吳旭東 顧問天 劉少煒 祁孜威

（1.保利長大工程有限公司，廣州 511400；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳 518000）

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，信息化管理在大型基建項目中得到廣泛應(yīng)用?；诮ㄖ畔⒛Ｐ停˙uilding Information Modeling，BIM）技術(shù)的信息化平臺，采用多維度信息編組更為全面地記錄施工全過程，對工程信息采集與統(tǒng)計有較大幫助。國內(nèi)不少學(xué)者開展了相關(guān)研究和實踐。伍朝輝等[1]集成BIM與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了橋梁設(shè)計方案從二維圖紙到三維實景的模擬，使得參建各方對項目的理解更加深入，顯著提高了設(shè)計效率；王天興等[2]對水工隧道施工過程進行了仿真模擬，降低了其施工和管理難度。梁策等[3]研發(fā)了基于北斗衛(wèi)星定位與BIM的路基連續(xù)壓實信息系統(tǒng)，對路基工程智能化管理有一定借鑒意義。梁小龍[4]通過二次開發(fā)實現(xiàn)了BIM建模軟件與有限元計算軟件在橋梁設(shè)計中的互通。王珺[5]指出了BIM技術(shù)在建設(shè)項目中的應(yīng)用難點和瓶頸。此外，為提高工程施工管理水平，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐步成為工程施工應(yīng)用的熱點。徐友全、韓豫等[6-7]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了智慧工地的安全管控總體框架，對智慧工地信息系統(tǒng)開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義；李霞、張艷超等[8-9]分析了智慧工地的主流需求，提出了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來工程項目智慧化發(fā)展的主流方向。馬錄[10]指出融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于智能建筑理念的應(yīng)用發(fā)展。陳巨坤[11]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一款智能安全帽解決了對建筑工人的管理問題。BIM技術(shù)可提升信息的集成度，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)施工過程中的人員、機械、物料、工法、環(huán)境智能互聯(lián)，兩項技術(shù)協(xié)同應(yīng)用有助于提升管理效率，節(jié)約管理成本。

本文依托深中（深圳—中山）通道沉管隧道混凝土澆筑工程，融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑的智能化管控問題，對智慧工地的轉(zhuǎn)型升級具有一定借鑒意義。

1 鋼殼混凝土澆筑工藝及存在的問題

深中通道主體工程全長約24.03 km，其中沉管隧道段長約6.8 km，共32個鋼殼混凝土管節(jié)。管節(jié)的主要施工工序包括預(yù)制場建造鋼殼、鋼殼內(nèi)澆筑混凝土、沉管、浮運航道開挖及維護、基槽基礎(chǔ)處理、沉管浮運沉放和沉管回填。每一項工序都要求高標準、高質(zhì)量地完成，其質(zhì)量、進度控制是項目的重難點。

因鋼殼混凝土管節(jié)受力的特殊性，內(nèi)外壁板間設(shè)有大量縱橫隔板及肋，將管節(jié)劃分為上千個約15 m3的獨立隔艙，如圖1所示。每個隔艙僅在頂部中心部位設(shè)有1個直徑約40 cm的澆筑孔，邊緣設(shè)有8個直徑10 cm的排氣孔，其余各面均封閉。澆筑所采用的新型自流平混凝土要求根據(jù)液面高度d分級降速澆筑：d<0.8H（H為隔艙高度）時澆筑速度為30 m3/h；d≥0.8H時澆筑速度為15 m3/h。

