数字化建设管理模式在DG水电站中的应用

田 继 荣，张 帅，林 瀚 文，岳 超

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

近年来，随着科学技术的不断进步，国内外众多学者在工程的智能化建造与管控方面进行了广泛的探索。在国内，张磊等[1]采用信息化的技术手段，在黄登水电站建设过程中建立了大坝混凝土智能温控监控系统，为混凝土温控防裂提供了有力的技术手段；张国新等[2]基于互联网、物联网等先进技术，对从原材料的预冷到混凝土的表面养护进行了全过程的监控管理，有效地提高了混凝土温控管理水平；樊启祥等[3]研发的智能灌浆系统能够实现灌浆一键式的闭环智能控制；钟登华等[4-6]近年来在水电站智能建设方面做了大量的研究，将人工智能、云计算、大数据等新一代技术手段与大坝建设相融合，形成了以智能灌浆、智能碾压、智能仿真、智能温控为核心技术的大坝智能管理集成平台。在国外，现有的工程建设基础管理平台多基于商业软件实现，如Microsoft公司的Microsoft Project系列软件、Primavera Project Planner软件[7]、WorkBench C PMW[8]等，但上述软件都侧重于工程施工进度等方面的管理，缺乏工程智能建造方面的研究。总体来说，已有的研究虽然已针对水电站施工过程中重要施工工序采用了较为成熟的智能化手段来管理，但忽略了施工现场之外的物资、投资以及技术等方面的数字化管理，并且缺乏一个统一的管理系统将其进行集成，以实现对工程建设的全过程数字化统一管控。

本文主要从工程建设管理的角度，探讨“1+1+N”的数字化建设管理模式在西藏DG水电站工程中的应用。

1 “1+1+N”的数字化建设管理模式

DG水电站为二等大(2)型工程，开发任务以发电为主，拦河坝为碾压混凝土重力坝。作为地处高寒地带的大型水电工程，DG水电站工程不仅具有规模大、难度高、施工周期长、数据和信息处理的工作量大、管理极其复杂等特点，而且复杂恶劣的自然条件也给现场的工程管理带来了巨大的挑战，利用传统的工程管理模式与手段已经无法满足工程建设管理的要求。因此，有必要采用先进的技术手段管理工程信息与数据，利用高效的管理模式提高工程管理水平，从而为工程提质增效提供有力的保障。

随着现代信息技术、计算机技术的发展，信息化、数字化技术越来越多地被应用于水电工程建设过程中[9]。建筑信息模型(BIM)主要是应用几何学、空间关系和地理信息系统等学科知识来管理和存储建筑物整个生命周期中的信息，具有完整性、参数化、信息集成、可视化等优势及特征[10]。为了提高工程管理效率和管理水平，响应国家大力提倡的工业化与信息化“两化”深度融合的要求，DG水电站工程项目组从工程建设管理的实际需求出发，将传统水电工程建设管理的模式进行了创新，以工程全信息三维模型(BIM)为载体，充分利用大数据、云计算、物联网和移动端等前沿信息技术，提出了基于“1+1+N”的大型水电站数字化建设管理模式并且成功应用于DG水电站，即“1个BIM工程数据中心+1个工程管理信息系统+混凝土碾压质量控制、灌浆智能管理、大坝混凝土智能温控以及施工期视频监控等N项智能建造技术”。该管理模式不仅克服了DG水电站建设过程中存在的海量工程信息与数据管理困难、分析深度不足等问题，而且成功实现了DG水电站工程的科学、高效与精细化管理，最终实现了DG水电站单项目、全要素、全方位的数字化管理与智慧化管控。“1+1+N”的数字化建设管理模式总体思路如图1所示。

图1 “1+1+N”数字化建设管理模式总体思路Fig.1 General idea of “1+1+N” digital construction management mode

1.1 BIM工程数据中心

为进一步提升DG水电站工程建设期的工作效率和质量，加强工程建设期各个业务系统之间的交互和关联，打破工程“数据孤岛”，使得各个独立应用系统通过工程数据中心实现数据的共享、集成和无缝连结，DG水电站建立了跨地域、跨系统的BIM工程数据中心，为业务系统的集成奠定了基础。

BIM工程数据中心可以将工程数据以三维BIM模型为载体进行联动分析与可视化展示。通过将施工BIM模型切分至单元工程级，并且以编码为纽带，可以实现BIM模型与各类工程数据之间的有机关联，最终形成基于BIM模型的工程数据中心，从而可以实现各功能模块数据之间的互相调取与联动分析。例如进度管理模块产生的工程算量相关数据，投资管理模块可通过工程数据中心直接调用；物资管理模块中的甲供物资核销数据可以直接调用，作为结算管理扣除甲供材料费用的直接依据。

BIM工程数据中心不仅为各业务系统提供信息服务，而且能够为后期电站全生命周期管理提供数据基础。通过工程数据中心对工程建设期海量数据的存储、处理和挖掘，真正实现了工程数据的流动、共享与增值，打破了传统管理模式下的“数据孤岛”，使得参建各方之间的沟通更加协同、有效，有效提高了DG水电站工程的建设管理水平。BIM工程数据中心示意图如图2所示。

