現(xiàn)代信息技術(shù)在水利施工中的應(yīng)用

田志剛 孫洪秀

（青州市水利建筑總公司，山東 青州 262500）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的影響下，各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，特別是在水利工程施工中，因?yàn)橐肓讼冗M(jìn)的科學(xué)技術(shù)，提升了整個(gè)水利工程施工的現(xiàn)代化水平，同時(shí)也保證了水利工程的施工質(zhì)量。水利工程施工周期長(zhǎng)、投資大、施工環(huán)境比較復(fù)雜，這些因素對(duì)施工的進(jìn)度和質(zhì)量產(chǎn)生了很大的消極影響。而信息技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)這些影響因素進(jìn)行提前分析和探索，為水利工程施工營(yíng)造一個(gè)良好的施工環(huán)境，在提高水利工程的施工質(zhì)量的同時(shí)也促進(jìn)了水利工程施工的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 現(xiàn)代信息技術(shù)在水利施工中應(yīng)用的價(jià)值

1.1 提升施工的豐富性和準(zhǔn)確性

在水利工程施工的過(guò)程中，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的采集和管理，并對(duì)施工過(guò)程中所需要的資料進(jìn)行精準(zhǔn)地整理和記錄，例如施工質(zhì)量方面的資料、施工安全、成本控制、施工進(jìn)度以及施工環(huán)境等；同時(shí)，還可以對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生的一些其他方面的信息，如日常工作記錄信息、檢查記錄信息等，借助于現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)這些信息和資料進(jìn)行整理、保存和分類，為水利工程的竣工驗(yàn)收和結(jié)算工作提供重要的信息，提高水利工程施工的豐富性和準(zhǔn)確性[1]。

1.2 提升施工的快速性和廣域性

以往的水利施工主要是借助于人力執(zhí)行相關(guān)工作，但是，現(xiàn)代信息技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用，可以對(duì)水利工程進(jìn)行全面、全范圍、全程、全時(shí)間段的監(jiān)控，這樣不僅可以讓施工的范圍擴(kuò)展到時(shí)空的范圍，還可以對(duì)水利工程施工的整個(gè)環(huán)境和過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控和記錄，并對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生的所有資料信息等內(nèi)容進(jìn)行快速分類、整理和篩選，并在水利工程施工各個(gè)主體之間進(jìn)行快速的流動(dòng)和傳播，實(shí)現(xiàn)有效信息的及時(shí)共享，提高了施工效率和質(zhì)量。

1.3 發(fā)揮出施工的整合性和易管理性

將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于水利工程施工中，施工過(guò)程中的所有資料信息都可以通過(guò)電子文檔的方式呈現(xiàn)，這樣有助于項(xiàng)目管理人員更加清楚地了解施工情況[2]。另外，使用現(xiàn)代化的信息技術(shù)還可以將所有的信息資料進(jìn)行整合，建立關(guān)于水利工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，在進(jìn)行相關(guān)資料查找時(shí)更加方便和快捷，也可以為其他水利工程的施工提供豐富的參考資料和信息，有助于建設(shè)單位通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)了解水利工程的情況。

2 虛擬仿真技術(shù)在水利施工中的運(yùn)用

2.1 水利施工中的虛擬仿真技術(shù)

水利工程施工中的虛擬仿真技術(shù)通過(guò)對(duì)水利工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和施工情況進(jìn)行仿真模擬來(lái)完成設(shè)計(jì)和施工。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可以從二維平面設(shè)計(jì)拓展為三維的立體空間技術(shù)。該技術(shù)系統(tǒng)在獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)之后，可以轉(zhuǎn)換到虛擬動(dòng)態(tài)可視化的直觀仿真界面，設(shè)計(jì)人員就可以在虛擬的環(huán)境中對(duì)水利工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，為工程的決策者提供最為直觀的施工現(xiàn)場(chǎng)感受，同時(shí)了解到更多的水利工程施工情況，提高決策效率和質(zhì)量。

2.2 水利施工中的虛擬仿真系統(tǒng)技術(shù)

