摘要:針對水電工程邊坡施工期信息管理及可視化分析存在工程模型及信息動態屬性描述片面、信息表達不全面等問題，該文將現代信息技術與工程建設深度融合，以感知、分析、控制的智能建造理論為基礎，借鑒建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)，提出水電工程邊坡施工全過程信息模型的建立方法和實現過程，構建了在線分析、動態跟蹤、反饋預警的施工綜合管控體系.采用VisualC#網絡編程技術，構建了集進度、質量、安全于一體的水電工程高邊坡施工全過程的現代化信息模型管理平臺.以白鶴灘水電站壩肩邊坡為實例進行應用，實現該邊坡設計、施工過程與成果的全面數字化管理，有效改善了傳統的水電工程施工信息散亂、效率低、難流動的工作模式，有利于控制施工進度、降低施工過程的安全風險，直接指導現場施工生產，具有較大的工程應用價值.

　　關鍵詞:水利水電工程;信息模型;信息管理平臺;施工全過程

　　中國云、貴、川、藏等西南地區山高谷深，蘊藏著豐富的水能資源，加快水能資源開發利用已成為改善能源結構、推進節能減排的重要戰略舉措[1].特別是隨著西部大開發的推進，雅礱江、大渡河、岷江、金沙江等流域的大批大型、特大型高壩大庫工程相繼開工建設，還有一大批水利水電工程已開始前期籌備[2].該區域邊坡多處于高山峽谷中，地勢陡峭，地質條件極為復雜，開挖方量與施工難度均極大，科學、高效、有序地組織邊坡施工，對工程總工期及各關鍵節點工期的實現有著十分重要的意義.

　　在水電工程建設過程中，施工信息流動主要采用人工統計數據與報表編制的工作模式，這種方式工作量大、效率低，缺少必要的反饋控制層，難以保證信息的及時性和有效性，特別是大型水電工程的數據信息管理與統計難度更大.在“互聯網+”、大數據、人工智能的時代背景下，一些信息管理系統平臺與工程建設相結合，實現了工程施工數據的數字化、信息化，如鐘宇等[3]提出基于BIM技術的工程結構信息模型建模方法，實現工程信息的充分共享.張社榮等[4]基于4D技術，提出了水電工程邊坡施工期安全信息模型，實現了某水電站邊坡施工進度和結構安全的實時動態耦合.王超等[5]結合施工期高邊坡工程安全的實時分析問題，開發了工程邊坡安全性實時分析控制系統，實現了邊坡安全狀態實時動態仿真和預測評價.謝全敏等[67]以工程邊坡案例為基礎，應用數據挖掘和知識發現技術提出邊坡工程穩定性智能評價分析技術，并研發了邊坡綜合治理方案優化選擇系統.從上述研究成果來看，水電工程邊坡已開展數字化、信息化相關研究，但緊密結合工程現場安全、質量、進度等輔助現場施工管理的信息模型及現代化管理平臺研發與應用較少，特別是邊坡工程的研究幾乎空白.

　　為此，本文將現代信息技術與工程建設深度融合，通過借鑒BIM技術和信息模型，提出水電工程邊坡施工全過程信息模型的建立方法和實現過程，采用VisualC#網絡編程技術，研發構建了集進度、質量、安全于一體的水電工程高邊坡施工全過程的現代化管理平臺.以白鶴灘水電站壩肩邊坡為實例進行應用，實現水電工程高邊坡設計、開挖支護施工過程與成果的全面數字化管理，形成了在線分析、動態跟蹤、反饋預警的施工綜合管控體系，能有效控制施工進度、降低施工過程的安全風險，為水電工程的數字化和信息化提供了解決思路和參考.

　　1邊坡施工全過程智能化管理理念

　　邊坡施工涉及工程設計、開挖支護過程、施工測量、工程質量、安全監測等多種數字化信息，其中開挖與支護施工過程管理是項目數字化管控的重點，需要實現對邊坡施工計劃、施工過程及重點工序監控、施工進度質量安全等多方面的數字化集成.樊啟祥等[810]在大型水電工程管理經驗總結基礎上，結合溪洛渡大壩智能化建設模式，提出了“一個中心、兩個支撐、三個支柱力量”的工程項目管理模式，即以項目建設單位為中心，科研單位與咨詢(專家團隊)為技術支撐，以工程設計、監理、施工等參建單位為支柱，構建形成了“感知分析控制”產學研有機協同工作模式.結合水電工程高邊坡施工的特點，參考借鑒文[8]的工作模式，以感知、分析、控制的智能建造理論為基礎，借助計算機仿真、可視化與物聯網技術，建立動態精細化的可感知、可分析、可控制的邊坡建設與運行管理體系，提出邊坡施工全過程智能化管理基本框架和思路.感知，即利用現代的傳感與采集技術，實時、全面、準確地采集工程建設中的各類施工數據，借助衛星通信技術、移動網絡及互聯網技術實時動態進行雙向傳輸，包含現場開挖與支護進度實時獲取、爆破震動實時在線監測、邊坡變形與穩定在線監測、現場質量指標采集等，依靠互聯與移動網絡，實現實時在線傳輸等.

