, 汪志林1,2, 陈文夫1,2, 郭增光1,2, 林恩德2, 林鹏3, 周天刚1,2, 周孟夏1,2, 刘春风1,2, 龚攀1,2, 裴磊1,21. 中国三峡建设管理有限公司, 成都 610041;
2. 中国长江三峡集团有限公司, 北京 100038;
3. 清华大学 水利水电工程系, 北京 100084
收稿日期：2020-08-24
作者简介：谭尧升(1986-), 男, 高级工程师
通讯作者：樊启祥, 教授级高级工程师, E-mail: fan_qixiang@ctg.com.cn
摘要：在大数据和人工智能背景下，工程建设项目与现代信息技术逐步融合，以溪洛渡水电站为代表开创了高拱坝智能化建设的先河，随着信息技术、传感与数据处理技术的升级和迭代，需同步升级与纵深发展。依托白鹤滩300 m级特高拱坝建设实践，该文提出智能建造筑坝理念，以全面感知、真实分析、实时控制的闭环控制为理论基础，构建面向关键施工工艺和业务流程的智能建造技术体系及相关基础部署条件，研发并形成浇筑一条龙监控、平仓振捣监控、智能通水、智能喷雾、智能灌浆等核心智能筑坝成套新技术，详细阐述其闭环智能控制流程及功能。实践结果表明：项目构建形成了“一个中心、两个支撑、三个支柱”的产、学、研、用深度融合项目管理新模式，为工程优质、高效、安全建设提供管理和技术支撑，带来了较大的经济与管理效益，可为类似工程智能建造提供参考。
关键词：水利水电工程特高拱坝智能建造白鹤滩水电站
Intelligent construction methods for the Baihetan super high arch dam
TAN Yaosheng1,2, FAN Qixiang2
, WANG Zhilin1,2, CHEN Wenfu1,2, GUO Zengguang1,2, LIN Ende2, LIN Peng3, ZHOU Tiangang1,2, ZHOU Mengxia1,2, LIU Chunfeng1,2, GONG Pan1,2, PEI Lei1,21. China Three Gorges Projects Development Co., Ltd., Chengdu 610041, China;
2. China Three Gorges Group Corporation, Beijing 100038, China;
3. Department of Hydralic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Construction projects are making use of modern information technology methods such as big data and artificial intelligence to improve project construction. The Xiluodu Hydropower Project is a pioneer application of intelligent construction methods for high arch dams. However, the rapid advances in information, sensing and data processing methods require further development of intelligent dam construction methods. Intelligent dam construction methods are introduced here as applied to the Baihetan Hydropower Project, a 300-meter ultra-high arch dam, with extensive monitoring measurements, real analyses, intelligent decision making and feedback control. This paper describes the intelligent construction system and its implementation with a focus on key construction processes and business processes including whole-process concrete placement monitoring, concrete leveling and vibrating monitoring, intelligent water-cooling, intelligent spraying and intelligent grouting. This paper then further describes the close-loop control of these intelligent methods and their functions.
