裝配式住宅建筑預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場調(diào)度優(yōu)化研究
——以西安市某裝配式建筑住宅群為例*

王鑫 婁鍇倫 李鑫 曹佳偉

(1.中鐵十二局集團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)?！钡莫毺貎?yōu)勢與國家對建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展理念不謀而合，也是實現(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。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，其在工廠進行生產(chǎn)、加工，并由構(gòu)件廠配送至施工現(xiàn)場，隨后施工單位對構(gòu)件進行裝配，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，運輸較為困難，現(xiàn)場堆放場地受限，且一旦預(yù)制構(gòu)件沒有按時到達施工場地，對施工進度影響極大，將會導(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，及時與構(gòu)件廠進行溝通，避免因構(gòu)件未按時到達而導(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]從存儲空間受限的特定場景切入，研究一類資源約束型項目調(diào)度和材料采購的集成優(yōu)化問題，旨在獲得擁有最小成本的活動調(diào)度計劃和材料采購方案。汪和平等[7]設(shè)計了一種雙層規(guī)劃調(diào)度模型，分別針對生產(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)度問題進行優(yōu)化，研究成果能有效實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件配送成本的優(yōu)化，具有一定的理論與實踐價值。尹靜等[8]構(gòu)建了以準(zhǔn)時交付和流程時間為目標(biāo)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)運輸協(xié)同調(diào)度模型，并設(shè)計了改進的遺傳算法進行求解，致力于改善預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)調(diào)度和運輸管理，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，該平臺可有效應(yīng)對項目調(diào)度過程中不確定性因素的動態(tài)干擾，提高裝配式建筑調(diào)度的自主性、預(yù)測性與智能性。

綜上所述，針對裝配式建筑預(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)場構(gòu)件調(diào)度的研究相對較少。因此，本研究以裝配式住宅建筑為研究對象，聚焦裝配式預(yù)制構(gòu)件的施工現(xiàn)場，研究內(nèi)容主要包括三個方面：①編制預(yù)制構(gòu)件需求方案，明確施工現(xiàn)場調(diào)度需求；②以施工現(xiàn)場塔吊實際吊裝情況為基礎(chǔ)，將塔吊吊裝過程簡化為旅行商問題，對塔吊經(jīng)過若干個構(gòu)件堆場的方式進行規(guī)劃，構(gòu)建以塔吊運行時間最短為目標(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)場現(xiàn)場調(diào)度提升對策。

1 基于BIM的預(yù)制構(gòu)件采購管理

1.1 基于BIM的構(gòu)件工程量計算

本研究以西安市某裝配式建筑住宅群為例，首先統(tǒng)計單體樓預(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)上進行匯總整合，通過對單體樓構(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 施工進度計劃控制

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

在三維信息模型和進度計劃完成的基礎(chǔ)上，運用BIM 4D相關(guān)軟件，將模型中的建筑構(gòu)件與施工進度計劃的任務(wù)匹配及關(guān)聯(lián)，實現(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 群樓物資采購計劃管理

在BIM 5D軟件中，將進度與工作任務(wù)鏈接后，為每項工作設(shè)置所需的構(gòu)件種類與數(shù)量，軟件即可自動匹配對應(yīng)時間的工作，并統(tǒng)計對應(yīng)時間所需要的構(gòu)件數(shù)量，為后續(xù)塔吊現(xiàn)場調(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，廠家進行排班生產(chǎn)，保證構(gòu)件能夠按時到達施工現(xiàn)場，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”是一個從明確構(gòu)件需求到實現(xiàn)成功吊裝的完整邏輯鏈，包括“調(diào)”和“度”兩個階段。“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)件運輸至現(xiàn)場；“度”是指在施工現(xiàn)場進行構(gòu)件吊裝的過程。本文主要對施工現(xiàn)場的調(diào)度情況進行研究，包括明確構(gòu)件需求和現(xiàn)場塔吊實際吊裝，不考慮預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和施工場外運輸?shù)倪^程。

當(dāng)存在多個物料存放處和需求處時，塔吊的調(diào)度問題可以簡化為一個典型的“旅行商問題”。將需求處和存放處當(dāng)作旅行商(吊鉤)經(jīng)過的一個個城市，求解出旅行商完成所有運輸任務(wù)的最短時間，以及該方案下的具體實施步驟。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，即對于同一部位的同一需求構(gòu)件不需要二次運輸。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

(1)i：第i個構(gòu)件堆場，i∈{1，2，…，I}。

(2)j：第j個構(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次運輸，s∈{1，2，…，S}。吊鉤從第i個構(gòu)件堆場到達第j個需求處，再從該需求處到達下一個構(gòu)件堆場為一次完整的運輸。

