施工信息化在工程建設(shè)中的應(yīng)用

1、施工信息化在工程建設(shè)中的應(yīng)用清華大學(xué)建設(shè)管理系張春瑜 王守清【摘要】本文介紹信息化施工的基本概念、優(yōu)點和發(fā)展,并結(jié)合工程實例,綜述信息化施工在各種工程建設(shè)中的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】信息技術(shù)施工工程建設(shè)引言目前,建筑業(yè)已經(jīng)成為我國的一個重要的支柱產(chǎn)業(yè)。自改革開放以來,隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)的提高,尤其是房地產(chǎn)業(yè)興起和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模增大等諸方面因素的影響,各種超大規(guī)模(如三峽水壩、超高層(如經(jīng)貿(mào)大樓、高難度(如奧運主體育館建設(shè)項目不斷出現(xiàn),項目有關(guān)各方對工程質(zhì)量和安全的要求也日益提高,對工程設(shè)計和施工提出了越來越高的要求:項目的完成必須建立在高質(zhì)量和安全可靠的基礎(chǔ)上,必須嚴格控制工

2、程進度和成本。在工程建設(shè)中,工程施工比工程設(shè)計更為復(fù)雜。工程施工的復(fù)雜性和不確定性直接影響著工程項目的完成,而且在設(shè)計過程中,由于受各種因素影響,如設(shè)計方法不完善、設(shè)計參數(shù)不符合實際情況等,造成設(shè)計的可施工性往往不那么好,因此要實現(xiàn)設(shè)計的可施工性和在施工中完全實現(xiàn)設(shè)計意圖,就必須根據(jù)施工現(xiàn)場情況,收集現(xiàn)場施工信息,動態(tài)調(diào)整設(shè)計,解決設(shè)計與施工之間的矛盾,使工程項目在保證質(zhì)量和安全的前提下在預(yù)算內(nèi)如期完成。要做到這一點,施工信息化非常重要。實際上,信息化施工由于其優(yōu)點,在建筑業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用。這與我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要中特別強調(diào)發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、各部門各行業(yè)要以信息化改

3、造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的要求是一致的。施工信息化的概念和優(yōu)點施工信息化(或信息化施工就是以建筑業(yè)信息化為總體目標,在施工過程涉及的各部門、各階段中廣泛地應(yīng)用信息技術(shù),開發(fā)信息資源,促進施工技術(shù)和管理水平不斷提高、施工生產(chǎn)效益顯著增加的過程,涉及建筑業(yè)管理、建筑設(shè)計和工程施工等一系列活動。施工信息化技術(shù)是利用信息系統(tǒng)的處理功能,以工程項目為中心,將政府行政管理、工程設(shè)計、工程施工過程(經(jīng)營管理和技術(shù)管理所發(fā)生的主要信息有序、及時、成批的存儲;以部門間信息交流為中心,以業(yè)務(wù)工作標準為切入點,采用工作流程和數(shù)據(jù)后處理技術(shù),解決工程項目從數(shù)據(jù)采集、信息處理與共享到?jīng)Q策目標生成等環(huán)節(jié)的信息化,及時準確地以量化指標,

4、為政府主管行政部門、業(yè)主、設(shè)計單位、承包商、材料設(shè)備供應(yīng)商等單位的決策管理提供依據(jù)。由于信息技術(shù)滲透性強、發(fā)展快以及施工生產(chǎn)自身的復(fù)雜性,施工信息化概念的內(nèi)涵極為豐富,并處于不斷的發(fā)展變化之中。建筑施工企業(yè)除了要解決各種施工技術(shù)問題,還必須關(guān)注施工進度、質(zhì)量、安全、資金應(yīng)用、環(huán)保、財務(wù)及成本等狀況,中央和地方政府的各種法律和規(guī)章制度,材料設(shè)備供應(yīng)情況和設(shè)計變更等。以上問題遠不是單項軟件所能解決的,這就必須采用系統(tǒng)的信息技術(shù),通過應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)把上述內(nèi)容有機地聯(lián)系起來,供企業(yè)的決策管理層利用。只有這樣才能使企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)及時準確地掌握各類資源信息,進行快速正確的決策,使施工項目有計劃、協(xié)調(diào)均衡地進