Key words: hydraulic and hydropower engineeringsuper-high arch damintelligent constructionBaihetan Hydropower Project
重大水利水电工程项目关系国家政治、经济社会和科技文化的发展，工程项目决策、建设和运营面临诸多挑战，任何失误都可能带来巨大的损失或社会、经济及自然环境等影响。如糯扎渡水电站(坝高261.5 m)、溪洛渡水电站(坝高285.5 m)、两河口水电站(坝高295 m)、乌东德水电站(坝高270 m)、白鹤滩水电站(坝高289 m)等，这些水电站均为300 m级特高工程，建设规模和施工难度均居世界前列，施工质量直接关系工程成败及下游人民生命和财产安全。
水电工程建设施工方法和管理经历了传统人工、机械化、自动化、数字化和智能化的发展过程。在人工和机械化阶段，常规质量控制受人为因素影响、管理粗放、信息沟通不畅，导致施工措施与管理不到位，易导致工程质量失控；在互联网、大数据背景下，近年来信息技术与工程建设结合，已有一批重大水电工程陆续建成，基本形成了工程数字化建设模式和施工质量控制体系[1-2]，广泛应用于工程建设进度、质量和安全等方面。
水电工程数字化建设实践中，国内主要依托糯扎渡、长河坝、双江口、溪洛渡等为代表的水电工程开展了相关数字化、智能化的研究与应用。天津大学和华能集团依托糯扎渡水电站，研发了大坝工程质量与安全信息管理系统，对心墙堆石坝填筑过程、坝料上坝运输进行实时监控，自动采集与控制坝料加水信息，对工程质量、安全监测、施工进度等信息进行集成管理，总结数字大坝的定义为“互联网+卫星技术+当代信息技术+先进控制技术+现代坝工技术=数字大坝”[3-5]。国电大渡河依托长河坝、双江口水电站，开展了工程生命周期管理、全方位风险预判和全要素智能调控，通过研发工程数据中心、工程管控平台和决策指挥中心，实现数据驱动的感知、预判和决策管理模式。三峡集团依托溪洛渡水电站，探索性开展了特高拱坝智能化研究，提出智能大坝理念[6-7]，开创高拱坝智能化建设的先河。随着信息技术、传感与数据处理技术的升级和迭代，特别在“中国制造2025”“工业4.0” “互联网+”等国家战略下，水电智能化技术需同步升级与纵深发展。
为此，在金沙江下游白鹤滩特高拱坝建设过程中，本文提出智能建造筑坝理念，升华“感知-分析-控制”闭环智能控制理论向“全面感知-真实分析-实时控制”的转变，进一步将现代先进智能化手段与工程建设深度融合，开展面向关键施工工艺和业务流程的智能建造理论体系研究与技术实践，对工程智能化、精准化管理模式进行创新，提升工程建设与管理水平。
1 特高拱坝智能建造理念特高拱坝智能建造指集成融合传感技术、通信技术、数据技术、建造技术及项目管理等知识，对建造物及其建造活动的安全、质量、环保、进度、成本等内容进行感知、分析、控制和优化的理论、方法、工艺和技术的统称，以促进安全、优质、绿色、高效建造[8]。智能建造将建造过程按最小单元和过程进行分解，细化各建造过程的资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度等要素，对建造过程进行智能化分析与调控，保证工程建造质量和成本。智能建造具有自动感知、自适应学习、协同互动、智能控制等特征，需具备以下功能[9]：对建设过程中人、机、料、法、环等要素进行实时自动感知；以感知的数据为基础，进行数据存储与分析，构建数字化、可视化模型，对工程建设进度、质量、安全、效率等要素进行重构、仿真和评判；实现信息、资源互通共享和项目协同管理，形成业主、设计、监理、施工参建各方的协同联动机制，提供优质、高效、广泛、深度的数据交换；积累形成数据库和知识库，不断迭代和学习，满足工程建设需求；利用数据、模型、知识进行自适应学习，通过海量数据挖掘发布预警信息，辅助工程建设管理与决策。
溪洛渡大坝建设中，首次提出了“感知-分析-控制”的闭环智能控制思想，研发构建了覆盖工程建设多专业的信息管理平台，为工程优质、高效建设施工与管理提供了重要保障[6]。随着信息系统、传感技术与数据处理等技术升级和迭代，2017年开工建设的白鹤滩特高拱坝建设实践中，以智能建造闭环控制理论为基础[10]，升华“感知-分析-控制”闭环智能控制理论向“全面感知-真实分析-实时控制”的转变(见图 1)，深度融合工程空间模型与信息，建立动态精细化的可感知、可分析、可控制的智能化建设与管理运行体系。