图2 BIM工程数据中心Fig.2 BIM engineering data center

1.2 工程管理信息系统

我国由于工程建设体制的原因，使得工程设计、施工在相当长一段时间内分别由不同的企业主导实施完成，导致工程项目设计、施工的融合度相对较低。DG水电站工程项目组针对大型水电工程项目设计、施工融合度低的管理难题，按照工程管理“横向到边，纵向到底”的原则，研发并上线了可模块化配置的工程管理信息系统，实现了DG水电站工程设计施工的一体化管控。该系统以水电站全生命周期管理为建设理念，针对水电站全生命周期的技术和管理特点，建立了DG水电站主体建筑物(大坝、消力池及厂房等)三维信息模型，并在工程建设期间对三维信息模型进行更新、维护和处理，通过统一的数据标准体系和通信标准，提高了电站建设期各类数据的集成和信息共享性能，消除了电站“数据孤岛”，满足了工程建设期业主单位、设计单位、监理单位及施工单位的工程管理需求，实现了基于BIM模型和数字化、信息化技术的工程设计、进度、质量、投资、安全等全方位工程建设管控，并且能够为电站运行期的数字化运维管理提供可继承的工程数据中心。

1.2.1系统架构建设

基于DG水电站工程管理的实际需求，工程管理信息系统由以下三大部分构成，即：计算机网络及资源、工程数据中心、业务应用及在线服务，系统架构如图3所示。

(1) 计算机网络及资源。包括计算资源、存储资源和网络资源，是实现整个系统的硬件基础。

(2) 工程数据中心。包括数据建模层、数据控制层以及数据服务层。主要功能为存储和管理工程相关信息与数据，是保证工程数据快速存储、即时共享和高效流转的关键。此外，工程数据中心以相关技术为基础，明确了系统集成的规范以及各模块运行所需的数据接口，是整个系统的基础框架。

(3) 业务应用及在线服务。包括基础模块和业务子模块。基于工程数据中心这一基础框架，以工程管理的实际需求为建设目标，向参建各方提供服务于工程管理的功能应用与技术服务。其中基础模块的数据由用户通过WEB端和APP键入获得，业务子模块中的工程技术管理、工程进度管理、工程物资管理等模块的数据由用户通过WEB端和APP键入获得，而智能碾压等4个智能建造子模块的数据则是通过专门的数据接口将相应的数据接入到系统内。此外各个模块间的数据可实现互相联动，例如物资管理模块中物资核销数据可通过工程数据中心直接调用到投资管理模块内，质量验评APP内键入得到的浇筑进度数据可通过工程数据中心直接调用到进度管理模块作为实际进度数据。

1.2.2系统主要功能模块

DG水电站工程管理信息系统涵盖了工程技术管理、工程进度管理、工程质量管理、工程安全管理、工程物资管理、工程投资管理等功能模块，并且集成了工程安全监测、灌浆智能管理、大坝混凝土温控、碾压智能管理、施工期视频监控等功能模块，此外还包含了水电站质量验评APP以及隐患管理APP等移动端应用，实现了DG水电站设计施工信息与数据的全专业、全过程和全范围归集。系统主要功能模块以及典型界面如图4～5所示。

1.3 智能建造关键技术

1.3.1混凝土碾压质量控制技术

碾压质量控制是碾压混凝土重力坝施工质量控制的关键环节，直接关系到大坝安全[11]。为了保证碾压混凝土大坝的施工质量，DG水电站采用了先进的混凝土碾压质量控制技术，通过在碾压车辆上安装集成高精度GNSS接收机的监测设备以及使用自主通信传输网络，对坝面碾压施工机械的运行轨迹、速度、振动状态等参数进行实时监控，并且能够实现大坝碾压质量数据的统计与可视化查询以及质量控制指标超标自动预警等功能，确保碾压混凝土重力坝施工质量始终处于受控状态。此外，通过数据接口的方式将大坝混凝土碾压施工监控成果接入工程管理信息系统智能碾压管理模块，从而便于参建各方管理人员及时查询碾压质量图形报表，为大坝混凝土碾压施工质量验收和碾压质量控制提供决策依据。大坝混凝土碾压报警预警反馈控制机制如图6所示。

图3 DG水电站工程管理信息系统架构Fig.3 Architecture of DG Hydropower Project engineering management information system

图4 DG水电站工程管理信息系统模块设置Fig.4 Module setting of DG Hydropower Project engineering management information system

图5 DG水电站工程管理信息系统典型界面Fig.5 Typical interface of DG Hydropower Project engineering management information system

1.3.2灌浆智能管理技术

DG水电站工程枢纽区固结灌浆及防渗帷幕孔众多，灌浆施工质量把控困难，施工过程产生的数据量大。对于现场质量管控人员来说，无论是工程量计量判别，还是灌浆质量评价，都需要与地质条件相结合，且需要大量的图表配合进行分析。通过将DG水电站全部灌浆记录仪接入无线网络，实现了灌浆数据与工程管理信息系统的实时传输以及灌浆施工异常情况的实时监测与报警，为现场管理人员提供了反馈信息和决策支持。

