孔 兰 ,蔡一坚 ,王东阳 ,张 帅 ,林瀚文
(1. 海南省水利电力集团有限公司,海南 海口 571126;2. 中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610;3. 中国电力建设集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
2021 年初,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》正式提出要“加快数字化发展,建设数字中国”,其中数字化应用场景之一就是构建智慧水利体系。为务实推进“三对标、一规划”专项行动,满足水利改革发展需求,在水利信息化建设上提档升级,抓好智慧水利顶层设计,以网络安全、透彻感知、全面互联、整合共享、智能应用为重点,构建安全实用、智慧高效的水利信息大系统,实现以水利信息化驱动水利现代化。水利部出台印发了《水利业务需求分析报告》《智慧水利总体方案》《加快推进智慧水利的指导意见》《水利网信能力提升三年行动方案(2019—2021 年)》等一系列研究成果,对水利业务信息化进行了细化和要求,出台了水利行业 BIM 应用指导意见和有关标准,推进 BIM 在水利工程全生命周期的试点与应用。
GIS 结合地理学与地图学及遥感和计算机科学,已经广泛应用在不同的领域,可以对空间信息进行分析和处理。BIM 是集成了工程各项信息的综合型模型,是一种可以用于设计、建造、管理的数字化方法,通过构建可视化模型,能服务于水利工程的整个生命周期和所有参与方[1-3]。基于 BIM 的水利工程信息化建设目前已成为新时代水利工程发展的主流。
近年来,各大水利工程围绕 GIS 和 BIM 等技术的可视化模型的数字化建造系统进行了积极探索,徐锡用等[4]研究实现了基于 GIS 技术的水利水电工程施工可视化管理系统,实现了施工场地布置及其动态变化过程的可视化分析及施工进度的形象展示。随着 4D 模型[5]更加普遍地应用于水利水电工程:钟登华等[6]提出引入时间维度的堆石坝 4D 多源施工信息模型,为堆石坝现场施工控制与管理提供了重要参考;王晓玲等[7]也提出引水隧洞模型的施工进度仿真数学模型;水利工程可视化展示由传统的主体工程的建筑三维设计模型向结合地理和多源施工等信息的模型转变,工程应用也由单一的模型展示转变为集成功能建管平台的一部分。
目前水利工程建设信息化管理相关的研究成果已经基本能够实现水利工程施工信息的可视化集成展示,并在各大工程的施工建设管理系统中进行了一定应用[8]。然而各项目在应用时却往往忽视其平台和模型对于项目管理的实际应用意义,信息来源单一、维护困难的施工信息模型,无法满足水利工程管理组织机构复杂、监管层级多、检查频繁的管理需求,难以真正发挥其技术优越性,导致很多工程管理人员觉得施工信息模型缺乏实用性,在平时的管理过程中不去主动使用,信息模型就丧失了原有的意义,在建设过程中不能发挥作用。
为切实提升水利工程建设施工期管理效率,做到精细化管理,在海南省迈湾水利枢纽、天角潭水利枢纽、琼西北供水和南繁基地(乐东、三亚片)水利设施建设等工程中,采取施工期工程数字化建设管理一体化平台,结合项目管理特点,对 4 个项目统筹管理,引入 GIS + BIM 技术的项目群智能建造管理模式的概念,提出水利工程两层级(集团级和项目级)架构智能建造系统,对多个项目联动建设管理进行了创新,实现传统建设模式到数字化智能建造模式的转变。
