倪小磊，刁 璇，盛 娟

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

1 引言

近年來，隨著我國社會的高速發(fā)展，全國大部分城市都在建造大型的建筑工程。裝配式建筑因其能夠大幅度縮短工期、降低成本、減少建筑垃圾的優(yōu)點(diǎn)受到人們的歡迎。然而裝配式建筑的施工現(xiàn)場環(huán)境極為復(fù)雜，如何對施工現(xiàn)場的空間資源進(jìn)行高效地分配成為人們探討的熱門問題[1]。由于使用的大型吊裝設(shè)備較多，因此在有限的作業(yè)空間里合理調(diào)配作業(yè)現(xiàn)場的資源就變得尤為重要。預(yù)先對施工現(xiàn)場的大型吊裝設(shè)備進(jìn)行多維的沖突識別成為建筑施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

李振豪[3]等人提出基于坐標(biāo)投影的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先利用Split法提取建筑的等高線特征點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建局部坐標(biāo)系；再利用矢量坐標(biāo)投影對建筑的整體進(jìn)行分析，從而完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能對吊裝多維作業(yè)空間中的沖突量化指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，因此導(dǎo)致該方法在對吊裝作業(yè)空間進(jìn)行多目標(biāo)沖突識別時(shí)的識別效果差。韓曉軍[4]等人提出基于模型分割的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先依據(jù)模型的分割算法，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)記；再依據(jù)橢圓包圍盒算法對擬合建筑的分割區(qū)域進(jìn)行計(jì)算；最后通過計(jì)算結(jié)果完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能設(shè)定吊裝多維作業(yè)空間中的沖突體積，在噪聲介入的環(huán)境下，無法精確地識別吊裝多維作業(yè)空間的沖突，導(dǎo)致該方法的抗干擾能力差。盧江[5]等人提出基于觀察坐標(biāo)的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先基于觀察坐標(biāo)法明確各大型裝備之間的位置；再建立對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，通過對關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能設(shè)定作業(yè)空間中的沖突比例與沖突時(shí)間，該方法所識別出的沖突不全面，施工作業(yè)空間的覆蓋性能低。

為解決上述裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別時(shí)存在的問題，提出裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別方法。

2 吊裝多維空間

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對裝配式建筑多維作業(yè)空間中的沖突類型進(jìn)行識別，并設(shè)定沖突量化指標(biāo)對不同沖突類型的嚴(yán)重性評價(jià)。

2.1 沖突類型

將裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間中大型吊裝設(shè)備所需要的作業(yè)空間進(jìn)行整合，并依據(jù)施工現(xiàn)場所有工作資源，對作業(yè)空間進(jìn)行劃分?？臻g可劃分為效率、實(shí)體、安全三種，劃分的具體關(guān)系，如圖1所示[6]。

依據(jù)圖1可知，吊裝多維作業(yè)空間中安全與實(shí)體空間組合在一起為作業(yè)現(xiàn)場的操作空間。實(shí)體空間是由機(jī)械尺寸大小所決定的；安全空間則要確定現(xiàn)場所有建筑資源的安全，是其中最小的空間；機(jī)械和施工人員高效運(yùn)作的空間為效率空間?？臻g中可能出現(xiàn)的各類沖突類型如下：

1)實(shí)體沖突

實(shí)體沖突為兩個或多個實(shí)體空間之間發(fā)生的疊加現(xiàn)象。實(shí)體沖突的出現(xiàn)，表示施工現(xiàn)場出現(xiàn)了安全事故(或機(jī)械故障受損或人員傷亡)，最終會導(dǎo)致裝配式建筑施工現(xiàn)場無法繼續(xù)作業(yè)[7]。

圖1 施工現(xiàn)場具體空間劃分圖

2)實(shí)體與操作沖突

實(shí)體與操作沖突是機(jī)械空間與實(shí)體空間互相疊加造成的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，安全空間會因?yàn)閷?shí)體空間的增大而減小，因此極易引發(fā)安全事故，從而導(dǎo)致施工效率受到影響。

3)操作沖突

操作沖突為兩個或多個操作空間發(fā)生的疊加現(xiàn)象。該現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會影響整個裝配式建筑的吊裝進(jìn)程，極個別情況下還會出現(xiàn)事故，帶來資源的浪費(fèi)。

2.1 沖突量化指標(biāo)

沖突發(fā)生后，事故大小與疊加空間的疊加時(shí)間、疊加體積相關(guān)。假設(shè)裝配式建筑的整體工程吊裝時(shí)長為(ts，tf)，i，j分別為吊裝設(shè)備。s和f分別為工期的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，A為吊裝所用的空間，相關(guān)量化指標(biāo)如表1所示[8]。

表1 作業(yè)空間多目標(biāo)沖突量化指標(biāo)

2.3 吊裝多維作業(yè)空間的沖突嚴(yán)重性評價(jià)

