田 繼 榮，張 帥，林 瀚 文，岳 超

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，國內(nèi)外眾多學(xué)者在工程的智能化建造與管控方面進行了廣泛的探索。在國內(nèi)，張磊等[1]采用信息化的技術(shù)手段，在黃登水電站建設(shè)過程中建立了大壩混凝土智能溫控監(jiān)控系統(tǒng)，為混凝土溫控防裂提供了有力的技術(shù)手段；張國新等[2]基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，對從原材料的預(yù)冷到混凝土的表面養(yǎng)護進行了全過程的監(jiān)控管理，有效地提高了混凝土溫控管理水平；樊啟祥等[3]研發(fā)的智能灌漿系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)灌漿一鍵式的閉環(huán)智能控制；鐘登華等[4-6]近年來在水電站智能建設(shè)方面做了大量的研究，將人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)手段與大壩建設(shè)相融合，形成了以智能灌漿、智能碾壓、智能仿真、智能溫控為核心技術(shù)的大壩智能管理集成平臺。在國外，現(xiàn)有的工程建設(shè)基礎(chǔ)管理平臺多基于商業(yè)軟件實現(xiàn)，如Microsoft公司的Microsoft Project系列軟件、Primavera Project Planner軟件[7]、WorkBench C PMW[8]等，但上述軟件都側(cè)重于工程施工進度等方面的管理，缺乏工程智能建造方面的研究?？傮w來說，已有的研究雖然已針對水電站施工過程中重要施工工序采用了較為成熟的智能化手段來管理，但忽略了施工現(xiàn)場之外的物資、投資以及技術(shù)等方面的數(shù)字化管理，并且缺乏一個統(tǒng)一的管理系統(tǒng)將其進行集成，以實現(xiàn)對工程建設(shè)的全過程數(shù)字化統(tǒng)一管控。

本文主要從工程建設(shè)管理的角度，探討“1+1+N”的數(shù)字化建設(shè)管理模式在西藏DG水電站工程中的應(yīng)用。

1 “1+1+N”的數(shù)字化建設(shè)管理模式

DG水電站為二等大(2)型工程，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，攔河壩為碾壓混凝土重力壩。作為地處高寒地帶的大型水電工程，DG水電站工程不僅具有規(guī)模大、難度高、施工周期長、數(shù)據(jù)和信息處理的工作量大、管理極其復(fù)雜等特點，而且復(fù)雜惡劣的自然條件也給現(xiàn)場的工程管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，利用傳統(tǒng)的工程管理模式與手段已經(jīng)無法滿足工程建設(shè)管理的要求。因此，有必要采用先進的技術(shù)手段管理工程信息與數(shù)據(jù)，利用高效的管理模式提高工程管理水平，從而為工程提質(zhì)增效提供有力的保障。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，信息化、數(shù)字化技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于水電工程建設(shè)過程中[9]。建筑信息模型(BIM)主要是應(yīng)用幾何學(xué)、空間關(guān)系和地理信息系統(tǒng)等學(xué)科知識來管理和存儲建筑物整個生命周期中的信息，具有完整性、參數(shù)化、信息集成、可視化等優(yōu)勢及特征[10]。為了提高工程管理效率和管理水平，響應(yīng)國家大力提倡的工業(yè)化與信息化“兩化”深度融合的要求，DG水電站工程項目組從工程建設(shè)管理的實際需求出發(fā)，將傳統(tǒng)水電工程建設(shè)管理的模式進行了創(chuàng)新，以工程全信息三維模型(BIM)為載體，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和移動端等前沿信息技術(shù)，提出了基于“1+1+N”的大型水電站數(shù)字化建設(shè)管理模式并且成功應(yīng)用于DG水電站，即“1個BIM工程數(shù)據(jù)中心+1個工程管理信息系統(tǒng)+混凝土碾壓質(zhì)量控制、灌漿智能管理、大壩混凝土智能溫控以及施工期視頻監(jiān)控等N項智能建造技術(shù)”。該管理模式不僅克服了DG水電站建設(shè)過程中存在的海量工程信息與數(shù)據(jù)管理困難、分析深度不足等問題，而且成功實現(xiàn)了DG水電站工程的科學(xué)、高效與精細化管理，最終實現(xiàn)了DG水電站單項目、全要素、全方位的數(shù)字化管理與智慧化管控?！?+1+N”的數(shù)字化建設(shè)管理模式總體思路如圖1所示。

