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金沙江下游:大坝智能建造信息平台

中国三峡建设管理有限公司   2018年03月28日15:45

1、案例名称

金沙江下游:大坝智能建造信息平台

2、参评单位

中国三峡建设管理有限公司

3、案例简介

在互联网+等国家战略形势下,将大数据、物联网为核心的现代信息技术与水电工程建设有机融合,结合全面感知、真实分析、动态调控的智能管理理念,研发特高拱坝智能建造信息管理平台,该平台包含全景信息模型、施工过程管理、科研与仿真服务、智能生产管控、专业化系统、技术管理等功能。平台在金沙江溪洛渡水电站特高拱坝智能建造( 2014年已建成投产发电,获“菲迪克2016年工程项目杰出奖”、2015年国家科技进步二等奖等)中得到初步应用,目前经进一步升级、完善,正全面应用于金沙江白鹤滩、乌东德工程建设,可实时、在线管理与分析工程建设及运行期各类数据,实现工程建设全生命周期“数字化、信息化、智能化”管理。本次以白鹤滩水电站为重点案例做以介绍。

4、案例解决行业痛点

(1)解决了特高拱坝混凝土施工数据信息分散的问题,将施工期与运行期的各类数据信息进行有机整合,参建各方应用信息管理平台,充分挖掘施工数据指导现场实际施工。

特高拱坝施工过程复杂,涉及大量的基础和实时信息,其中基础信息是拱坝设计的基础数据和成果,包括各类地质结构的参数和分布、混凝土物理力学和变形试验成果、坝体结构三维体型、数字分析的基础网格、拱坝和基础联合体的应力变形等;而实时信息则是拱坝建设过程中的施工动态成果,包括基础开挖、固结灌浆、混凝土浇筑、接缝灌浆、金结安装等专业的施工信息。

传统的信息采集、报送方式不仅工作量大,且准确性、及时性难以保证,无法满足决策分析的需要,此外,大量的信息也增加了分析和处理的难度,降低了协同工作的效率。

(2)为解决特高拱坝混凝土施工质量控制与裂缝预防等技术难题提供数据支撑和决策支持,实时、在线管理与分析工程建设及运行期各类数据,实现大坝建设与运行期的精细化、智能化管理。

特高拱坝混凝土施工标准和技术要求非常严格,由于各仓施工时的外界温度、浇筑层厚度、混凝土浇筑温度、浇筑时长、冷却目标温度等条件存在差异,在施工中需要采用先进的实时监控技术,根据现场实际情况和技术要求及时反馈调整,才能更好地满足拱坝施工的质量和安全要求。

传统的现场施工依赖于监理、施工方管理人员的素质和责任心,虽有部分观测仪器支持,但数量少且无法做到全过程的自动监测和实时反馈,不利于精细化施工的落实。

随着科学技术的发展,利用现代信息化技术提高特高拱坝建设水平已成为水电建设的重要发展方向,借助溪洛渡拱坝建设契机,中国三峡建设管理有限公司组织科研院校、设计、施工、监理和专业软件公司武汉英思工程科技股份有限公司,以高标准、高质量、高速度建设智能无缝拱坝为目标,进行了智能拱坝建设的研究和实践,形成以大坝全景信息模型(DIM)核心的一体化平台IDAM1.0。

在溪洛渡工程建设经验基础上,本系统平台进行升级、优化与完善,形成了国内首次将大体积混凝土的施工过程综合数据采集与仿真分析在施工过程监控与优化处理上的典型应用,它填补了目前国内软件市场在基建工程施工过程管理与实时、持续优化上的空白点。通过整合传统桌面应用技术、移动应用技术与数字传感技术、计算机仿真模拟、三维可视化技术为施工现场信息化管理提供一条切实可行的解决方案。平台作为大坝混凝土温控的重要数据采集平台与成果分析平台,其展示的成果将直接指导现场的施工生产,大大提高混凝土温控的控制效率与管理水平,实现大坝建设与运行期的精细化、智能化管理。