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)的主要目的是通過(guò)使用系統(tǒng)仿真模型來(lái)了解系統(tǒng)模型的基本特點(diǎn)，找出仿真系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平。在水利工程施工階段，虛擬仿真技術(shù)的可以根據(jù)工程項(xiàng)目的情況建立起虛擬原型，也就是幾何模型和物理屬性模型，需要注意的是，虛擬環(huán)境是以一種觀察和分析工具體現(xiàn)的，在三維空間中對(duì)CAD系統(tǒng)構(gòu)建的模型使用性、美觀性等進(jìn)行分析。在水利工程施工中，先用CAD技術(shù)建立水利工程的CAD模型，然后，再把繪制好的CAD模型導(dǎo)入虛擬環(huán)境中來(lái)進(jìn)行觀察和分析。然后，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)模型，而不再需要重新進(jìn)行模型制作，不僅節(jié)省了模型制作的時(shí)間，同時(shí)，還可以讓設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)水利工程設(shè)計(jì)和施工中的問(wèn)題和不足，及時(shí)調(diào)整方案和施工技術(shù)，加快了水利工程的施工進(jìn)度。另外，工程的設(shè)計(jì)者和施工管理人員可以通過(guò)觀察和分析模型來(lái)對(duì)施工的尺寸要求進(jìn)行調(diào)整，例如，設(shè)計(jì)人員和施工人員在虛擬的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)原有的施工尺寸和實(shí)際的施工情況并不符合，只需要選擇需要修改的產(chǎn)品尺寸，輸入新的尺寸，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)整模型尺寸，把調(diào)整后的新尺寸輸出到CAD系統(tǒng)中，并在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行新尺寸的調(diào)整，然后再次傳輸?shù)教摂M仿真模型中，讓設(shè)計(jì)人員和施工管理人員進(jìn)行確認(rèn)。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可以更加真實(shí)地觀察施工的實(shí)際情況，了解施工現(xiàn)場(chǎng)的施工情況。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要構(gòu)建一個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)邏輯構(gòu)架，在該構(gòu)架中對(duì)水利工程施工的情況進(jìn)行調(diào)整和完善，如圖1所示。

圖1 水利工程虛擬仿真系統(tǒng)邏輯框架圖

3 GIS技術(shù)在水利施工中的運(yùn)用

3.1 GIS技術(shù)在水利施工CAD地形管理中的運(yùn)用

水利工程的選址是非常復(fù)雜和困難的工作，以往水利工程的選擇需要消耗大量的資源和時(shí)間、對(duì)水利工程的施工帶來(lái)了很大的消極影響。而GIS技術(shù)的運(yùn)用，主要是借助于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，來(lái)對(duì)相關(guān)的選址數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，之后為水利工程施工建設(shè)提供重要的數(shù)據(jù)信息[3]。在繪制水利工程地形圖之前，可以利用GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息，在空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。然后，可以直接對(duì)GIS和CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行直接或者是間接性的轉(zhuǎn)換，而數(shù)據(jù)庫(kù)中的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以通過(guò)編程的方式來(lái)進(jìn)行，而這種方式可以有效地減少水利工程選址的時(shí)間和費(fèi)用成本。

3.2 GIS技術(shù)在水利施工中的運(yùn)用

GIS技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用，主要是通過(guò)輔助的方式來(lái)分析水利工程的地質(zhì)情況，把復(fù)雜的施工過(guò)程通過(guò)可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)，為施工人員提供更加準(zhǔn)確的施工信息，提高施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。另外，CIS技術(shù)中強(qiáng)大的空間分析能力和圖形展示功能，可以對(duì)施工過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)施工的空間位置關(guān)系和屬性信息進(jìn)行展示和體現(xiàn)，同時(shí)還可以對(duì)施工進(jìn)度和施工現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的模擬，有助于施工管理人員更好的對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行控制。此外，CIS技術(shù)中的可視化系統(tǒng)，例如對(duì)施工導(dǎo)截流三維動(dòng)態(tài)可視化演示系統(tǒng)、混凝土壩施工全過(guò)程三維動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)以及水利工程施工總布置情況等進(jìn)行可視化的演示。而CIS技術(shù)還可以和BIM技術(shù)以及虛擬仿真技術(shù)結(jié)合使用，形成新的技術(shù)，在水利工程施工過(guò)程中，應(yīng)用這些先進(jìn)的信息技術(shù)可以解決施工過(guò)程中遇到的復(fù)雜問(wèn)題，提高水利工程施工的效率和質(zhì)量。

4 BIM技術(shù)在水利施工中的運(yùn)用

4.1 BIM技術(shù)介紹

BIM技術(shù)是建筑信息模型的英文縮寫，其是一種新型的技術(shù)，這種技術(shù)融合了協(xié)調(diào)性和優(yōu)化性的優(yōu)勢(shì)，為工程施工建設(shè)的集成化發(fā)展提供了可靠的技術(shù)保障。BIM技術(shù)在運(yùn)用的過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字技術(shù)來(lái)對(duì)工程施工的相關(guān)信息進(jìn)行整合，并建立起數(shù)據(jù)模型[4]。實(shí)現(xiàn)了從工程中的造價(jià)管理、工程設(shè)計(jì)、工程施工、工程運(yùn)營(yíng)和后期維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)的整合，并借助數(shù)字視覺(jué)技術(shù)來(lái)進(jìn)行綜合性的表現(xiàn)，為工程施工建設(shè)提供了重要的創(chuàng)新技術(shù)支持。