圖1 “1+1+N”數(shù)字化建設(shè)管理模式總體思路Fig.1 General idea of “1+1+N” digital construction management mode

1.1 BIM工程數(shù)據(jù)中心

為進一步提升DG水電站工程建設(shè)期的工作效率和質(zhì)量，加強工程建設(shè)期各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的交互和關(guān)聯(lián)，打破工程“數(shù)據(jù)孤島”，使得各個獨立應(yīng)用系統(tǒng)通過工程數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、集成和無縫連結(jié)，DG水電站建立了跨地域、跨系統(tǒng)的BIM工程數(shù)據(jù)中心，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成奠定了基礎(chǔ)。

BIM工程數(shù)據(jù)中心可以將工程數(shù)據(jù)以三維BIM模型為載體進行聯(lián)動分析與可視化展示。通過將施工BIM模型切分至單元工程級，并且以編碼為紐帶，可以實現(xiàn)BIM模型與各類工程數(shù)據(jù)之間的有機關(guān)聯(lián)，最終形成基于BIM模型的工程數(shù)據(jù)中心，從而可以實現(xiàn)各功能模塊數(shù)據(jù)之間的互相調(diào)取與聯(lián)動分析。例如進度管理模塊產(chǎn)生的工程算量相關(guān)數(shù)據(jù)，投資管理模塊可通過工程數(shù)據(jù)中心直接調(diào)用；物資管理模塊中的甲供物資核銷數(shù)據(jù)可以直接調(diào)用，作為結(jié)算管理扣除甲供材料費用的直接依據(jù)。

BIM工程數(shù)據(jù)中心不僅為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供信息服務(wù)，而且能夠為后期電站全生命周期管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過工程數(shù)據(jù)中心對工程建設(shè)期海量數(shù)據(jù)的存儲、處理和挖掘，真正實現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)的流動、共享與增值，打破了傳統(tǒng)管理模式下的“數(shù)據(jù)孤島”，使得參建各方之間的溝通更加協(xié)同、有效，有效提高了DG水電站工程的建設(shè)管理水平。BIM工程數(shù)據(jù)中心示意圖如圖2所示。

圖2 BIM工程數(shù)據(jù)中心Fig.2 BIM engineering data center

1.2 工程管理信息系統(tǒng)

我國由于工程建設(shè)體制的原因，使得工程設(shè)計、施工在相當長一段時間內(nèi)分別由不同的企業(yè)主導(dǎo)實施完成，導(dǎo)致工程項目設(shè)計、施工的融合度相對較低。DG水電站工程項目組針對大型水電工程項目設(shè)計、施工融合度低的管理難題，按照工程管理“橫向到邊，縱向到底”的原則，研發(fā)并上線了可模塊化配置的工程管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了DG水電站工程設(shè)計施工的一體化管控。該系統(tǒng)以水電站全生命周期管理為建設(shè)理念，針對水電站全生命周期的技術(shù)和管理特點，建立了DG水電站主體建筑物(大壩、消力池及廠房等)三維信息模型，并在工程建設(shè)期間對三維信息模型進行更新、維護和處理，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準體系和通信標準，提高了電站建設(shè)期各類數(shù)據(jù)的集成和信息共享性能，消除了電站“數(shù)據(jù)孤島”，滿足了工程建設(shè)期業(yè)主單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位及施工單位的工程管理需求，實現(xiàn)了基于BIM模型和數(shù)字化、信息化技術(shù)的工程設(shè)計、進度、質(zhì)量、投資、安全等全方位工程建設(shè)管控，并且能夠為電站運行期的數(shù)字化運維管理提供可繼承的工程數(shù)據(jù)中心。