5、行,實現(xiàn)人力、物力和資金等各方面的最優(yōu)組合,保證工程質(zhì)量、施工速度、經(jīng)濟和社會效益。施工信息化的發(fā)展觀測施工信息化施工出現(xiàn)以前,對工程的監(jiān)測、管理可稱為觀測施工。觀測施工是在施工過程中憑借工程技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷施工過程的安全性,或安放測試元件進行測試,根據(jù)施工過程中的測試結(jié)果進行分析。對施工過程中可能出現(xiàn)的重大質(zhì)量、安全問題主要靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷,必要時采取應(yīng)急措施。觀測的主要目的是驗證原有設(shè)計,為今后的工程設(shè)計積累經(jīng)驗和資料?？渴潞蠓治龅挠^測施工不能直接指導(dǎo)當前工程項目的施工,其原因主要是由于過去測量、分析手段落后,如土中的應(yīng)力和位移難以測量,現(xiàn)場數(shù)據(jù)不能實時獲得,以及靠人工計算分析花

6、費時間較長等。信息化施工信息化施工就是在施工過程中,通過設(shè)置各種測量元件和儀器,實時收集現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)并加以分析,根據(jù)分析結(jié)果對原設(shè)計和施工方案進行必要的調(diào)整,并反饋到下一施工過程,對下一階段的施工過程進行分析和預(yù)測,從而保證工程施工安全、經(jīng)濟地進行,其過程參見圖1。 施工信息化技術(shù)是在現(xiàn)場測量技術(shù)、計算機技術(shù)和管理技術(shù)上發(fā)展起來的,要進行信息化施工,應(yīng)當具備一些條件:1有滿足檢測需要的測量元件及儀器;2可實時檢測;3有相應(yīng)的分析預(yù)測模型和方法;4應(yīng)用計算機。及時掌握可靠的信息是信息化施工中分析和預(yù)測的基礎(chǔ),科學(xué)技術(shù)的提高和計算機的廣泛應(yīng)用可以對工程施工過程進行實時監(jiān)測,并能夠迅速處理有關(guān)數(shù)據(jù),

7、及時指導(dǎo)正在施工工程的監(jiān)測管理。施工信息化的應(yīng)用地下工程由于地下工程的受力特點及復(fù)雜性,其測試與監(jiān)測技術(shù)一直受到工程界的高度重視。從場地水文地質(zhì)和工程物理力學(xué)特性試驗,到開挖與支護過程中的同步監(jiān)測,以及地下構(gòu)筑物建成投入使用,測試和監(jiān)測技術(shù)不僅對計算理論,而且對整個工程施工技術(shù)水平的提高將產(chǎn)生深刻的影響。50年代國際上就開始通過對地下工程的量測來監(jiān)視圍巖和支護的穩(wěn)定性,并應(yīng)用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來修正設(shè)計和指導(dǎo)施工。近年來,現(xiàn)場量測又與工程地質(zhì)、力學(xué)分析緊密結(jié)合,正在逐漸形成一整套監(jiān)控設(shè)計(或稱信息設(shè)計的原理與方法,較好地反映與適應(yīng)地下工程的規(guī)律和特點。城市地下隧道工程信息化施工城市地下隧道工程開挖引

8、起的上覆巖(土層的變形有可能直接影響沿線地表設(shè)施和鄰近建(構(gòu)筑物的安全正常使用,因此信息化施工顯得更為重要。在隧道施工過程中,信息化施工監(jiān)測技術(shù)能有效控制地表及建筑物的下沉、傾斜或開裂,確保隧道施工安全順利進行,為地下工程開挖提供實測參考資料,特別是為埋深較淺的小斷面地下工程支護參數(shù)的選擇提供依據(jù)。山嶺隧道工程信息化施工我國現(xiàn)階段山嶺隧道主要采用的是重視現(xiàn)場量測技術(shù)的“新奧法”施工,將計算機技術(shù)和施工方法結(jié)合起來的信息化設(shè)計與施工方法最近也應(yīng)運而生。山嶺隧道信息化設(shè)計和施工,即在隧道施工中通過工程地質(zhì)勘察、監(jiān)測與評價不斷取得的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)以及圍巖受力、變形等測試資料的各類信息,將其反饋于