圖1 鋼殼混凝土管節(jié)BIM模型

通過前期對單個隔艙的工藝試驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝在澆筑過程中存在以下無法克服的障礙：①看不到。每個隔艙近乎封閉，其內(nèi)部的澆筑量無法直接觀察及準確量測，必須借助感知設(shè)備實時獲取隔艙內(nèi)澆筑液面變化。②做不到。為減少混凝土頂面與鋼板脫空，要求隔艙澆筑速度根據(jù)混凝土液面高度先快后慢、分級降速澆筑。在傳統(tǒng)施工工藝中澆筑前端與泵車距離較遠，通過語音通信傳遞指令信息，調(diào)整澆筑速度的指令存在較大延遲，無法實現(xiàn)精準控制，需要通過感知設(shè)備與澆筑端實現(xiàn)智能聯(lián)動控制澆筑。③易浪費。隔艙體積不等、形狀各異，當(dāng)混凝土澆筑至頂部時人工停泵存在延遲，易造成混凝土浪費。④調(diào)度難。隔艙內(nèi)所采用的是新型自流平混凝土，其最佳性能的時效性僅為80 min。為確?；炷翝仓|(zhì)量，需從混凝土生產(chǎn)、運輸、檢測至澆筑進行全過程管控；而管節(jié)澆筑時存在多個工點、多個隔艙同時澆筑的情況，需要合理分配澆筑任務(wù)、調(diào)度安排運輸車輛。傳統(tǒng)的語音或信息溝通缺乏時效性，且澆筑任務(wù)繁重時易出現(xiàn)調(diào)度混亂的局面，因此需要建立人、機、物交互的全方位信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能分配任務(wù)、智能調(diào)度、全局監(jiān)管。⑤溯源難。管節(jié)數(shù)量多，涉及海量的澆筑數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行快速記錄、存儲、分析，方可準確查看澆筑過程中存在的問題。傳統(tǒng)的記錄方式無法處理海量數(shù)據(jù)，追溯查找問題難度大，因此需要借助大數(shù)據(jù)庫，記錄施工過程的全部信息。為解決上述問題，須研發(fā)一套管控生產(chǎn)、運輸、澆筑全過程的智能化系統(tǒng)。

2 智能澆筑系統(tǒng)設(shè)計

為解決傳統(tǒng)工藝中存在的問題，融合BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了混凝土智能澆筑系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)架自下而上分為感知層、硬件層、軟件層和展示層，如圖2所示。

1）感知層

圖2 混凝土智能澆筑系統(tǒng)架構(gòu)

感知層主要是通過多種感知設(shè)備把現(xiàn)場作業(yè)信息實時傳送至管理系統(tǒng)。其中感知設(shè)備有激光測距儀、攝像頭、車輛全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）終 端 、射 頻 識 別（Radio Frequency Identification，RFID）傳感器等。激光測距儀主要用于確定混凝土在隔艙內(nèi)的澆筑高度；攝像頭用于總控人員掌握現(xiàn)場施工作業(yè)點及運輸車輛的情況；車輛GPS終端為一個交互設(shè)備，提供混凝土運輸狀態(tài)和車輛定位信息；RFID傳感器的主要功能為校準車輛就位情況和記錄運輸車次。

2）硬件層

該層包括計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源和安全資源，用于保證信息系統(tǒng)高性能、可靠穩(wěn)定運行，并且具有擴展性，能夠靈活應(yīng)對業(yè)務(wù)發(fā)展。

3）軟件層

在各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了管節(jié)管理、生產(chǎn)計劃、原材料庫、拌和站、生產(chǎn)調(diào)度、運輸管理、現(xiàn)場澆筑、前端監(jiān)測、質(zhì)量檢測、平臺監(jiān)控等多個應(yīng)用模塊。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于感知層，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)源于工程項目管理流程。

4）展示層

通過電腦、大屏幕、移動終端等設(shè)備，實現(xiàn)動態(tài)消息預(yù)警、生產(chǎn)作業(yè)模擬和業(yè)務(wù)過程控制。

3 智能澆筑關(guān)鍵技術(shù)

為有效管控混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑過程數(shù)據(jù)，集成管理所需的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，對以下幾項智能澆筑關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究：①澆筑泵車智能控制技術(shù)；②智能運輸調(diào)度技術(shù)；③基于BIM的信息管理技術(shù)。

3.1 澆筑泵車智能控制技術(shù)

1）澆筑設(shè)備重新研發(fā)和智能化改造

圖3 隔艙澆筑過程示意

為觀測隔艙內(nèi)部混凝土液面情況，在隔艙排氣孔頂部設(shè)置了多個激光測距儀實時監(jiān)測液面變化情況，如圖3所示。根據(jù)混凝土澆筑工藝要求，對澆筑相關(guān)設(shè)備予以重新研發(fā)和智能化改造。具體如下：①研發(fā)激光測距儀。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將測距數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖密囍悄芸刂平K端，實現(xiàn)感知設(shè)備與系統(tǒng)終端設(shè)備的互聯(lián)。②對混凝土泵車進行智能化改造。根據(jù)泵車廠家提供的通訊協(xié)議，將終端控制設(shè)備與泵車互聯(lián)互通，遠程控制泵車開啟、調(diào)節(jié)泵速、停機，并通過程序?qū)崿F(xiàn)自動澆筑。自動模式下施工人員在澆筑隔艙前僅需在終端設(shè)備屏幕上點擊開始即可完成單個隔艙的澆筑，終端設(shè)備可根據(jù)液面高度自動控制澆筑速度和停止?jié)仓?。在單個隔艙澆筑過程中無需人工操作泵車，極大降低了控制難度。③以智能平板電腦或手機設(shè)備作為智能控制終端，實現(xiàn)對澆筑過程的管控，并展示混凝土澆筑時液面變化信息和泵車的工作狀態(tài)（如澆筑速度、電壓等）。此外，通過終端設(shè)備將整個澆筑過程的信息全面記錄，同步上傳至系統(tǒng)平臺，使信息可溯源。