對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間進(jìn)行沖突結(jié)果的嚴(yán)重性評價(jià)時(shí)，要對疊加空間的大小、類型進(jìn)行評價(jià)。再在評價(jià)結(jié)果中加入調(diào)節(jié)因子，修正沖突結(jié)果，從而保證其評價(jià)的準(zhǔn)確性。

對于在吊裝多維作業(yè)空間中存在的沖突，評價(jià)指標(biāo)Iij由下式進(jìn)行獲取

Iij=h(kiSuiSti+kjSujStj)

(1)

式中，h為加入的調(diào)節(jié)因子，吊裝設(shè)備i，j的權(quán)重分別為ki，kj。

由于裝配式建筑施工過程的沖突重要性與危機(jī)程度與調(diào)節(jié)因子的權(quán)重相關(guān)，因此要將權(quán)重調(diào)節(jié)因子的取值區(qū)域控制在[0.5，1]中，并將其作為吊裝作業(yè)的最大權(quán)值。通常情況下，若疊加區(qū)域?yàn)榘l(fā)生沖突，可知Ac=Sui=Suj=0，Iij=0。若疊加區(qū)域發(fā)生沖突，沖突中調(diào)節(jié)因子又持續(xù)增大的情況下，就可以通過計(jì)算獲取沖突的嚴(yán)重性指標(biāo)。

3 沖突識別

將沖突量化指標(biāo)與BIM技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的多維可視化施工模型。通過模型實(shí)現(xiàn)裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間的多目標(biāo)沖突識別。

3.1 模型構(gòu)建

將上述設(shè)定的沖突量化指標(biāo)與BIM技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的四維可視化施工模型。裝配式建筑結(jié)構(gòu)四維可視化施工模擬的實(shí)現(xiàn)，需要將施工現(xiàn)場的施工計(jì)劃、施工進(jìn)度與構(gòu)建的模型相連接[9]。因此，要以裝配式建筑施工進(jìn)度中的時(shí)間信息為基礎(chǔ)，制定模型中預(yù)制構(gòu)件裝配時(shí)間表，以此調(diào)整施工過程中的施工順序。在三維模型的施工環(huán)境中進(jìn)行四維的建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)演示。

在裝配式建筑四維可視化的施工模擬過程中，施工現(xiàn)場實(shí)體空間的數(shù)據(jù)中隱藏著時(shí)間特性，因此需要利用BIM技術(shù)對裝配式建筑中的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集過程中需要對預(yù)制構(gòu)件的類型、材質(zhì)、做工、厚度等數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行分類。

依據(jù)分類結(jié)果，確定構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的思維可視化施工模型所需要的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合設(shè)定的沖突量化指標(biāo)對模型進(jìn)行構(gòu)建，構(gòu)建過程如下式所示

S(t)=p(x，y，z，t)*n

(2)

式中，S為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)體外觀數(shù)據(jù)，t為施工過程中的時(shí)間變量，P(x，y，z)為模型中第i個數(shù)據(jù)特征的三維坐標(biāo)點(diǎn)，坐標(biāo)值為x，y，z，n為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的外觀特征點(diǎn)數(shù)量。

依據(jù)所構(gòu)建模型，結(jié)合施工需求，將模型進(jìn)行拆分，并按照內(nèi)容將數(shù)據(jù)劃分到相應(yīng)的子模型中。

3.3 沖突識別的實(shí)現(xiàn)

利用構(gòu)建的模型完成裝配式建筑吊裝多維工作空間的多目標(biāo)沖突的識別[10]。在對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別前，需要分析建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)體數(shù)據(jù)特征。首先設(shè)定裝配式建筑施工過程中施工場地不會因個別因素發(fā)生變形，將構(gòu)建的模型變換為一個可以根據(jù)時(shí)間變換的齊次坐標(biāo)變換矩陣，過程如下式所示：

(3)

式中，模型中的施工進(jìn)程數(shù)據(jù)信息階越函數(shù)用A表示，且該矩陣不具備連續(xù)性。

依據(jù)模型的變換矩陣對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間的多目標(biāo)沖突進(jìn)行識別。將裝配式建筑結(jié)構(gòu)實(shí)體空間分為上、中、下三個部分，并將其中的大型吊裝設(shè)備分為b和d兩個部分，通過對二者進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)對吊裝多維作業(yè)空間的多目標(biāo)沖突識別，過程如下式所示

(4)

式中，p表示實(shí)體空間中判斷時(shí)間的安全閾值，S(tb)，S(td)分別為實(shí)體空間中不同設(shè)備的體積大小，pbi，pdi分別為不同吊裝設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，而min[Sa(t0)-Sa(d0)]則是兩個設(shè)備之間的最小距離。通過t0的大小確定空間中是否存在沖突，以此完成吊裝多維作業(yè)空間內(nèi)中層及上層的沖突識別。