海南省重大水利工程智能建造系统(以下简称智能建造系统),是以数据库、三维 GIS + BIM、自动控制、移动互联网、物联网、数字化移交等技术为基础进行开发建设的,为工程建设期提供服务的一体化综合应用平台,可通过 PC 端和移动端 App 操作,结合工程建设期内各建设、监理、施工、设计及其他参建单位的工程建设管理需求,实现 GIS + BIM 可视化模型,覆盖混凝土碾压监控、温控、拌合等智能建造技术应用,以及工程进度、质量、投资、安全等全要素的智能化管控[9-10]。
海南省迈湾和天角潭水利工程都属于国务院确定的 172 项重大节水供水项目中的大(2)型水库工程项目,琼西北供水和南繁基地(乐东、三亚片)水利设施建设 2 个工程是完善海南省水网的重要供水工程,这些水利工程都具有规模大、周期长、投资大、参建单位多等工程特点,同时各个项目和集团公司之间采用矩阵式组织结构和职能式组织结构相结合的管理模式,若采取传统的单个项目独立管理的管理模式,除了各参建单位间易形成信息孤岛,建设单位对各项目的把控也势必会面临信息收集流转效率低下、管理无法深入、指令发生和执行易混乱的问题[11]。要进行全局性、系统性的协同管理,快速处理海量的工程信息,就必须在本项目群的集团级层面打通各个项目的施工管理信息,消除其中的信息孤岛,既要做到建设单位集团公司对项目群的统筹管理和宏观监控,又要做到各工程建设管理部门对单个项目建设过程的有效管控。
GIS + BIM 的两层级功能架构体系的智能建造系统,即面向建设单位集团公司用户的集团级功能和面向各工程参建方用户的项目级功能框架体系。对于集团公司用户,可实现总体管控、监控各项目进展和指令执行落实,如:在 GIS + BIM 的三维模型上对各项目的进度、质量、安全、投资等关键管控内容的宏观数据进行展示与分析,为集团公司领导决策提供技术支撑;在个人办公板块可追踪已处理文件的流转情况等。对于各个工程项目,项目级功能可满足其内部各参建单位对项目管理的需求,如文件、进度、质量、安全,以及大坝混凝土温控、碾压、灌浆、拌合等管理要素的信息化和数字化;结合可视化模型和工程信息目录树,对原有的管理制度和流程进行梳理和简化,提高项目管理效率和水平,提升工程建设安全保障,促进投资节约,进度可控,质量可靠,智能建造。
智能建造系统主要用户为建设、施工、监理、设计等各参建单位,可进行流程发起、信息录入、进度更新、质量表格验评、计量结算、危险源风险动态管控、每日上下班打卡、视频监控查询等工作;上级监管单位如业主总公司、水务厅用户可查看各项目信息,通过角色权限分层、分块管理,根据需求调整平台功能。针对项目群的建设特点及管理需要,智能建造系统总体架构如图1 所示。
图1 智能建造系统总体架构图
智能建造系统总体架构主要分为以下 4 个层次:
1)用户交互层。各参建方通过 PC 端、移动端进行协同办公:PC 端可报审文件,录入项目划分、进度、安全监测、合同等信息,申报工程量,结算进度款,查看信息、地质等模型;移动端可进行文件审批、工程质量验评、安全验收、隐患巡视排查、质量问题检查、上下班打卡、防疫信息填报、常用管理制度和标准规范查询等操作。
2)业务应用层。基于用户和角色管理及权限控制等通用功能,充分根据各工程项目管理需求,分别对各业务管理模块进行详尽的功能与交互设计,模块之间可拆分组合。同时,智能建造系统充分考虑项目群的管理特点,在平台功能设计上采用两层级功能框架,形成自下而上的数据汇总及自上而下的项目全局管控体系。目前智能建造系统平稳运行,内有几千条数据流转保障工程项目建设管理工作的高效开展。
3)技术支撑层。技术支撑层是整个智能建造系统的技术核心,也是业务应用的关键技术保障。采用模型轻量化处理技术,将建筑和地理信息等模型在网页上进行发布,用户可查看和查询信息;采用统一身份认证与多层级权限体系,为整个系统用户的数据安全提供强有力的保障;采用电子签章技术,实现系统所有文档数据能够在线盖章;容灾恢复和数据留痕与备份能确保系统数据在历经计算机故障(包括机器和介质故障及误操作等)后,通过备份快速恢复数据。