2）泵送速度的控制

智能控制終端在實測過程中出現(xiàn)了較多的問題，其中較突出的問題是混凝土泵送速度不穩(wěn)定。

控制終端發(fā)送同樣的檔位指令后，泵車在空轉(zhuǎn)、泵送水和泵送混凝土3種工作狀態(tài)下分別呈現(xiàn)不同的泵送速度，較難穩(wěn)定控制到理論值30 m3/h或15 m3/h，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測試的泵送速度與檔位的關(guān)系

經(jīng)測試，混凝土的和易性、泵送距離以及揚程也對泵送速度存在一定的影響，因此有必要采用智能調(diào)速算法校正泵送速度。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，泵車檔位與泵送速度總體呈線性關(guān)系。由此擬合出檔位與混凝土泵送速度之間的理論關(guān)系式，如式（1）所示。在澆筑過程中，將目標泵送速度與實際泵送速度的誤差進行二分法迭代修正檔位，多次迭代直至實際速度與目標速度誤差小于0.5 m3/h時停止迭代。

式中：vt為第t次理論泵送速度，m3/h；At為第t次發(fā)送的檔位；K，c為線性常數(shù)；Δvt為第t次目標泵送速度與實際泵送速度的誤差，m3/h；v為目標泵送速度，m3/h；v't為第t次實際泵送速度，m3/h。

根據(jù)式（1）可推導(dǎo)出泵送速度誤差與檔位誤差的關(guān)系式，即

式中：ΔAt為第t次檔位誤差。

通過二分法迭代修正，可得第t+1次發(fā)送的檔位為

計算流程：①設(shè)v1=v，將v1代入式（1）可推算出A1；②終端發(fā)送A1檔位得到實際泵送速度v'1，通過式（2）計算得到?v1；③判斷是否滿足Δv1≤0.5 m3/h，若滿足則停止計算，若不滿足將Δv1代入式（3）和式（4）計算得到第2次發(fā)送檔位A2，進而得到第2次的實際泵送速度v'2和誤差Δv2；④多次迭代直到Δvt≤0.5 m3/h時停止迭代。

經(jīng)現(xiàn)場多次測試，采用智能調(diào)速算法可將實際泵送速度快速穩(wěn)定至目標值，滿足施工要求。

3.2 智能運輸調(diào)度技術(shù)

混凝土施工主要分為生產(chǎn)、運輸、檢測和澆筑4步。難點是在80 min內(nèi)將施工效率最大化。

一輛混凝土攪拌車的容量為9 m3，從生產(chǎn)到澆筑各個階段用時分別為：①拌和站生產(chǎn)時間約5～6 min；②車輛運輸時間約8～10 min；③途中抽檢時間約8 min（每60 m3抽檢1次）；④在澆筑點排隊等候時間約0～10 min；⑤單車混凝土澆筑理論時間為18～36 min。實際工程中存在4～8個澆筑點同時作業(yè)，需9～16輛。為使車輛利用率最大化，運輸車輛與現(xiàn)場澆筑點的泵車不必一對一，須根據(jù)車輛內(nèi)混凝土的有效時間將其與現(xiàn)場混凝土余量統(tǒng)一考慮并智能調(diào)度。

智能調(diào)度的目標：混凝土供給端和澆筑端有序、高效匹配，減少混凝土車輛排隊等候時間，實現(xiàn)無間隙澆筑。為管控車輛狀態(tài)，在車輛中加裝了智能終端，有定位、語音提示、混凝土有效時間記錄、預(yù)警提示等功能；在所行道路邊設(shè)置了專用的RFID車輛識別設(shè)備，便于系統(tǒng)確認校核車輛位置和統(tǒng)計澆筑車次。車輛行程中關(guān)鍵點位有拌和站、檢測站、派號區(qū)、澆筑點。其中派號區(qū)為運輸調(diào)度流程中核心位置，如圖5所示。

