計、流量計等，以及在施工人員身上佩戴振搗監(jiān)測設備，實時監(jiān)測加漿濃度、加漿量以及振搗頻率，并回傳至系統(tǒng)，通過實時統(tǒng)計分析，指導施工。在施工作業(yè)中，可以查看加漿質量的實時數(shù)據(jù)，包括設備名稱、流量、漿液密度以及加漿區(qū)域等信息。通過系統(tǒng)以及移動端APP，直接發(fā)送預警信息提示現(xiàn)場施工人員，由施工人員及時調整加漿量，從而確保變態(tài)混凝土的施工質量。

（9）人員車輛定位子系統(tǒng)。人員車輛定位子系統(tǒng)通過對施工人員及車輛軌跡的實時獲取、違章時段和具體人員的實時分析、施工考勤的自動統(tǒng)計、信息智能發(fā)布的精準管控，實現(xiàn)對施工人員和施工車輛信息、安全作業(yè)情況的實時跟蹤。通過人機互動方式，對預警信息進行實時查詢及播報，及時通知工程管理人員進行處理。通過施工現(xiàn)場車輛跟蹤及人員定位系統(tǒng)整體分析，優(yōu)化生產(chǎn)計劃。

（10）視頻監(jiān)控管理子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控管理子系統(tǒng)對施工區(qū)進行無死角視頻監(jiān)控全覆蓋，如在料場、拌和樓、大壩澆筑倉位、重要施工道路沿線等布設高清攝像頭，實時監(jiān)控現(xiàn)場施工情況，并可查看，同時永久存儲重要部位及節(jié)點時段的視頻資料，作為工程檔案以備后期查閱。

（11）反演分析子系統(tǒng)。反演分析子系統(tǒng)基于溫控系統(tǒng)及大壩安全監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)信息，綜合運用大體積混凝土溫度場及溫度應力場三維有限元分析程序、AI數(shù)據(jù)挖掘技術等，實現(xiàn)大壩主體和基礎在建設過程中材料參數(shù)和邊界條件的反演，實現(xiàn)全壩段溫度場、溫度應力場，以及壩區(qū)滲流場的仿真分析和預測，分析混凝土開裂風險，評估大壩施工期和運行期工作狀態(tài)及安全性，為溫控措施和施工方案的動態(tài)優(yōu)化調整提出合理有效的建議，并為工程竣工驗收提供技術支持和參考依據(jù)。

4 項目實施的幾點思考

（1）從項目全壽命周期成本角度出發(fā)，將智能化投資納入初步設計批復概算統(tǒng)籌考慮。由項目承擔單位根據(jù)擬建工程的需求在充分論證技術可行性、經(jīng)濟合理性的基礎上，形成智能化技術需求書，根據(jù)技術需求書在初步設計中單列智能化專題，專題中應對必要的技術指標及設備規(guī)格、行業(yè)技術發(fā)展情況開展對比分析、調研論證。進行智能化投資批復時，應充分考慮項目的合理冗余度、技術先進性、經(jīng)濟合理性、標準化、模塊化以及結構化等，對投資概算進行有效管控。基于建設項目全生命周期成本管理，為避免智能化投資重建設而輕運營，增加智能化建設后評價的有關要求，對智能化建設實施方案、系統(tǒng)運營以及經(jīng)濟社會效益進行評價。

（2）結合人工智能（AI）技術，對施工大數(shù)據(jù)進行智能分析。水利樞紐智能管理系統(tǒng)在應用過程中會產(chǎn)生大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涉及面廣，現(xiàn)階段對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值發(fā)現(xiàn)還比較有限，隨著人工智能技術的應用，可以對系統(tǒng)內(nèi)的大量數(shù)據(jù)進行深度學習，總結歸納不同數(shù)據(jù)的訓練方法，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)不同類別數(shù)據(jù)間的相互關聯(lián)，并預判未來的發(fā)展趨勢。人工智能技術可以將數(shù)據(jù)定量分析和機器學習定性分析有機結合起來，提升水利樞紐智能管理系統(tǒng)的決策水平以及應用范圍。人工智能技術具有強大的自我學習能力和邏輯推理能力，將人工智能技術引入到水利樞紐智能管理系統(tǒng)中，能夠提高系統(tǒng)的自學習和自適應能力，隨著智能管理系統(tǒng)在工程建設周期中的應用，系統(tǒng)會更加了解工程特點以及參建方的使用需求，進而提升用戶體驗。

（3）重視項目實施過程中的考評機制，管理統(tǒng)籌規(guī)劃，推進動態(tài)調整。水利樞紐管理平臺作為一項新興產(chǎn)物，各參建方對其認識程度存在差異，為提高參建單位對平臺建設的積極性，可加強相關宣傳教育并制定相應的效益和考核機制。大型水利水電工程具有涉及專業(yè)多、結構復雜、施工難度大、建設周期長等特點。水利樞紐管理平臺建設時應在取得批復的情況下，統(tǒng)籌規(guī)劃工程建設全生命周期，提前考慮平臺搭建、模型建立、數(shù)據(jù)過濾等問題，并隨著工程建設階段的推進及現(xiàn)場施工情況的變化動態(tài)調整。

5 結 語

三河口水利樞紐通過“10+1”建設管理系統(tǒng)，提升了引漢濟渭拱壩工程建設的管理水平，應用成效體現(xiàn)在以下幾個方面：一是實現(xiàn)了海量施工質量、施工安全等各類監(jiān)控數(shù)據(jù)的自動獲取，在無人干預的情況下確保數(shù)據(jù)實時、有效、準確和完整，有效解決了現(xiàn)場監(jiān)控“不及時、不真實、不全面、不準確”的問題;二是實現(xiàn)了對大壩建設全過程溫度控制、碾壓質量、變形監(jiān)測、施工進度、澆筑信息及施工安全等信息的智能采集、統(tǒng)一集成、實時分析與智能監(jiān)控，對混凝土溫度控制、大壩碾壓、大壩壩基灌漿等建設全過程進行全自動智能化預警與控制，確保了大壩施工安全與工程質量;三是實現(xiàn)了水利工程建設的創(chuàng)新管理，既為打造優(yōu)質精品樣板工程提供強有力的保障，也為大壩樞紐的順利竣工驗收、安全鑒定及今后的安全運行管理提供支撐平臺。

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【責任編輯 呂艷梅】