信息化時(shí)代背景下水利水電施工技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

王顯平

中國水利水電第五工程局有限公司

1 引言

縱觀人類發(fā)展史，從原始社會(huì)的依河而居，到農(nóng)業(yè)社會(huì)的開拓農(nóng)田、治水利民，再到現(xiàn)代社會(huì)的高峽出平湖、征服江河，都在圍繞“水”這個(gè)主題地而變化發(fā)展，因此，從一定程度上講，人類社會(huì)文明進(jìn)步的過程，也是人類征服與充分利用大自然水資源的過程。在這個(gè)過程中，人類從認(rèn)知自然現(xiàn)象，到科學(xué)發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，進(jìn)而衍生與推動(dòng)技術(shù)革命，進(jìn)而形成一種無形的生產(chǎn)力，促進(jìn)人類社會(huì)在近三百年呈指數(shù)狀的高速發(fā)展。其中，水利水電技術(shù)的發(fā)展也是在近一百年間高速發(fā)展，尤其是在中國近幾十年的水利水電建設(shè)中，不斷有新的世界紀(jì)錄被突破。但是萬物皆有規(guī)律，水利水電以及其施工技術(shù)的發(fā)展，正在靠近現(xiàn)階段“天花板”，我們值得去思考水利水電施工技術(shù)在未來將何去何從。

2 水利水電施工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)

正如上文所述，技術(shù)是自然科學(xué)的衍生，是自然科學(xué)在人類社會(huì)中的具體應(yīng)用與表現(xiàn)。水利水電施工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，就是自然科學(xué)。本文將水利水電施工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，總結(jié)為以下幾個(gè)主要方面。

2.1 建筑材料科學(xué)

毋庸置疑，修建水利水電設(shè)施的材料，或直接取自于自然界，或?qū)⒆匀唤绲奈镔|(zhì)進(jìn)行提煉轉(zhuǎn)化、形成可用于工程實(shí)體的建筑材料，因此，建筑材料科學(xué)的發(fā)展水平，從一定程度上決定了工程技術(shù)發(fā)展的上限。例如鋼筋、水泥等，依然是當(dāng)今各大建筑物的主要材料，鋼筋、水泥的材料性能，也決定了鋼筋混凝土大壩工程規(guī)模的極限與水平。而土料與石料的材料性能，從一定程度上決定了土石壩的物理極限。從此可見，建筑材料科學(xué)的對(duì)工程實(shí)體的影響起決定性作用，那么，圍繞這些建筑材料而開展工作的施工技術(shù)，也會(huì)受到限制與影響。例如，水泥這種材料的缺點(diǎn)-水化熱，盡管上百年來都在做努力減小其影響，但是水化熱問題依然不能消除，那么大體積混凝土裂縫問題不能避免，大壩混凝土每倉澆筑的厚度與體積就被限制，因此，建筑材料的缺點(diǎn)，從一定程度上就決定了施工技術(shù)的極限。

2.2設(shè)備與工具制造水平

在農(nóng)業(yè)社會(huì)，人類用鍬鎬、背簍、推車等原始工具去修筑水利設(shè)施，用比較低的勞動(dòng)工具水平去改造自然，這樣也是為什么古代社會(huì)每當(dāng)遇到大興土木、開鑿運(yùn)河的時(shí)候，需要耗盡國庫財(cái)富、動(dòng)員舉國之力、歷時(shí)幾十年甚至上百年方可完成。當(dāng)然，隨著科學(xué)革命的進(jìn)程，人類開始利用科學(xué)知識(shí)創(chuàng)造發(fā)明更高效的工具與設(shè)備，牽引社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力也從人的肩膀逐漸向蒸汽動(dòng)力、油動(dòng)力、電動(dòng)力甚至核動(dòng)力發(fā)展。

