BIM技术在三河口水利枢纽智能建造中的应用

王智阳

摘 要：三河口水利枢纽是高碾压混凝土拱坝，大坝建设规模居国内已建同类坝型前茅，面临众多建设管控难题和提质增效建设管理要求。基于BIM技术建设“10+1”（10个子系统，1个平台）施工期监控管理智能化平台，将现代信息技术与水利工程建设深度融合，剖析“10+1”平台监控管理智能化业务流程实施路线。围绕智能温控、碾压质量，施工质量、进度仿真、变形监测、灌浆质量、加浆振捣、人员车辆定位、视频监控、反演分析，提出了施工期监控管理智能化平台的实施路线、难点。

关键词：水利工程;BIM;监控管理;智能温控;碾压质量

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

随着信息技术的发展，物联网、大数据、人工智能等技术不断革新，智能化、现代化的智慧水利工程建设成为必然[1]。BIM技术作为一种能够整合工程三维模型及工程全生命周期内信息数据，并可实现参建各方相互协作的智能化管理技术，是智慧水利工程建设和管理的重要支撑[2-3]。1975年美国查克伊斯曼最早提出了BIM的概念。2005—2008年，美国、英国等掀起了BIM研究及应用的热潮。我国BIM技术应用起步较晚，但发展迅速。2003年我国引入了BIM技术，并应用于建筑行业，在国家游泳中心、广州珠江城大厦、上海中心大厦等工程的设计施工阶段取得了良好效果[4]。之后BIM技术逐渐拓展到了水利行业，2017年水利水电BIM设计联盟组织编制并发布了《水利水电BIM标准体系》[5]。现阶段，BIM技术在水利水电工程的设计、施工、管理等各个阶段逐渐得到应用[6-7]。

三河口水利枢纽大坝是高碾压混凝土拱坝，大坝建设规模居国内已建同类坝型前茅，面临众多建设管控难题和提质增效建设管理要求。结合工程特点，大坝建设过程中的管控重点有：枢纽坝址所在地区年温差大，温控条件差，防裂难度大;碾压混凝土抗裂能力相对常态混凝土偏弱，尤其是层间结合面质量控制难度大，层面防渗、抗裂能力较差;大坝浇筑过程中受结构形式、工艺要求以及浇筑机械与建筑材料等诸多因素影响，施工组织较为复杂;基础灌浆工程受客观条件影响大，如何减少人为干预，保证灌浆质量是工程亟待解决的问题;枢纽地处高山峡谷区，地形、地质条件复杂，蓄水后带来的变形及应力问题不容轻视[8-11]。为提高施工质量、保障工程安全，三河口水利枢纽开工前，陕西省引汉济渭工程建设有限公司基于BIM技术，利用大数据、云计算、移动互联网和人工智能等新一代信息技術与水利工程相结合，对工程质量进行强有力的监管，建设了“10+1”（10个子系统，1个平台）管理平台。

1 三河口水利枢纽施工期监控管理智能化实施路线

在三河口水利枢纽碾压混凝土拱坝确定的设计体型结构、设计施工分区、施工装备下，结合变化的环境条件和流动的资源要素，实现科学管理大坝质量、安全提质增效的目标，运用现代信息技术手段（BIM、物联网、大数据、可视化等），以产品及机械、环境过程为载体，采用信息自动采集、实时传输、动态分析、评价预警、终端推送、数据挖掘等方法，开展三河口水利枢纽施工期监控管理智能化技术研究。三河口水利枢纽施工期监控管理智能化实施路线见图1。

2 项目实施重难点分析

（1）合理搭建枢纽区无线网络系统，保证数据传输的及时性和完整性。数据是信息的载体，将大坝施工过程中采集的数据实时传输至服务器，分析、指导施工是水利工程智能建造的核心。大型水利水电工程地处偏远山区，一般不具备移动公网条件，为保证坝体内传感器数据实时传输至服务器，需要搭建无线网络系统。通过骨干回程链路点对点无线网桥、工业级AP和点对多点无线网桥组建无线网络系统，基本可以满足施工过程中实时采集数据的要求，施工过程中通信点位应按照与工程布置相结合、与施工组织相融合、维护保养方便实用的原则设计。混凝土拌和系统、左右岸坝肩、大坝基坑和坝体、消力塘等部位都是传感器重点布置区域，应在无线中心基站、骨干网桥布置与工程布置相结合的同时，做到维护保养方便、可行。施工过程中，塔吊吊装、混凝土运输、金属结构安装及施工临时停电等都是影响网络环境的重要因素，因此应合理搭建枢纽区网络系统，做到既保障网络质量和安全，也避免不必要的硬件投资浪费。