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| 图 1 特高拱坝智能建造闭环控制体系 |
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1) 全面感知，即利用现代的传感与采集技术，通过个体式、断面式、扫描式等移动终端和装置，实时、全面、准确采集工程建设中的各类施工数据，借助卫星通信技术、移动网络及互联网技术实时动态进行双向传输、存储与动态分析。结合水电项目特点，将感知数据分为基础数据、过程数据、监测数据与环境数据。其中，基础数据包含拱坝结构模型、设计(力学、热学、结构)、地质、基础试验、工程特征等信息；过程数据包含管理、设备材料、进度计划、质量安全、合同等信息，如施工过程资源设备投入、备仓与浇筑过程质量验评、混凝土生产、运输、浇筑、温控、灌浆、金属结构等施工全过程信息；监测数据包含基岩与混凝土应力与变形、地应力、混凝土温度、渗流、横缝开合度、地震、临时施工等；环境数据指现场气温、湿度、风向、风速、降雨、太阳辐射等气象数据及水文水情等信息。
2) 真实分析，在实时感知的数据基础上，利用计算机仿真、建筑信息模型(building information modeling，BIM)、虚拟现实等技术，将数据信息与三维空间模型耦合关联，建立实时动态映射关系，实现工程信息与数据可视化、数字化，利于后续的直观表达或分析；利用云计算、大数据等技术，进行数据关联、挖掘、统计、呈现等，实时动态分析数据规律，预测后续趋势，对工程建设进度、质量、安全进行分析预测；利用数值仿真技术，对工程结构的温度、应力、变形、渗流与稳定进行仿真模拟与重构，评估、预测工作性态。
3) 实时控制，通过工程大数据中心、风险预警、智能化控制设备等手段对感知分析的数据信息进行处理与反馈，达到实时自动控制的目的。对于施工过程的海量数据信息，通过构建全过程数字化管理模块、App录入工具，构建工程大数据中心，利用协同工作管理平台、大屏展示、App查询等方式，将工程信息实时反馈，利于参建各方及时处理与决策；对于关键指标或重要参数(如坯层覆盖时间、混凝土最高温度、降温幅度等)，依据设计规范和关键绩效指标(key performance indicator，KPI)，利用信息推送或短信预警等方式进一步对异常情况进行分类分级预警，利于参建各方及时准确掌握关键信息并处理；对于能实现智能化的关键工艺，按“感知-分析-控制”的闭环智能控制思想，研发动态精细化的可感知、可分析、可控制的智能控制装备(如智能通水、智能喷雾、智能灌浆等)，实现关键工艺的智能分析与调控。
2 特高拱坝智能建造系统架构智能建造系统涉及范围广、专业类型多，是一个庞大的系统工程，基本架构包含感知层、网络层、数据层、平台层、应用层及系统集成接口组成。其中，感知层是智能建造系统的数据来源，由射频标签、二维码、传感器、监控探头、卫星定位等智能设备及各种数据接口组成，需建设覆盖整个工区的基础网络，保证数据信息的精确、实时和全面感知；网络层采取标准的网络数据传输协议，以支持复杂网络环境的应用，如工程建设专网、外部互联网、4G网络、无线网络(WiFi)等；数据层是智能建造系统数据存储的中心，由业务数据库、分布式文件存储、大数据云存储组成；平台层以智能建造系统基础平台为核心，包括数据交换、VR可视化、大数据分析、综合查询等类型；应用层包含PC业务、移动业务、大屏监控、决策分析、移动查询、微信等应用系统；系统集成接口负责与其他自动化系统、监控系统、业务系统、管理系统等进行集成，体现其可扩展性与集成性。上述架构中，感知层与网络层是基础，是智能建造业务运行、数据采集的基础；数据层与平台层是核心，是智能建造技术实现的关键环节；应用层是目标，是智能建造系统价值的最终体现，各层级共享协同，互联互通。
构建聚焦特高拱坝关键施工工艺与流程的业务架构(见图 2)，主要包括施工过程管理、智能生产管控、科研与仿真服务、专业化系统和技术管理等。
