智能建造技术在水运工程软基施工管控中的应用研究

2021-08-24李子龙马瑞鑫

水道港口 2021年3期

李子龙，刘磊，马瑞鑫

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.山东四维卓识信息技术有限公司，泰安 271000)

我国地域辽阔，软土分布极为广泛，在软土地基区域进行水运工程建设存在地基稳定性隐患。而根据水运工程相关施工规范[1-4]，一方面要在施工期间加强过程控制，对软土采用变形与沉降监测；另一方面要依据监测资料和地基承载力试验结果来调整施工预压期及施工速率，而软基处理施工过程是保证工后基础承载力的关键环节。此外，在软土地基施工管理中，各种工艺的施工信息分布分散、传递时效性差、信息共享能力不足、往往会造成施工信息“孤岛”效应，不利于工程建设项目管理的协调联动[5-7]。

当前，新一代信息技术应用呈现爆发式增长趋势，新技术、新工艺催生水运工程施工质量管理的新模式，工程建设管理正逐步向智能化方向发展[7]。依托信息技术与传统工程建造深度融合形成的智能建造系统是工程建造创新发展的模式，具备全寿命周期一体化协同管理和智能决策能力。近期，住建部、交通运输部等部委已经出台相关政策性文件[8-9]，明确推动智能建造基础共性技术和关键核心技术研发。基于此，本文基于智能建造的内涵，提出了软基施工智能建造的总体架构，构建了从信息智能感知到智能分析再到智能馈控的施工智能管控体系，实现了软基施工的可视化和智能化管理。

1 智能建造理论及内涵

关于智能建造的内涵，目前尚无统一的定论[10-12]。日本学者认为智能建造的概念包括采集施工信息、自动分析数据，并有针对性地制定工程施工方案，以辅助甚至无人控制施工；英国基础设施和项目管理局认为智能建造是一种从传统建筑业到智能制造业的理念转变，支持工厂化生产和装配化建造；马智亮认为智能建造的终极目的是以智能技术为手段，提高建造过程的智能化水平、实现安全建造。钟登华等[13]认为智能建造是在数字化建设体系基础上引入新一代信息技术，通过将先进智能技术与建造跨界融合，形成的智能闭环体系；刘占省等[14]认为智能建造结合全生命周期和精益建造理念，利用先进信息技术和建造技术，对建造全过程进行的技术和管理创新。未来，智能建造的概念将随着新兴技术地不断涌现，更加丰富和完善。

智能建造源自建筑全生命周期管理，是在建筑工程的决策、实施及运营整个过程实现工程项目信息集成管理的一种策略。水运工程从施工开始到施工验收，并延伸到上游的施工设计和下游的工程运行阶段，包含了施工设计、施工组织、施工监测、质量抽检及竣工验收等主要阶段。智能建造的管控体系是一个由主体维(业主方、设计方、施工方、监理方、检测方等)、空间维(基础、航道、码头、船闸、防波堤等)及时间维(设计阶段、施工阶段、运行阶段等)构成的复杂系统工程[15]，要求施工质量的全面控制和施工信息的集成共享。

对于智能建造的内涵，可从广义和狭义两个层面去理解。广义的智能建造着眼于建设项目产生的整个过程，通过新兴信息技术的集成应用来完成工程项目立项、设计、施工、运维等阶段的工程建设活动；狭义的智能建造着眼于工程项目的建造阶段，旨在以新兴信息技术来实现整个工程建造过程的信息化与智能化。本文所开展的水运工程软基处理施工精细化智能建造技术研究主要聚焦狭义层面的智能建造，主要应用点如图1所示。

图1 智能建造典型应用场景Fig.1 Typical application scenarios of intelligent construction

2 软基施工智能建造的总体架构

针对水运工程软基施工提出的智能建造技术，是以施工智能感知为手段，以服务施工质量管理为目标，采用“端+平台”的架构模式，对全过程软基施工信息进行有效汇聚和可视化监管，形成软基施工数据中心和智能施工指挥中心，以此来保障工程建设质量、提高管理效率。软基处理智能建造框架可分为信息感知层、网络层、应用层和数据标准体系等部分，如图2所示。

图2 软基施工智能建造整体框架体系Fig. 2 Overall frame system of intelligent construction of soft foundation construction

(1)感知层。

感知层为整个智能建造体系的“神经末端”，负责施工相关基础信息的采集。根据采集数据的不同，可大致分为两种模式。对于一些非结构化的、静态的或无法提供数据接口的数据，可采用信息导入或者信息填报的方式获取信息，如施工设计图纸、土工试验结果等；对于一些结构化的动态施工信息，可基于物联网技术进行智能感知，实现对数据进行实时、动态采集，如实时实时施工参数、地面沉降等。