　　分析，即在上述實時獲取的數據基礎上，利用大數據挖掘及仿真分析技術，實時動態分析數據規律，預測結構變化趨勢，通過知識管理專家咨詢體系，對邊坡施工質量、安全和進度進行預判，實現邊坡穩定分析、爆破震動及影響評價、支護效果分析、施工質量分析與綜合評價等功能，從而制定優化控制的措施.控制，即結合感知與實時分析的結果，進一步對現場施工進行預警與調控，實現對施工過程和結果的管控，通過利用預定時程曲線和控制標準進行動態優化和調控，實現開挖與支護梯段優化、開挖時間及次序控制、支護時機優化、監測與爆破設計優化等功能.

　　2邊坡施工全過程信息模型

　　水電工程邊坡施工全過程信息模型(以下簡稱“信息模型”)以邊坡三維幾何模型為基礎，賦予施工進度的時間維信息，并綜合集成設計成果、開挖支護施工過程、測量、工程質量、安全監測過程、綜合分析與安全評價等信息，信息模型“幾何模型+時間+信息”的構成模式可為工程施工全過程的進度、質量與安全信息分析及管理提供隨進度動態變化的幾何模型，完整的數據支持和可視化模擬.模型考慮以下6個方面信息.

　　2.1設計成果信息

　　邊坡設計成果為設計單位提交的勘測設計資料及成果，包括勘測資料、邊坡結構設計成果、施工工藝要求與質量控制標準、監測設計成果、施工期地質編錄及地質預測等信息.設計成果中的三維模型(又稱基礎信息模型)，是采集全部信息的幾何載體.模型應能對邊坡結構(面)模型、分梯段分塊模型(每10~20m一個梯段)、施工支洞模型等結構物模型的幾何信息、空間信息及其他屬性信息進行綜合管理，發布地質勘測資料的地質素描及地質預測成果，同時能集成施工程序、施工方法、施工資源、施工工藝、質量控制指標、主要工程量等施工信息.

　　2.2施工過程信息

　　信息模型要求對邊坡施工進度計劃、施工過程及重點工序監控(爆破、施工放樣、測量收方與開挖體型控制等)進行數字化管控，主要包括開挖與支護信息2大部分.開挖部分主要包括:邊坡分區分塊設計、鉆孔放樣、測量收方、三維激光掃描等過程與成果;施工進度計劃、爆破設計過程;通過施工、監理人員的數字化日志記錄，對現場進度、安全、質量控制環節進行實時跟蹤;鉆孔效率、火工材料單耗、出渣效率等關鍵施工工序的動態跟蹤、分析與優化.支護部分包括:各個部位的支護手段、支護參數的數字化與可視化;現場采集支護施工過程中的工序過程記錄;動態跟蹤工程量(工序量)、主要材料的消耗量及現場施工狀態;跟蹤錨桿、錨索施工中的放樣、鉆孔、安裝、灌漿、錨墩砼澆筑、張拉、封孔灌漿等施工工序過程.

　　2.3測量信息

　　測量手段主要采用全站儀及三維激光掃描儀，全站儀作為傳統的測量手段，在施工中全面應用于施工放樣及收方測量中;三維激光掃描儀作為先進的測量手段，主要應用于較大區域范圍內的地形與開挖體型的測量工作.信息模型應對邊坡的原始地形、放樣、收方、竣工等測量工作及其成果的管理，與全站儀、三維激光掃描儀建立數據接口，實現施工進度的可視化表達、開挖方量計算及施工質量分析(超欠挖)等，從而為施工進度與質量管理提供支撐.

　　2.4工程質量信息

　　質量管理主要為工程施工階段的質量管理，通過一系列規定的標準化作業過程確保工程質量達到行業規范要求.行業中通過各作業工序的質量驗收來實現，包括施工工序質量評定過程與單元評定成果，以及與之相關的工程測量與檢測資料和成果的管理.前者以施工工藝與工序為基礎，以標準化的質量表單為核心，構建對質量過程記錄、工序評定、單元驗收成果的集中管理系統，實現對邊坡開挖、錨桿、噴混凝土、預應力錨索、襯砌混凝土、石方明挖等施工工序準備、評定及單元評定過程、資料與成果的管理.后者利用原始的工程測量與檢測數據，對開挖的體型控制(超欠挖分析、半孔率、不平整度)、錨桿無損檢測、噴護厚度與強度等的關鍵質量指標進行分析評價.