9、設(shè)計之中,修改原設(shè)計參數(shù),改進施工,并持續(xù)不斷地進行反饋和改進。實質(zhì)上這是通過利用施工前和施工過程中的大量信息來指導(dǎo)設(shè)計和施工,以期獲得最優(yōu)地下結(jié)構(gòu)的一種方法。基礎(chǔ)工程基礎(chǔ)工程施工中會常遇到一些工程勘察中未發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)問題,但卻是設(shè)計所需要的重要信息。及時分析研究這些信息,采取針對性措施,就可完善和修改設(shè)計,減少構(gòu)筑物的不均勻沉降,消除工程隱患。預(yù)制樁沉樁過程中不同速度和聲響或突然走歪;灌注樁沖擊成孔時的速度,鉆出或反循環(huán)抽出的巖屑;振動沉樁時樁管的入土速度和聲響;以及重夯、強夯施工時的聲響和夯沉量等等,都是施工機具作用下地質(zhì)性狀的反映。抓住這些信息進行研究往往可以找到保證施工質(zhì)量的有力措施,如

10、在柴油樁錘打預(yù)制樁施工中不但應(yīng)達到設(shè)計沉樁深度,更應(yīng)控制其最后十擊貫入度,這是保證預(yù)制樁單樁承載力的重要數(shù)據(jù)。強夯法信息化施工由于強夯法的設(shè)計理論尚不成熟,夯擊時地基土的動力性質(zhì)又不十分明確,以及地基性狀變化多端等原因,在采用強夯法時必須進行現(xiàn)場試夯,并進行科學(xué)的施工管理;另外,由于按照目前勘察布孔要求對建筑場地進行勘察時,只能大致了解場地的不均勻程度,整個場地的最弱部位不一定能查明,而設(shè)計人員在進行強夯設(shè)計時往往根據(jù)勘察資料提供的參數(shù)進行設(shè)計,這樣雖經(jīng)強夯處理,有時仍不能滿足設(shè)計要求,有時又因施加過多的夯擊而造成浪費。為了克服上述缺點,日本在80年代推出了信息化強夯施工方法。這種方法的具體做

11、法是:當按相同夯擊數(shù)夯完第一遍全部夯點后,對整個場地進行標貫等一系列測試,將實測結(jié)果利用電子計算機進行信息處理,對地基處理效果做出定量評價,然后反饋回來修改原設(shè)計,提出第二遍夯擊時各部位的夯擊次數(shù),并按此設(shè)計進行第二遍的強夯施工。如此循環(huán)進行,直至達到預(yù)定目標。鉆孔灌注樁工程信息化施工與一般的天然地基巖土工程勘察不同,鉆孔灌注樁巖土工程勘察一般是在設(shè)計選定該種樁基方案后進行的,屬于與施工圖設(shè)計階段相適應(yīng)的詳細勘察階段。 勘探點的布置應(yīng)控制持力層層面坡度、厚度及巖土性狀,其間距宜為1030m,相鄰勘探點的持力層層面高差不應(yīng)超過12m。當層面高差或巖土性質(zhì)變化較大時,應(yīng)適當加密;當巖土條件復(fù)雜時,

12、每個大口徑的樁宜布置1個勘探點。但是,在目前的市場經(jīng)濟條件下,除極少數(shù)大型工程外,對一些單體建筑,建設(shè)單位大多要求只作一次性巖土工程勘察,并沒有進行專門的樁基巖土工程勘察。在一些基巖頂面埋深度比較大的場地,基巖頂面埋深竟在1040m之間,在樁距極小的情況下,相鄰兩樁的嵌巖深度也不處于相同的標高,在確定樁的持力層深度時造成很大的盲目性。另外,由于工程地質(zhì)鉆探口徑的限制,僅憑巖芯描述的巖性有時與實際會有很大的出入,如在挖孔樁中證實,將大塊石(漂石誤判為基巖的情況是經(jīng)常發(fā)生的,巖土工程勘察資料真實性差,不能完全可靠地指導(dǎo)施工,造成單樁承載力達不到設(shè)計要求。鉆孔灌注樁成孔鉆進的信息化施工框圖見圖2。鉆

13、進至快進入持力層時,采集與持力層性狀有關(guān)的所有信息,預(yù)測持力層頂面埋深,并與設(shè)計值進行比較,達到持力層深度即可停鉆。否則,需重新預(yù)測、比較。初始的設(shè)計值僅作為停鉆的參考依據(jù),并不能作為停鉆的標準。在端承樁或摩擦端承樁中,能否達到設(shè)計的持力層深度,直接影響到單樁承載力的大小。根據(jù)信息化施工法,可根據(jù)以下施工信息推斷持力層的深度:鉆屑;鉆速;泥漿性能;設(shè)備運轉(zhuǎn)情況;鄰近樁孔持力層;鉆頭的磨損情況;工程物探信息。深基坑支護信息化施工深基支護結(jié)構(gòu)的信息化施工是一種既安全可靠,又經(jīng)濟實惠的深基施工方法。組織信息化施工的手段是現(xiàn)場監(jiān)測。通過確定監(jiān)測方案、制定實施計劃、組織現(xiàn)場跟蹤測試,將測試結(jié)果及時通知設(shè)

