王鑫 婁鍇倫 李鑫 曹佳偉

(1.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

裝配式建筑[1]作為一種新型的建造方式，以其“四節(jié)一環(huán)保”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與國(guó)家對(duì)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展理念不謀而合，也是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的必經(jīng)之路[2]。與傳統(tǒng)施工方式相比，該新型建造方式具有施工周期短、環(huán)境污染小、建造垃圾少等優(yōu)勢(shì)。因此，在當(dāng)前全球“低碳”的發(fā)展背景下，裝配式建筑正在逐漸成為我國(guó)建筑行業(yè)的未來發(fā)展方向[3]。

預(yù)制構(gòu)件是裝配式建筑最重要的組成部分，其在工廠進(jìn)行生產(chǎn)、加工，并由構(gòu)件廠配送至施工現(xiàn)場(chǎng)，隨后施工單位對(duì)構(gòu)件進(jìn)行裝配，最終形成完整的裝配式建筑[4]。裝配式預(yù)制構(gòu)件體積與重量均較大，因此，運(yùn)輸較為困難，現(xiàn)場(chǎng)堆放場(chǎng)地受限，且一旦預(yù)制構(gòu)件沒有按時(shí)到達(dá)施工場(chǎng)地，對(duì)施工進(jìn)度影響極大，將會(huì)導(dǎo)致窩工現(xiàn)象。因此，施工單位需要格外注重構(gòu)件需求方案的制訂，明確構(gòu)件需求情況，及時(shí)與構(gòu)件廠進(jìn)行溝通，避免因構(gòu)件未按時(shí)到達(dá)而導(dǎo)致工期延誤。

當(dāng)前，裝配式建筑[5]相關(guān)領(lǐng)域得到了許多學(xué)者的關(guān)注，并開展了大量研究。田寶峰等[6]從存儲(chǔ)空間受限的特定場(chǎng)景切入，研究一類資源約束型項(xiàng)目調(diào)度和材料采購(gòu)的集成優(yōu)化問題，旨在獲得擁有最小成本的活動(dòng)調(diào)度計(jì)劃和材料采購(gòu)方案。汪和平等[7]設(shè)計(jì)了一種雙層規(guī)劃調(diào)度模型，分別針對(duì)生產(chǎn)廠和各工地之間構(gòu)件配送的客戶分配問題及車輛調(diào)度問題進(jìn)行優(yōu)化，研究成果能有效實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件配送成本的優(yōu)化，具有一定的理論與實(shí)踐價(jià)值。尹靜等[8]構(gòu)建了以準(zhǔn)時(shí)交付和流程時(shí)間為目標(biāo)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)運(yùn)輸協(xié)同調(diào)度模型，并設(shè)計(jì)了改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行求解，致力于改善預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)調(diào)度和運(yùn)輸管理，提高兩者協(xié)同效率。謝琳琳等[9]研發(fā)了基于“BIM+數(shù)字孿生技術(shù)”的裝配式建筑調(diào)度智能化管理平臺(tái)，該平臺(tái)可有效應(yīng)對(duì)項(xiàng)目調(diào)度過程中不確定性因素的動(dòng)態(tài)干擾，提高裝配式建筑調(diào)度的自主性、預(yù)測(cè)性與智能性。

綜上所述，針對(duì)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的調(diào)度問題，當(dāng)前眾多研究人員從不同視角開展了相關(guān)研究并取得一些建設(shè)性成果。然而，在現(xiàn)有的研究中，關(guān)于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件調(diào)度的研究相對(duì)較少。因此，本研究以裝配式住宅建筑為研究對(duì)象，聚焦裝配式預(yù)制構(gòu)件的施工現(xiàn)場(chǎng)，研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面：①編制預(yù)制構(gòu)件需求方案，明確施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度需求；②以施工現(xiàn)場(chǎng)塔吊實(shí)際吊裝情況為基礎(chǔ)，將塔吊吊裝過程簡(jiǎn)化為旅行商問題，對(duì)塔吊經(jīng)過若干個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)的方式進(jìn)行規(guī)劃，構(gòu)建以塔吊運(yùn)行時(shí)間最短為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；③以具體某天的構(gòu)件需求情況為基礎(chǔ)，進(jìn)行塔吊調(diào)度方案的求解，最終給出裝配式住宅建筑施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度提升對(duì)策。