圖5 智能運輸調(diào)度流程

整個運輸調(diào)度流程始于拌和站，結(jié)束于拌和站。其中，檢測站位于派號區(qū)前面，要求檢測合格或未被抽檢的車輛才能進入派號區(qū)，開展后續(xù)流程。派號區(qū)的主要功能：①對所有進入派號區(qū)的車輛狀態(tài)進行分析，將裝載混凝土有效時間最短的車輛優(yōu)先派號。②對現(xiàn)場澆筑點混凝土余量狀態(tài)進行分析，找到余量最少的澆筑點，讓其優(yōu)先接收車輛。③當(dāng)車輛內(nèi)混凝土有效時間或現(xiàn)場澆筑點混凝土余量等同時，則按車輛編號和澆筑點號順序派號。

我們旨在探究我國A股市場與世界主要股票市場之間的相依性。因此，選擇上證綜合指數(shù)(SH)當(dāng)日收盤價作為衡量我國股票市場波動情況的指標；對于A股之外的市場，選擇美國、英國、德國、日本和中國香港等規(guī)模較大的幾個國家(地區(qū))的股票市場作為對比研究對象，具體來說，分別選取標普500(S&P 500)指數(shù)、富時100(FTSE100)指數(shù)、DAX指數(shù)、日經(jīng)225指數(shù)(N225)及恒生指數(shù)(HSI)當(dāng)日收盤價作為衡量上述國家(地區(qū))股票市場波動情況的指標。

由于施工條件復(fù)雜，不確定因素較多，專門開發(fā)了預(yù)警模塊，主要對車輛故障、混凝土超時、澆筑泵車故障等意外情況加以預(yù)警。若車輛或澆筑設(shè)備處于預(yù)警狀態(tài)，將被臨時移出運輸調(diào)度鏈。

通過多次的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和首節(jié)管節(jié)的澆筑，管理人員在辦公室通過運輸調(diào)度模塊可全面了解所有車輛狀態(tài)、現(xiàn)場澆筑狀況及相關(guān)預(yù)警信息，顯著提高施工效率，為項目的有序推進提供了較大便利。

3.3 基于BIM的信息管理技術(shù)

為實現(xiàn)施工流程全方位的管控，應(yīng)用BIM技術(shù)將施工過程中的相關(guān)信息全部關(guān)聯(lián)。具體流程：①對建立的BIM模型進行工程結(jié)構(gòu)分解，將沉管細分為頂板、底板和中墻，并對每個隔艙設(shè)置關(guān)聯(lián)編號。②研發(fā)了方便快捷的生產(chǎn)計劃編制模塊，可直接在BIM模型上點選隔倉并設(shè)置施工計劃，之后按日期派發(fā)具體任務(wù)至人員、泵車、原材料、拌和站等相關(guān)的業(yè)務(wù)實施主體。③施工過程中實時監(jiān)控拌和站生產(chǎn)、車輛運輸、途中檢測、隔艙澆筑等工作狀態(tài)，實現(xiàn)全生產(chǎn)周期的進度、質(zhì)量管控，并將全過程信息存貯于BIM模型。

通過上述流程，對項目實施了全方位管控，實現(xiàn)從計劃、原材料、半成品到成品整個生產(chǎn)鏈的信息化管理，如圖6所示。

圖6 基于BIM技術(shù)的信息管理流程

4 結(jié)語

深中通道隧道段采用了新型鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)，鋼殼內(nèi)部混凝土澆筑難度大，質(zhì)量要求高。為解決傳統(tǒng)人工管理模式下生產(chǎn)調(diào)度混亂、關(guān)鍵參數(shù)難以控制、數(shù)據(jù)處理緩慢、質(zhì)量難以把控等難題，研發(fā)了一套融合BIM及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的混凝土智能澆筑系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有以下創(chuàng)新點：

1）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使系統(tǒng)與終端設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間智能互聯(lián)。智能設(shè)備作為系統(tǒng)的感知端，為系統(tǒng)提供及時、準確的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動澆筑。

2）采用派號法將澆筑點的需求量和混凝土運輸車輛的供給量動態(tài)連接，顯著提高了施工效率。

3）基于BIM技術(shù)研發(fā)了方便快捷的生產(chǎn)計劃編制模塊，全方位管控混凝土從生產(chǎn)、運輸?shù)綕仓娜^程，實現(xiàn)了生產(chǎn)信息有源可溯。