施工信息化在工程建设中的应用

1、施工信息化在工程建设中的应用清华大学建设管理系张春瑜 王守清【摘要】本文介绍信息化施工的基本概念、优点和发展,并结合工程实例,综述信息化施工在各种工程建设中的应用。【关键词】信息技术施工工程建设引言目前,建筑业已经成为我国的一个重要的支柱产业。自改革开放以来,随着我国经济的不断发展,经济实力和科学技术的提高,尤其是房地产业兴起和基础设施建设规模增大等诸方面因素的影响,各种超大规模(如三峡水坝、超高层(如经贸大楼、高难度(如奥运主体育馆建设项目不断出现,项目有关各方对工程质量和安全的要求也日益提高,对工程设计和施工提出了越来越高的要求:项目的完成必须建立在高质量和安全可靠的基础上,必须严格控制工

2、程进度和成本。在工程建设中,工程施工比工程设计更为复杂。工程施工的复杂性和不确定性直接影响着工程项目的完成,而且在设计过程中,由于受各种因素影响,如设计方法不完善、设计参数不符合实际情况等,造成设计的可施工性往往不那么好,因此要实现设计的可施工性和在施工中完全实现设计意图,就必须根据施工现场情况,收集现场施工信息,动态调整设计,解决设计与施工之间的矛盾,使工程项目在保证质量和安全的前提下在预算内如期完成。要做到这一点,施工信息化非常重要。实际上,信息化施工由于其优点,在建筑业中得到了越来越多的应用。这与我国国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中特别强调发展高新技术产业、各部门各行业要以信息化改

3、造传统产业的要求是一致的。施工信息化的概念和优点施工信息化(或信息化施工就是以建筑业信息化为总体目标,在施工过程涉及的各部门、各阶段中广泛地应用信息技术,开发信息资源,促进施工技术和管理水平不断提高、施工生产效益显著增加的过程,涉及建筑业管理、建筑设计和工程施工等一系列活动。施工信息化技术是利用信息系统的处理功能,以工程项目为中心,将政府行政管理、工程设计、工程施工过程(经营管理和技术管理所发生的主要信息有序、及时、成批的存储;以部门间信息交流为中心,以业务工作标准为切入点,采用工作流程和数据后处理技术,解决工程项目从数据采集、信息处理与共享到决策目标生成等环节的信息化,及时准确地以量化指标,

4、为政府主管行政部门、业主、设计单位、承包商、材料设备供应商等单位的决策管理提供依据。由于信息技术渗透性强、发展快以及施工生产自身的复杂性,施工信息化概念的内涵极为丰富,并处于不断的发展变化之中。建筑施工企业除了要解决各种施工技术问题,还必须关注施工进度、质量、安全、资金应用、环保、财务及成本等状况,中央和地方政府的各种法律和规章制度,材料设备供应情况和设计变更等。以上问题远不是单项软件所能解决的,这就必须采用系统的信息技术,通过应用现代信息技术把上述内容有机地联系起来,供企业的决策管理层利用。只有这样才能使企业的领导及时准确地掌握各类资源信息,进行快速正确的决策,使施工项目有计划、协调均衡地进

5、行,实现人力、物力和资金等各方面的最优组合,保证工程质量、施工速度、经济和社会效益。施工信息化的发展观测施工信息化施工出现以前,对工程的监测、管理可称为观测施工。观测施工是在施工过程中凭借工程技术人员的经验判断施工过程的安全性,或安放测试元件进行测试,根据施工过程中的测试结果进行分析。对施工过程中可能出现的重大质量、安全问题主要靠工程技术人员的经验判断,必要时采取应急措施。观测的主要目的是验证原有设计,为今后的工程设计积累经验和资料。靠事后分析的观测施工不能直接指导当前工程项目的施工,其原因主要是由于过去测量、分析手段落后,如土中的应力和位移难以测量,现场数据不能实时获得,以及靠人工计算分析花

6、费时间较长等。信息化施工信息化施工就是在施工过程中,通过设置各种测量元件和仪器,实时收集现场实际数据并加以分析,根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整,并反馈到下一施工过程,对下一阶段的施工过程进行分析和预测,从而保证工程施工安全、经济地进行,其过程参见图1。 施工信息化技术是在现场测量技术、计算机技术和管理技术上发展起来的,要进行信息化施工,应当具备一些条件:1有满足检测需要的测量元件及仪器;2可实时检测;3有相应的分析预测模型和方法;4应用计算机。及时掌握可靠的信息是信息化施工中分析和预测的基础,科学技术的提高和计算机的广泛应用可以对工程施工过程进行实时监测,并能够迅速处理有关数据,

