資源約束下裝配式混凝土建筑優化調度模型研究

張利健

（福州職業技術學院，福建 福州 350108）

1 資源約束

資源約束是指在自然資源不足或者資源過度利用的情況下，對資源的利用造成了約束和限制[1]，其主要特點體現在資源供需矛盾嚴重、資源利用率低、資源浪費量大、對經濟發展存在潛在約束等方面。在社會快速發展的過程中，建筑建設規模持續擴大，占用了大量的土地資源，并且在施工過程中需要投入大量的資源，很有可能會出現資源浪費的現象，和我國當前可持續發展理念相違背，也會引發資源約束問題的出現。而裝配式混凝土建筑打破了以往施工技術存在的局限性，利用現場組裝的方式完成建筑施工，能夠控制資源的投入量。因此在資源約束背景下，裝配式混凝土建筑的出現為后續建筑行業的發展提供了重要的動力，緩解了當前資源供需矛盾的問題。

2 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優化調度總體框架

2.1 調度特點

裝配式混凝土建筑施工主要涉及現場施工、構件運輸、構件生產3 個關鍵環節。從表面上看，該建筑施工模式的施工環節較少，但是和傳統施工模式相比，其資源調度過程更為復雜。

（1）以往在施工過程中調度所涉及的作業空間具有單一化的特點，多個作業空間之間不存在資源牽制的現象。而在裝配式混凝土建筑施工過程中存在多個不同的作業空間，特別是在為同一建設環節提供相應調度服務時，會受到處于不同空間下時間條件的約束和限制。

（2）傳統施工項目調度模型單一，裝配式混凝土建筑不同作業空間的調度形式存在較大差異。雖然在施工過程中，裝配式混凝土建筑的調度模式仍然和傳統施工項目相同，但在構件生產環節形成了工業化的生產流程，其調度也處于工業化生產范圍內。

（3）現場裝配環節、生產環節以及運輸環節所處的地理位置具有較大差異。在對各類資源進行調度的過程中會受到多種不同因素的影響和制約，包括環境要素、資源要素、地域要素等，其中一項要素出現波動都會影響施工活動的有序開展，導致調度活動出現偏差，從而引發成本上升以及工期延誤等問題的出現[2]。

2.2 調度過程

通過對裝配作業空間進行分析，可以將其劃分為多個不同的建設空間以及建設時間節點，利用運輸作為媒介形成現場裝配和生產環節之間的約束關系。例如，在某個施工節點，現場裝配空間發出調度指令，生產環節根據調度指令對構件進行生產，再由物流單位將所生產出的構件運輸到施工現場完成施工活動。每個調度空間均按照這樣的順序完成循環，一直持續到施工結束。在施工過程中，假設每個作業空間的工序不可以中斷，同時要求可更新資源不能夠作為成本，在確定環境下減少環境因素的影響，也不考慮構件生產以及裝配過程中所需要投入的儲存成本，可以進一步簡化裝配式建筑的施工過程。具體如下。

（1）在某個時間點上只完成運輸作業和生產活動，不涉及現場裝配，在這一階段構件完成生產后會被放到施工現場儲存。但是由于調度模型具有復雜性，因此不對儲存階段的成本進行考慮[3]。

（2）對于某段時間到另一段時間之間所涉及的各個環節的生產作業，在現場裝配過程中如果發現存在資源不足的現象，需要對生產空間下發調度指令，要求生產空間對構件進行生產安排，之后運輸到施工現場。在這一過程中忽略外界因素給調度活動帶來的影響，確保調度處于不中斷的狀態。

（3）在施工過程中會需要使用各種不同類型的構件，需要分析構件類型對調度活動產生的影響，要求可以結合構件需求完成生產。

2.3 調度計劃

調度計劃的合理設計能夠有效提高調度效率，需要從3 個作業空間出發，分別設置相應的調度流程：①在現場裝配活動中，需要分析建筑的整體施工流程，明確各個構件的裝配順序，將其作為后續整體調度的基礎。②在運輸環節中，需要同時了解生產情況以及現場的構件需求，將不同類型的構件作為最小調度單元完成構件運輸。③在生產環節中，需要明確不同構件的具體生產流程，為了能夠形成協同調度模式、優化生產工序，需要將施工工期以及施工資源投入作為基礎，結合現場施工情況對生產計劃進行調整[4]。

3 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優化調度技術

3.1 動態調度協同技術

在裝配式混凝土建筑建設過程中，涉及的作業空間較多，在具體的調度過程中空間以及空間之間會產生牽制關系，因此需要重視對牽制關系的處理。動態調度協同技術則可以有效解決這一問題，例如，在現場裝配過程中，可以將時間要素作為約束條件，利用不同空間的調度順序完成傳遞[3]。在調整空間以及空間的協同關系時，可以將現場裝配調度優化后所需要的工期時間作為約束條件，利用運輸環節完成不同資源的多個空間有序調度。動態調度協同技術將作業工期約束作為基礎條件，同時也屬于必要條件，利用多維度調度模型達到最短時間、最低成本的施工目標。

在具體的調度模型構建過程中，將TCTP 作為模型最優目標，利用現場作業資源對運輸環節以及生產環節的調度進行牽引，具體是指結合現場裝配過程中對不同類型構件的需求，對生產時間、運輸時間以及生產計劃進行約束。

其中運輸環節需要為現場裝配環節提供服務，結合現場裝配的時間點明確運輸計劃[5]。在針對不同作業空間完成調度計劃優化后，需要根據最優目標以及空間牽制要素利用遺傳算法對調度計劃進行最優調整。

