智能建造技術在水運工程軟基施工管控中的應用研究

李子龍，劉 磊，馬瑞鑫

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.山東四維卓識信息技術有限公司，泰安 271000)

我國地域遼闊，軟土分布極為廣泛，在軟土地基區域進行水運工程建設存在地基穩定性隱患。而根據水運工程相關施工規范[1-4]，一方面要在施工期間加強過程控制，對軟土采用變形與沉降監測；另一方面要依據監測資料和地基承載力試驗結果來調整施工預壓期及施工速率，而軟基處理施工過程是保證工后基礎承載力的關鍵環節。此外，在軟土地基施工管理中，各種工藝的施工信息分布分散、傳遞時效性差、信息共享能力不足、往往會造成施工信息“孤島”效應，不利于工程建設項目管理的協調聯動[5-7]。

當前，新一代信息技術應用呈現爆發式增長趨勢，新技術、新工藝催生水運工程施工質量管理的新模式，工程建設管理正逐步向智能化方向發展[7]。依托信息技術與傳統工程建造深度融合形成的智能建造系統是工程建造創新發展的模式，具備全壽命周期一體化協同管理和智能決策能力。近期，住建部、交通運輸部等部委已經出臺相關政策性文件[8-9]，明確推動智能建造基礎共性技術和關鍵核心技術研發。基于此，本文基于智能建造的內涵，提出了軟基施工智能建造的總體架構，構建了從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的施工智能管控體系，實現了軟基施工的可視化和智能化管理。

1 智能建造理論及內涵

關于智能建造的內涵，目前尚無統一的定論[10-12]。日本學者認為智能建造的概念包括采集施工信息、自動分析數據，并有針對性地制定工程施工方案，以輔助甚至無人控制施工；英國基礎設施和項目管理局認為智能建造是一種從傳統建筑業到智能制造業的理念轉變，支持工廠化生產和裝配化建造；馬智亮認為智能建造的終極目的是以智能技術為手段，提高建造過程的智能化水平、實現安全建造。鐘登華等[13]認為智能建造是在數字化建設體系基礎上引入新一代信息技術，通過將先進智能技術與建造跨界融合，形成的智能閉環體系；劉占省等[14]認為智能建造結合全生命周期和精益建造理念，利用先進信息技術和建造技術，對建造全過程進行的技術和管理創新。未來，智能建造的概念將隨著新興技術地不斷涌現，更加豐富和完善。

智能建造源自建筑全生命周期管理，是在建筑工程的決策、實施及運營整個過程實現工程項目信息集成管理的一種策略。水運工程從施工開始到施工驗收，并延伸到上游的施工設計和下游的工程運行階段，包含了施工設計、施工組織、施工監測、質量抽檢及竣工驗收等主要階段。智能建造的管控體系是一個由主體維(業主方、設計方、施工方、監理方、檢測方等)、空間維(基礎、航道、碼頭、船閘、防波堤等)及時間維(設計階段、施工階段、運行階段等)構成的復雜系統工程[15]，要求施工質量的全面控制和施工信息的集成共享。

對于智能建造的內涵，可從廣義和狹義兩個層面去理解。廣義的智能建造著眼于建設項目產生的整個過程，通過新興信息技術的集成應用來完成工程項目立項、設計、施工、運維等階段的工程建設活動；狹義的智能建造著眼于工程項目的建造階段，旨在以新興信息技術來實現整個工程建造過程的信息化與智能化。本文所開展的水運工程軟基處理施工精細化智能建造技術研究主要聚焦狹義層面的智能建造，主要應用點如圖1所示。

圖1 智能建造典型應用場景Fig.1 Typical application scenarios of intelligent construction

2 軟基施工智能建造的總體架構

針對水運工程軟基施工提出的智能建造技術，是以施工智能感知為手段，以服務施工質量管理為目標，采用“端+平臺”的架構模式，對全過程軟基施工信息進行有效匯聚和可視化監管，形成軟基施工數據中心和智能施工指揮中心，以此來保障工程建設質量、提高管理效率。軟基處理智能建造框架可分為信息感知層、網絡層、應用層和數據標準體系等部分，如圖2所示。