7、及时指导正在施工工程的监测管理。施工信息化的应用地下工程由于地下工程的受力特点及复杂性,其测试与监测技术一直受到工程界的高度重视。从场地水文地质和工程物理力学特性试验,到开挖与支护过程中的同步监测,以及地下构筑物建成投入使用,测试和监测技术不仅对计算理论,而且对整个工程施工技术水平的提高将产生深刻的影响。50年代国际上就开始通过对地下工程的量测来监视围岩和支护的稳定性,并应用现场监测结果来修正设计和指导施工。近年来,现场量测又与工程地质、力学分析紧密结合,正在逐渐形成一整套监控设计(或称信息设计的原理与方法,较好地反映与适应地下工程的规律和特点。城市地下隧道工程信息化施工城市地下隧道工程开挖引

8、起的上覆岩(土层的变形有可能直接影响沿线地表设施和邻近建(构筑物的安全正常使用,因此信息化施工显得更为重要。在隧道施工过程中,信息化施工监测技术能有效控制地表及建筑物的下沉、倾斜或开裂,确保隧道施工安全顺利进行,为地下工程开挖提供实测参考资料,特别是为埋深较浅的小断面地下工程支护参数的选择提供依据。山岭隧道工程信息化施工我国现阶段山岭隧道主要采用的是重视现场量测技术的“新奥法”施工,将计算机技术和施工方法结合起来的信息化设计与施工方法最近也应运而生。山岭隧道信息化设计和施工,即在隧道施工中通过工程地质勘察、监测与评价不断取得的工程地质与水文地质以及围岩受力、变形等测试资料的各类信息,将其反馈于

9、设计之中,修改原设计参数,改进施工,并持续不断地进行反馈和改进。实质上这是通过利用施工前和施工过程中的大量信息来指导设计和施工,以期获得最优地下结构的一种方法。基础工程基础工程施工中会常遇到一些工程勘察中未发现的地质问题,但却是设计所需要的重要信息。及时分析研究这些信息,采取针对性措施,就可完善和修改设计,减少构筑物的不均匀沉降,消除工程隐患。预制桩沉桩过程中不同速度和声响或突然走歪;灌注桩冲击成孔时的速度,钻出或反循环抽出的岩屑;振动沉桩时桩管的入土速度和声响;以及重夯、强夯施工时的声响和夯沉量等等,都是施工机具作用下地质性状的反映。抓住这些信息进行研究往往可以找到保证施工质量的有力措施,如

10、在柴油桩锤打预制桩施工中不但应达到设计沉桩深度,更应控制其最后十击贯入度,这是保证预制桩单桩承载力的重要数据。强夯法信息化施工由于强夯法的设计理论尚不成熟,夯击时地基土的动力性质又不十分明确,以及地基性状变化多端等原因,在采用强夯法时必须进行现场试夯,并进行科学的施工管理;另外,由于按照目前勘察布孔要求对建筑场地进行勘察时,只能大致了解场地的不均匀程度,整个场地的最弱部位不一定能查明,而设计人员在进行强夯设计时往往根据勘察资料提供的参数进行设计,这样虽经强夯处理,有时仍不能满足设计要求,有时又因施加过多的夯击而造成浪费。为了克服上述缺点,日本在80年代推出了信息化强夯施工方法。这种方法的具体做

11、法是:当按相同夯击数夯完第一遍全部夯点后,对整个场地进行标贯等一系列测试,将实测结果利用电子计算机进行信息处理,对地基处理效果做出定量评价,然后反馈回来修改原设计,提出第二遍夯击时各部位的夯击次数,并按此设计进行第二遍的强夯施工。如此循环进行,直至达到预定目标。钻孔灌注桩工程信息化施工与一般的天然地基岩土工程勘察不同,钻孔灌注桩岩土工程勘察一般是在设计选定该种桩基方案后进行的,属于与施工图设计阶段相适应的详细勘察阶段。 勘探点的布置应控制持力层层面坡度、厚度及岩土性状,其间距宜为1030m,相邻勘探点的持力层层面高差不应超过12m。当层面高差或岩土性质变化较大时,应适当加密;当岩土条件复杂时,