3.2 最優資源總量確定技術

在多空間調度資源優化時，需要將不同空間的效益作為基礎目標，在時間約束以及資源約束的基礎上，利用遺傳算法明確資源的最佳配置方式。如果不同空間的資源量出現變化，則調度計劃也需要進行調整。當每個空間資源總量處于較多狀態時，資源成本投入也會有所提高，但是在生產安排過程中不會出現過多的資源沖突問題，施工工期也隨之縮短。當每個空間資源總量處于較少狀態時，資源成本投入雖然會降低，但是在生產安排過程中容易出現資源沖突問題，導致施工時間有所延長。因此需要明確資源總量，可使用最優資源總量確定技術進行分析。如果該技術能夠了解在不同空間作業下資源總量的最佳數值，就能加強對成本以及資源的控制。此外，相關人員需要調整各個空間的調度進度計劃，明確初始資源總量數值，再不斷地調整資源總量，減少資源總量，從而完成調度優化，確保在資源總量有限的情況下能夠提高施工效率[6]。

4 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優化調度模型構建

4.1 優化調度模型思路

在進行調度時，通過動態協調技術可以針對多個空間的資源調度問題進行處理，防止資源調度過程中存在的約束問題。首先需要構建協同管理平臺，針對裝配作業環節、運輸環節、生產環節分別進行深入分析，從資源約束、工期約束、緊前關系約束角度出發對調度方式進行優化，盡可能在最短時間內達到最優的成本控制效果。如果對調度模型進行應用模擬后，其預期成果不符合成本以及工期控制要求，可以再次通過協同管理平臺對調度模型進行優化。在優化調度模型時，以成本-工期最優目標為基礎，利用現場裝配資源調度對運輸環節和生產環節的調度進行牽引，使用遺傳算法獲得最為合適的調度計劃[7]。在運輸調度過程中，將現場裝配總工期、裝配構件時間節點和該節點所需資源量作為基礎約束，以資源成本最優作為調度優化目標，保證在某一段運輸時間內可以運輸最多的資源，并將生產資源成本作為調度模型優化目標，以此為基礎對生產工序進行合理安排。

4.2 模型建立

4.2.1 現場裝配調度優化模型

現場裝配是影響裝配式混凝土建筑后續使用安全的關鍵要素，在現場裝配過程中需要對各類構件進行合理應用，盡量縮短施工時間。在該環節中，應合理安排工序活動，選擇在合適的時間實施合適的施工工序，以此來達到最佳的施工建設效果。在施工過程中，直接成本和工序持續時間呈現出反比關系，工序時間縮短則直接成本會上升，當施工時間被壓縮到極致狀態時，直接成本變化不會給工期帶來過多的影響。

在優化現場裝配調度模型時，以工序持續時間-直接成本作為計算基礎，對工序時間和成本的關系進行假設，設定其為二次函數關系，再針對成本以及工序之間的關系進行計算。在計算的過程中，需要考慮壓縮以及未壓縮工序工期后的直接成本、工序直接成本壓縮系數、壓縮工期以及最長工期。在分析間接成本和工序工期關系時，需要考慮間接成本、壓縮工期以及間接成本系數。在具體模型建立過程中，應從成本約束、工期約束以及時間約束角度出發對模型進行優化，并綜合分析施工總工期、工序施工最短和最長工期、最大限制總成本以及總工期[8]。

4.2.2 運輸調度優化模型

構件運輸會影響構件的質量，也會影響構件是否能夠及時運送到施工現場。為了確保各個環節能夠得到有效調度，形成協同作業的模式，需要對配件生產過程中所需要的時間以及資源作為基礎進行分析，將構件作為最基礎的調度單元，在滿足工期約束的基礎上，將資源成本作為最佳條件。在滿足工序邏輯關系以及資源約束的基礎之上對調度模型進行優化。在調度模型中緊前關系是主要的參數之一，要求每項工序在開始之前其時間和緊前工序完成時間相同，或者超過這一時間。針對在不同時間段、對不同類型可更新資源提出的需求，應當保證其需求量少于供應量[9]。除去調度模型優化外，在運輸過程中同時需要做好合理管控，在確保運輸時效性的基礎上減少資源浪費；還需要做好包裝保護措施，針對容易碰壞的位置采取特殊的防護手段，進而避免在磕碰過程中出現質量問題。

4.2.3 生產調度優化模型

構件的生產過程主要由工廠完成，形成了流水化的生產體系，和現場調度相比，該環節的調度方式更為簡單，可以利用RCPSP 完成求解。在優化生產調度模型時仍然將構件作為最小調度單元，分析在生產過程中所需要的時間以及所需要的資源[10]。在具體的模型構建過程中可以不考慮材料成本，但需重點分析人工成本以及設備成本。在生產過程中，應當與工廠的管理人員進行溝通提出構件的具體質量要求，并確保工廠擁有完善的生產設備以及高素質的生產隊伍，確保構件生產的合理性，保證人力資源投入在最佳范圍內。

5 結語

裝配式混凝土建筑簡化了以往的施工流程，提升了施工效率，但是其存在的質量隱患出現較大的變化，如果仍然使用以前的調度策略，將難以有效發揮裝配式混凝土建筑的優勢，會給建筑的發展造成不利影響，降低人們對于裝配式建筑的認可程度。在資源運輸背景下，優化調度成為裝配式混凝土建筑施工建設所關注的重點，這需要相關人員明確該類建筑的調度特點，制訂合適的調度流程和調度計劃，對動態調度協同技術、最優資源總量確定技術進行合理利用，保證后續調度模型構建的合理性。在優化調度模型時需要從現場裝配、運輸環節以及生產環節入手，為裝配式混凝土建筑活動的開展打下良好基礎，提高施工的科學性和有序性。