　　2.5安全監測信息

　　安全監測過程包括外觀監測網的建設、內觀儀器的埋設與維護、日常數據采集及數據統計分析等工作.針對安全監測工作，監測點的布置以及安全監測評價均是針對某些關鍵部位或斷面進行的，因此關鍵部位或斷面是安全監測的對象，監測項目(變形、應力應變、滲流、溫度)是安全監測的要素.結合水電工程邊坡的監測內容，信息模型須能實現監測方案設計成果、監測儀器埋設與標定、監測數據采集、監測結果計算、監測成果分析與評價等功能.其中，安全監測評價主要采用關鍵部位(或斷面)單個項目的單個代表性測點、重要監測項目多測點、多項目多測點進行安全評價和動態監控.

　　2.6綜合分析評價信息

　　邊坡實際施工過程中，系統同步采集大量進度、質量、測量、監測等各類數據，形成了邊坡施工數字檔案庫，基于此可提供各專業的報表與報告，以便參建各方實時動態查閱分析.同時，利用數據挖掘技術，對現場質量、支護跟進情況、邊坡變形監測與穩定情況等方面進行綜合分析與安全評價預警，形成動態過程曲線與變化特征指標，綜合反映當前進度狀態的邊坡各個部位的安全情況.

　　3信息模型構建方法與實現

　　邊坡施工全過程信息模型包含邊坡結構、相關施工屬性及其相互關系，涉及工程地質、巖體力學、計算機圖形、三維建模及工程施工等方面學科，其中涉及的信息技術和空間虛擬技術、信息精準感知技術、大數據快速傳輸與存儲技術、虛–實調控模型仿真模擬均為主要技術難題.信息模型具有以下特點[1113]:模型繼承工程設計與施工階段的所有靜動態信息，將其儲存于數據庫進行有效挖掘分析與管理;動態直觀表現工程施工全過程的工程地質條件、施工進度、質量與安全等信息;模型具有三維場景可視化交互功能，能實現“模型信息”雙向操作與分析;可擴展性強，相關數據挖掘分析可通過數據接口引擎獲取，進一步進行數值仿真計算與工程項目管理及應用等.

　　3.1幾何載體模型構建

　　邊坡施工全過程信息載體模型應具有較好的可視化表達方式，且易于表達模型的屬性信息.信息模型幾何載體建模的第一步就是將邊坡幾何數據與工程地質信息耦合，建立邊坡工程三維地質表面模型，將原始地質數據(地形圖、地質剖面、鉆孔、平硐等)建立邊坡區域所有邊界面和約束面模型，建立初始地質界面.利用Revit自適應構件創建方式，通過3點、4點或更多點數，快速創建不同坡度幾何模型，主要創建步驟:1)創建整體邊坡族，與實際工程坐標與高程相符對控制點進行標識，完成控制點布置;2)創建規則邊坡族，依據設計信息對邊坡坡度、高程構建規則的邊坡及馬道;3)將規則邊坡族構件嵌入整體邊坡族構件，符合控制點坐標準確性;4)在整體邊坡族構件中，結合載入的規則邊坡構件，采用自適應建模方式，完成局部復雜的邊坡的創建;5)邊坡整體族構件放于實際坐標位置，同步進行模型初步輕量化處理，最終實現邊坡信息幾何載體模型的構建.

　　4邊坡信息模型管理平臺應用

　　以白鶴灘水電站壩肩邊坡為例，利用本文提出的邊坡施工全過程信息模型與現代化信息模型管理平臺進行分析評價應用.主要包括施工過程、施工測量、工程質量、安全監測、綜合分析評價等信息管理功能模塊.

　　5結論

　　將現代信息技術與工程建設深度融合，以感知、分析、控制的智能建造理論為基礎，利用計算機仿真、可視化與物聯網技術，提出水電工程邊坡施工全過程信息模型的建立方法和實現過程，研發構建了集進度、質量、安全于一體的高邊坡施工全過程的現代化信息模型管理平臺.本文克服了水電工程傳統的施工信息流動模式，形成了邊坡施工全過程的工程數字檔案中心，為后續水電工程的數字化和信息化提供了解決思路和參考.平臺同步構建了邊坡工程施工全過程的數字檔案庫，涉及工程結構設計、進度計劃、施工過程、爆破監測、工程測量、工序驗收與單元評定、安全監測等數據信息，數據的成功采集與傳輸是系統成功應用的基礎保障.工程實例應用表明，施工過程中參建各方通過本文信息模型實時、在線采集施工和監測等數據信息，可對施工過程進行實時跟蹤與動態分析，實現邊坡施工全過程精細化管控，提升施工管控水平.

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