信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战

王显平

中国水利水电第五工程局有限公司

1 引言

纵观人类发展史，从原始社会的依河而居，到农业社会的开拓农田、治水利民，再到现代社会的高峡出平湖、征服江河，都在围绕“水”这个主题地而变化发展，因此，从一定程度上讲，人类社会文明进步的过程，也是人类征服与充分利用大自然水资源的过程。在这个过程中，人类从认知自然现象，到科学发现自然规律，进而衍生与推动技术革命，进而形成一种无形的生产力，促进人类社会在近三百年呈指数状的高速发展。其中，水利水电技术的发展也是在近一百年间高速发展，尤其是在中国近几十年的水利水电建设中，不断有新的世界纪录被突破。但是万物皆有规律，水利水电以及其施工技术的发展，正在靠近现阶段“天花板”，我们值得去思考水利水电施工技术在未来将何去何从。

2 水利水电施工技术发展的基础

正如上文所述，技术是自然科学的衍生，是自然科学在人类社会中的具体应用与表现。水利水电施工技术发展的基础，就是自然科学。本文将水利水电施工技术发展的基础，总结为以下几个主要方面。

2.1 建筑材料科学

毋庸置疑，修建水利水电设施的材料，或直接取自于自然界，或将自然界的物质进行提炼转化、形成可用于工程实体的建筑材料，因此，建筑材料科学的发展水平，从一定程度上决定了工程技术发展的上限。例如钢筋、水泥等，依然是当今各大建筑物的主要材料，钢筋、水泥的材料性能，也决定了钢筋混凝土大坝工程规模的极限与水平。而土料与石料的材料性能，从一定程度上决定了土石坝的物理极限。从此可见，建筑材料科学的对工程实体的影响起决定性作用，那么，围绕这些建筑材料而开展工作的施工技术，也会受到限制与影响。例如，水泥这种材料的缺点-水化热，尽管上百年来都在做努力减小其影响，但是水化热问题依然不能消除，那么大体积混凝土裂缝问题不能避免，大坝混凝土每仓浇筑的厚度与体积就被限制，因此，建筑材料的缺点，从一定程度上就决定了施工技术的极限。

2.2设备与工具制造水平

在农业社会，人类用锹镐、背篓、推车等原始工具去修筑水利设施，用比较低的劳动工具水平去改造自然，这样也是为什么古代社会每当遇到大兴土木、开凿运河的时候，需要耗尽国库财富、动员举国之力、历时几十年甚至上百年方可完成。当然，随着科学革命的进程，人类开始利用科学知识创造发明更高效的工具与设备，牵引社会发展的动力也从人的肩膀逐渐向蒸汽动力、油动力、电动力甚至核动力发展。

中国蕴藏着巨大的水资源，拥有着创造人类文明的大江与大河，在过去的几十年里，中国人民是利用科学技术、勤劳与智慧，建造出一座座创世界纪录的水利水电工程。而在建设这些大型水利水电工程中，所使用的众多设备与工具也代表着世界最先进水平。从已完工三峡工程到在建的白鹤滩水电站，巨无霸的大方量挖运设备，巍然屹立的起重吊装设备，横贯峡谷的混凝土入仓设备等，无不在书写着水利水电建设史的奇迹。如果说建筑材料科学决定了水利水电工程规模与施工技术的极限，那么设备与工具制作水平就决定了水利水电施工效率的极限。

2.3 理论知识水平

这里所说的理论知识，指的是水利水电工程涉及的各大力学、水文、地质、能源动力等方面理论知识。理论知识，代表着人类认知自然世界规律法则的程度，当理论知识超前于现有生产力水平时，人类社会通过生产力革新在相当一段时间内成增长态势，这也可以理解为是人类社会发展空间的“知识储备”，相反，如果理论知识水平达到天花板，生产力革新遇到理论障碍、停止不前，那么整个社会发展的速度均会放缓脚步，一系列社会问题频繁出现，甚至带来灾难。