中國蘊(yùn)藏著巨大的水資源，擁有著創(chuàng)造人類文明的大江與大河，在過去的幾十年里，中國人民是利用科學(xué)技術(shù)、勤勞與智慧，建造出一座座創(chuàng)世界紀(jì)錄的水利水電工程。而在建設(shè)這些大型水利水電工程中，所使用的眾多設(shè)備與工具也代表著世界最先進(jìn)水平。從已完工三峽工程到在建的白鶴灘水電站，巨無霸的大方量挖運(yùn)設(shè)備，巍然屹立的起重吊裝設(shè)備，橫貫峽谷的混凝土入倉設(shè)備等，無不在書寫著水利水電建設(shè)史的奇跡。如果說建筑材料科學(xué)決定了水利水電工程規(guī)模與施工技術(shù)的極限，那么設(shè)備與工具制作水平就決定了水利水電施工效率的極限。

2.3 理論知識(shí)水平

這里所說的理論知識(shí)，指的是水利水電工程涉及的各大力學(xué)、水文、地質(zhì)、能源動(dòng)力等方面理論知識(shí)。理論知識(shí)，代表著人類認(rèn)知自然世界規(guī)律法則的程度，當(dāng)理論知識(shí)超前于現(xiàn)有生產(chǎn)力水平時(shí)，人類社會(huì)通過生產(chǎn)力革新在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)成增長態(tài)勢，這也可以理解為是人類社會(huì)發(fā)展空間的“知識(shí)儲(chǔ)備”，相反，如果理論知識(shí)水平達(dá)到天花板，生產(chǎn)力革新遇到理論障礙、停止不前，那么整個(gè)社會(huì)發(fā)展的速度均會(huì)放緩腳步，一系列社會(huì)問題頻繁出現(xiàn)，甚至帶來災(zāi)難。

回顧工程力學(xué)發(fā)展，正是這些理論知識(shí)超前上百年的研究，我們才有更科學(xué)的導(dǎo)截流施工方法，才能更高效的爆破取材，才能將大壩橫跨大江大河，才能征服自然界的巨大洪流。當(dāng)然，現(xiàn)在理論知識(shí)研究并未停下腳步，逐漸從宏觀到微觀，從經(jīng)典力學(xué)到非傳統(tǒng)領(lǐng)域，我們堅(jiān)信，將來會(huì)更前沿的理論知識(shí)為水利水電施工技術(shù)提升做支撐。

3 如何理解信息化時(shí)代

信息化是繼機(jī)械化、電氣化之后的再次技術(shù)革命，信息化時(shí)代是人類發(fā)展史全新的階段。在信息化時(shí)代，依托高速無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能制造、大數(shù)據(jù)、虛擬仿真技術(shù)等，綜合融入并轉(zhuǎn)化成新的社會(huì)生產(chǎn)力，以指數(shù)增長的速度顛覆改變?nèi)祟惿娴纳娣绞?，也為人類未來世界帶來了無限想象與無限可能。信息化時(shí)代，擁有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)。

（1）高速互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是5G技術(shù)，給萬物聯(lián)網(wǎng)帶來全新機(jī)遇，巨量信息的高速、低延遲傳輸成為常態(tài)。

（2）AI技術(shù)，結(jié)合設(shè)備智能制造技術(shù)，將對(duì)傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型、數(shù)據(jù)分析型的領(lǐng)域帶來沖擊，伴隨而來的將是大量勞動(dòng)力的釋放與轉(zhuǎn)型。

（3）VR技術(shù)，給人類帶來全新的視覺體驗(yàn)，人類對(duì)未知事物的認(rèn)知，從圖紙、模型與計(jì)算機(jī)仿真，向身臨其境的全新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展。

（4）大數(shù)據(jù)，尤其是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展，人類生活環(huán)境的各種組成元素都將以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)，對(duì)未來的分析與決策，也因此變得智能化。

（5）BIM技術(shù)，將建筑3D模型帶入向信息化時(shí)代邁，并以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)在工程技術(shù)人員面前。

