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信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-06-23 10:27 热度:

   摘要:以高速无线通信技术、计算机科学、智能制造、大数据、虚拟仿真技术为代表的信息化时代,对水利水电施工等传统行业带来巨大的机遇与挑战,本文对影响水利水电施工技术发展的决定因素进行分析,总结信息化时代的特点,探讨BIM技术、AI技术、3D打印技术等对水利水电施工技术发展带来的影响,并探讨信息化时代对水利水电建筑材料科学发展的反向促进作用。

	信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战

  关键词:信息化时代;水利水电;施工技术;BIM;AI;3D打印;建筑材料

  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

  4.1BIM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。

  4.2AI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。

  4.33D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。

  参考文献:

  [1]李东.信息技术在建筑工程管理中的应用探讨[J].建筑实践,2020(17):55~56.

  《信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战》来源:《绿色环保建材》,作者:王显平

文章标题:信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战

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