1 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件采購(gòu)管理

1.1 基于BIM的構(gòu)件工程量計(jì)算

本研究以西安市某裝配式建筑住宅群為例，首先統(tǒng)計(jì)單體樓預(yù)制構(gòu)件數(shù)量，按照需要裝配的樓層依次統(tǒng)計(jì)每種構(gòu)件類型，得到單棟樓的構(gòu)件明細(xì)表，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行匯總整合，通過對(duì)單體樓構(gòu)件量拓展，因同類型的樓層采取相同的構(gòu)件數(shù)量，最終得到群樓的預(yù)制構(gòu)件工程量。根據(jù)上述工程量統(tǒng)計(jì)思路，西安市某裝配式建筑住宅群(1#樓～13#樓)預(yù)制構(gòu)件明細(xì)見表1。

表1 西安市某裝配式建筑住宅群(1#樓～13#樓)預(yù)制構(gòu)件明細(xì)

1.2 施工進(jìn)度計(jì)劃控制

BIM 4D可以將三維信息模型文件與施工進(jìn)度信息文件相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的控制協(xié)調(diào)。BIM 4D模型包括兩大核心，一是三維模型，二是將進(jìn)度計(jì)劃與三維模型鏈接，從而進(jìn)行施工模擬，保證施工現(xiàn)場(chǎng)管理與進(jìn)度計(jì)劃的一致性。

在三維信息模型和進(jìn)度計(jì)劃完成的基礎(chǔ)上，運(yùn)用BIM 4D相關(guān)軟件，將模型中的建筑構(gòu)件與施工進(jìn)度計(jì)劃的任務(wù)匹配及關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)BIM 4D施工模型的創(chuàng)建。BIM 4D模型構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 BIM 4D模型構(gòu)建流程

1.3 群樓物資采購(gòu)計(jì)劃管理

在BIM 5D軟件中，將進(jìn)度與工作任務(wù)鏈接后，為每項(xiàng)工作設(shè)置所需的構(gòu)件種類與數(shù)量，軟件即可自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)時(shí)間的工作，并統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)時(shí)間所需要的構(gòu)件數(shù)量，為后續(xù)塔吊現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度打下基礎(chǔ)。西安市某裝配式建筑住宅群5棟單體住宅樓單日需求計(jì)劃見表2。

表2 西安市某裝配式建筑住宅樓群5棟單體住宅樓單日需求計(jì)劃

在明確每日構(gòu)件需求之后，施工方按照需求情況編制需求方案，提前1周提供給構(gòu)件生產(chǎn)廠家，廠家進(jìn)行排班生產(chǎn)，保證構(gòu)件能夠按時(shí)到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，不發(fā)生工期延誤現(xiàn)象。

2 預(yù)制構(gòu)件智能調(diào)度模型

2.1 構(gòu)件調(diào)度問題描述

“調(diào)度”是一個(gè)從明確構(gòu)件需求到實(shí)現(xiàn)成功吊裝的完整邏輯鏈，包括“調(diào)”和“度”兩個(gè)階段。“調(diào)”是指明確構(gòu)件需求，將需求情況提交給生產(chǎn)單位，并將構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)；“度”是指在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)件吊裝的過程。本文主要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)度情況進(jìn)行研究，包括明確構(gòu)件需求和現(xiàn)場(chǎng)塔吊實(shí)際吊裝，不考慮預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和施工場(chǎng)外運(yùn)輸?shù)倪^程。

當(dāng)存在多個(gè)物料存放處和需求處時(shí)，塔吊的調(diào)度問題可以簡(jiǎn)化為一個(gè)典型的“旅行商問題”。將需求處和存放處當(dāng)作旅行商(吊鉤)經(jīng)過的一個(gè)個(gè)城市，求解出旅行商完成所有運(yùn)輸任務(wù)的最短時(shí)間，以及該方案下的具體實(shí)施步驟。塔吊調(diào)度示意圖如圖2所示。

圖2 塔吊調(diào)度示意圖

2.2 模型假設(shè)與參數(shù)設(shè)置

2.2.1 模型假設(shè)