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| 图 2 特高拱坝智能建造系统业务构架 |
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施工过程管理，按专业类型划分，建立基坑开挖、固结灌浆、混凝土浇筑、温度控制、接缝灌浆、帷幕灌浆、金结制安等以单元工程及其工序与流程为施工过程管理系统。智能生产管控，研发与应用涵盖混凝土浇筑一条龙监控、平仓振捣监控、智能通水、智能喷雾、智能灌浆等智能生产技术，实现在线采集、后台处理、远程监控、预警预报、智能调控的智能生产管控。科研与仿真服务，由科研机构开展施工进度仿真及“开挖-施工-蓄水-运行”全生命周期工作性态系列科研仿真服务，仿真单位可从平台在线获取数据，并同步将科研仿真成果发布在平台。专业化系统，从专业服务的角度，研发和集成质量管理、安全管理、安全监测、试验检测管理、测量管理、工程计量、工程验收、水文气象等可独立运行的专业化子系统，通过数据接口为智能建造系统提供技术服务。技术管理，集成设计成果、施工方案、监理细则与标准化建设管理、规程规范等技术成果，利于技术文件信息的数字化高效管理，以供参建各方共享与利用。
3 智能建造系统基础部署3.1 工程编码体系水电工程信息数据种类繁多，按类型可分为基础、过程、监测与环境四大类数据，其中后三者数据为时空累积数据，工程建设时间越长，数据信息愈加庞大。为有序规范管理数据，利于数据的存储、调用与挖掘，应建立统一的工程编码体系、数据编码规则与应用集成接口规范，建立元数据的管理体系，保证不同专业应用软件生成的数据、不同数据生产者提供的数据，在统一的数据集成管理框架下进行相互验证、高效传递与数据利用。
以工程设计概算为基础，编制标准化工程结构分解与编码体系，规范单位工程、分部工程、分项工程的分类定义与编码，实现从工程、单位工程、分部工程、分项工程、单元工程到工序6级分解结构，通过定义标准化工序流程与各专业管理表格，为工程的工作分解、进度计划、工艺流程、人材机消耗、签证结算、验收归档、实物成本归集、概算投资控制及工程之间的对比分析提供支撑。编码采用组合编码结构，分为6级共28位，各级之间用“-”分隔，如图 3所示。第1级为工程编码，采用3位字母表示；第2级为单位工程编码，采用9位字母数字组合表示；第3级为分部工程编码，采用6位数字表示；第4级为分项工程编码，采用4位数字表示；第5级为单元工程编码，采用4位数字表示；第6级为工序类型编码，采用2位数字表示[11]。
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| 图 3 工程分解及编码结构 |
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3.2 工程信息模型信息模型是在三维几何模型基础上附加时间维信息而构建的时空模型，是对工程项目相关信息详尽的数字化表达，通过建立工程进度到实体模型、属性与信息的实时动态映射关系，反映工程实时动态及相关信息动态更新与直观形象的可视化管理，实现施工状态的重现和后续状态预测。信息模型由“几何模型+时间+信息”的模式构成，通过数字信息技术把整个工程进行虚拟数字化与可视化，是一个丰富、直观、逻辑性强的基础承载工具。
特高拱坝信息模型包括几何结构模型和工程地质模型两部分。其中，前者包括各种建筑物结构、开挖体型、金属结构等模型及其属性，后者包括地形、地层、界面、错动带等模型及相关属性。模型继承了工程设计与施工阶段的所有静动态信息，包括施工进度、质量、安全和投资信息，及设计成果、施工过程、工程测量、安全监测等信息，将其储存于数据库进行数据挖掘分析与利用，具有三维场景可视化交互功能，可实现模型到信息、信息到模型的双向操作和数据交互，并利用数据接口进一步为仿真分析和预测提供模型基础。