(2)网络层。

网络层是整个智能建造体系的“神经网络”，通过自建网络和公共互联网实现施工信息的安全、高效入库。随着网络技术的发展，在传统有线网络的基础上，逐步扩展应用4G、5G网络应用，有效克服了网络传输对现场施工信息采集的制约。通过高可靠高冗余的网络传输实现了软基施工中的各类实时监控数据和综合信息管理数据的有效汇聚，形成了工程级的施工数据中心，支撑了后续软基施工管理各类业务应用。

(3)应用层。

应用层是整个智能建造体系的“大脑”，主要指针对软基智能建造监管需求所开发的应用系统及提供的功能与服务。从服务具体的施工质量管理来说，包括施工过程信息化监管、试验检测信息化监管、工程进度信息化监管及工程安全监测信息化监管等系统，并利用可视化技术，实现从施工设计到施工验收全过程的质量监管。其中，施工过程信息化监管是软基施工质量管控的关键环节，可构建诸如强夯施工监控系统、桩基施工监控系统、排水板插板监控系统、碾压施工监控系统等施工智能管控系统；从服务整个工程宏观决策来说，可建设一个针对整个工程的施工智能建造管控平台，包括施工过程监控、预警信息发布、设计成果展示、质量检测和安全监测信息查询、施工数据统计分析及辅助决策等，并对各个功能于服务进行统一管理。

(4)标准体系。

标准体系主要指构建以国家、行业、工法技术规范为链条的软基处理智能建造过程中各类异构数据资源的标准体系、平台安全评价体系、施工质量评价体系及相关规范制度等内容[16]，有助于保障施工管控过程中数据的规范采集、高效融合以及质量安全的权威评价。

3 软基施工智能管控系统

软基施工过程参数管控是保证智能建造质量的最重要环节，传统的“人管模式”难以实现对施工过程的精准控制和有效反馈。智能建造下的施工智能管控系统，主要服务施工管理人员进行质量监管，通过建设各类智能物联终端，构建从信息智能感知到智能分析再到智能馈控的闭环管控体系，实现关键施工环节的全天候在线实时监管。

3.1 智能感知

通过在软基施工的打桩机、插板机、强夯机、碾压机等软基施工机械上，安装各类传感器终端，实现全过程施工信息的实时、泛在、自主感知，构建形成软基施工智能感知体系。以软基处理常见的水泥粉煤灰碎石(CFG)搅拌桩、排水板插板、强夯、碾压等工艺为例，智能建造的智能感知体系如图3所示。

图3 软基施工智能感知体系Fig.3 Intelligent perception system for soft foundation construction

上述CFG智能监管终端通过在施工机械上安装高精度全球定位导航装置(GNSS)、倾角传感器、电流传感器、贯入深度传感器等终端设备，实现对打桩施工位置、贯入深度、钻机电流、垂直度及成桩时间等CFG搅拌桩施工信息的自动采集；排水板智能监控终端通过安装GNSS、电流传感器、深度传感器等终端设备，实现对排水板施工过程中插板施工位置、插板机航向与车身姿态、排水板用量(长度)、电机电流等施工关键数据的智能采集；强夯施工智能监控终端通过在强夯机上安装GNSS、张力传感器、落距传感器等终端设备，实现了对夯点施工位置、承载绳形变、夯锤落距、夯击次数等参数的自动采集[17]；碾压智能监控终端通过在碾压机上安装GNSS、压实度计、采集控制单元等终端设备，可以实现对碾压轨迹、碾压遍数、振动频率、机测压实度等碾压指标的自动采集，并且已经在实际工程中取得良好应用效果[18-20]。

3.2 智能分析

智能分析是通过解译实时监测数据，将各类施工数据集成和知识挖掘，实时、自主地进行施工决策，使得施工过程趋向于智能化控制。如在CFG桩施工过程中，智能分析系统根据各类智能感知信息的位置属性，自动叠加到CFG施工图层中，实现以下智能分析：(1)自动任务获取：自动获取施工任务，以数字的方式显示坐标信息；(2)插板深度分析：通过深度传感器的数据分析，计算钻机从地面到当前最深处的施工深度，将深度计算结果刷新到车载显示器，用于深度控制与统计；(3)打桩电流监测：读取施工过程中的电流监测值，以数字的形式实时刷新到车载显示器，协助施工人员判断地基抗剪强度；(4)施工材料统计：通过施工的深度数据，结合现场实验计算得出参数，计算每次施工过程中的塑料板用量，并实时刷新到车载显示；(5)自动监测打桩施工合格情况，将所有成桩数据以是否符合施工标准加以区分，实现不合格施工情况的全面分析(位置、分布、不合格数据等)。CFG车载显示终端的智能分析结果如图4所示。