14、計與施工,以便有效調(diào)整原始方案,使深基支護更經(jīng)濟合理?，F(xiàn)場監(jiān)測是深基支護結(jié)構(gòu)的信息化施工手段,它經(jīng)常在新型支護結(jié)構(gòu)中或經(jīng)驗代替理論計算的結(jié)構(gòu)體系中使用。支護結(jié)構(gòu)體系可進行現(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容有:支護體系的水平位移,支護體系的內(nèi)力,支護體系豎向桿件(墻或樁的側(cè)向位移,主動側(cè)壓力,周圍建筑物或構(gòu)筑物的沉降,基坑內(nèi)外降水等內(nèi)容。這些內(nèi)容不一定在同一工程中都測,測試內(nèi)容應(yīng)視工程特點和設(shè)計意圖與難點的需要決定,并制定出相應(yīng)監(jiān)測方案。監(jiān)測方案包括:測點位置、測試手段和方法、測試時間和信息反饋方式等,它是監(jiān)測成敗的關(guān)鍵。道路工程高速公路在線型、曲率、縱坡坡度等方面有嚴格要求,線路避讓受到較大限制,山區(qū)高等級公路路

15、基難免深挖高填,路塹邊坡點多、面廣、線長,且高大邊坡多巖質(zhì)邊坡,邊坡工程地質(zhì)條件復(fù)雜,其防護工程問題相當突出。對巖質(zhì)高大路塹邊坡地質(zhì)災(zāi)害的治理,必須以可靠的邊坡穩(wěn)定性評價為依據(jù),結(jié)合路塹邊坡工程的特殊要求,提出科學(xué)的坡形與防護工程設(shè)計,并將嚴格的施工控制貫穿于邊坡構(gòu)筑過程的始終。施工過程中,堅持信息控制的原則,通過揭示的新的邊坡工程地質(zhì)信息,優(yōu)化設(shè)計方案與施工工藝。博山-萊蕪高速公路穿山越嶺、跨越險關(guān),全線路塹開挖長度逾14km,高度超過20m的開挖邊坡達68段,最高邊坡開挖高度近80m,其路塹邊坡開挖等防護工程十分艱巨,因此,在路塹邊坡施工中采用了信息化控制,一方面對邊坡爆破開挖及防護工程的

16、監(jiān)控,使施工過程規(guī)范化,保證工程質(zhì)量,實現(xiàn)設(shè)計意圖;另一方面對路塹在鉆、爆、挖、護的每一步邊坡施工過程中,跟蹤揭示各種邊坡工程地質(zhì)條件的變化,據(jù)此驗證已有認識,優(yōu)化防護方案,指導(dǎo)后續(xù)施工。通過信息化施工及控制,博萊高速公路在路塹邊坡在安全、坡形與防護上都取得了較好的效果。在京珠高速公路的邊坡施工過程中,同樣采用了信息化施工,取得了經(jīng)濟和質(zhì)量上良好的效果。其施工要點是:(1邊坡施工方案必須根據(jù)“信息化”設(shè)計要求確定,做到開挖、加固和監(jiān)測有機結(jié)合。(2為了減小爆破對人工邊坡的破壞,邊坡開挖時采用松動+光面爆破或緩沖爆破進行。光面爆破的主要目的不在于保持坡面達到多光滑,而是減小爆破振動對坡面及巖體的

17、破壞,緩沖松動爆破在軟巖中使用,必須靠坡面預(yù)留2m以上的緩沖層,這樣才能有效的阻隔振動波,而緩沖層可用挖掘機鏟除。(3“適時”加固是“信息化”施工的重要原則之一,為了防止邊坡開挖暴露時間過長受雨水浸蝕,施工中要求及時加固邊坡,并提出低臺階(2.5m開挖,邊開挖邊加固的要求。橋梁工程近年來,由于經(jīng)濟發(fā)展和交通發(fā)展的需要,橋梁的跨度越來越大,其主體連續(xù)梁部分施工難度不斷增大,對施工提出了嚴峻的要求,并且橋梁工程的安全性問題一直是萬眾矚目的焦點,即時沒有直接損壞造成人員傷亡,但一旦安全性出現(xiàn)問題,這個工程就屬于失敗的工程,因此,在橋梁工程中實行信息化施工成為大勢所趨。寶成復(fù)線清江七號特大橋主橋53+