回顾工程力学发展，正是这些理论知识超前上百年的研究，我们才有更科学的导截流施工方法，才能更高效的爆破取材，才能将大坝横跨大江大河，才能征服自然界的巨大洪流。当然，现在理论知识研究并未停下脚步，逐渐从宏观到微观，从经典力学到非传统领域，我们坚信，将来会更前沿的理论知识为水利水电施工技术提升做支撑。

3 如何理解信息化时代

信息化是继机械化、电气化之后的再次技术革命，信息化时代是人类发展史全新的阶段。在信息化时代，依托高速无线通信技术、计算机科学、智能制造、大数据、虚拟仿真技术等，综合融入并转化成新的社会生产力，以指数增长的速度颠覆改变人类生存的生存方式，也为人类未来世界带来了无限想象与无限可能。信息化时代，拥有以下几个明显的特点。

（1）高速互联网技术，尤其是5G技术，给万物联网带来全新机遇，巨量信息的高速、低延迟传输成为常态。

（2）AI技术，结合设备智能制造技术，将对传统劳动密集型、数据分析型的领域带来冲击，伴随而来的将是大量劳动力的释放与转型。

（3）VR技术，给人类带来全新的视觉体验，人类对未知事物的认知，从图纸、模型与计算机仿真，向身临其境的全新虚拟现实技术发展。

（4）大数据，尤其是互联网大数据的高速发展，人类生活环境的各种组成元素都将以数字化的方式呈现，对未来的分析与决策，也因此变得智能化。

（5）BIM技术，将建筑3D模型带入向信息化时代迈，并以数字化的方式呈现在工程技术人员面前。

4 信息化时代给水利水电施工技术带来的机遇与挑战

4.1 BIM技术对水利水电工程施工管理技术的影响

BIM技术，在建筑领域优先发展起来，并在中国全面进入应用阶段，而在水利水电领域，BIM技术尚处于试验与试用阶段。虽然BIM技术在水利水电领域的尚未普及，但可以确定的是它代表着未来的发展方向，不久的将来，BIM技术也在水利水电全生命周期的管理中发挥着至关重要的作用。BIM技术的特点是，以3D建筑模型为基础，在建立模型与族库的过程中赋予庞大的信息数据（时间、空间、附加信息等），结合进度控制管理技术、数据库、互联网技术、VR技术等，给工程策划、建设管理、后期运维等阶段带来前所未有的变革与冲击。在水利水电施工领域，BIM技术将带来的全新的机遇，我们可以设想在以下两个方面。

（1）利用BIM、VR、GIS与进度控制技术，实现4D施工仿真模拟技术，如果在把工程量、工程成本与造价信息赋予BIM族库中，那么我们还可以实现水利水电5D施工控制，在工程没有实施之前，我们就可以凭借这些强大的技术，预演模拟所有施工方案，为我们动态分析与控制未来施工阶段提供强力支撑。

（2）利用BIM、数据库与KKS编码技术，将水利水电工程的施工构件、机电设备、金属结构、备品备件等系统编码，赋予独特的“身份号码”，形成水利水电工程的“大数据”，再通过互联网与移动通信技术，对构成工程庞大数据的构件与设备等，开展过程生产、运输、施工、安装、监测等立体全方面信息化管理，实现真正的“数字化水利水电施工工地”，为后文提到的无人化施工和3D大坝打印等前沿技术的诞生提供数字模型支撑。

4.2 AI技术对无人化施工技术的影响

伴随着AI技术的发展，人工智能也开展从互联网大数据分析，也逐渐向其他领域扩散，例如金融投资分析领域、传统工业与制造业领域等。AI技术的本质，就是让智能计算机逐渐代替人类的常规与重新性的工作，解放传统领域的劳动力投入，逼迫劳动力向其他领域转型。在水利水电施工领域，虽然我们已经进入了机械化的时代，但是所有的机械设备依然需要人来操作，部分施工领域仍需要大量密集劳动力参与，例如钢筋混凝土工程施工，施工质量合格率的高低依然受作业人员技能水平的影响，人在参与的工程建设的过程中，依然存在较大的安全风险。因此，从人类发展与进步的角度来看，AI技术进入水利水电施工领域是必然的趋势。