圖2 軟基施工智能建造整體框架體系Fig. 2 Overall frame system of intelligent construction of soft foundation construction

(1)感知層。

感知層為整個智能建造體系的“神經末端”，負責施工相關基礎信息的采集。根據采集數據的不同，可大致分為兩種模式。對于一些非結構化的、靜態的或無法提供數據接口的數據，可采用信息導入或者信息填報的方式獲取信息，如施工設計圖紙、土工試驗結果等；對于一些結構化的動態施工信息，可基于物聯網技術進行智能感知，實現對數據進行實時、動態采集，如實時實時施工參數、地面沉降等。

(2)網絡層。

網絡層是整個智能建造體系的“神經網絡”，通過自建網絡和公共互聯網實現施工信息的安全、高效入庫。隨著網絡技術的發展，在傳統有線網絡的基礎上，逐步擴展應用4G、5G網絡應用，有效克服了網絡傳輸對現場施工信息采集的制約。通過高可靠高冗余的網絡傳輸實現了軟基施工中的各類實時監控數據和綜合信息管理數據的有效匯聚，形成了工程級的施工數據中心，支撐了后續軟基施工管理各類業務應用。

(3)應用層。

應用層是整個智能建造體系的“大腦”，主要指針對軟基智能建造監管需求所開發的應用系統及提供的功能與服務。從服務具體的施工質量管理來說，包括施工過程信息化監管、試驗檢測信息化監管、工程進度信息化監管及工程安全監測信息化監管等系統，并利用可視化技術，實現從施工設計到施工驗收全過程的質量監管。其中，施工過程信息化監管是軟基施工質量管控的關鍵環節，可構建諸如強夯施工監控系統、樁基施工監控系統、排水板插板監控系統、碾壓施工監控系統等施工智能管控系統；從服務整個工程宏觀決策來說，可建設一個針對整個工程的施工智能建造管控平臺，包括施工過程監控、預警信息發布、設計成果展示、質量檢測和安全監測信息查詢、施工數據統計分析及輔助決策等，并對各個功能于服務進行統一管理。

(4)標準體系。

標準體系主要指構建以國家、行業、工法技術規范為鏈條的軟基處理智能建造過程中各類異構數據資源的標準體系、平臺安全評價體系、施工質量評價體系及相關規范制度等內容[16]，有助于保障施工管控過程中數據的規范采集、高效融合以及質量安全的權威評價。

3 軟基施工智能管控系統

軟基施工過程參數管控是保證智能建造質量的最重要環節，傳統的“人管模式”難以實現對施工過程的精準控制和有效反饋。智能建造下的施工智能管控系統，主要服務施工管理人員進行質量監管，通過建設各類智能物聯終端，構建從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的閉環管控體系，實現關鍵施工環節的全天候在線實時監管。

3.1 智能感知

通過在軟基施工的打樁機、插板機、強夯機、碾壓機等軟基施工機械上，安裝各類傳感器終端，實現全過程施工信息的實時、泛在、自主感知，構建形成軟基施工智能感知體系。以軟基處理常見的水泥粉煤灰碎石(CFG)攪拌樁、排水板插板、強夯、碾壓等工藝為例，智能建造的智能感知體系如圖3所示。

圖3 軟基施工智能感知體系Fig.3 Intelligent perception system for soft foundation construction

上述CFG智能監管終端通過在施工機械上安裝高精度全球定位導航裝置(GNSS)、傾角傳感器、電流傳感器、貫入深度傳感器等終端設備，實現對打樁施工位置、貫入深度、鉆機電流、垂直度及成樁時間等CFG攪拌樁施工信息的自動采集；排水板智能監控終端通過安裝GNSS、電流傳感器、深度傳感器等終端設備，實現對排水板施工過程中插板施工位置、插板機航向與車身姿態、排水板用量(長度)、電機電流等施工關鍵數據的智能采集；強夯施工智能監控終端通過在強夯機上安裝GNSS、張力傳感器、落距傳感器等終端設備，實現了對夯點施工位置、承載繩形變、夯錘落距、夯擊次數等參數的自動采集[17]；碾壓智能監控終端通過在碾壓機上安裝GNSS、壓實度計、采集控制單元等終端設備，可以實現對碾壓軌跡、碾壓遍數、振動頻率、機測壓實度等碾壓指標的自動采集，并且已經在實際工程中取得良好應用效果[18-20]。