4)数据资源层。用户通过移动端、PC 端人工录入数据,利用传感器、摄像头等设备自动采集并上传数据。智能建造方面,充分研究热带地域碾压混凝土筑坝质量控制特点,在枢纽工程开展智能拌合楼 + 碾压 + 温控的研究。
智能建造系统主要功能可分为基础功能、核心功能和智能建造三大类,其中核心功能又分为项目级和集团级 2 个功能层级,相应层级根据权限和角色控制分工和责任。
智能建造系统基础功能可分为项目主页、个人办公和系统设置等功能,是个人登录、处理任务、查看文件、管理用户和权限的基础,管理员还可导出系统审计日志,监控系统操作,查看操作痕迹。目前,智能建造系统用户已达 641 人,进行过约17 700 条操作。
智能建造系统充分考虑项目群的管理特点,在平台功能设计上采用集团级和项目级两层级功能框架。智能建造系统共包含综合展示,以及文件、质量、安全、进度、合同、文档管理,视频监控、安全监测、水土保持、人员管理、制度标准、工程大事记、疫情防控和施工标准化等核心功能模块。主要实现以下几方面的功能:
1)综合展示方面。施工信息可视化展示,即多源施工信息模型展示。通过点击工程划分目录树或直接选取工程部位模型,可查看相应工程部位的工程信息。可综合展示的内容包括单元工程质量验收评定表单与结果时间、施工时段、验收人员等质量信息,也包括工程部位对应的设计图纸、设计修改通知、变更指示、现场签证等技术文件,还包括危险源辨识、风险值动态、隐患排查等安全信息,以及相应部位的工程量清单、投资变化等投资信息。
2)质量方面。对于单元工程、工序的质量验收评定,质检员、监理在现场用平板电脑填写质量评定表加电子签章,电子表单填好后,数据同步到系统。质量验评资料会按照档案规范自动组件,组卷归档,提高工程档案管理效率。
3)施工期安全方面。围绕安全隐患排查和风险管控的“双控”核心理念,引入风险值的算法,建立不同等级风险管控措施库,对不同等级危险源进行分级管理。
4)进度方面。根据职责分工,对不同用户和系统采用分级进度角色设计,由指定人选进行录入工程量、审批和查看等操作。智能建造系统基于单元工程开展,并结合模型进行二维图、横道图和三维模型展示等。
5)投资管理方面。建立标准化工程量清单,在线上实现变更、调差、索赔、合同支付结算等的精细化管理,自动导出生成各类台账和图表。
6)文档管理方面。可实现文件处理流程标准化,梳理工程建设管理各部门、各类业务流程,建立各类流程的规范化电子表单库。
7)工程档案全过程归集方面。工程档案全过程归集,包括档案从产生、报审、签章,再到导出、归档的整个档案文控管理过程。
此外,还对公司和项目管理需求进行考察,定制如施工期安全监测、水土保持、人员管理、制度标准、工程大事记、疫情防控和施工标准化等功能模块。
通过智能拌和楼系统,实时监控拌合楼混凝土生产数据;智能碾压系统能够实时监控仓面碾压次数、激振力状态等碾压参数,为工程质量控制提供技术支撑;智能温控系统可自动收集骨料、出机口、入仓、浇筑的温度,自动监测混凝土内部温度等信息,实现自动通水调节,对碾压混凝土进行有效的温度实时监控。
水利工程两层级架构智能建造系统探索提出了项目群的智能建造理念,采用集团级和项目级两层级功能框架,多个项目联动管理,实现对海南迈湾水利枢纽工程等项目群的可视化、智慧化、扁平化和精细化建设管理。模块之间可根据实际需要拆分组合,保证后续工程引入的开放性和可拓展性。
智能建造系统,在 GIS + BIM 技术的基础上,进行了建管方式从分建专用向共建共享转变的一次尝试,是信息化作用从支撑保障到驱动引领的重要探索。本研究成果不仅可以为大型水利工程项目群施工期的建设管理提供参考,还进一步丰富了水利信息化理论。