12、每个大口径的桩宜布置1个勘探点。但是,在目前的市场经济条件下,除极少数大型工程外,对一些单体建筑,建设单位大多要求只作一次性岩土工程勘察,并没有进行专门的桩基岩土工程勘察。在一些基岩顶面埋深度比较大的场地,基岩顶面埋深竟在1040m之间,在桩距极小的情况下,相邻两桩的嵌岩深度也不处于相同的标高,在确定桩的持力层深度时造成很大的盲目性。另外,由于工程地质钻探口径的限制,仅凭岩芯描述的岩性有时与实际会有很大的出入,如在挖孔桩中证实,将大块石(漂石误判为基岩的情况是经常发生的,岩土工程勘察资料真实性差,不能完全可靠地指导施工,造成单桩承载力达不到设计要求。钻孔灌注桩成孔钻进的信息化施工框图见图2。钻

13、进至快进入持力层时,采集与持力层性状有关的所有信息,预测持力层顶面埋深,并与设计值进行比较,达到持力层深度即可停钻。否则,需重新预测、比较。初始的设计值仅作为停钻的参考依据,并不能作为停钻的标准。在端承桩或摩擦端承桩中,能否达到设计的持力层深度,直接影响到单桩承载力的大小。根据信息化施工法,可根据以下施工信息推断持力层的深度:钻屑;钻速;泥浆性能;设备运转情况;邻近桩孔持力层;钻头的磨损情况;工程物探信息。深基坑支护信息化施工深基支护结构的信息化施工是一种既安全可靠,又经济实惠的深基施工方法。组织信息化施工的手段是现场监测。通过确定监测方案、制定实施计划、组织现场跟踪测试,将测试结果及时通知设

14、计与施工,以便有效调整原始方案,使深基支护更经济合理。现场监测是深基支护结构的信息化施工手段,它经常在新型支护结构中或经验代替理论计算的结构体系中使用。支护结构体系可进行现场监测的内容有:支护体系的水平位移,支护体系的内力,支护体系竖向杆件(墙或桩的侧向位移,主动侧压力,周围建筑物或构筑物的沉降,基坑内外降水等内容。这些内容不一定在同一工程中都测,测试内容应视工程特点和设计意图与难点的需要决定,并制定出相应监测方案。监测方案包括:测点位置、测试手段和方法、测试时间和信息反馈方式等,它是监测成败的关键。道路工程高速公路在线型、曲率、纵坡坡度等方面有严格要求,线路避让受到较大限制,山区高等级公路路

15、基难免深挖高填,路堑边坡点多、面广、线长,且高大边坡多岩质边坡,边坡工程地质条件复杂,其防护工程问题相当突出。对岩质高大路堑边坡地质灾害的治理,必须以可靠的边坡稳定性评价为依据,结合路堑边坡工程的特殊要求,提出科学的坡形与防护工程设计,并将严格的施工控制贯穿于边坡构筑过程的始终。施工过程中,坚持信息控制的原则,通过揭示的新的边坡工程地质信息,优化设计方案与施工工艺。博山-莱芜高速公路穿山越岭、跨越险关,全线路堑开挖长度逾14km,高度超过20m的开挖边坡达68段,最高边坡开挖高度近80m,其路堑边坡开挖等防护工程十分艰巨,因此,在路堑边坡施工中采用了信息化控制,一方面对边坡爆破开挖及防护工程的

16、监控,使施工过程规范化,保证工程质量,实现设计意图;另一方面对路堑在钻、爆、挖、护的每一步边坡施工过程中,跟踪揭示各种边坡工程地质条件的变化,据此验证已有认识,优化防护方案,指导后续施工。通过信息化施工及控制,博莱高速公路在路堑边坡在安全、坡形与防护上都取得了较好的效果。在京珠高速公路的边坡施工过程中,同样采用了信息化施工,取得了经济和质量上良好的效果。其施工要点是:(1边坡施工方案必须根据“信息化”设计要求确定,做到开挖、加固和监测有机结合。(2为了减小爆破对人工边坡的破坏,边坡开挖时采用松动+光面爆破或缓冲爆破进行。光面爆破的主要目的不在于保持坡面达到多光滑,而是减小爆破振动对坡面及岩体的