3.2 智能分析

智能分析是通過解譯實時監測數據，將各類施工數據集成和知識挖掘，實時、自主地進行施工決策，使得施工過程趨向于智能化控制。如在CFG樁施工過程中，智能分析系統根據各類智能感知信息的位置屬性，自動疊加到CFG施工圖層中，實現以下智能分析：(1)自動任務獲取：自動獲取施工任務，以數字的方式顯示坐標信息；(2)插板深度分析：通過深度傳感器的數據分析，計算鉆機從地面到當前最深處的施工深度，將深度計算結果刷新到車載顯示器，用于深度控制與統計；(3)打樁電流監測：讀取施工過程中的電流監測值，以數字的形式實時刷新到車載顯示器，協助施工人員判斷地基抗剪強度；(4)施工材料統計：通過施工的深度數據，結合現場實驗計算得出參數，計算每次施工過程中的塑料板用量，并實時刷新到車載顯示；(5)自動監測打樁施工合格情況，將所有成樁數據以是否符合施工標準加以區分，實現不合格施工情況的全面分析(位置、分布、不合格數據等)。CFG車載顯示終端的智能分析結果如圖4所示。

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

近年來，隨著新一代信息技術的發展，碾壓作為基礎處理最常用的施工手段，較早開展了無人駕駛研究與應用[21-22]。碾壓無人駕駛以施工過程精細化控制為基礎，利用毫米波雷達和高清影像的融合分析，進行施工面檢測，獲取障礙物的位置和狀態信息；根據碾壓作業要求和碾壓機實時狀態，云服務器進行碾壓施工路徑規劃、路徑跟蹤和障礙物避障等智能分析工作，取得了良好的試驗效果。

3.3 智能饋控

鐘登華等[13]指出，反饋控制是區別數字化建設與智能化建設的重要特征。智能饋控是指利用智能分析結果對受控對象進行優化決策，如實時預警、智能糾偏和自主導航等。本文作者在強夯施工管控中提出強夯施工導航系統，通過智能分析設定實際夯點與設計規劃夯點的偏移量，引導機械操作手施工糾偏[17]；此外，結合某具體工程，筆者開發的智能拌和管理監控系統，在實時監控各類拌和指標的基礎上，自動與設計拌和參數進行比對，若監測內容某一項重量超出允許范圍誤差，則給予報警提示，同時此盤拌和料標識為不合格，如圖5所示。

圖5 拌合料智能監管系統Fig.5 Intelligent supervision system for mixtures

4 軟基施工智能建造管控平臺

智能建造管控平臺主要服務領導決策，基于統一的數據標準和數據模型，匯聚施工智能管控系統的各類結構化和非結構化數據，并利用大數據融合技術實現對高價值結構化數據的實時處理、多表關聯分析、即席查詢和業務互動等功能，同時滿足智能建造管控平臺對海量的非結構化數據存儲和精確查詢的要求。在底層數據的基礎上，平臺基于BS架構，運用三維設計理念對工程項目進行精細施工管控。圍繞施工過程質量管理，構建了互聯協同、智能生產、科學高效的軟基施工智能施工指揮中心(如圖6所示)，并對智能感知到的工程信息進行數據挖掘分析，提供過程趨勢預測及專家預案，實現軟基施工的可視化和智能化管理。

圖6 軟基施工智能建造管控平臺主界面Fig.6 Main interface of intelligent construction control platform for soft foundation construction

根據施工管理需求，平臺主要功能如下：

(1)用戶管理：針對工程各施工參與方職責，平臺分為五類用戶：業主、設計、監理、施工和檢測，具體的權限如表1所示。

表1 智能建造管控平臺用戶職責Tab.1 User responsibilities of intelligent construction control platform