(1)主要考慮裝配式預(yù)制構(gòu)件的吊裝情況，不考慮混凝土、木楞、鋼筋等其他物料的吊裝。

(2)假設(shè)塔吊每次僅運(yùn)輸一種構(gòu)件，且該構(gòu)件每日的需求量可以一次完成，即對(duì)于同一部位的同一需求構(gòu)件不需要二次運(yùn)輸。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

(1)i：第i個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)，i∈{1，2，…，I}。

(2)j：第j個(gè)構(gòu)件需求位置，j∈{1，2，…，J}。

(3)m：第m種預(yù)制構(gòu)件，m∈{1，2，…，M}。

(4)s：第s次運(yùn)輸，s∈{1，2，…，S}。吊鉤從第i個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)到達(dá)第j個(gè)需求處，再?gòu)脑撔枨筇幍竭_(dá)下一個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)為一次完整的運(yùn)輸。

(5)P0：吊鉤的初始位置。

(6)P1：吊鉤到達(dá)的第一個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)的位置。

(7)Ti，j：從構(gòu)件堆場(chǎng)i到達(dá)構(gòu)件需求處j吊鉤所運(yùn)行的時(shí)間，Ti，j=Tj，i。

(8)Tloading：構(gòu)件一次裝載所需要的時(shí)間。

(9)Tunloading：構(gòu)件一次卸載所需要的時(shí)間。

2.2.3 決策變量

(1)am，s∈{0，1}，第s次運(yùn)輸?shù)氖欠袷菢?gòu)件m。

(2)bi，s∈{0，1}，第s次運(yùn)輸是否由第i個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)起始。

(3)ci，s∈{0，1}，第s次運(yùn)輸?shù)男枨筇幨欠袷莍。

(4)di，m∈{0，1}，第i個(gè)堆場(chǎng)是否堆有構(gòu)件m。

(5)ej，m∈{0，1}，第j個(gè)需求處是否需要構(gòu)件m。

(6)fs，i∈{0，1}，第s次運(yùn)輸是否返回第i個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)，準(zhǔn)備開始下一次運(yùn)輸。

2.3 調(diào)度目標(biāo)與智能化設(shè)計(jì)

2.3.1 吊鉤運(yùn)行時(shí)間計(jì)算

在構(gòu)建調(diào)度模型前，需要對(duì)塔吊運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算方式進(jìn)行明確。吊鉤在一次運(yùn)行中的軌跡可以分為三個(gè)部分：吊臂旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)吊鉤而進(jìn)行的切向運(yùn)動(dòng)；吊臂在吊鉤上前后移動(dòng)而進(jìn)行的徑向運(yùn)動(dòng)；吊鉤到達(dá)物料存儲(chǔ)處與需求處而進(jìn)行的豎向運(yùn)動(dòng)。

2.3.2 目標(biāo)函數(shù)

塔吊調(diào)度的總時(shí)間由三個(gè)部分組成，分別是：吊鉤從當(dāng)前位置移動(dòng)到第1個(gè)構(gòu)件堆場(chǎng)的時(shí)間、僅考慮吊鉤裝載并從堆場(chǎng)到達(dá)需求處的時(shí)間、僅考慮吊鉤卸載并從需求處到達(dá)下一個(gè)堆場(chǎng)的時(shí)間，在此基礎(chǔ)上分別構(gòu)建求解模型。

(1)吊鉤從當(dāng)前位置移動(dòng)到第1個(gè)堆場(chǎng)的時(shí)間。這一部分的時(shí)間T1依據(jù)輸入的初始吊鉤位置坐標(biāo)，待明確初始構(gòu)件堆場(chǎng)坐標(biāo)之后，根據(jù)式(1)計(jì)算即可，公式如下

(1)

(2)僅考慮吊鉤裝載并從堆場(chǎng)到達(dá)需求處的時(shí)間。對(duì)于第s次的運(yùn)輸，該部分的時(shí)間必須滿足5項(xiàng)約束條件：①第s次運(yùn)輸?shù)氖菢?gòu)件m，即am，s=1；②第s次的初始構(gòu)件堆場(chǎng)是i，即bi，s=1；③第i個(gè)堆場(chǎng)中有構(gòu)件m，即di，m=1；④第s次運(yùn)輸?shù)臉?gòu)件需求處是j，即cj，s=1；⑤第j個(gè)需求處需要構(gòu)件m，即ej，m=1。