1.2.1系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)

基于DG水電站工程管理的實際需求，工程管理信息系統(tǒng)由以下三大部分構(gòu)成，即：計算機網(wǎng)絡(luò)及資源、工程數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)應(yīng)用及在線服務(wù)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

(1) 計算機網(wǎng)絡(luò)及資源。包括計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

(2) 工程數(shù)據(jù)中心。包括數(shù)據(jù)建模層、數(shù)據(jù)控制層以及數(shù)據(jù)服務(wù)層。主要功能為存儲和管理工程相關(guān)信息與數(shù)據(jù)，是保證工程數(shù)據(jù)快速存儲、即時共享和高效流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。此外，工程數(shù)據(jù)中心以相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，明確了系統(tǒng)集成的規(guī)范以及各模塊運行所需的數(shù)據(jù)接口，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架。

(3) 業(yè)務(wù)應(yīng)用及在線服務(wù)。包括基礎(chǔ)模塊和業(yè)務(wù)子模塊?；诠こ虜?shù)據(jù)中心這一基礎(chǔ)框架，以工程管理的實際需求為建設(shè)目標，向參建各方提供服務(wù)于工程管理的功能應(yīng)用與技術(shù)服務(wù)。其中基礎(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)由用戶通過WEB端和APP鍵入獲得，業(yè)務(wù)子模塊中的工程技術(shù)管理、工程進度管理、工程物資管理等模塊的數(shù)據(jù)由用戶通過WEB端和APP鍵入獲得，而智能碾壓等4個智能建造子模塊的數(shù)據(jù)則是通過專門的數(shù)據(jù)接口將相應(yīng)的數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)內(nèi)。此外各個模塊間的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)互相聯(lián)動，例如物資管理模塊中物資核銷數(shù)據(jù)可通過工程數(shù)據(jù)中心直接調(diào)用到投資管理模塊內(nèi)，質(zhì)量驗評APP內(nèi)鍵入得到的澆筑進度數(shù)據(jù)可通過工程數(shù)據(jù)中心直接調(diào)用到進度管理模塊作為實際進度數(shù)據(jù)。

1.2.2系統(tǒng)主要功能模塊

DG水電站工程管理信息系統(tǒng)涵蓋了工程技術(shù)管理、工程進度管理、工程質(zhì)量管理、工程安全管理、工程物資管理、工程投資管理等功能模塊，并且集成了工程安全監(jiān)測、灌漿智能管理、大壩混凝土溫控、碾壓智能管理、施工期視頻監(jiān)控等功能模塊，此外還包含了水電站質(zhì)量驗評APP以及隱患管理APP等移動端應(yīng)用，實現(xiàn)了DG水電站設(shè)計施工信息與數(shù)據(jù)的全專業(yè)、全過程和全范圍歸集。系統(tǒng)主要功能模塊以及典型界面如圖4～5所示。

1.3 智能建造關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1混凝土碾壓質(zhì)量控制技術(shù)

碾壓質(zhì)量控制是碾壓混凝土重力壩施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到大壩安全[11]。為了保證碾壓混凝土大壩的施工質(zhì)量，DG水電站采用了先進的混凝土碾壓質(zhì)量控制技術(shù)，通過在碾壓車輛上安裝集成高精度GNSS接收機的監(jiān)測設(shè)備以及使用自主通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，對壩面碾壓施工機械的運行軌跡、速度、振動狀態(tài)等參數(shù)進行實時監(jiān)控，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大壩碾壓質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與可視化查詢以及質(zhì)量控制指標超標自動預(yù)警等功能，確保碾壓混凝土重力壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。此外，通過數(shù)據(jù)接口的方式將大壩混凝土碾壓施工監(jiān)控成果接入工程管理信息系統(tǒng)智能碾壓管理模塊，從而便于參建各方管理人員及時查詢碾壓質(zhì)量圖形報表，為大壩混凝土碾壓施工質(zhì)量驗收和碾壓質(zhì)量控制提供決策依據(jù)。大壩混凝土碾壓報警預(yù)警反饋控制機制如圖6所示。