3.3 信息感知与传输利用光纤、WiFi、4 G+ZigBee等通信传输技术，建立覆盖整个工区的网络系统，利用无线传输或光纤传输等手段，为数据采集提供稳定、高速的网络基础。通过先进、成熟或自主研发的传感设备与信息采集技术，利用无线传输、智控设备自动采集、现场掌上电脑(personal digital assistant，PDA)、计算机桌面、射频识别技术(radio frequency identification，RFID)等感知手段，借助互联网或移动网络实现实时传输，实时准确获取工程建设过程的人员、机械、材料、程序、环境等数据信息并及时传输数据库，图 4为特高拱坝建设过程的数据感知与传输体系。
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| 图 4 施工数据感知与传输体系 |
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结合水电工程施工的复杂性和特殊性，信息感知与传输主要有4种方式：①大批次的实时跟踪数据，应用在线式数字传感器，实现周期性、高效的数据采集；②流程化、表单化的设计、质检等数据，采用移动PDA/智能手机/现场手工录入与流程化的数据处理模式，或专用的导航式数据录入系统，通过规范性管理减少出错的几率；③作业面不固定、流动性较大的采集部位，应用无线数据采集终端及射频/条码识别技术，进行灵活、实时的数据采集；④有自动控制设备的生产系统，通过应用数据库技术及组态技术实现与监控系统的对接，进行数据的实时提取与分析。若实际信息采集出现偏差，可通过数据自动诊断、信息推送等方式及时反馈处理。
3.4 数据分析与反馈控制数据分析与反馈控制集数据仓库、数据挖掘、决策支持、仿真分析、实时控制等技术于一体，通过对施工过程信息高效动态地采集和集成管理，进行智能化识别、定位、跟踪与监控，实现施工实时、在线监测与反馈控制。主要实现方式为：①利用感知的施工动态信息建立施工信息数据库，进行大数据挖掘分析，发现有用的信息或规律辅助管理者决策；②按预定的时程控制曲线和标准进行动态优化和调控，实时分析判断施工质量与进度相关信息是否超出标准规范，超标信息实施预报预警机制；③利用感知的原型观测数据进行反演或重构仿真，评价工作性态，优化施工组织方案或措施；④施工过程中及时自动辨识被控过程参数、自动调整过程参数及适应被控过程参数的变化，实现智能化调控。
4 关键工艺技术4.1 混凝土浇筑一条龙监控特高拱坝混凝土生产与运输具有生产量大、强度高、节奏快等特点，传统施工存在衔接不紧凑、运输车装料等待时间过长、资源闲置及与缆机运输衔接时间过长等问题，通过采用物联网、BIM和施工仿真等现代信息技术，对混凝土生产调度、水平运输、缆机运行等混凝土施工过程进行实时监控与分析预警，从感知-分析-控制的闭环智能控制思想，研究设计了混凝土浇筑一条龙监控技术，研发混凝土一条龙全环节监控方法和设备，如图 5所示。
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| 图 5 混凝土浇筑一条龙监控 |
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技术包含混凝土生产调度、水平运输监控、缆机运行监控等功能模块，主要体现为：通过拌合楼生产数据的采集与调度信息的感知，可实现混凝土生产信息管理、综合查询，并将生产数据与运输全过程数据结合，实现混凝土生产与运输的跟踪管理与实时控制；通过对拌合楼、自卸车、缆机的识别与监控，采集过程数据同步传输至服务器进行在线智能挖掘与分析，进行实时预警与质量控制，推送信息及时反馈至现场管理人员进行处理，避免配错料、运错料、卸错料；对缆机群等大型设备的运行状态进行监控，实时感知缆机群运行轨迹、速度和行为状态，并对缆机吊零、运料、检修等任务进行精准化控制，以此挖潜各环节运行效率，指导现场施工各环节控制，提升缆机利用率。
4.2 混凝土平仓振捣监控平仓振捣环节为混凝土施工质量控制的主要环节，通过采用三星定位、超宽带、超声波测距等物联网技术，从感知-分析-控制的闭环智能控制思想，研究设计混凝土平仓振捣监控技术，如图 6所示。
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| 图 6 平仓振捣监控 |
