基于BIM 的裝配式建筑并行施工作業空間沖突識別研究

程國富

1.裝配式建筑施工作業空間自動生成模型分析

1.1 實體空間的占用需求分析

在傳統建筑施工中，一般出現的工作空間沖突都是人和活動物體間的沖突，比如施工人員、吊車和裝卸車等等。所以在分析空間沖突時只注重人和活動物體之間出現的沖突。但是針對裝配式建筑施工時，其所牽扯的多為以下三類要素，即施工人員、施工機械、預制部件[1-2]。在建筑的施工現場中施工人員和施工機械以及預制部件都需要占用空間，而其則被稱作實體空間（ES），空間的占用完全由其自身的尺寸所決定。在施工場地內的施工人員和施工機械需要進行移動，在實體空間中呈現動態的變化；而預制部件完成安裝后則不需要移動，為固定實體空間[3-4]。

1.2 工作空間的占用需求分析

為完成施工，現場的施工機械和施工人員所占據使用的空間為工作空間（WS）。一般來講，工作空間大能夠保障施工的效率，而空間受限制時則容易影響施工，更有可能導致安全事故的發生[5-6]。所以，依據安全與效率的目標可以把工作空間劃分為安全工作空間（SWS）及效率工作空間（EWS）。

對于裝配式的建筑施工，其現場多圍繞預制部件進行操作，而其中最為典型的操作主要是預制部件的起吊運輸及安裝固定和支護[7-8]。依據施工時不同交互空間占用的實際需求，將空間生成的方法分成表平面和環繞的擴展兩種，具體如圖1 顯示。表平面擴展主要使用在現場施工人員在預制件的單側施工，依據工作的需求把工作面依X，Y，Z 方向進行相應的擴展，將擴展的參數標記為αx，αy，αz；對預制構件開展圍繞施工的現場則運用環繞擴展，其依據擴展的系數β擴展。現實中依據該工程的實際狀況由建筑項目的管理人員予以設定。

圖1 工作空間的擴展類型

圖2 起吊和運輸操作空間的擴展

2.裝配式建筑施工作業的空間沖突

2.1 空間沖突的產生

在裝配式建筑施工過程中，處于同一施工的空間被兩種施工占用則會產生工作空間的沖突。造成沖突的主要原因是對空間資源未能有效分配，其嚴重影響工程的順利施工，并存在安全隱患[9-10]。再者，當兩組施工人員在操作中的空間占用出現輕微的重疊，但未對正常的施工產生影響，通過綜合的考慮，在適當的情況下允許此空間沖突存在。所以，在實際對空間沖突進行判斷時的嚴重性非常關鍵。

2.2 沖突類型

依據不同的要素占用空間可將空間劃分為以下三種，即實體空間（ES）、效率工作空間（EWS）以及安全工作空間（SWS）。一般情況下，其存在關系為：實體安全工作效率工作的空間。依據實際各類空間的占用，其沖突類型如圖3顯示為三類。

圖3 三種空間沖突

2.3 空間沖突嚴重性量化評估標準

在裝配式建筑施工過程中，如果出現兩個工作空間沖突，進而說明兩個工作空間在時間與空間的維度中產生了干涉的情況，而沖突的時間越長則產生較大的沖突空間，進而導致空間沖突越來越嚴重。所以，對于沖突嚴重性進行評測時可依據時間與空間的維度，通過設定Vi為施工活動i需要占用的空間體積，Vj為施工活動j 需要占用的空間體積，t（ts，tf）為施工活動工期，ts和tf分別代表活動開始與結束的時間，進而Vi，Vj工作空間的沖突量化指標如表1所示。

表1 鋼結構構件重量表

對空間沖突表現出的嚴重性進行判斷時，不僅要對兩個空間重疊的時間與大小進行評價，還必須對空間類型進行有效的判斷，不同的類型空間所表現出的沖突嚴重性具有較大的差別。另外，還應當融合沖突類型的調節因子h，其能修正空間沖突的嚴重性評價的結果。

經過綜合量化指標，現場的兩個施工活動時空沖突的嚴重程度，可以根據沖突嚴重性指數得出Iij，具體為公式（1）：

公式中；h—表示空間沖突類型的修正因子；

kj,ki∈［0,10］——表示相關施工作業的權重調節因子。

3.重視生產模式轉變，實現提質增效。要重視分公司生產能力和生產效率的提升，要通過對資源的整合，新設備的投入，新工藝的推廣，新工裝的開發利用，提升在下料、切割、壓型、焊接、組拼和噴涂等工序的機械化、自動化水平，突破生產能力瓶頸，提高全員勞動生產率。要根據地域差異，產品類別，制定合理的工費限價，嚴格按照單工號加工費用預算和用戶實際過磅重量“雙控”辦法結算工費，工費總額經審批后限額發放，嚴控人工成本。要通過對結構件部件就近委托外加工和訂購模式，充分利用社會資源，提供滿足公司標準化設計要求的結構件成品或半成品；要積極探索在施工現場進行周轉材料維修、改造的途徑和方法，降低運營成本。

為利于辨別沖突嚴重性則設立θ1與θ2兩個閾值，并有效地劃分時空的沖突程度，即嚴重、中等以及輕度三種。θ1與θ2則依據實際需求取值。

3.裝配施工作業空間的沖突識別分析

3.1 沖突識別方法

建筑信息模型（BIM）已經在建筑行業得到大量的應用，其能夠準確的集成建筑項目各項的信息，例如結構、電氣設備、施工進度等等，構建3D 空間的仿真模型能夠對建筑項目達到可視化和數字化的管理。并且該技術通過利用計算機可以對施工空間的資源占用進行自動分析，有效地對作業間的空間沖突進行識別。