圖3 DG水電站工程管理信息系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of DG Hydropower Project engineering management information system

圖4 DG水電站工程管理信息系統(tǒng)模塊設(shè)置Fig.4 Module setting of DG Hydropower Project engineering management information system

圖5 DG水電站工程管理信息系統(tǒng)典型界面Fig.5 Typical interface of DG Hydropower Project engineering management information system

1.3.2灌漿智能管理技術(shù)

DG水電站工程樞紐區(qū)固結(jié)灌漿及防滲帷幕孔眾多，灌漿施工質(zhì)量把控困難，施工過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大。對于現(xiàn)場質(zhì)量管控人員來說，無論是工程量計量判別，還是灌漿質(zhì)量評價，都需要與地質(zhì)條件相結(jié)合，且需要大量的圖表配合進行分析。通過將DG水電站全部灌漿記錄儀接入無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了灌漿數(shù)據(jù)與工程管理信息系統(tǒng)的實時傳輸以及灌漿施工異常情況的實時監(jiān)測與報警，為現(xiàn)場管理人員提供了反饋信息和決策支持。

1.3.3大壩混凝土智能溫控技術(shù)

大壩施工期溫控的目的是通過人工通水冷卻實施溫度控制，使混凝土溫度保持在設(shè)計的“溫度-時間-空間曲線”附近，從而使混凝土質(zhì)量可控[12]。DG水電站采用大壩混凝土智能溫控技術(shù)實現(xiàn)了大壩混凝土施工和溫控信息的實時采集與傳輸、溫控信息的可視化高效管理、溫控信息評價和自動預(yù)警以及通水冷卻系統(tǒng)的自動化智能控制等功能，并且通過數(shù)據(jù)接口的方式將大壩混凝土智能溫控系統(tǒng)接入工程管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫控信息的實時查詢與展示，為工程質(zhì)量監(jiān)督、評定和驗收提供了參考依據(jù)。

圖6 大壩混凝土碾壓報警預(yù)警反饋控制機制Fig.6 Early warning and feedback control mechanism of dam concrete rolling

1.3.4施工期視頻監(jiān)控技術(shù)

在DG水電站主要施工區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控，對施工區(qū)域的物資堆放區(qū)以及主要工作面進行監(jiān)控，通過系統(tǒng)開發(fā)將施工期視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息進行整合，實現(xiàn)視頻監(jiān)控信息的在線實時查詢以及錄像回放。通過查詢監(jiān)控歷史視頻找尋工程建設(shè)的各個階段的施工面貌，可以實現(xiàn)工程施工過程中的問題追溯。

2 應(yīng)用效果

DG水電站項目組針對高寒地區(qū)大型水電工程項目建設(shè)管理的特點，應(yīng)用“1+1+N”的管理模式進行了工程數(shù)字化建設(shè)管理，目前已經(jīng)取得了良好的效果。

總體來說，BIM工程數(shù)據(jù)中心將建設(shè)期的海量工程數(shù)據(jù)進行存儲、處理和挖掘，有效打破了傳統(tǒng)管理模式下參建各方之間的“數(shù)據(jù)孤島”。工程管理信息系統(tǒng)以BIM技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維可視化技術(shù)等為基礎(chǔ)，結(jié)合項目劃分、施工進度、質(zhì)量驗評等實際工程數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化手段實現(xiàn)了DG水電站工程基于BIM模型的工程設(shè)計、進度、質(zhì)量、投資、安全等維度的綜合管理，通過“多維BIM”技術(shù)實現(xiàn)了工程建設(shè)的可視化動態(tài)管控。與此同時，工程管理信息系統(tǒng)的使用實現(xiàn)了華電西藏公司、DG水電分公司以及參建各方的協(xié)同運轉(zhuǎn)、高效管理和科學(xué)決策，提升了工程管理的效率和水平。此外，混凝土碾壓質(zhì)量控制、灌漿智能管理、大壩混凝土智能溫控以及施工期視頻監(jiān)控等智能建造關(guān)鍵技術(shù)的使用為DG水電站工程質(zhì)量監(jiān)督與控制提供了決策依據(jù)。