4 信息化時(shí)代給水利水電施工技術(shù)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

4.1 BIM技術(shù)對(duì)水利水電工程施工管理技術(shù)的影響

BIM技術(shù)，在建筑領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展起來，并在中國全面進(jìn)入應(yīng)用階段，而在水利水電領(lǐng)域，BIM技術(shù)尚處于試驗(yàn)與試用階段。雖然BIM技術(shù)在水利水電領(lǐng)域的尚未普及，但可以確定的是它代表著未來的發(fā)展方向，不久的將來，BIM技術(shù)也在水利水電全生命周期的管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。BIM技術(shù)的特點(diǎn)是，以3D建筑模型為基礎(chǔ)，在建立模型與族庫的過程中賦予龐大的信息數(shù)據(jù)（時(shí)間、空間、附加信息等），結(jié)合進(jìn)度控制管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR技術(shù)等，給工程策劃、建設(shè)管理、后期運(yùn)維等階段帶來前所未有的變革與沖擊。在水利水電施工領(lǐng)域，BIM技術(shù)將帶來的全新的機(jī)遇，我們可以設(shè)想在以下兩個(gè)方面。

（1）利用BIM、VR、GIS與進(jìn)度控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)4D施工仿真模擬技術(shù)，如果在把工程量、工程成本與造價(jià)信息賦予BIM族庫中，那么我們還可以實(shí)現(xiàn)水利水電5D施工控制，在工程沒有實(shí)施之前，我們就可以憑借這些強(qiáng)大的技術(shù)，預(yù)演模擬所有施工方案，為我們動(dòng)態(tài)分析與控制未來施工階段提供強(qiáng)力支撐。

（2）利用BIM、數(shù)據(jù)庫與KKS編碼技術(shù)，將水利水電工程的施工構(gòu)件、機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、備品備件等系統(tǒng)編碼，賦予獨(dú)特的“身份號(hào)碼”，形成水利水電工程的“大數(shù)據(jù)”，再通過互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信技術(shù)，對(duì)構(gòu)成工程龐大數(shù)據(jù)的構(gòu)件與設(shè)備等，開展過程生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、安裝、監(jiān)測等立體全方面信息化管理，實(shí)現(xiàn)真正的“數(shù)字化水利水電施工工地”，為后文提到的無人化施工和3D大壩打印等前沿技術(shù)的誕生提供數(shù)字模型支撐。

4.2 AI技術(shù)對(duì)無人化施工技術(shù)的影響

伴隨著AI技術(shù)的發(fā)展，人工智能也開展從互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析，也逐漸向其他領(lǐng)域擴(kuò)散，例如金融投資分析領(lǐng)域、傳統(tǒng)工業(yè)與制造業(yè)領(lǐng)域等。AI技術(shù)的本質(zhì)，就是讓智能計(jì)算機(jī)逐漸代替人類的常規(guī)與重新性的工作，解放傳統(tǒng)領(lǐng)域的勞動(dòng)力投入，逼迫勞動(dòng)力向其他領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。在水利水電施工領(lǐng)域，雖然我們已經(jīng)進(jìn)入了機(jī)械化的時(shí)代，但是所有的機(jī)械設(shè)備依然需要人來操作，部分施工領(lǐng)域仍需要大量密集勞動(dòng)力參與，例如鋼筋混凝土工程施工，施工質(zhì)量合格率的高低依然受作業(yè)人員技能水平的影響，人在參與的工程建設(shè)的過程中，依然存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，從人類發(fā)展與進(jìn)步的角度來看，AI技術(shù)進(jìn)入水利水電施工領(lǐng)域是必然的趨勢。

在現(xiàn)階段，中國的一些大型水利水電施工企業(yè)，開始研究并試驗(yàn)無人化施工技術(shù)，例如將以AI技術(shù)、GIS技術(shù)與智能控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到施工機(jī)械設(shè)備上，根據(jù)大壩3D模型、建筑材料類型、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備行走軌跡等信息，實(shí)現(xiàn)土石壩的無人攤鋪、無人碾壓，逐漸顛覆原有的大壩填筑施工技術(shù)。我們可以設(shè)想，在不久的將來，水利水電施工領(lǐng)域出現(xiàn)更多的無人化施工技術(shù)，例如：發(fā)明一種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼筋的加工安裝無人化，根據(jù)圖紙尺寸，精準(zhǔn)定位安裝鋼筋；或者，發(fā)明一種混凝土入倉與振搗形成智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無人智能操控，確?；炷翝仓c振搗質(zhì)量。除此之外，伴隨著世界各大汽車公司在無人駕駛技術(shù)的研發(fā)，將來水利水電施工運(yùn)輸車輛也可以實(shí)現(xiàn)全部無人駕駛，或許我們將來會(huì)看到無人導(dǎo)截流施工的場景。