5、案例应用范围

本案例已全面应用于在建的世界级巨型水电工程——溪洛渡、白鹤滩、乌东德水电站特高拱坝工程建设,并可推广、应用于其他水电工程建设领域及其他基础设施建设领域,具有广泛的应用前景。

6、案例应用场景

金沙江白鹤滩水电站挡水大坝为300m级混凝土特高拱坝,其规模巨大、建设工期长、施工程序复杂、工程管理数据量大、专业多且协同要求高,建设管理难度大。工程建设的关键技术问题与难点包括:①大坝坝体结构复杂、孔洞多,坝体均衡上升是本工程的关键;②大坝承受的水头高,混凝土抗渗性能高,混凝土浇筑质量保证是工程的重点;③拱坝仓内作业项目多,施工人员密集,施工人员上下班进出仓面交通安全是本工程施工期间重点;④坝址位于金沙江下游干热河谷,干燥多风,蒸发量大,气温骤降频繁,对混凝土表面质量及安全施工影响大;⑤拱坝混凝土温控标准高、工作量大,通水冷却过程长、高差大,封拱温度较低,混凝土预冷及一期、中期及二期冷却规模大;⑥坝区大风呈现全年天数多时间长、风级大,如何做好大风天气施工是本标的难点、关键点;⑦大坝工程工序繁多,如何做好施工过程中的标准化、文明施工是本工程的难点。

本系统平台重点考虑混凝土过程控制、温控过程控制、多专业进度集成管理、施工资源集成管理、标准化作业的定义与培训等信息化管理内容,通过系统的建设实施,为工程重点管理项目提供有效的管理手段与工具。其涵盖从混凝土工程进度、施工资源配置、混凝土生产、混凝土运输、仓面设计与准备、混凝土浇筑、温度控制、混凝土原型观测在内的混凝土施工的全过程管理,以及地质基础灌浆的设计、施工工序过程、施工成果整理与统计分析等全过程管理。系统实现了设计数据、施工标准数据、工艺流程模型、实时生产数据的采集与管理,集成了施工进度优化仿真、施工机械运行效率分析等多种计算与分析方法,为优化大体积混凝土与灌浆施工流程、控制施工过程的进度与质量提供了一种有效的生产管理工具。

智能建造信息管理平台的建设有助于白鹤滩水电站工程的管理者与建设者及时监控现场的生产情况,及时对生产工艺数据进行有效分析,达到及时反馈调整控制的现场管理目的。系统建立了对大体积混凝土的施工工艺流程模型,将工艺流程显性化规范化;实现现场生产工艺的数据的可回溯性,并能及时对工艺流程设计与运行的有效性进行分析,为工程技术人员提供监测流程、不断调整优化流程的有效手段;帮助工程管理者逐步提高管理效益、减低生产成本、提高工程质量,达到科学决策的管理目的。

智能建造信息管理平台的建设,将实现浇筑过程的全面进度与质量监控,实现对重点的施工设备(如:缆机、拌和楼等)进行全面监控,监控并分析其出力情况,优化施工组织过程。实现对大坝混凝土温控标准、温控措施与成果的全面管理,应用预报警平台及数字测温装置,实现个性化、精细化的温控数据管理平台,为高拱坝的温控管理提供有效的手段。固结、帷幕灌浆管理实现对每个单元、每个孔(段)的设计、施工过程与成果的全面管理,特别是灌浆过程的实时监控,实现对灌浆进度、质量的全方位管理与成果综合输出,集成工程地质管理,实现工程信息的综合分析。通过集成安全监测与仿真分析,建立数值模型、监测模型两套体系,实现理论分析与现场施工的全方位整合,实现PDCA,指导施工过程。