4.2 BIM技術(shù)在水利施工中的運(yùn)用

為了更好地讓BIM技術(shù)在水利工程施工中進(jìn)行運(yùn)用，先要根據(jù)水利工程的實(shí)際情況建立一個(gè)工程信息模型，該模型中包括了水利工程動(dòng)態(tài)施工進(jìn)度信息模型和動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)信息模型。其中，動(dòng)態(tài)施工進(jìn)度信息模型在構(gòu)建時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)展現(xiàn)水利工程的施工情況。可以使用網(wǎng)格單元映射法來(lái)構(gòu)建；通過(guò)三維可視化體現(xiàn)施工情況，將施工情況和工程施工中的各種數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)參數(shù)，并對(duì)施工情況進(jìn)行模擬計(jì)算。然后根據(jù)施工的進(jìn)度情況，采集相關(guān)的施工信息，借助于動(dòng)態(tài)修正和預(yù)測(cè)的方式，來(lái)對(duì)后期施工的進(jìn)度情況進(jìn)行分析，并得出結(jié)果，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行決策的參考依據(jù)。另外，還可以借助于實(shí)體映射的方式，在可視化信息模型的構(gòu)建中，呈現(xiàn)出施工面貌，對(duì)施工的進(jìn)度情況和相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和分類，并對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和整理，之后，結(jié)合水利工程項(xiàng)目的活動(dòng)內(nèi)容來(lái)對(duì)后期的施工進(jìn)度情況進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。

水利工程施工的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)信息模型的構(gòu)建，需要先對(duì)施工的動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行搜集、整理和分類，在進(jìn)行模型構(gòu)建中，輸入計(jì)劃施工狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)值中。然后根據(jù)實(shí)際施工的情況制作科學(xué)合理的施工模型。模型對(duì)施工進(jìn)度的狀態(tài)進(jìn)行仿真信息模擬映射，需要和網(wǎng)格單元映射進(jìn)行結(jié)合。如果遷移時(shí)間對(duì)施工結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)產(chǎn)生了不良影響，需要根據(jù)水利工程實(shí)際的施工情況，來(lái)對(duì)仿真模型中的動(dòng)態(tài)數(shù)值進(jìn)行合理地調(diào)整和完善。

例如，在某碾壓混凝土重力壩施工的過(guò)程中，大壩的數(shù)值仿真模型中包括326 174個(gè)節(jié)點(diǎn)和302 576個(gè)單元。壩段混凝土分區(qū)如圖2所示，其中，C Ⅰ、C Ⅱ、C Ⅲ、R Ⅰ、R Ⅱ、R Ⅲ、R Ⅳ為重力壩不同的分區(qū)。

圖2 壩段混凝土分區(qū)圖

大壩的澆筑工期預(yù)計(jì)是550 d，壩體墊層和其他常態(tài)下的混凝土澆筑層厚度為1.5 m左右，中間的間歇期為5 d；強(qiáng)約束區(qū)域范圍中需要在每一層進(jìn)行碾壓，壓實(shí)厚度為0.3 m，進(jìn)行5層連續(xù)性地碾壓，總計(jì)厚度約為1.5 m，10層的話，約為3 m左右的厚度，在碾壓結(jié)束之后，間歇5 d～8 d，具體的施工組合方案見(jiàn)表1。

表1 大壩施工組合方案設(shè)計(jì)

通過(guò)該工程發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)可以為水利工程碾壓混凝土重力壩擬定合適的施工方案，并且還可以模擬全尺度下的三維結(jié)構(gòu)安全進(jìn)度，壩段結(jié)構(gòu)的安全性和施工監(jiān)督情況等都可以實(shí)現(xiàn)安全控制和可視化跟蹤，為項(xiàng)目管理人員和主要負(fù)責(zé)人員對(duì)混凝土碾壓重力壩壩段施工結(jié)構(gòu)的安全控制和進(jìn)度控制提供了重要的數(shù)據(jù)信息參考[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于水利工程施工中，水利工程施工質(zhì)量和施工進(jìn)度得到了有效的保障，同時(shí)對(duì)水利工程施工的信息化發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)支撐。該文重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和介紹，在介紹了CIS技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和BIM技術(shù)等自身技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)這些技術(shù)在水利工程施工中的運(yùn)用情況進(jìn)行的分析，為水利工程施工中合理地利用現(xiàn)代信息技術(shù)提供了一定的參考價(jià)值。