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        附著式升降腳手架機位排布優(yōu)化方法及應用

        2022-03-06 12:48:52鄒德芳崔玉鵬曹珍珠
        建筑機械化 2022年2期
        關鍵詞:腳手架標準優(yōu)化

        鄒德芳,崔玉鵬,曹珍珠

        (1.沈陽建筑大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.河南中之正工程技術(shù)研究院,河南 鄭州 450000)

        附著式升降腳手架作為建筑施工過程中的一種輔助性施工工具,在高層建筑施工過程中扮演著重要的角色[1]。機位布置是附著式腳手架設計中重要的組成部分,當機位布置間距過大時,架體升降時安全性得不到保障;當機位布置間距過小時,降低了安裝效率;非標機位數(shù)量越多,生產(chǎn)成本越高。同時,為了滿足工程要求,標準機位優(yōu)先布置在剪力墻處,盡可能減少布置在梁上的標準機位。合理的機位排布方案能夠提升工程項目的經(jīng)濟效益。

        然而,目前大多數(shù)建筑工程附著式升降腳手架機位的規(guī)劃排布沒有科學的指導,機位的位置、間距主要依靠工程師、施工人員的經(jīng)驗確定,而不是經(jīng)過科學方法計算得到的最優(yōu)排布方案,可能導致機位數(shù)量過多和非標機位占比較大等問題,無形中增加了腳手架的投入成本和安裝時間,降低了工作效率。

        本文針對腳手架的機位排布優(yōu)化問題,提出一種以機位數(shù)量最少、非標機位占比最少,標準機位布置在梁上占比最少為目標的機位排布優(yōu)化算法,并通過實際工程項目,驗證算法的有效性和實用性。

        1 機位布置模型建立

        根據(jù)JGJ202-2010《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,機位跨度與架體高度乘積不大于110m2,直線間距不超過7m,轉(zhuǎn)角處間距不超過5.4m。

        機位往往都在平面施工圖中進行布置。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)確定走道板的排布區(qū)域,機位布置在建筑結(jié)構(gòu)與走道板中間位置,如圖1 所示。

        圖1 機位布置圖

        實際工程中,建筑物的結(jié)構(gòu)是復雜的,陽臺、飄窗、空調(diào)板的位置并不固定,其規(guī)律不具有一般性,對機位的布置具有較多的約束。為了提高設計人員工作效率,降低制造安裝成本,有必要將智能排布算法引入到設計活動中[2]。

        本文機位布置的原則是:機位布置最大跨度為4.5m,機位布置預埋孔距離墻角或梁角最少100mm,機位優(yōu)先布置在剪力墻處,陽臺、飄窗、空調(diào)板處梁上布置非標機位。

        設建筑輪廓周長為c,以建筑物某個轉(zhuǎn)角為坐標原點,建筑輪廓為軸線(逆時針為正方向),建立單維坐標系,原點坐標為0,某點的坐標為其距離坐標原點的路徑長度。將轉(zhuǎn)角處墻角的坐標及墻梁接觸點坐標按順序排列,坐標集合為{Ji},不可設置機位的區(qū)域集合為{(Ji-100,Ji-100)}。設共需要n個機位,第一個機位坐標取x1=100,機位坐標確定過程為

        1.1 模型參數(shù)

        n——機位總數(shù)量;

        nf——非標機位的數(shù)量;

        nb——標準機位的數(shù)量;

        nq——標準機位布置在墻上的數(shù)量;

        nl——標準機位布置在梁上的數(shù)量;

        xk——第k個機位坐標;

        xn——最后一個機位的坐標;

        R——機位排布禁區(qū);

        c——建筑外輪廓周長;

        P0——非標機位占機位總數(shù)量百分比;