（2）统筹考虑BIM模型搭建与业务需求。大坝混凝土浇筑过程中，设计单位一般按照设计体型进行建模，未考虑施工过程中单元仓位的划分。建设期，BIM模型需要进行有效分割，并重新建立与实际分仓一致的模型才可以与施工过程信息相匹配。例如，为进行大坝施工期坝体温度控制，BIM模型搭建时应充分考虑大坝浇筑的施工工艺、施工组织方案等，以动态反映混凝土分区、坝型变化、预埋件、温度计、冷却水管等的布置、调整和施工顺序，以及施工进度等综合信息。同時，为进行施工过程仿真建模，应将模型与施工组织计划充分结合，建立可视化动态BIM，施工计划产生的相关任务可以自动关联到BIM模型上，调整施工进度图后，进度安排也会自动更新，并在模型仿真中体现。通过建立与大坝施工过程动态关联的BIM模型，可在项目建设前期实现进度信息、施工组织方案和施工过程模拟的可视化，在建设过程中模拟工程变更情况及风险事件发生的后果。设计变更、施工图更改时，通过模型可以快速联动修改施工进度计划。例如，针对仓面施工仿真，应建立包括塔机、装载车、皮带机、真空溜槽、振动碾、履带吊、推土机、装载机等的组合施工模型，进行多施工设备共同运行时的动态仿真。基于仓面设计和浇筑设备的布置，实现大坝混凝土仓面浇筑的施工过程仿真模拟，通过对工艺过程的编排，动态优化浇筑设备布置和施工程序，及时调配施工设备及数量以满足施工需要，并在施工中保障各工序衔接。即BIM模型搭建时应考虑业务需求，在三维模型的基础上，结合现场施工环境、施工工序，利用模型模拟现场施工全过程。

（3）分析采集的数据，指导现场施工管理。智能温控、变形监测、加浆振捣子系统等对现场的施工情况进行全方位监测，获取了大量监测数据。对这些海量监测数据进行处理分析，使其有效反馈至现场，指导现场施工管理至关重要。

各子系统工作时，设计要求、施工方案等资料被上传至三河口水利枢纽智能建造建设管理平台，同时依据相关规范对关键控制参数设置阈值及容许误差。当子系统的监测数据与设计要求及施工方案相违背，或关键参数将要突破阈值时，平台系统会进行提示;当关键参数超越阈值及容许误差后，系统还会发出警报。管理人员可根据系统的提示信息，追溯现场问题进行整改优化，以保证施工质量。同时反演分析子系统根据采集的数据进行仿真分析、安全质量评估及预测，为施工方案动态优化调整提出合理建议。例如，实时监测混凝土浇筑温度，监测数据上传系统，通过监测信息与理想温度过程线的对比，结合温度传感器设备参数分析计算下阶段通水冷却流量和温度，并将通水参数的调整指令即时下达至通水控制硬件设备，从而实现对浇筑温度的智能调控，保障混凝土浇筑质量。

同时，系统根据预先录入的设计要求及规范标准对异常监测数据进行报警，当最高温度、降温速率、表面温度、温度梯度等超出设计要求时，或根据监测数据的变化趋势预判有可能超出设计要求时，系统自动生成报警信息，并将报警信息实时发送至相关人员的移动设备端，提示工作人员实施干预。

3 基于BIM技术的智能建造应用

基于BIM技术的建设期管理系统包括1个平台和10个子系统，1个平台就是基于BIM技术的智能化监控管理平台，10个子系统分别是智能温控、碾压质量、施工质量、进度仿真、变形监测、灌浆质量、加浆振捣、人员车辆定位、视频监控、反演分析子系统。

（1）三河口水利枢纽施工智能化监控管理平台。针对项目实施各阶段的信息流失、信息孤岛问题，根据物联网（IOT）的概念，建立水利枢纽施工智能化监控管理平台。该平台基于BIM的三维数字化技术、信息交换标准、数据存储及访问技术、信息集成技术，对三河口水利枢纽的各阶段信息进行集成，确保数据的一致性，为项目所有参与方提供共享操作和管理平台。数据流程框架见图2。