由于吊裝多維作業(yè)空間中的下層空間數(shù)據(jù)信息較為復(fù)雜，因此要對裝配式建筑的吊裝多維空間進(jìn)行中點(diǎn)面距離的設(shè)定，對空間底部可能存在的沖突進(jìn)行識別[11]。在吊裝空間中設(shè)定一個任意的三維坐標(biāo)點(diǎn)q和一個三角形組成的平面w，并將其二者之間的距離設(shè)為|q，w|，結(jié)合平面的法向量對|q，w|存在的幾種情況進(jìn)行說明。二者之間的點(diǎn)面距離示意圖如圖3所示。

圖2 為三維坐標(biāo)點(diǎn)與平面的點(diǎn)面距離示意圖

第一種情況當(dāng)|q，w|=0時(shí)，吊裝作業(yè)空間的三維坐標(biāo)點(diǎn)與三角形在同一平面內(nèi)；第二種情況當(dāng)|q，w|<0，坐標(biāo)點(diǎn)與法向量不處于同一位置，坐標(biāo)點(diǎn)與平面的距離要根據(jù)絕對值來決定；第三種情況當(dāng)|q，w|>0時(shí)，空間的三維坐標(biāo)點(diǎn)與法向量處于同一位置，二者之間的距離同樣取決于絕對值的大小。依據(jù)上述三種情況對作業(yè)空間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類，完成裝配式建筑吊裝多維空間的底層沖突識別[12]。

依照上述原理完成對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證上述方法的整體有效性，需要對此方法進(jìn)行測試。

分別采用所提的裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別方法(方法1)、文獻(xiàn)[4]提出的基于模型分割的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法(方法2)、文獻(xiàn)[5]提出的基于觀察坐標(biāo)的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法(方法3)進(jìn)行測試：

4.1 不同方法的沖突識別效果對比

在方法1、方法2以及方法3中加入安全、成本、時(shí)間以及資源4個約束條件對吊裝作業(yè)空間的沖突進(jìn)行識別，識別結(jié)果如表2所示。

表2 三種方法在約束條件下的沖突識別檢測結(jié)果

依據(jù)表2可知，在約束條件下方法1的識別效果要優(yōu)于方法2以及方法3，并且能夠發(fā)現(xiàn)在吊裝作業(yè)空間中塔吊機(jī)械與人員之間的沖突最為頻繁。這主要是因?yàn)榉椒?在對吊裝空間進(jìn)行沖突識別前，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)定了吊裝多維作業(yè)空間中的沖突量化指標(biāo)，因此該方法在識別作業(yè)空間的沖突時(shí)能夠增加沖突的識別個數(shù)，提高識別的效果。

4.2 不同方法的抗干擾能力對比

在方法1、方法2以及方法3中加入一組噪聲，測試不同的識別方法在有噪聲干擾的情況下的抗干擾能力，測試結(jié)果如表3所示。

依據(jù)表3可知，在噪聲介入的情況下方法1的抗干擾能力要優(yōu)于方法2以及方法3，并且能夠?qū)⒄`報(bào)個數(shù)與漏報(bào)個數(shù)控制在5個以內(nèi)，這主要是因?yàn)榉椒?對吊裝多維空間的沖突體積進(jìn)行了設(shè)定，因此該方法在噪聲介入的情況下依然能夠精準(zhǔn)的識別出多維作業(yè)空間的多目標(biāo)沖突。因此該方法的抗干擾能力好。

4.3 不同方法的覆蓋性能對比

利用操作系統(tǒng)構(gòu)建一個沖突類型復(fù)雜且沖突較多的裝配式建筑空間，對不同方法在裝配式建筑空間的覆蓋性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同方法的覆蓋性能測試結(jié)果

依據(jù)表3可知，方法1施工現(xiàn)場的覆蓋性能高于方法2和方法3，并且能將施工現(xiàn)場的平均覆蓋率維持在99.05%。這主要是因?yàn)榉椒?對吊裝多維作業(yè)空間的沖突比例、沖突時(shí)間進(jìn)行了設(shè)定，因此該方法所識別出的吊裝作業(yè)空間的沖突較為全面，施工作業(yè)空間的覆蓋性能好。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法在空間識別時(shí)存在的問題，提出裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別方法。該方法首先利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)識別作業(yè)空間的沖突類型，并設(shè)定沖突量化指標(biāo)對沖突類型進(jìn)行評價(jià)；再基于BIM技術(shù)構(gòu)建思維可視化施工模型；最后通過對模型矩陣的計(jì)算，完成裝配式建筑多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突的識別。從而完成裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標(biāo)沖突識別。由于該方法在構(gòu)建模型時(shí)還存在一定缺陷，因此今后會針對這一問題繼續(xù)對該識別方法進(jìn)行優(yōu)化。