具體而言：① 該模式極大地簡化了工程數(shù)據(jù)管理難度，提高了項目現(xiàn)場的工作效率。系統(tǒng)自正式投入使用以來，工程技術(shù)管理、工程安全管理、物資管理及投資管理等各個模塊內(nèi)各類報審流程達2 491條，流程操作節(jié)點上萬個。無紙化的線上文件報審節(jié)省人力投入達70%，各類技術(shù)文件審查時間由9.3 d減少到4.1 d，減少了56%。質(zhì)量驗評方面通過移動端質(zhì)量驗評APP共提交了6 242張電子表單，平均驗評耗時由1.3 h降低至0.4 h。此外，BIM工程數(shù)據(jù)中心將建設(shè)期的海量工程數(shù)據(jù)進行存儲、處理和挖掘，有效打破了傳統(tǒng)管理模式下參建各方之間的“數(shù)據(jù)孤島”，便于現(xiàn)場管理人員隨時隨地快速對這些數(shù)據(jù)進行查詢、調(diào)用與管理，而傳統(tǒng)的紙質(zhì)管理模式，如此海量的工程數(shù)據(jù)將使后續(xù)數(shù)據(jù)的查詢與管理費時、費力，數(shù)據(jù)管理難度極大。② 該模式實現(xiàn)了DG水電站工程建設(shè)的精細化管理。例如，傳統(tǒng)的監(jiān)理旁站的碾壓質(zhì)量控制方式，主觀性強、質(zhì)量控制效果欠佳，而且事后檢測壓實度的方式缺乏實時性，而混凝土碾壓質(zhì)量控制技術(shù)不僅能在碾壓過程中實時監(jiān)控倉面內(nèi)各個點的碾壓遍數(shù)，而且能對碾壓過程中的超速、激振力不達標等情況實時報警，實現(xiàn)了大壩碾壓質(zhì)量的精細化管理；灌漿智能管理技術(shù)相較于傳統(tǒng)的灌漿數(shù)據(jù)管理方式，實現(xiàn)了灌漿數(shù)據(jù)的實時傳輸與分析，可協(xié)助管理人員在灌漿過程中實時地控制灌漿質(zhì)量；大壩混凝土智能溫控技術(shù)解決了傳統(tǒng)模式下監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠全面及時以及溫控過程中降溫速率大等問題。③ 該模式實現(xiàn)了DG水電站工程設(shè)計施工的全過程數(shù)字化管理和智能化管控。通過研發(fā)可模塊化配置的工程管理信息系統(tǒng)，并且有機集成智能碾壓、智能灌漿、大壩混凝土溫控等智能建造子系統(tǒng)，實現(xiàn)了DG水電站工程的設(shè)計施工一體化管控，提升了大型水電站工程的建設(shè)管理水平。

圖7 基于BIM模型的信息集成與管理Fig.7 Information integration and management based on BIM model

3 結(jié) 語

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻完善，將數(shù)字化技術(shù)作為一種輔助手段介入工程建設(shè)管理已經(jīng)成為大型水電工程項目建設(shè)管理的趨勢。DG水電站工程項目組借助先進的技術(shù)方法和手段，對傳統(tǒng)水電工程的建設(shè)管理模式進行了創(chuàng)新，應(yīng)用“1+1+N”的數(shù)字化建設(shè)管理模式將工程建設(shè)管理精細化，以工程數(shù)據(jù)中心為核心，以工程管理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)管控為中心，以智能建造關(guān)鍵技術(shù)為重心，實現(xiàn)了DG水電站工程的可視化、智慧化與扁平化管理，切實提升了工程管理水平，發(fā)揮了經(jīng)濟和社會效益，為實現(xiàn)DG水電站工程達標創(chuàng)優(yōu)和將來建設(shè)智慧電廠奠定了基礎(chǔ)，同時為國內(nèi)同類工程項目管理升級和優(yōu)化生產(chǎn)組織提供了良好的借鑒。