7、案例核心优势

高坝建设历经100多年,施工方法和管理技术经历了人工、机械化、自动化、数字化和智能化发展的过程。近年来随着一批高拱坝相继成功建成,我国基本形成了具有世界先进水平的高拱坝建设模式和施工质量控制技术体系。中国三峡建设管理有限公司在溪洛渡、白鹤滩、乌东德工程建设实践中,联合多家单位和院所开展的特高拱坝智能化建设关键技术,开创了高拱坝智能化建设的先河,项目主要核心优势在于:

(1)实现了智能控制技术在水电施工领域的深度应用

智能监控技术目前已经广泛应用到工程建设领域的安全、质量、效率等方面。在水电行业的研究与应用正方兴未艾。20世纪90年代以来,朱伯芳等人研究提出了混凝土坝数字监控、研发了施工期温度与应力控制决策支持系统;糯扎渡心墙堆石坝GPS施工质量实时监控系统、官地与龙开口碾压混凝土坝施工质量实时监控系统,开启了水电工程数字化时代;集团公司依托溪洛渡,构建的智能化建设理论,研发的智能振捣、智能温控、数字灌浆等成套装备,为筑坝技术智能化积累了诸多经验。但溪洛渡拱坝智能化建设受制于信息技术的发展水平,只是一个初步的体系化研究和应用,局限于某一点、某一面,缺乏全面、全过程、多专业的智能控制技术。白鹤滩特高拱坝智能建造信息平台在溪洛渡工程应用基础上,进一步集成了全过程、全要素、多专业、全流程的混凝土施工和温控防裂的智能控制技术,实现了智能控制技术在水电施工领域的深度应用。

(2)实现了BIM信息平台在水电施工领域的深度应用

BIM技术正从聚焦设计阶段向施工阶段转变,开展BIM在施工期应用研究与管理平台研发,将推动BIM技术向多专业、集成化、协同化、全生命周期方向发展。溪洛渡拱坝建设过程中,基于BIM技术,首次提出DIM概念并研发了以DIM为核心的iDam平台,实现以DIM为核心的大坝施工全过程精细化、数字化、智能化管理。但受当时技术条件局限,溪洛渡智能化平台在BIM技术的深度应用、与物联网、大数据、移动互联网技术的集成方面,仍有很大的改进与发展空间。随后黄登和丰满等水电工程,进一步融入大数据、移动应用等技术,开展了BIM技术在施工阶段的初步应用,在过程管控、信息收集、成果分析等方面有所突破。

白鹤滩拱坝智能建造信息管理平台将结合BIM技术、物联网、大数据、移动互联网等技术,将其与水电施工进行深度集成与全面应用,实现全过程、全专业的施工数字化管理,实现智能技术的集成与远程监控,实现在线仿真与科研成果对接,实现设计、施工、监理、建设的技术与管理成果的集成管理,为过程管理提供全方位的支撑。

(3)实现了综合监测技术在水电施工领域的深度应用

马尔帕塞和瓦依昂两座高拱坝相继失事后,监测相关的技术和方法得到了飞速的发展。目前,我国已构建较为完善的大坝安全监控体系且已具备监测及自动化的全系列设备的设计生产能力。在大坝监测信息分析与管理方面,统计模型等各类定量分析在国内重大工程中也应用广泛。

但是对于高坝大库,监测实践仍存在一定的局限:一是监测范围局限于大坝近坝区域1km左右的范围,难以了解大范围的变形、渗流性状;二是部分监测手段的实施滞后于大坝施工进度,难以实现大坝施工运行全过程实时监测与安全控制,如高拱坝垂线系统形成较晚、光学测量手段受施工干扰,不能测到拱坝施工前期的倾倒变形,监测自动化实施滞后于实际需要,大坝蓄水前不能投入运行;三是大尺度(全球导航卫星系统和星基合成孔径雷达等)、中尺度(垂线、全站仪等)和小尺度(应变计、变位计、测缝计等)的监测手段未能很好地衔接,难以揭示大坝应力应变和变形性态工作机理;四是常规监测基本均为静态监测,未与微震、强震等动态监测手段结合,难以掌握拱坝及坝肩的动态行为。