17、破坏,缓冲松动爆破在软岩中使用,必须靠坡面预留2m以上的缓冲层,这样才能有效的阻隔振动波,而缓冲层可用挖掘机铲除。(3“适时”加固是“信息化”施工的重要原则之一,为了防止边坡开挖暴露时间过长受雨水浸蚀,施工中要求及时加固边坡,并提出低台阶(2.5m开挖,边开挖边加固的要求。桥梁工程近年来,由于经济发展和交通发展的需要,桥梁的跨度越来越大,其主体连续梁部分施工难度不断增大,对施工提出了严峻的要求,并且桥梁工程的安全性问题一直是万众瞩目的焦点,即时没有直接损坏造成人员伤亡,但一旦安全性出现问题,这个工程就属于失败的工程,因此,在桥梁工程中实行信息化施工成为大势所趋。宝成复线清江七号特大桥主桥53+

18、2×88+53m单线铁路PC连续梁,其跨度在世界同类桥梁中处于领先地位,设计和施工均有一定难度。为确保工程质量,使施工符合设计要求,施工单位特对连续梁实施信息化施工方案,以指导施工,调整和改进施工工艺,使成桥后结构处于最佳状态。为了做到信息化施工,对悬灌梁体实施了钢筋应力、混凝土应力、梁体垂直变位(挠度的监控测试。在施工过程中,按照信息化施工管理流程图(见图3的操作程序,通过对宝成复线清江7号桥PC连续梁实施信息化施工管理,有效地指导了施工,使梁体应力、梁体挠度在每一施工工序中都处于可控状态,克服了施工中跨度大、施工难度大的困难。从全桥合龙、结构体系转换完成后梁体应力、挠度的测试结果

19、来看,清江七号桥PC连续梁预应力充分、合理、结构设计是安全的,较为经济合理的。 图3 信息化施工管理流程图在润扬大桥南锚碇冻结工程中,同样采用了信息化施工,保证了基坑施工及支撑体系的安全,对冻结壁进行了全面监测和适时分析(主要通过冻结壁温度场监测和冻结制冷施工各冻结管供冷量的检测,实现对冻结壁的控制。模板工程在多高层建筑施工中,新浇混凝土楼板荷载通常由数层支撑和二次支撑以及与它们相连的支承楼板(通称支承体系承担。施工中因支撑设置不当而导致支承体系的严重超载可能引发整个结构的坍塌破坏,造成重大人员伤亡和财产损失。除了现场管理外,造成这类事故的重要原因往往是在制定支架施工方案时,未能合理地考虑施工

20、荷载及其传递问题。当前的脚手架工程施工由于缺少成熟、系统的设计理论,施工规范过于笼统,施工过程又存在许多不确定因素,并缺乏配套的施工检测手段,因而基本处于一种定性的、经验式的施工水平,工作中一旦某个环节发生问题,则对结构安全的危害往往难以挽回。在建设工程的结构施工中,在模板的施工过程中,在充分调研的基础上,运用信息化施工的手段,通过精密传感器、电阻应变片、百分表、红外线水准仪等设备对超高模板脚手架和型钢悬挑外脚手架的工作状况进行现场跟踪测试。通过测读荷载及位移变化数据,监控施工安全、建立脚手架工作的预警系统,验证所采用的设计理论的有效性。这种信息化施工在合肥新闻中心工程的施工中取得了良好的成果

21、(详见文献14。结束语信息化施工是现代信息技术与施工技术和管理技术相结合的产物,对实现工程建设项目的目标具有重要的作用,已经而且必将得到越来越广泛的应用。信息化施工的进一步发展和完善,一方面依靠开发更先进的测试元件、测试仪器,研究设计方法和预测分析方法,利用现代化信息技术,开发更先进的信息系统,另一方面要正确处理工程施工进度、质量、成本和安全的关系。采用信息化施工技术从表面上看虽然使工程成本有所增加,但优化了设计和施工,保证了施工质量和安全,避免发生事故造成更大损失,从而保证工程项目目标的实现。张春瑜、王守清，施工信息化在工程建设中的应用， 施工企业管理信息化建设增刊，第 44-47 页，04 年 9 月 参考文献 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 马智亮、陈娟， “建筑施工信息化发展趋势