4.3 3D打印技術(shù)顛覆現(xiàn)有水利水電施工技術(shù)的可能性

3D打印技術(shù)，給工業(yè)制造領(lǐng)域帶來很大的沖擊，尤其是小型、異形部件的加工，只要將3D模型錄入計(jì)算機(jī)，那么計(jì)算機(jī)給3D打印機(jī)發(fā)布命令，利用可操控的材料進(jìn)行精準(zhǔn)鑄造與雕刻。既然3D打印技術(shù)是工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的方向，那么我們也可以試想下3D打印技術(shù)在水利水電施工領(lǐng)域的發(fā)展空間。我們?cè)谏衔闹幸烟岬搅薆IM技術(shù)，BIM技術(shù)已為我們提供了詳盡的工程3D模型，那么如果我們想象力更大些，發(fā)明一種大型的3D打印機(jī)，計(jì)算機(jī)為其提供水利水電模型，在有可靠建筑材料的情況下，我們或許可以將大壩給打印出來。如果真的可以實(shí)現(xiàn)，那么3D打印技術(shù)給水利水電施工領(lǐng)域乃至整個(gè)建筑施工領(lǐng)域帶來的沖擊，比無人化設(shè)備操控技術(shù)更加具有革命意義。人類建造一個(gè)龐大工程的效率將會(huì)大大提高，社會(huì)發(fā)展與人類改造大自然的速度將高速提升。

4.4 信息化時(shí)代對(duì)建筑材料科學(xué)革命的反向促進(jìn)作用

上文提到，建筑材料科學(xué)是決定水利水電施工極限水平的關(guān)鍵因素，如果BIM技術(shù)、AI技術(shù)、3D打印技術(shù)等全面進(jìn)入水利水電施工領(lǐng)域，那么信息化技術(shù)高速發(fā)展與建筑材料的落后狀態(tài)，就成為影響水利水電施工技術(shù)發(fā)展主要矛盾。解決好這個(gè)矛盾，將是我們廣大科研人員與工程師們的努力方向。在解決這個(gè)主要矛盾的過程中，務(wù)必會(huì)反向促進(jìn)建筑材料科學(xué)的二次革命。例如，3D打印技術(shù)，對(duì)材料的要求很高，既要確保為3D打印設(shè)備供應(yīng)材料連續(xù)性，又要實(shí)現(xiàn)筑壩材料性能的單一性?，F(xiàn)階段，筑壩的主要建筑材料為混凝土、鋼筋、黏土、石料等，不同材料分布的部位不同，各材料加工、生產(chǎn)、施工的工藝煩瑣，為此，研發(fā)滿足3D打印技術(shù)的新筑壩材料成為關(guān)鍵，這些材料既要有很好的力學(xué)性能，又要有較高的生產(chǎn)便利性，建筑材料科學(xué)可能進(jìn)入二次技術(shù)革命階段。

5 結(jié)語

信息化時(shí)代，不僅影響人類現(xiàn)代的生活方式，而且也在逐漸給傳統(tǒng)水利水電建設(shè)施工領(lǐng)域帶來強(qiáng)大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。作為水利水電領(lǐng)域工程技術(shù)人員，我們應(yīng)當(dāng)去正視與迎接這個(gè)時(shí)代的到來，并主動(dòng)將眾多信息化技術(shù)帶入傳統(tǒng)的水利水電領(lǐng)域，通過一系列科學(xué)研究與實(shí)踐，解決信息化與傳統(tǒng)施工技術(shù)之間存在的矛盾，改變水利水電傳統(tǒng)施工技術(shù)，提升社會(huì)生產(chǎn)力水平。或許不久的將來，伴隨著BIM技術(shù)、AI技術(shù)、3D打印技術(shù)等在水利水電工程中的應(yīng)用，我們將看到更加高水平的無人化施工、智能化操控、數(shù)字化大壩工程與全生命周期的工程信息化管理。