（2）智能温控管理子系统。采用智能温控管理子系统对大坝浇筑仓大体积混凝土进行全覆盖。系统由软件、硬件两部分组成，工作原理是通过预先埋置的温度传感器实时监测坝体温度、调整冷却通水流量，对大坝内部温度进行控制。

在实际施工过程中，坝后马道安装有进水包、回水包、四通换向阀、流量测控装置以及分控站等设备，仓面内埋设冷却水管和温度传感器，同时通过手持式电子温度计对出机口温度、入仓温度和浇筑温度进行监测。传感器将采集的温度信息无线传输到温控管理子系统，经过运算转化为温控曲线，温控系统自动对大体积混凝土的实测温度曲线与标准温度曲线进行对比。温控系统基于气温信息、内部温度信息、通水水温信息、材料绝热温升以及混凝土龄期等要素进行分析反演，自主制定冷却通水方案，并通过无线网络将具体的通水指令发送至流量调节控制装置，通过电磁阀调整通水流量，以保证坝体温度始终处于受控状态。

（3）碾压质量管理子系统。碾压质量管理子系统通过在碾压车辆上安装具有高精度GPS接收机的监测设备，实时采集坝面碾压施工机械的碾压信息，监控对大坝浇筑碾压质量有影响的相关参数。动态采集和监测仓面碾压机械运行轨迹、运行速度、振动状态，实时自动计算和统计仓面任意位置处的碾压遍数、压实厚度、压实后高程，并在大坝仓面施工数字地图上可视化显示，同时可供在线查询。当碾压机械运行速度、振动状态、碾压遍数和压实厚度等不达标时，系统自动向车辆司机、现场监理和施工人员发送报警信息，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等，并在现场监理分控站PC监控终端上醒目提示，同时把该报警信息写入施工异常数据库备查。

（4）施工质量管理子系统。施工质量管理子系统以碾压混凝土拱坝施工单元（浇筑仓）为核心，对碾压遍数、碾压厚度等数据进行采集，实时分析以及反馈共享，实现工程施工质量信息的在线查询和管理。系统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;系统记录工序、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。

（5）進度仿真管理子系统。进度仿真管理子系统通过建立工程三维单元模型，并在模型上叠加计划进度数据，在三维模型上进行工程进度演示、工程进度对比分析、施工强度对比分析、施工进度计划调整模拟等。它以项目的工序分解管理为依据，采用可视化方式为用户提供工程进度计划编制、工程进度模拟演示、工程进度计划过程审批、实际进度信息管理、工程进度报表定制和施工影响因素分析等管理功能。

（6）变形监测管理子系统。变形监测管理子系统主要解决施工期大坝变形漏测问题，针对典型坝段，实时捕捉施工期坝体变形情况，满足典型坝段变形监测数据采集及节点控制设备数据实时交互。分类显示所采集的变形监测数据，通过直观对比采集的周期数据，进行大坝变形的分析及监测效果评估，实现变形监测数据的实时管理与评价。同时根据评价结果开发大坝变形风险预警系统软件，对施工要素进行智能预警及干预，通过人机互动方式对预警信息进行实时查询及播报，并及时通知施工人员进行处理。

（7）灌浆质量管理子系统。灌浆质量管理子系统通过在灌浆廊道内布置灌浆记录仪，并在灌浆管路上安装压力、密度、流量传感器，通过廊道内的无线网络，将所采集的数据实时传输到灌浆质量管理子系统当中，生成流量、压力及密度等参数与时间的关系曲线。管理人员在未到达现场、未拿到纸质资料的情况下，可在系统中及时查看当前正在进行的灌浆质量情况，有效监管施工过程。该系统实现了灌浆过程数字化、无人值守监控，不再依靠人工记录，既快捷又准确。

（8）加浆振捣管理子系统。加浆振捣管理子系统主要对碾压混凝土大坝上下游变态混凝土区进行质量监控，通过在加浆管路上安装密度计、流量计等，以及在施工人员身上佩戴振捣监测设备，实时监测加浆浓度、加浆量以及振捣频率，并回传至系统，通过实时统计分析，指导施工。在施工作业中，可以查看加浆质量的实时数据，包括设备名称、流量、浆液密度以及加浆区域等信息。通过系统以及移动端APP，直接发送预警信息提示现场施工人员，由施工人员及时调整加浆量，从而确保变态混凝土的施工质量。

