D O M0.16767/jki.10-1213/tu.2021.05.083
水利水电建设信息化时代背景下水利水电施工技术发展的机遇与挑战
王显平
中国水利水电第五工程局有限公司
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B I M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。
关键词：信息化时代；水利水电；施工技术；B I M;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
3d打印未来发展方向最先进水平。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
凝土人仓设备等，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
融人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。
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(3 )V K 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) B I M 技术，将建筑3D 模型带人向信息化时代迈，并以数 字化的方式呈现在工程技术人员面前。
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信息化时代给水利水电施工技术带来的机遇与挑战
4.1 B I M 技术对水利水电工程施工管理技术的影响
B I M 技术，在建筑领域优先发展起来，并在中国全面进人应 用阶段，而在水利水电领域，B I M 技术
尚处于试验与试用阶段。 虽然B 丨M 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,B I M 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。B 1M 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、V R 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，13I M 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B I M 、V R 、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B I M 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B I M 、数据库与K K S 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。4.2 AI 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人，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 进人了机械化的时代，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T.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技术进人水利水电施工 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、CIS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，发明一种混凝土人仓与振捣形成智能 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T _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。
4.3 3D 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 模型录人计算机，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 B 1M 技术，B I M 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B I M 技术、AI技术、3D 打印技术等全面进人水利 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T .、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人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T.技术，提升社会生产力水平。或 许不久的将来，伴随着B 1M 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丁程信息化管理。
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.
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