(2)施工管控：匯聚軟基各工法施工智能管控系統的關鍵施工信息，結合工區GIS地圖和工程三維模型，實現對工程施工人員、材料、機械設備、土石方量、工程進度、工程質量、報警等指標的可視化監管。同時，為滿足各級監管主體對軟基施工更為詳細的監管需求，平臺支持對各個智能管控系統實時監控界面的跳轉。

(3)視頻監控：平臺接入了工程中所有的現場監控視頻，包括強夯施工、碾壓施工、攪拌樁、插板施工、土石方料場等，支持視頻監控與施工管控系統的協同監管。

(4)統計分析：平臺提供與工程質量管控相關的各類施工要素的統計分析，包括宏觀的工程整體進度、土石方工程量、設備配置情況、施工報警情況等，也包括具體每個工法的施工參數、試驗檢測、各臺班施工工作量、設備使用情況等內容。為了提高用戶的友好性，平臺提供了統計圖、統計曲線、儀表盤等形式的統計分析形式，給用戶駕駛艙式體驗。

(5)工程鳥瞰圖及電子沙盤：對工程的標段劃分、整體布局進行查看。結合工程無人機定期航拍圖，可以對工程進度面貌進行整體分析。

5 智能建造管控效果分析

以施工智能管控為核心的智能建造技術為水運工程軟基精細化施工提供了一種實時、量化、可視的質量管控手段，有效解決了地基施工質量監管難題。以軟基中常見的強夯施工為例，智能建造技術下的強夯施工智能管控系統對施工質量管控手段的有效性體現在以下三個方面：(1)從施工參數監測范圍層面，覆蓋了《強夯地基處理技術規程》(CECS279-2010)規定所有一般檢測項目(包括夯錘落距、夯擊遍數及順序、錘質量、夯點間距、前后兩遍間歇時間等)；(2)從監測手段層面，智能管控系統結合監控視頻，實現了施工參數的自動感知和反饋控制，提升了質量管控效率，是對傳統人為旁站手段的有效提升；(3)從管控精度層面，智能管控系統實現夯錘落距監測精度為±40 mm，小于規程允許偏差值±300 mm；夯點對點誤差為±40 mm，小于規程偏差允許值150 mm；達到了現場施工控制所要求的最后兩擊夯沉量≤50 mm的質量控制要求；(4)從質量管控效果層面，系統針對每個施工單元自動生成圖形報告，可對整個施工單元的整體施工情況進行統計分析并量化顯示，如圖7所示圖形報告不但統計了整個施工單位的滿夯施工達標率，并用黃色顯示施工薄弱區域。通過“按圖施工”可引導施工補救，提升施工質量達標率，這在傳統的強夯人為監管中是難以實現的。

圖7 強夯智能監管系統施工圖形報告Fig.7 Construction graph report of intelligent supervision system for dynamic compaction

6 結論

(1)針對水運工程軟基施工質量管理難題，研究分析了智能建造內涵，采用了“端+平臺”的架構模式，提出了包含信息感知層、數據資源層、應用系統層、信息發布層和數據標準體系等部分構成的軟基處理智能建造的總體架構。

(2)針對軟基施工的不同施工工藝，提出了施工智能管控系統體系，從智能感知、智能分析、智能饋控三個層面對智能管控系統進行了探討，構建了從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的閉環管控體系，實現關鍵施工環節的全天候、在線、實時監管。

(3)針對施工領導決策，開發了軟基施工智能建造管控平臺，匯聚了施工智能管控系統的各類結構化和非結構化數據，構建了互聯協同、智能生產、科學高效的軟基施工智能施工指揮中心，實現軟基施工的可視化和智能化管理，大大提升了工程的施工質量管控水平和效率，在類似工程中具有廣闊的推廣應用前景。

(4)水運工程建設環境復雜、施工環節繁多、施工工藝差異較大，本文研究的水運工程軟基施工智能建造只是智能建造龐大體系的一小部分。未來，水運工程全過程智能建造仍需在理論、方法、技術、管理模式、標準規范等方面進行完善，推動智能建造技術在工程建設各環節創新應用。