因此，該部分的總時(shí)間T2公式如下

(2)

式中，T2表示吊鉤裝載后從堆場(chǎng)到達(dá)需求處的時(shí)間。

(3)僅考慮吊鉤卸載并從需求處到達(dá)下一個(gè)堆場(chǎng)的時(shí)間。對(duì)于第s次的運(yùn)輸，該部分的時(shí)間必須滿足三項(xiàng)約束條件：①第s次運(yùn)輸?shù)男枨筇帪閖，即ci，s=1；②第s次運(yùn)輸返回的堆場(chǎng)是i，即fs，i=1；③第i個(gè)堆場(chǎng)中有構(gòu)件m，即di，m=1。

因此，該部分的總時(shí)間T3公式如下

(3)

式中，T3表示吊鉤卸載后從需求處到達(dá)下一個(gè)堆場(chǎng)的時(shí)間。

(4)塔吊調(diào)度總時(shí)間的目標(biāo)函數(shù)。綜上所述，塔吊運(yùn)行總時(shí)間Ttotal公式如下

Ttotal=T1+T2+T3

(4)

2.3.3 約束條件

(1)對(duì)?s∈{1，2，…，S}，公式如下

(5)

(2)對(duì)?s∈{1，2，…，S-1}，i∈{1，2，…，I}，公式如下

fs，i=bi，s+1

(6)

3 基于遺傳算法的預(yù)制構(gòu)件調(diào)度路徑優(yōu)化研究

3.1 調(diào)度目標(biāo)與智能化設(shè)計(jì)

遺傳算法于1967年由美國(guó)教授Holland首次提出，是一種以達(dá)爾文進(jìn)化論為基礎(chǔ)，對(duì)自然界中優(yōu)勝劣汰、適者生存情況進(jìn)行仿真的智能算法[10]。其主要包含如下步驟：

(1)初始化種群。設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器，隨機(jī)生成若干個(gè)個(gè)體作為初始種群。

(2)個(gè)體評(píng)價(jià)。計(jì)算初始種群中個(gè)體的適應(yīng)度。

(3)選擇操作。將選擇算子作用于種群，按照一定的規(guī)則選擇優(yōu)良個(gè)體遺傳到下一代。

(4)交叉操作。將一定的交叉規(guī)則作用于成對(duì)的個(gè)體，交換染色體中的部分基因，生成新的個(gè)體。

(5)變異操作。使染色體中的部分基因按照一定的變異規(guī)則發(fā)生突變，替換為其他的等位基因。

(6)循環(huán)操作。計(jì)算經(jīng)過前面流程生成的新個(gè)體的適應(yīng)度，并繼續(xù)進(jìn)行遺傳過程，生成新個(gè)體。

(7)終止條件的判斷。當(dāng)算法操作滿足終止條件時(shí)終止計(jì)算，將整個(gè)進(jìn)化過程中得到的適應(yīng)度最大的個(gè)體記為最優(yōu)個(gè)體。

3.2 構(gòu)件調(diào)度方案設(shè)計(jì)

以4#樓為案例進(jìn)行研究，選取表2所示16個(gè)需求處中的6個(gè)作為研究對(duì)象，考慮塔吊對(duì)預(yù)制構(gòu)件的調(diào)度工作，塔吊坐標(biāo)為(33.1，28.9，15)，塔吊運(yùn)行垂直速度Vv=136m/min，徑向速度Vr=60m/min，回轉(zhuǎn)角速度Va=0.5 rad/min。物料臨時(shí)堆場(chǎng)坐標(biāo)信息見表3。

表3 物料臨時(shí)堆場(chǎng)坐標(biāo)信息

3.3 構(gòu)件調(diào)度路徑優(yōu)化求解

①染色體編碼。傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼形式只能用以表示工作之間是否進(jìn)行搭接，無法描述具體的搭接情況，因此本研究采用實(shí)數(shù)編碼方式進(jìn)行求解。