因大坝工程客观条件和人类认知的不确定性,决定了完善的大坝安全监控须按全方位、全过程动态地进行控制。当前全球导航卫星系统(GPS、北斗)、合成孔径雷达和微震监测已初步在工程变形监测、大坝监测系统中应用。白鹤滩智能建造将重点实现大坝大范围、多尺度、全过程实时监测与自动化,并通过与数值仿真分析的结合,为全面、实时掌控大坝施工、蓄水、运行全过程的真实工作性态提供有力的数据支持、模型支持和扩展支持。

(4)为解决特高拱坝混凝土施工质量控制与裂缝预防等技术难题提供数据支撑和决策支持

拱坝温度、温度应力的计算和施工期温度控制始于胡佛拱坝,结合胡佛拱坝建设研究开发了预冷骨料、通水冷却等温控措施和计算方法,部分延用至今。结合我国混凝土坝建设,以朱伯芳院士为代表的我国学者对温度应力分析计算的基本理论和方法、温度应力仿真分析方法和大体积混凝土的温控方法与措施等均进行了深入的研究,已经形成了一套完善的温度控制的理论方法和措施,并开发出全过程仿真分析系统,在我国的混凝土坝温控防裂中得到广泛应用。

近几年,“低温浇筑、水管冷却、全面保温”和“早冷却、小温差、缓慢冷却”等理念已成为特高拱坝建设普遍认可的温控原则。随着信息化、数字化和智能化技术的发展,充分利用信息技术、互联物联技术、仿真技术和智能控制技术,实现对大坝通水冷却的智能控制,并取得良好的应用效果。如溪洛渡拱坝初步创建了智能化筑坝理论体系,研发的智能通水成套智能化控制设备和技术推动了温控技术的发展,实现了人工控制往智能控制模式的重大突破。白鹤滩特高拱坝智能建造信息平台,打通了全流程、全过程温控防裂的智能控制技术,研发智能喷雾、智能保温、智能出机口温度控制等。

综上所述,近年来我国一批特高拱坝建设的新浪潮,使我国在拱坝设计、施工关键技术得到较大发展,温控防裂技术实现了重大突破、仿真分析方法实现了引领,智能建造技术更是实现了新跨越。但当今信息技术日新月异,白鹤滩特高拱坝智能建造信息平台,进一步引入了新技术、新手段、新方法、新设备,打造全流程、多专业、全环节的全面感知技术、深度分析和智能建造技术,创新中国坝工智能制造品牌,继续在行业内引领智能技术,并对我国乃至世界坝工技术和经济发展作出贡献。

8、案例实施成果

本项目应用计算机技术、无线网络技术、手持式数据采集技术、数字传感技术(物联网),建立大坝智能建造信息管理综合平台。平台在国内是首次大面积的在施工过程中进行施工监测与分析管理应用。它不仅涵盖了大体积混凝土浇筑工艺过程、温度控制过程、灌浆过程管理、原材料生产过程、主体施工配套设备调配等主要工艺过程的数据采集;提供了关键生产设备自控系统的数据发布与调用;还实现了生产数据在各参见各方间的有控制的共享与流动。为施工过程管理提供了有价值的、有持续发展能力的一种信息化应用工具。

该系统平台已全面应用于金沙江白鹤滩水电站大坝工程建设管理中,截止到2018年3月21日,实现对大坝、垫座、水垫塘、LS3319置换回填区等部位316仓混凝土生产、缆机运输、混凝土浇筑、温度控制等数据的管理;其中:完成已浇筑315仓、浇筑中1仓(其中,大坝221仓、垫座24仓、二道坝下游护坦15仓、水垫塘9仓、LS3319置换18仓、二道坝深槽回填6仓、坝后深坑回填11仓、底板缺陷回填12仓)的混凝土生产、缆机运输、混凝土浇筑、温度控制、安全监测等数据管理,累计采集数据已超过200万条。同时,实现白鹤滩水电站固结灌浆、帷幕灌浆数据的全面管理;其中:固结灌浆数据包括288个单元,7.1万个孔,累计灌浆78万延米;帷幕灌浆数据包括289个单元,1.1万个孔,累计灌浆34.7万延米;并已将固结灌浆、帷幕灌浆推广应用至地厂、泄洪洞等工程部位。