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通过对仓面平仓车、振捣车、手持式振捣棒的位置与工作状态的实时监控，对其影响施工质量和效率的主要施工参数进行跟踪反馈，构建以PC、Web、App、移动终端为工具，以施工效率、质量、安全业务需求为导向，建立集状态描述、异常诊断、层级预警为一体的多维、多协同管控系统，利于现场人员及时调整施工参数，实现混凝土平仓振捣施工质量的实时在线精准控制。功能主要包括：平仓车监控，实时监控平仓车工作状态、位置与铲头方向、平仓完成情况及平仓质量等信息；振捣车监控，监控振捣车振捣位置、插入深度、插入角度和振捣时长，监控设备的工作状态等；手持式人工振捣棒监控，监控手持式振捣棒振捣位置与振捣时长、监测监控设备的工作状态等；综合平仓与振捣过程监控数据，评判漏振、欠振、以振代平等不规范现象，分析平仓振捣过程资源匹配及效率、图形化展示监控、多种方式发布预报警信息，实现感知、分析、反馈及优化的闭环管控。
4.3 智能通水技术大坝混凝土由于一次浇筑体型巨大，在凝固过程中释放大量水化热产生温度变化，进而产生温度应力，若未及时采取措施，不仅易产生各种结构裂缝，还将影响工程结构外观、耐久性及永久安全，因此大体积混凝土温控防裂需引起各方高度重视[12]。
将现代控制思想与传统控制原理相结合，研发设计大体积混凝土智能通水技术(见图 7)，遵循“小梯度、慢冷却、精准控制”的原则，通过混凝土温度、进出口水温、通水流量、环境边界等精准控制[13]，为不同浇筑仓提供个性化的温控策略，实现混凝土最高温度可控、温控过程可调、温控措施可优化，实现基于时间和空间的温度梯度分布和变化的全过程智能化控制，达到温控全过程精准化、实时动态监控、预警及智能调控。
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| 图 7 智能通水技术 |
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该技术由智能控制软件、智能控制柜、集成式一体流温控制柜、管道内部温度测量装置、混凝土数字测温系统等5部分组成。主要功能为：智能控制软件是智能通水的控制中枢，根据温度信息自动分析控温策略，通过现场无线网络与后方服务器连接，与智能建造综合协同平台实时动态连接，可同时控制2 000个仓号的温控数据，时间粒度10 s以内。智能控制柜，与集成式一体流温控制柜组合使用，实现基于时间和空间温度梯度、大体积混凝土温度的智能个性化控制，其主要工作参数为：流量控制范围1.5~15 m3/h，最大工作压力6.3 MPa，介质温度-20~120 ℃；集成式一体流温控制柜，自动感知混凝土通水信息，控制通水流量和温度，可同时管控20仓的通水回路。管道内部温度测量装置，用于测量管道进出水口的温度，测量精度为±0.5 ℃，最大工作压力6 MPa；混凝土数字测温系统，由数字温度传感器、无线温度采集器、服务端平台及其他配套设备组成，通过埋设数字温度计、安装数据采集及无线传输装置等，自动采集和实时传输混凝土内部温度。
4.4 智能喷雾技术工程现场一般采用喷雾机改善仓面的小环境，存在喷雾压力不稳定、喷头堵塞、积水等问题。通过与智能化控制理念相结合，研究设计了智能喷雾技术(见图 8)，根据现场气温实时自动调整喷雾机的开启状态及喷雾强度，控制仓面环境在合理的范围实现喷雾的人工操作到远程智能控制的转变。
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| 图 8 智能喷雾技术 |
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智能喷雾设备由喷雾硬件设备、环境监测设备和远程控制系统组成：喷雾硬件设备在传统设备基础上进行改进，由控制、喷雾、送风、供水、过滤和旋转升降等单元组成，与传统设备相比，该设备具备云控制功能，可接受无线信号指令进行调控，喷头和泵送装置可实现完全雾化，进水及纳米过滤系统可保证喷头不易堵塞；环境监测设备包括仓面外固定环境监测设备和仓面内可移动监测设备，前者布置在仓面附近区域的固定点，可传递无线信号，以特定频率传输气温、太阳辐射、风速和风向等数据，后者为配备可移动电池的温度计，方便移动和固定放置；远程控制系统通过实时接收环境设备的气温、太阳辐射和风速等信息，根据相关关系模型计算喷雾设备运行参数，通过无线网络将指令传达至喷雾机，同步监控喷雾设备的运行状况。