图4 桩基施工的智能分析Fig.4 Intelligent analysis of pile foundation construction

近年来，随着新一代信息技术的发展，碾压作为基础处理最常用的施工手段，较早开展了无人驾驶研究与应用[21-22]。碾压无人驾驶以施工过程精细化控制为基础，利用毫米波雷达和高清影像的融合分析，进行施工面检测，获取障碍物的位置和状态信息；根据碾压作业要求和碾压机实时状态，云服务器进行碾压施工路径规划、路径跟踪和障碍物避障等智能分析工作，取得了良好的试验效果。

3.3 智能馈控

钟登华等[13]指出，反馈控制是区别数字化建设与智能化建设的重要特征。智能馈控是指利用智能分析结果对受控对象进行优化决策，如实时预警、智能纠偏和自主导航等。本文作者在强夯施工管控中提出强夯施工导航系统，通过智能分析设定实际夯点与设计规划夯点的偏移量，引导机械操作手施工纠偏[17]；此外，结合某具体工程，笔者开发的智能拌和管理监控系统，在实时监控各类拌和指标的基础上，自动与设计拌和参数进行比对，若监测内容某一项重量超出允许范围误差，则给予报警提示，同时此盘拌和料标识为不合格，如图5所示。

图5 拌合料智能监管系统Fig.5 Intelligent supervision system for mixtures

4 软基施工智能建造管控平台

智能建造管控平台主要服务领导决策，基于统一的数据标准和数据模型，汇聚施工智能管控系统的各类结构化和非结构化数据，并利用大数据融合技术实现对高价值结构化数据的实时处理、多表关联分析、即席查询和业务互动等功能，同时满足智能建造管控平台对海量的非结构化数据存储和精确查询的要求。在底层数据的基础上，平台基于BS架构，运用三维设计理念对工程项目进行精细施工管控。围绕施工过程质量管理，构建了互联协同、智能生产、科学高效的软基施工智能施工指挥中心(如图6所示)，并对智能感知到的工程信息进行数据挖掘分析，提供过程趋势预测及专家预案，实现软基施工的可视化和智能化管理。

图6 软基施工智能建造管控平台主界面Fig.6 Main interface of intelligent construction control platform for soft foundation construction

根据施工管理需求，平台主要功能如下：

(1)用户管理：针对工程各施工参与方职责，平台分为五类用户：业主、设计、监理、施工和检测，具体的权限如表1所示。

表1 智能建造管控平台用户职责Tab.1 User responsibilities of intelligent construction control platform

(2)施工管控：汇聚软基各工法施工智能管控系统的关键施工信息，结合工区GIS地图和工程三维模型，实现对工程施工人员、材料、机械设备、土石方量、工程进度、工程质量、报警等指标的可视化监管。同时，为满足各级监管主体对软基施工更为详细的监管需求，平台支持对各个智能管控系统实时监控界面的跳转。

(3)视频监控：平台接入了工程中所有的现场监控视频，包括强夯施工、碾压施工、搅拌桩、插板施工、土石方料场等，支持视频监控与施工管控系统的协同监管。

(4)统计分析：平台提供与工程质量管控相关的各类施工要素的统计分析，包括宏观的工程整体进度、土石方工程量、设备配置情况、施工报警情况等，也包括具体每个工法的施工参数、试验检测、各台班施工工作量、设备使用情况等内容。为了提高用户的友好性，平台提供了统计图、统计曲线、仪表盘等形式的统计分析形式，给用户驾驶舱式体验。

(5)工程鸟瞰图及电子沙盘：对工程的标段划分、整体布局进行查看。结合工程无人机定期航拍图，可以对工程进度面貌进行整体分析。

5 智能建造管控效果分析

以施工智能管控为核心的智能建造技术为水运工程软基精细化施工提供了一种实时、量化、可视的质量管控手段，有效解决了地基施工质量监管难题。以软基中常见的强夯施工为例，智能建造技术下的强夯施工智能管控系统对施工质量管控手段的有效性体现在以下三个方面：(1)从施工参数监测范围层面，覆盖了《强夯地基处理技术规程》(CECS279-2010)规定所有一般检测项目(包括夯锤落距、夯击遍数及顺序、锤质量、夯点间距、前后两遍间歇时间等)；(2)从监测手段层面，智能管控系统结合监控视频，实现了施工参数的自动感知和反馈控制，提升了质量管控效率，是对传统人为旁站手段的有效提升；(3)从管控精度层面，智能管控系统实现夯锤落距监测精度为±40 mm，小于规程允许偏差值±300 mm；夯点对点误差为±40 mm，小于规程偏差允许值150 mm；达到了现场施工控制所要求的最后两击夯沉量≤50 mm的质量控制要求；(4)从质量管控效果层面，系统针对每个施工单元自动生成图形报告，可对整个施工单元的整体施工情况进行统计分析并量化显示，如图7所示图形报告不但统计了整个施工单位的满夯施工达标率，并用黄色显示施工薄弱区域。通过“按图施工”可引导施工补救，提升施工质量达标率，这在传统的强夯人为监管中是难以实现的。