信息化時代背景下水利水電施工技術發展的機遇與挑戰

王顯平

中國水利水電第五工程局有限公司

1 引言

縱觀人類發展史，從原始社會的依河而居，到農業社會的開拓農田、治水利民，再到現代社會的高峽出平湖、征服江河，都在圍繞“水”這個主題地而變化發展，因此，從一定程度上講，人類社會文明進步的過程，也是人類征服與充分利用大自然水資源的過程。在這個過程中，人類從認知自然現象，到科學發現自然規律，進而衍生與推動技術革命，進而形成一種無形的生產力，促進人類社會在近三百年呈指數狀的高速發展。其中，水利水電技術的發展也是在近一百年間高速發展，尤其是在中國近幾十年的水利水電建設中，不斷有新的世界紀錄被突破。但是萬物皆有規律，水利水電以及其施工技術的發展，正在靠近現階段“天花板”，我們值得去思考水利水電施工技術在未來將何去何從。

2 水利水電施工技術發展的基礎

正如上文所述，技術是自然科學的衍生，是自然科學在人類社會中的具體應用與表現。水利水電施工技術發展的基礎，就是自然科學。本文將水利水電施工技術發展的基礎，總結為以下幾個主要方面。

2.1 建筑材料科學

毋庸置疑，修建水利水電設施的材料，或直接取自于自然界，或將自然界的物質進行提煉轉化、形成可用于工程實體的建筑材料，因此，建筑材料科學的發展水平，從一定程度上決定了工程技術發展的上限。例如鋼筋、水泥等，依然是當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，建筑材料科學的對工程實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，也會受到限制與影響。例如，水泥這種材料的缺點-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，從一定程度上就決定了施工技術的極限。

2.2設備與工具制造水平

在農業社會，人類用鍬鎬、背簍、推車等原始工具去修筑水利設施，用比較低的勞動工具水平去改造自然，這樣也是為什么古代社會每當遇到大興土木、開鑿運河的時候，需要耗盡國庫財富、動員舉國之力、歷時幾十年甚至上百年方可完成。當然，隨著科學革命的進程，人類開始利用科學知識創造發明更高效的工具與設備，牽引社會發展的動力也從人的肩膀逐漸向蒸汽動力、油動力、電動力甚至核動力發展。

中國蘊藏著巨大的水資源，擁有著創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技術、勤勞與智慧，建造出一座座創世界紀錄的水利水電工程。而在建設這些大型水利水電工程中，所使用的眾多設備與工具也代表著世界最先進水平。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設備，巍然屹立的起重吊裝設備，橫貫峽谷的混凝土入倉設備等，無不在書寫著水利水電建設史的奇跡。如果說建筑材料科學決定了水利水電工程規模與施工技術的極限，那么設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 理論知識水平

這里所說的理論知識，指的是水利水電工程涉及的各大力學、水文、地質、能源動力等方面理論知識。理論知識，代表著人類認知自然世界規律法則的程度，當理論知識超前于現有生產力水平時，人類社會通過生產力革新在相當一段時間內成增長態勢，這也可以理解為是人類社會發展空間的“知識儲備”，相反，如果理論知識水平達到天花板，生產力革新遇到理論障礙、停止不前，那么整個社會發展的速度均會放緩腳步，一系列社會問題頻繁出現，甚至帶來災難。

回顧工程力學發展，正是這些理論知識超前上百年的研究，我們才有更科學的導截流施工方法，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。當然，現在理論知識研究并未停下腳步，逐漸從宏觀到微觀，從經典力學到非傳統領域，我們堅信，將來會更前沿的理論知識為水利水電施工技術提升做支撐。

3 如何理解信息化時代

信息化是繼機械化、電氣化之后的再次技術革命，信息化時代是人類發展史全新的階段。在信息化時代，依托高速無線通信技術、計算機科學、智能制造、大數據、虛擬仿真技術等，綜合融入并轉化成新的社會生產力，以指數增長的速度顛覆改變人類生存的生存方式，也為人類未來世界帶來了無限想象與無限可能。信息化時代，擁有以下幾個明顯的特點。

（1）高速互聯網技術，尤其是5G技術，給萬物聯網帶來全新機遇，巨量信息的高速、低延遲傳輸成為常態。

（2）AI技術，結合設備智能制造技術，將對傳統勞動密集型、數據分析型的領域帶來沖擊，伴隨而來的將是大量勞動力的釋放與轉型。

（3）VR技術，給人類帶來全新的視覺體驗，人類對未知事物的認知，從圖紙、模型與計算機仿真，向身臨其境的全新虛擬現實技術發展。

（4）大數據，尤其是互聯網大數據的高速發展，人類生活環境的各種組成元素都將以數字化的方式呈現，對未來的分析與決策，也因此變得智能化。

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

4 信息化時代給水利水電施工技術帶來的機遇與挑戰

4.1 BIM技術對水利水電工程施工管理技術的影響

BIM技術，在建筑領域優先發展起來，并在中國全面進入應用階段，而在水利水電領域，BIM技術尚處于試驗與試用階段。雖然BIM技術在水利水電領域的尚未普及，但可以確定的是它代表著未來的發展方向，不久的將來，BIM技術也在水利水電全生命周期的管理中發揮著至關重要的作用。BIM技術的特點是，以3D建筑模型為基礎，在建立模型與族庫的過程中賦予龐大的信息數據（時間、空間、附加信息等），結合進度控制管理技術、數據庫、互聯網技術、VR技術等，給工程策劃、建設管理、后期運維等階段帶來前所未有的變革與沖擊。在水利水電施工領域，BIM技術將帶來的全新的機遇，我們可以設想在以下兩個方面。