        P1——梁上標準機位占標準機位總數(shù)量百分比。

        1.2 優(yōu)化目標

        在滿足機位間距的前提下,使得非標機位數(shù)量占比盡可能少,同時也應該使得所有的機位總數(shù)最少。則可建立目標函數(shù)為

        1.3 約束條件

        機位布置需滿足的約束為

        2 機位優(yōu)化排布方法設計

        建筑外輪廓可用線段表示,這有利于數(shù)據(jù)處理以及算法設計[3]。由于不同結(jié)構(gòu)在建筑外輪廓是連續(xù)的,用不同線型來區(qū)分不同結(jié)構(gòu),如圖2所示。其中空心線代表剪力墻,實心線代表梁,陽臺、空調(diào)板、飄窗用斜陰影線表示,為了便于觀察,用一根垂直于建筑結(jié)構(gòu)的直線代表機位預埋孔中心位置。每段墻與梁接觸處以及墻轉(zhuǎn)角處,左右各100mm 區(qū)域為機位預埋孔排布禁區(qū),如圖3所示,矩形框內(nèi)包含的直線區(qū)域就是排布禁區(qū)。

        圖2 不同結(jié)構(gòu)線段信息提取

        圖3 機位預埋孔排布禁區(qū)

        為了降低成本,機位距離盡可能接近最大限度。通過分析建筑輪廓信息,構(gòu)造排布禁止區(qū)間數(shù)列,首先確定機位預埋空起始點,根據(jù)機位距離最大步進確定第二點,判斷該點是否在排布禁止區(qū)域。若不在,判斷該點在墻上還是梁上,若在墻上,則該點為下一個機位預埋空位置,若在梁上,當梁長度大于4 300mm 時,該點仍為下一個機位預埋孔位置,若梁長度小于4 300mm,則下一機位預埋孔位置為該點左側(cè),排布禁區(qū)左端點,如圖4 所示;若該點在排布禁止區(qū)域,則下一預埋空點向回偏移到可排布區(qū)域,即排布禁區(qū)左側(cè)點,如圖5 所示。機位排布流程如圖6 所示。

        圖4 機位從梁平移至墻

        圖5 機位從排布禁區(qū)向前平移

        圖6 機位排布流程圖

        3 工程案例

        以平頂山恒大珺睿府16#樓項目工程實例進行計算驗證,架體覆蓋層數(shù)為3~33 層,標準層高2.95m,單層建筑面積為1 060.91m2,建筑外周長261.24m,使用的腳手架高13.5m。走道板距離建筑外輪廓的距離H為0.466m,機位最初人工布置如圖7 所示,機位使用總數(shù)量為67 個,其中標準機位56 個,非標準機位11 個。

        圖7 機位人工布置圖

        運用機位排布優(yōu)化算法對機位進行排布,得到優(yōu)化后的機位布置圖如圖8 所示。通過優(yōu)化排布后,機位總數(shù)量位54 個,其中標準機位47 個,非標機位7 個。

        圖8 機位優(yōu)化排布圖

        人工排布與優(yōu)化排布相比較,機位數(shù)量變化如表1 所示。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后非標機位占比降低了4.6%,布置在梁上的機位比例從40.3%降低到了25.9%。機位數(shù)量減少使得導軌、導向支座、下吊點等相應零部件數(shù)量也減少。因此經(jīng)過優(yōu)化,從生產(chǎn)、運輸、安裝、材料使用等各方面均取得了明顯的經(jīng)濟效益。

        表1 優(yōu)化前后機位數(shù)量對比表

        4 結(jié)論

        本文提出了一種針對全鋼附著式腳手架機位排布優(yōu)化方法,實現(xiàn)了基于機位最適間距、非標機位占比最少,墻梁排布機位優(yōu)先序等條件的優(yōu)化機位排布。通過實際工程案例,對方法的實用性和先進性進行了驗證。對比發(fā)現(xiàn),該優(yōu)化排布方法能夠適應工程需要,機位數(shù)量得到優(yōu)化,非標機位數(shù)量大大降低,標準機位布置在梁上的占比減少,機位數(shù)量減少使得其它零部件使用數(shù)量減少。優(yōu)化排布方法對提高設計效率、降低制造成本、減輕勞動強度有重要意義。

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