1.3.3大坝混凝土智能温控技术

大坝施工期温控的目的是通过人工通水冷却实施温度控制，使混凝土温度保持在设计的“温度-时间-空间曲线”附近，从而使混凝土质量可控[12]。DG水电站采用大坝混凝土智能温控技术实现了大坝混凝土施工和温控信息的实时采集与传输、温控信息的可视化高效管理、温控信息评价和自动预警以及通水冷却系统的自动化智能控制等功能，并且通过数据接口的方式将大坝混凝土智能温控系统接入工程管理信息系统，实现了温控信息的实时查询与展示，为工程质量监督、评定和验收提供了参考依据。

图6 大坝混凝土碾压报警预警反馈控制机制Fig.6 Early warning and feedback control mechanism of dam concrete rolling

1.3.4施工期视频监控技术

在DG水电站主要施工区域设置视频监控，对施工区域的物资堆放区以及主要工作面进行监控，通过系统开发将施工期视频监控系统的视频信息进行整合，实现视频监控信息的在线实时查询以及录像回放。通过查询监控历史视频找寻工程建设的各个阶段的施工面貌，可以实现工程施工过程中的问题追溯。

2 应用效果

DG水电站项目组针对高寒地区大型水电工程项目建设管理的特点，应用“1+1+N”的管理模式进行了工程数字化建设管理，目前已经取得了良好的效果。

总体来说，BIM工程数据中心将建设期的海量工程数据进行存储、处理和挖掘，有效打破了传统管理模式下参建各方之间的“数据孤岛”。工程管理信息系统以BIM技术、数据库技术、三维可视化技术等为基础，结合项目划分、施工进度、质量验评等实际工程数据，利用数字化手段实现了DG水电站工程基于BIM模型的工程设计、进度、质量、投资、安全等维度的综合管理，通过“多维BIM”技术实现了工程建设的可视化动态管控。与此同时，工程管理信息系统的使用实现了华电西藏公司、DG水电分公司以及参建各方的协同运转、高效管理和科学决策，提升了工程管理的效率和水平。此外，混凝土碾压质量控制、灌浆智能管理、大坝混凝土智能温控以及施工期视频监控等智能建造关键技术的使用为DG水电站工程质量监督与控制提供了决策依据。

具体而言：① 该模式极大地简化了工程数据管理难度，提高了项目现场的工作效率。系统自正式投入使用以来，工程技术管理、工程安全管理、物资管理及投资管理等各个模块内各类报审流程达2 491条，流程操作节点上万个。无纸化的线上文件报审节省人力投入达70%，各类技术文件审查时间由9.3 d减少到4.1 d，减少了56%。质量验评方面通过移动端质量验评APP共提交了6 242张电子表单，平均验评耗时由1.3 h降低至0.4 h。此外，BIM工程数据中心将建设期的海量工程数据进行存储、处理和挖掘，有效打破了传统管理模式下参建各方之间的“数据孤岛”，便于现场管理人员随时随地快速对这些数据进行查询、调用与管理，而传统的纸质管理模式，如此海量的工程数据将使后续数据的查询与管理费时、费力，数据管理难度极大。② 该模式实现了DG水电站工程建设的精细化管理。例如，传统的监理旁站的碾压质量控制方式，主观性强、质量控制效果欠佳，而且事后检测压实度的方式缺乏实时性，而混凝土碾压质量控制技术不仅能在碾压过程中实时监控仓面内各个点的碾压遍数，而且能对碾压过程中的超速、激振力不达标等情况实时报警，实现了大坝碾压质量的精细化管理；灌浆智能管理技术相较于传统的灌浆数据管理方式，实现了灌浆数据的实时传输与分析，可协助管理人员在灌浆过程中实时地控制灌浆质量；大坝混凝土智能温控技术解决了传统模式下监测数据不够全面及时以及温控过程中降温速率大等问题。③ 该模式实现了DG水电站工程设计施工的全过程数字化管理和智能化管控。通过研发可模块化配置的工程管理信息系统，并且有机集成智能碾压、智能灌浆、大坝混凝土温控等智能建造子系统，实现了DG水电站工程的设计施工一体化管控，提升了大型水电站工程的建设管理水平。

图7 基于BIM模型的信息集成与管理Fig.7 Information integration and management based on BIM model

3 结 语

随着数字化技术的不断发展和日臻完善，将数字化技术作为一种辅助手段介入工程建设管理已经成为大型水电工程项目建设管理的趋势。DG水电站工程项目组借助先进的技术方法和手段，对传统水电工程的建设管理模式进行了创新，应用“1+1+N”的数字化建设管理模式将工程建设管理精细化，以工程数据中心为核心，以工程管理信息系统业务管控为中心，以智能建造关键技术为重心，实现了DG水电站工程的可视化、智慧化与扁平化管理，切实提升了工程管理水平，发挥了经济和社会效益，为实现DG水电站工程达标创优和将来建设智慧电厂奠定了基础，同时为国内同类工程项目管理升级和优化生产组织提供了良好的借鉴。