（9）人员车辆定位子系统。人员车辆定位子系统通过对施工人员及车辆轨迹的实时获取、违章时段和具体人员的实时分析、施工考勤的自动统计、信息智能发布的精准管控，实现对施工人员和施工车辆信息、安全作业情况的实时跟踪。通过人机互动方式，对预警信息进行实时查询及播报，及时通知工程管理人员进行处理。通过施工现场车辆跟踪及人员定位系统整体分析，优化生产计划。

（10）视频监控管理子系统。视频监控管理子系统对施工区进行无死角视频监控全覆盖，如在料场、拌和楼、大坝浇筑仓位、重要施工道路沿线等布设高清摄像头，实时监控现场施工情况，并可查看，同时永久存储重要部位及节点时段的视频资料，作为工程档案以备后期查阅。

（11）反演分析子系统。反演分析子系统基于温控系统及大坝安全监测的相关数据信息，综合运用大体积混凝土温度场及温度应力场三维有限元分析程序、AI数据挖掘技术等，实现大坝主体和基础在建设过程中材料参数和边界条件的反演，实现全坝段温度场、温度应力场，以及坝区渗流场的仿真分析和预测，分析混凝土开裂风险，评估大坝施工期和运行期工作状态及安全性，为温控措施和施工方案的动态优化调整提出合理有效的建议，并为工程竣工验收提供技术支持和参考依据。

4 项目实施的几点思考

（1）从项目全寿命周期成本角度出发，将智能化投资纳入初步设计批复概算统筹考虑。由项目承担单位根据拟建工程的需求在充分论证技术可行性、经济合理性的基础上，形成智能化技术需求书，根据技术需求书在初步设计中单列智能化专题，专题中应对必要的技术指标及设备规格、行业技术发展情况开展对比分析、调研论证。进行智能化投资批复时，应充分考虑项目的合理冗余度、技术先进性、经济合理性、标准化、模块化以及结构化等，对投资概算进行有效管控。基于建设项目全生命周期成本管理，为避免智能化投资重建设而轻运营，增加智能化建设后评价的有关要求，对智能化建设实施方案、系统运营以及经济社会效益进行评价。

（2）结合人工智能（AI）技术，对施工大数据进行智能分析。水利枢纽智能管理系统在应用过程中会产生大量监测数据，这些数据涉及面广，现阶段对于监测数据的价值发现还比较有限，随着人工智能技术的应用，可以对系统内的大量数据进行深度学习，总结归纳不同数据的训练方法，发现系统内不同类别数据间的相互关联，并预判未来的发展趋势。人工智能技术可以将数据定量分析和机器学习定性分析有机结合起来，提升水利枢纽智能管理系统的决策水平以及应用范围。人工智能技术具有强大的自我学习能力和逻辑推理能力，将人工智能技术引入到水利枢纽智能管理系统中，能够提高系统的自学习和自适应能力，随着智能管理系统在工程建设周期中的应用，系统会更加了解工程特点以及参建方的使用需求，进而提升用户体验。

（3）重视项目实施过程中的考评机制，管理统筹规划，推进动态调整。水利枢纽管理平台作为一项新兴产物，各参建方对其认识程度存在差异，为提高参建单位对平台建设的积极性，可加强相关宣传教育并制定相应的效益和考核机制。大型水利水电工程具有涉及专业多、结构复杂、施工难度大、建设周期长等特点。水利枢纽管理平台建设时应在取得批复的情况下，统筹规划工程建设全生命周期，提前考虑平台搭建、模型建立、数据过滤等问题，并随着工程建设阶段的推进及现场施工情况的变化动态调整。

5 结 语

三河口水利枢纽通过“10+1”建设管理系统，提升了引汉济渭拱坝工程建设的管理水平，应用成效体现在以下几个方面：一是实现了海量施工质量、施工安全等各类监控数据的自动获取，在無人干预的情况下确保数据实时、有效、准确和完整，有效解决了现场监控“不及时、不真实、不全面、不准确”的问题;二是实现了对大坝建设全过程温度控制、碾压质量、变形监测、施工进度、浇筑信息及施工安全等信息的智能采集、统一集成、实时分析与智能监控，对混凝土温度控制、大坝碾压、大坝坝基灌浆等建设全过程进行全自动智能化预警与控制，确保了大坝施工安全与工程质量;三是实现了水利工程建设的创新管理，既为打造优质精品样板工程提供强有力的保障，也为大坝枢纽的顺利竣工验收、安全鉴定及今后的安全运行管理提供支撑平台。

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【责任编辑 吕艳梅】