4.5 智能灌浆技术灌浆为基础加固和防渗的重要措施，传统灌浆采用人工方式，作业环境差，劳动强度高，且施工质量难以保证，有必要进一步研究智能化灌浆工艺，提升灌浆作业过程标准化、规范化、智能化，实现隐蔽工程阳光作业，避免人工干预，保证施工质量。
综合运用自动控制、变频调速、网络通信、信息加密等技术，研究设计了智能灌浆技术(见图 9)，对灌浆各工序进行自动化和智能化革新，实现制浆和配浆、灌浆压力和流量控制、数据记录与处理的全过程智能化施工。技术由智能灌浆专家系统、智能制浆站和智能灌浆单元组成。专家系统远程控制智能制浆站、智能灌浆单元，进而实现制浆和配浆、灌浆压力和流量控制、数据记录与处理的全过程智能化施工；智能制浆站按中央服务器给定的浆液配比参数配制标准浓浆，为智能灌浆单元配送浆液；智能灌浆单元是智能灌浆的实施层，由数据中心系统、智能压力控制系统、智能配浆系统3部分组成，所有部件均集成在一体式基座上，且集装箱化，可整体移动，实现压力、流量、密度、温度、抬动、时间等参数精准智能控制。智能灌浆系统具备3种工作模式，即手动、单机自动与智能模式，其中手动模式将灌浆数据自动记录、人工调节压力、人工配浆；单机自动模式将灌浆数据自动记录、自动调节压力、自动配浆；智能模式与中央服务器端智能专家系统连接，由其对灌浆作业进行智能控制。
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| 图 9 智能灌浆技术 |
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4.6 智能建造信息管理综合平台按“统一模型、平台和接口，数据准确、全面、及时、共享，交互式直接面向生产需求，重在预测、预报、预警、预控，应用操作简单、直观、逼真、智能”的原则[14-15]，按统一编码体系、编码规则与数据接口标准的原则，以工程信息模型为基础，研发智能建造信息管理综合平台，平台主界面如图 10所示。平台采用MS.Net的分布式软件平台，C/S架构，后台基于分布式云平台建立，客户端基于.Net4.5版本，以工业基础类(industry foundation class，IFC)标准为基础架构，通过定义模型属性和结构构件及参数，利用NOSQL数据库进行数据和信息的储存，基于RESTful API标准接口对信息模型进行集成，利用Web GL技术实现对工程分解结构树加载、三维场景操作与数据交互，及工程进度、质量、安全及现场动态综合信息查询与显示等[10]。
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| 图 10 智能建造信息管理综合平台界面 |
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平台按施工全过程管理、智能生产控制、科研仿真与反馈、技术管理、专业化系统等方面进行架构。其中，施工过程管理包括开挖与支护、混凝土浇筑、温度控制、灌浆工程、金结制安等全过程全环节管理功能模块；智能生产控制集成一条龙监控、智能通水、智能喷雾、智能灌浆等系统，实现第三方系统的单点登录；科研仿真与反馈对接进度仿真、工作性态仿真系统；技术管理模块集成设计、施工、监理等技术与管理成果，研发制作了混凝土浇筑、保温与养护、灌浆工程、金结制安等标准化可视化施工工艺；专业化系统研发或集成了进度计划管理、质量管理、工程测量、安全监测、试验检测、天气水情、人员定位等系统。
5 工程应用实践白鹤滩水电站为世界在建的最大水电工程，是“西电东送”的骨干电源，是调结构、惠民生、促改革的大国重器。大坝为300 m级特高混凝土双曲拱坝，工程规模巨大，施工强度高，建设周期长，数据信息量大，两家承包公司协同施工，管理协调难度大。
采用本文提出的智能建造理念和成套技术，项目前期进行系统筹划，规划智能建造具体实施内容与参建各方需配合工作，明确各方职责，规范项目实施与管理；执行过程中，为保证实施效果，创建“四个一”的工作理念，即实施一个项目，组建一个团队，建设一个平台，执行一套标准；形成“一个中心+二个支撑+三个支柱”的工作模式[16]，即以建设单位为中心，科研和咨询单位为支撑，项目设计、监理、施工等参建各方为支柱力量，构建协同创新、产学研用紧密结合的项目管理新模式。