18、2×88+53m單線鐵路PC連續(xù)梁,其跨度在世界同類橋梁中處于領(lǐng)先地位,設(shè)計和施工均有一定難度。為確保工程質(zhì)量,使施工符合設(shè)計要求,施工單位特對連續(xù)梁實施信息化施工方案,以指導(dǎo)施工,調(diào)整和改進施工工藝,使成橋后結(jié)構(gòu)處于最佳狀態(tài)。為了做到信息化施工,對懸灌梁體實施了鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、梁體垂直變位(撓度的監(jiān)控測試。在施工過程中,按照信息化施工管理流程圖(見圖3的操作程序,通過對寶成復(fù)線清江7號橋PC連續(xù)梁實施信息化施工管理,有效地指導(dǎo)了施工,使梁體應(yīng)力、梁體撓度在每一施工工序中都處于可控狀態(tài),克服了施工中跨度大、施工難度大的困難。從全橋合龍、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換完成后梁體應(yīng)力、撓度的測試結(jié)果

19、來看,清江七號橋PC連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力充分、合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的,較為經(jīng)濟合理的。 圖3 信息化施工管理流程圖在潤揚大橋南錨碇凍結(jié)工程中,同樣采用了信息化施工,保證了基坑施工及支撐體系的安全,對凍結(jié)壁進行了全面監(jiān)測和適時分析(主要通過凍結(jié)壁溫度場監(jiān)測和凍結(jié)制冷施工各凍結(jié)管供冷量的檢測,實現(xiàn)對凍結(jié)壁的控制。模板工程在多高層建筑施工中,新澆混凝土樓板荷載通常由數(shù)層支撐和二次支撐以及與它們相連的支承樓板(通稱支承體系承擔。施工中因支撐設(shè)置不當而導(dǎo)致支承體系的嚴重超載可能引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的坍塌破壞,造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。除了現(xiàn)場管理外,造成這類事故的重要原因往往是在制定支架施工方案時,未能合理地考慮施工

20、荷載及其傳遞問題。當前的腳手架工程施工由于缺少成熟、系統(tǒng)的設(shè)計理論,施工規(guī)范過于籠統(tǒng),施工過程又存在許多不確定因素,并缺乏配套的施工檢測手段,因而基本處于一種定性的、經(jīng)驗式的施工水平,工作中一旦某個環(huán)節(jié)發(fā)生問題,則對結(jié)構(gòu)安全的危害往往難以挽回。在建設(shè)工程的結(jié)構(gòu)施工中,在模板的施工過程中,在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,運用信息化施工的手段,通過精密傳感器、電阻應(yīng)變片、百分表、紅外線水準儀等設(shè)備對超高模板腳手架和型鋼懸挑外腳手架的工作狀況進行現(xiàn)場跟蹤測試。通過測讀荷載及位移變化數(shù)據(jù),監(jiān)控施工安全、建立腳手架工作的預(yù)警系統(tǒng),驗證所采用的設(shè)計理論的有效性。這種信息化施工在合肥新聞中心工程的施工中取得了良好的成果

21、(詳見文獻14。結(jié)束語信息化施工是現(xiàn)代信息技術(shù)與施工技術(shù)和管理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,對實現(xiàn)工程建設(shè)項目的目標具有重要的作用,已經(jīng)而且必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。信息化施工的進一步發(fā)展和完善,一方面依靠開發(fā)更先進的測試元件、測試儀器,研究設(shè)計方法和預(yù)測分析方法,利用現(xiàn)代化信息技術(shù),開發(fā)更先進的信息系統(tǒng),另一方面要正確處理工程施工進度、質(zhì)量、成本和安全的關(guān)系。采用信息化施工技術(shù)從表面上看雖然使工程成本有所增加,但優(yōu)化了設(shè)計和施工,保證了施工質(zhì)量和安全,避免發(fā)生事故造成更大損失,從而保證工程項目目標的實現(xiàn)。張春瑜、王守清，施工信息化在工程建設(shè)中的應(yīng)用， 施工企業(yè)管理信息化建設(shè)增刊，第 44-47 頁，04 年 9 月 參考文獻 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 馬智亮、陳娟， “建筑施工信息化發(fā)展趨勢