在现阶段，中国的一些大型水利水电施工企业，开始研究并试验无人化施工技术，例如将以AI技术、GIS技术与智能控制技术结合应用到施工机械设备上，根据大坝3D模型、建筑材料类型、质量标准、设备行走轨迹等信息，实现土石坝的无人摊铺、无人碾压，逐渐颠覆原有的大坝填筑施工技术。我们可以设想，在不久的将来，水利水电施工领域出现更多的无人化施工技术，例如：发明一种设备，实现钢筋的加工安装无人化，根据图纸尺寸，精准定位安装钢筋；或者，发明一种混凝土入仓与振捣形成智能设备，实现无人智能操控，确保混凝土浇筑与振捣质量。除此之外，伴随着世界各大汽车公司在无人驾驶技术的研发，将来水利水电施工运输车辆也可以实现全部无人驾驶，或许我们将来会看到无人导截流施工的场景。

4.3 3D打印技术颠覆现有水利水电施工技术的可能性

3D打印技术，给工业制造领域带来很大的冲击，尤其是小型、异形部件的加工，只要将3D模型录入计算机，那么计算机给3D打印机发布命令，利用可操控的材料进行精准铸造与雕刻。既然3D打印技术是工业领域发展的方向，那么我们也可以试想下3D打印技术在水利水电施工领域的发展空间。我们在上文中已提到了BIM技术，BIM技术已为我们提供了详尽的工程3D模型，那么如果我们想象力更大些，发明一种大型的3D打印机，计算机为其提供水利水电模型，在有可靠建筑材料的情况下，我们或许可以将大坝给打印出来。如果真的可以实现，那么3D打印技术给水利水电施工领域乃至整个建筑施工领域带来的冲击，比无人化设备操控技术更加具有革命意义。人类建造一个庞大工程的效率将会大大提高，社会发展与人类改造大自然的速度将高速提升。

4.4 信息化时代对建筑材料科学革命的反向促进作用

上文提到，建筑材料科学是决定水利水电施工极限水平的关键因素，如果BIM技术、AI技术、3D打印技术等全面进入水利水电施工领域，那么信息化技术高速发展与建筑材料的落后状态，就成为影响水利水电施工技术发展主要矛盾。解决好这个矛盾，将是我们广大科研人员与工程师们的努力方向。在解决这个主要矛盾的过程中，务必会反向促进建筑材料科学的二次革命。例如，3D打印技术，对材料的要求很高，既要确保为3D打印设备供应材料连续性，又要实现筑坝材料性能的单一性。现阶段，筑坝的主要建筑材料为混凝土、钢筋、黏土、石料等，不同材料分布的部位不同，各材料加工、生产、施工的工艺烦琐，为此，研发满足3D打印技术的新筑坝材料成为关键，这些材料既要有很好的力学性能，又要有较高的生产便利性，建筑材料科学可能进入二次技术革命阶段。

5 结语

信息化时代，不仅影响人类现代的生活方式，而且也在逐渐给传统水利水电建设施工领域带来强大的机遇与挑战。作为水利水电领域工程技术人员，我们应当去正视与迎接这个时代的到来，并主动将众多信息化技术带入传统的水利水电领域，通过一系列科学研究与实践，解决信息化与传统施工技术之间存在的矛盾，改变水利水电传统施工技术，提升社会生产力水平。或许不久的将来，伴随着BIM技术、AI技术、3D打印技术等在水利水电工程中的应用，我们将看到更加高水平的无人化施工、智能化操控、数字化大坝工程与全生命周期的工程信息化管理。