（1）利用BIM、VR、GIS與進度控制技術，實現4D施工仿真模擬技術，如果在把工程量、工程成本與造價信息賦予BIM族庫中，那么我們還可以實現水利水電5D施工控制，在工程沒有實施之前，我們就可以憑借這些強大的技術，預演模擬所有施工方案，為我們動態分析與控制未來施工階段提供強力支撐。

（2）利用BIM、數據庫與KKS編碼技術，將水利水電工程的施工構件、機電設備、金屬結構、備品備件等系統編碼，賦予獨特的“身份號碼”，形成水利水電工程的“大數據”，再通過互聯網與移動通信技術，對構成工程龐大數據的構件與設備等，開展過程生產、運輸、施工、安裝、監測等立體全方面信息化管理，實現真正的“數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的誕生提供數字模型支撐。

4.2 AI技術對無人化施工技術的影響

伴隨著AI技術的發展，人工智能也開展從互聯網大數據分析，也逐漸向其他領域擴散，例如金融投資分析領域、傳統工業與制造業領域等。AI技術的本質，就是讓智能計算機逐漸代替人類的常規與重新性的工作，解放傳統領域的勞動力投入，逼迫勞動力向其他領域轉型。在水利水電施工領域，雖然我們已經進入了機械化的時代，但是所有的機械設備依然需要人來操作，部分施工領域仍需要大量密集勞動力參與，例如鋼筋混凝土工程施工，施工質量合格率的高低依然受作業人員技能水平的影響，人在參與的工程建設的過程中，依然存在較大的安全風險。因此，從人類發展與進步的角度來看，AI技術進入水利水電施工領域是必然的趨勢。

在現階段，中國的一些大型水利水電施工企業，開始研究并試驗無人化施工技術，例如將以AI技術、GIS技術與智能控制技術結合應用到施工機械設備上，根據大壩3D模型、建筑材料類型、質量標準、設備行走軌跡等信息，實現土石壩的無人攤鋪、無人碾壓，逐漸顛覆原有的大壩填筑施工技術。我們可以設想，在不久的將來，水利水電施工領域出現更多的無人化施工技術，例如：發明一種設備，實現鋼筋的加工安裝無人化，根據圖紙尺寸，精準定位安裝鋼筋；或者，發明一種混凝土入倉與振搗形成智能設備，實現無人智能操控，確保混凝土澆筑與振搗質量。除此之外，伴隨著世界各大汽車公司在無人駕駛技術的研發，將來水利水電施工運輸車輛也可以實現全部無人駕駛，或許我們將來會看到無人導截流施工的場景。

4.3 3D打印技術顛覆現有水利水電施工技術的可能性

3D打印技術，給工業制造領域帶來很大的沖擊，尤其是小型、異形部件的加工，只要將3D模型錄入計算機，那么計算機給3D打印機發布命令，利用可操控的材料進行精準鑄造與雕刻。既然3D打印技術是工業領域發展的方向，那么我們也可以試想下3D打印技術在水利水電施工領域的發展空間。我們在上文中已提到了BIM技術，BIM技術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，發明一種大型的3D打印機，計算機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。如果真的可以實現，那么3D打印技術給水利水電施工領域乃至整個建筑施工領域帶來的沖擊，比無人化設備操控技術更加具有革命意義。人類建造一個龐大工程的效率將會大大提高，社會發展與人類改造大自然的速度將高速提升。

4.4 信息化時代對建筑材料科學革命的反向促進作用

上文提到，建筑材料科學是決定水利水電施工極限水平的關鍵因素，如果BIM技術、AI技術、3D打印技術等全面進入水利水電施工領域，那么信息化技術高速發展與建筑材料的落后狀態，就成為影響水利水電施工技術發展主要矛盾。解決好這個矛盾，將是我們廣大科研人員與工程師們的努力方向。在解決這個主要矛盾的過程中，務必會反向促進建筑材料科學的二次革命。例如，3D打印技術，對材料的要求很高，既要確保為3D打印設備供應材料連續性，又要實現筑壩材料性能的單一性。現階段，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、施工的工藝煩瑣，為此，研發滿足3D打印技術的新筑壩材料成為關鍵，這些材料既要有很好的力學性能，又要有較高的生產便利性，建筑材料科學可能進入二次技術革命階段。

5 結語

信息化時代，不僅影響人類現代的生活方式，而且也在逐漸給傳統水利水電建設施工領域帶來強大的機遇與挑戰。作為水利水電領域工程技術人員，我們應當去正視與迎接這個時代的到來，并主動將眾多信息化技術帶入傳統的水利水電領域，通過一系列科學研究與實踐，解決信息化與傳統施工技術之間存在的矛盾，改變水利水電傳統施工技術，提升社會生產力水平。或許不久的將來，伴隨著BIM技術、AI技術、3D打印技術等在水利水電工程中的應用，我們將看到更加高水平的無人化施工、智能化操控、數字化大壩工程與全生命周期的工程信息化管理。