②生成初始種群。根據(jù)模型要求與約束條件，生成100個(gè)個(gè)體作為初始種群。

③交叉算子。交叉操作選擇匹配交叉，即選定兩個(gè)個(gè)體同一位置的基因進(jìn)行交換生成新個(gè)體。

④交叉與變異算子。進(jìn)行變異操作時(shí)隨機(jī)選擇基因上的若干點(diǎn)位，使點(diǎn)位上的基因發(fā)生突變，生成新個(gè)體。

4 預(yù)制構(gòu)件智能調(diào)度模型求解與優(yōu)化對(duì)策

4.1 塔吊模型方案求解

在模型建成后，對(duì)算法中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置種群個(gè)數(shù)為100，最大遺傳代數(shù)為100，交叉概率為0.8，變異概率為0.2，塔吊最優(yōu)調(diào)度方案見表4。

表4 塔吊最優(yōu)調(diào)度方案

塔吊適應(yīng)度進(jìn)化曲線如圖3所示。塔吊優(yōu)化結(jié)果為30.82min，由于本研究?jī)H選取了6個(gè)需求處，相比初始種群僅實(shí)現(xiàn)了約10min的優(yōu)化。若對(duì)全部需求處進(jìn)行方案優(yōu)化，則結(jié)果將更為理想。

圖3 塔吊適應(yīng)度進(jìn)化曲線

4.2 預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度優(yōu)化對(duì)策

(1)創(chuàng)新施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度優(yōu)化方式?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)度是以BIM模型為基礎(chǔ)，以預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)為支撐，以BIM進(jìn)度計(jì)劃編制為前提，以塔吊現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度為實(shí)際工作的完整的邏輯階段。EPC項(xiàng)目管理模式使得設(shè)計(jì)過程成為整個(gè)項(xiàng)目全生命周期的重要環(huán)節(jié)，這要求工程人員，尤其是參與裝配式項(xiàng)目的工作人員必須改變傳統(tǒng)的思維模式。

(2)提高塔吊工作人員工作效率。塔吊運(yùn)轉(zhuǎn)效率由塔吊的選型和布置情況、塔吊的調(diào)度方案、工作人員的工作效率三個(gè)方面的因素共同決定。因此，提升塔吊工作人員工作效率是提高塔吊工作效率的重要思路與方法，可以通過聘用經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員、設(shè)置獎(jiǎng)金激勵(lì)方式、對(duì)操作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)等方式得以提高。

(3)加強(qiáng)智慧工地智能系統(tǒng)建設(shè)。智慧工地是通過信息化手段，圍繞施工現(xiàn)場(chǎng)的施工行為與管理過程，建立互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學(xué)管理的施工項(xiàng)目信息化生態(tài)圈，并將此數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下與物聯(lián)網(wǎng)采集到的工程信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)工程施工可視化智能管理，以提高工程管理信息化水平，從而逐步實(shí)現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造。

(4)形成應(yīng)急預(yù)案編制體制機(jī)制。安全生產(chǎn)是企業(yè)生存的前提和條件，避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生是現(xiàn)代企業(yè)追求的目標(biāo)。編制應(yīng)急預(yù)案的目的是在發(fā)生事故時(shí)能以最快的速度發(fā)揮最大的效能，有序?qū)嵤┚仍?，達(dá)到盡快控制事態(tài)發(fā)展，降低事故造成的危害，使任何可能引起的緊急情況不擴(kuò)大，并盡可能地排除，以減少緊急事件對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的不利影響或危害。

5 結(jié)語

本文對(duì)裝配式住宅建筑預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度過程進(jìn)行研究，利用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式住宅建筑深化設(shè)計(jì)，得到預(yù)制構(gòu)件供應(yīng)需求量，最終確定預(yù)制構(gòu)件需求計(jì)劃。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建裝配式住宅建筑預(yù)制構(gòu)件智能調(diào)度模型，通過引入改進(jìn)遺傳算法，對(duì)預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化與求解?；诖?，以西安市某裝配式建筑住宅群項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)證分析，驗(yàn)證了該模型在預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中的科學(xué)性、合理性與高效性，并提出了裝配式住宅建筑施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配提升對(duì)策。