从白鹤滩大坝首仓混凝土浇筑开始,大坝每一仓的混凝土施工全过程(原材料/生产/运输/浇筑)均在系统中管理,实现了浇筑过程的全面进度与质量监控,实现了对重点的施工设备(如:缆机、拌合楼等)进行全面监控,监控并分析其出力情况,优化施工组织过程。实现对大坝混凝土温控标准、温控措施与成果的全面管理,应用预报警平台及数字测温装置,实现了个性化、精细化的温控数据管理平台,为高拱坝的温控管理提供有效的手段。固结、帷幕灌浆管理实现对每个单元、每个孔(段)的设计、施工过程与成果的全面管理,特别是灌浆过程的实时监控,实现对灌浆进度、质量的全方位管理与成果综合输出,集成工程地质管理,实现工程信息的综合分析。通过集成安全监测与仿真分析,建立了数值模型、监测模型两套体系,实现了理论分析与现场施工的全方位整合,实现PDCA,指导施工过程。

利用本信息管理平台,解决了繁杂的数据采集、统计和分析工作;同时,使得现场生产数据及时、准确、完整、真实的反馈到管理层,使各级管理层迅速、准确的掌握到第一手数据资料,及时了解现场生产情况,为有效指导管理施工奠定基础。借助管理系统,有效地规范了项目管理的业务流程,提高管理效率,并为决策层提供准确、及时的数据和辅助分析。溪洛渡大坝施工管理信息系统的应用,大大减轻了施工单位和监理单位的日常工作压力,为其管理带来了便利,赢得系统基层使用单位的广泛好评。

9、案例社会价值及影响力

本项目成果是工程施工过程综合管理分析领域的重大应用创新,显著提升了大型基建工程的管理水平。本项目在白鹤滩电站工程的示范性应用以及取得的显著效果,一方面为白鹤滩大坝大体积混凝土的施工质量控制,地质基础处理的质量与进度控制提供了先进的手段与工具,另一方面,缩小了我国在施工过程精细化管理程度上与国际水平间的差距,达到国际领先水平。系统的应用,不但提高了业主的工程管理水平,同时也对施工单位的生产管理水平、监理单位工程监理水平的提高有较大的促进作用。

为保障工程质量与建设进度提供了先进的技术手段。本项目成果可以应用在大型基建(水电、石化)工程项目中,这些项目是关系到国计民生、经济社会长期稳定繁荣发展的重大工程,工程质量和安全是根本保证。本项目的推广应用为工程管理者在施工过程的进度与质量控制上提供了重要的手段。

行业示范作用巨大。我们国家近年来正处在基础设施建设的高峰时期,本项目的推广将给基建行业的其他企业带来良好的示范作用,从而带动行业整体工程管理水平的提升,产生巨大的社会效益。同时,项目是 “工业化与信息化融合”的典型实践案例,是利用信息系统实现企业管理模式创新的重要突破。系统的推广与应用不仅能够促进传统的基建行业向信息化、自动化、网络化方向发展的产业调整;帮助行业内的企业提高生产效率、国际竞争能力;而且通过推进施工领域的智能化、规范化、精细化管理,有效降低工程建设成本,对建设“节约型社会”的发展目标起到重要的支撑作用,符合国家产业政策与长远发展规划。

10、案例未来规划

(1)依托白鹤滩、乌东德水电站大坝智能建造信息平台应用实践,打造全要素、全环节、全流程的智能建造体系,打造坝工界中国建造元素,服务国家“一带一路”和“走出去”的战略规划。

(2)本系统平台的工程成功应用,可推广复制应用于其他水电工程建设领域及铁路、公路、航运、建筑等其他基础设施建设领域,具有广泛的应用前景。

入围案例