针对工程项目现场参建单位众多、角色各不相同、多专业协同的特点，通过分布式云平台技术建立智能建造综合信息管理平台，构建云平台工作组，通过数据自动采集或云平台管理员手动更新，构建施工全过程数字化管理模块及App录入与查询工具，项目技术与管理人员在网络环境下打开各自解决的推送信息，即可自动实时获取模型更新信息，实现数据与信息的无障碍沟通，提高工作效率和建设质量，实现海量数据实时、快速、准确地传达至每位项目管理与技术人员。针对日常巡视或检查发现的问题，通过移动设备记录发布问题，利用网络环境上传至相关单位项目管理人员，针对性分派任务并进行监督整改，以此查询问题及追溯责任，实现及时、快速动态校验和多角色、多成员的快捷高效沟通。
白鹤滩特高拱坝自2017年4月12日开浇，坝体混凝土近800万m3，施工过程全面应用信息管理平台、混凝土浇筑一条龙监控、平仓振捣监控、智能通水、智能灌浆、智能喷雾等业务流程和工艺过程的智能建造成套技术(见图 11)。主要应用为：实时获取混凝土生产、水平垂直运输、平仓振捣等数据，实时动态跟踪每方混凝土的生产、运输、平仓、振捣全流程施工要素，实现各种施工设备全环节运行效率、行为和轨迹的智能化监控与预警，优化施工组织过程，助力工程快速、高强度施工；全面应用智能通水设备，实现对混凝土温度状态和冷却通水状态的实时动态控制，优化通水策略，实现混凝土通水冷却全过程的智能化、精准化控制；灌浆工程实现每个单元、每个孔(段)的设计、施工过程与成果的全面管理，全面应用智能灌浆系统、灌浆信息软件和过程数据实时在线监测软件，降低了作业人员劳动强度、提高了施工安全性，实现灌浆作业过程标准化、规范化；集成安全监测与仿真分析，建立了数值模型、监测模型两套体系，实现了理论分析与现场施工的整合，实现PDCA管理，实时动态优化施工组织；大坝施工的关键施工工艺和主要业务流程实现数字化、智能化管理，规范项目管理业务流程，解决繁杂的数据采集、统计和分析工作，根据海量数据挖掘各环节质量、安全、进度等信息，使现场各类数据信息实时、准确反馈至各方，对施工各环节进行优化与智能控制，为大坝优质、高效、安全建设提供管理和技术支撑，提升工程建设技术与管理水平。效果主要表现为：运行效率显著提升，在深孔施工的关键阶段，仍创造了特高拱坝单日1.2万m3、单月27.3万m3、年270万m3浇筑纪录，创造拱坝建设世界纪录，3年浇筑超200万m3，实现持续年高强度施工，持续多仓同浇，同时保障缆机群高效安全运行；同时，通水冷却三阶段的各项温控指标符合率均在99%以上，大体积混凝土未发现温度裂缝，混凝土取芯检查，压水透水率均为0，层间结合良好，芯样长达25.7 m，保障混凝土施工质量。
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| 图 11 白鹤滩特高拱坝智能建造应用架构 |
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6 结论依托白鹤滩特高拱坝建设实践，以现场问题与应用需求为导向，提出了智能建造筑坝理念，在水电工程智能建造理论、方法、技术、应用等方面突破创新，升华“感知、分析、控制”闭环智能控制理论向“全面感知、真实分析、实时控制”的转变，开展了面向特高拱坝关键施工工艺和业务流程的智能建造理论体系研究与技术实践，形成了混凝土浇筑一条龙监控、平仓振捣监控、智能通水、智能喷雾、智能灌浆等系列成套技术，形成了中国特色水利水电工程智能建造模式，引领世界水电技术发展。历时50个月的白鹤滩特高拱坝建设，对该系列技术进行全面应用和检验，逐步优化与完善了各项功能模块，技术愈发成熟，形成了宝贵的模型与数据资产，参建各方积极主动应用项目成果，极大提升了工程建设的技术与管理水平，带来了较大的经济与管理效益，在行业内起到了引领和示范效应，推动了水电工程建设事业发展。
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