3.2 虛擬空間碰撞檢測算法

當前使用較為廣泛的是包圍盒層次法，其主要是把不規則的物體占用空間進行相應的擴展成凸面體。所以，對于裝配式的建筑施工工作空間能夠進行擴展成規則的立方體，進而方便后續碰撞的相應檢測。而以包圍盒為基礎的碰撞檢測算法主要有軸向和有向的包圍盒算法。

3.3 4D 作業空間沖突識別的混合算法

3.3.1 以包圍盒為基礎的3D 空間占用模型

把裝配式建筑的預制部件占用空間利用凸立方體的形式予以表示，還能夠把針對預制部件工作的空間進行相應的擴展成與之對應的立方體空間。運用3D空間的占用模型來對建筑的預制部件和施工工作區域進行表示，進而能夠高效地將3D 空間的占用模型自動生成，這樣便于對占用需求空間的實際沖突進行檢測，提高計算的工作效率。

預制部件與其空間占用全部運用混合軸向包圍盒和有向包圍盒表示，然后運用立方體的頂點和面及邊構建包圍盒空間的模型，具體如公式（2）：

公式中：P—表示立方體頂點集合；S—表示立方體表平面集合；L—表示立方體邊的集合；

而其3D 的空間坐標如公式（3～5）：

公式中：Pm—表示立方體的第m個頂 點，m=1，2，3…8；g（Pm，Pn，Pk，Ph）—表示4 個頂點坐標平面的方程；m，n，k，h—表示對應此平面的4 個頂點；lmn—表示立方體的1 條邊，其空間f（Pm，Pn）由空間中的點Pm，Pn構成。

3.3.2 3D 作業空間生成的算法

通過BIM 技術直接構建建筑的3D空間模型，然后經WBS 分解建筑工程為多級的子作業，子作業則占用對應的實體與工作的空間。其中工作的空間根據工程管理人員依據操作需要，對空間進行擴展參數的設置，例如［(αx，αy，αz)，β，（d，l）（r，γ）］。最后再與實體空間進行結合得出包圍盒模型V。

3.3.3 進度空間的占用模型

而對于裝配式建筑的施工作業對空間占用的實際需求來講，其存在一定的可更新性，所以不能只重視對工作業空間的占用，還應當考慮疊加施工作業進度的相關信息，即將時間維度融合到3D作業空間的模型，建立4D 作業的空間占用模型，具體如公式（6）：

公式中：ts—表示相關施工作業的開始時間；tf—表示相關施工作業的結束時間。

3.4 作業空間沖突識別的混合算法

通常在實踐中，大部分建筑的結構規則呈現作業空間為軸向立方體，可以使用混合軸向包圍盒碰撞檢測的算法來對作業的空間是否沖突進行檢測判斷。而有一部分建筑具有非軸向的預制構配件存在，所以需要使用有向包圍盒碰撞檢驗的算法。但由于混合軸向包圍盒的檢測算法非常的簡單便捷，所以在對作業空間的沖突進行識別時可以運用混合軸向包圍盒的檢測算法計算。本文則把混合軸向包圍盒與有向包圍盒進行混合，針對待識別的空間占用模型Vi及Vj利用判斷施工的時間和位置坐的標開展沖突識別算法優化。

4.基于BIM 的作業空間沖突識別實現分析

通過使用Navisworks 軟件來對裝配式建筑項目WBS 分解和4D 進度計劃編制，再運用Navisworks SDK 工具包對工作空間加以生成，然后對實際作業的空間沖突進行相應的檢驗。圖5 顯示為技術架構圖。

圖5 沖突識別架構設計

針對裝配建筑吊裝的作業施工進度開展分析，首先利用Navisworks 對項目文件進行讀取，主要為樓體地理的空間與WBS 相關信息。然后再開啟時空沖突的檢測插件，最后讀取WBS 信息，并查找及保存并行的全部工序。

在施工作業的空間生成模塊中，依據不同的施工交互方式進行對操作空間實際的需求判斷，最后再對工作空間擴展方式和系數進行設定。實驗時把在關鍵位置的施工工序上的施工活動權重全部設成2，而其他則為1。

當對操作空間進行批量的生成之后，利用空間沖突的檢測模塊檢測出全部有時空沖突的并行工序，然后再對沖突的嚴重性進行計算。本文把θ1與θ2分別設置1 和10，即輕度的沖突為I∈［0，1］，中等的沖突為I∈［1，10］，嚴重的沖突為I ≥10。

最后通過軟件的實驗分析表明，上述提出的算法，即作業空間自動生成法，能夠將施工作業的空間模型較好地展現出來，與此同時，對于空間沖突的檢測也能完全準確地識別出來。但該算法和檢測沖突的流程只對工期重疊進行了檢測，減少了計算量，而運用混合軸向包圍盒與有向包圍盒為基礎的碰撞檢測算法，能夠較大的減少檢測計算的難度，并且工作的效率高，以后可以在裝配式建筑工程項目中實踐運用。

5.結論

本文通過上述對裝配式建筑并行施工時作業空間的沖突進行深入的分析，對作業空間的沖突原因和類型予以明確，并提出混合軸向包圍盒與有向包圍盒融合的沖突識別算法，經過應用表明其效果較為準確，能夠有效地識別空間沖突，由此優化后續的施工。