(5)P0：吊鉤的初始位置。

(6)P1：吊鉤到達的第一個構(gòu)件堆場的位置。

(7)Ti，j：從構(gòu)件堆場i到達構(gòu)件需求處j吊鉤所運行的時間，Ti，j=Tj，i。

(8)Tloading：構(gòu)件一次裝載所需要的時間。

(9)Tunloading：構(gòu)件一次卸載所需要的時間。

2.2.3 決策變量

(1)am，s∈{0，1}，第s次運輸?shù)氖欠袷菢?gòu)件m。

(2)bi，s∈{0，1}，第s次運輸是否由第i個構(gòu)件堆場起始。

(3)ci，s∈{0，1}，第s次運輸?shù)男枨筇幨欠袷莍。

(4)di，m∈{0，1}，第i個堆場是否堆有構(gòu)件m。

(5)ej，m∈{0，1}，第j個需求處是否需要構(gòu)件m。

(6)fs，i∈{0，1}，第s次運輸是否返回第i個構(gòu)件堆場，準(zhǔn)備開始下一次運輸。

2.3 調(diào)度目標(biāo)與智能化設(shè)計

2.3.1 吊鉤運行時間計算

在構(gòu)建調(diào)度模型前，需要對塔吊運行時間的計算方式進行明確。吊鉤在一次運行中的軌跡可以分為三個部分：吊臂旋轉(zhuǎn)帶動吊鉤而進行的切向運動；吊臂在吊鉤上前后移動而進行的徑向運動；吊鉤到達物料存儲處與需求處而進行的豎向運動。

2.3.2 目標(biāo)函數(shù)

塔吊調(diào)度的總時間由三個部分組成，分別是：吊鉤從當(dāng)前位置移動到第1個構(gòu)件堆場的時間、僅考慮吊鉤裝載并從堆場到達需求處的時間、僅考慮吊鉤卸載并從需求處到達下一個堆場的時間，在此基礎(chǔ)上分別構(gòu)建求解模型。

(1)吊鉤從當(dāng)前位置移動到第1個堆場的時間。這一部分的時間T1依據(jù)輸入的初始吊鉤位置坐標(biāo)，待明確初始構(gòu)件堆場坐標(biāo)之后，根據(jù)式(1)計算即可，公式如下

(1)

(2)僅考慮吊鉤裝載并從堆場到達需求處的時間。對于第s次的運輸，該部分的時間必須滿足5項約束條件：①第s次運輸?shù)氖菢?gòu)件m，即am，s=1；②第s次的初始構(gòu)件堆場是i，即bi，s=1；③第i個堆場中有構(gòu)件m，即di，m=1；④第s次運輸?shù)臉?gòu)件需求處是j，即cj，s=1；⑤第j個需求處需要構(gòu)件m，即ej，m=1。

因此，該部分的總時間T2公式如下

(2)

式中，T2表示吊鉤裝載后從堆場到達需求處的時間。

(3)僅考慮吊鉤卸載并從需求處到達下一個堆場的時間。對于第s次的運輸，該部分的時間必須滿足三項約束條件：①第s次運輸?shù)男枨筇帪閖，即ci，s=1；②第s次運輸返回的堆場是i，即fs，i=1；③第i個堆場中有構(gòu)件m，即di，m=1。

因此，該部分的總時間T3公式如下

(3)

式中，T3表示吊鉤卸載后從需求處到達下一個堆場的時間。

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

Ttotal=T1+T2+T3

(4)

2.3.3 約束條件

(1)對?s∈{1，2，…，S}，公式如下

(5)

(2)對?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

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

(1)初始化種群。設(shè)置進化代數(shù)計數(shù)器，隨機生成若干個個體作為初始種群。

(2)個體評價。計算初始種群中個體的適應(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)則作用于成對的個體，交換染色體中的部分基因，生成新的個體。

(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。計算經(jīng)過前面流程生成的新個體的適應(yīng)度，并繼續(xù)進行遺傳過程，生成新個體。

(7)終止條件的判斷。當(dāng)算法操作滿足終止條件時終止計算，將整個進化過程中得到的適應(yīng)度最大的個體記為最優(yōu)個體。

3.2 構(gòu)件調(diào)度方案設(shè)計

以4#樓為案例進行研究，選取表2所示16個需求處中的6個作為研究對象，考慮塔吊對預(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。物料臨時堆場坐標(biāo)信息見表3。

表3 物料臨時堆場坐標(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)的二進制編碼形式只能用以表示工作之間是否進行搭接，無法描述具體的搭接情況，因此本研究采用實數(shù)編碼方式進行求解。

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

③交叉算子。交叉操作選擇匹配交叉，即選定兩個個體同一位置的基因進行交換生成新個體。

④交叉與變異算子。進行變異操作時隨機選擇基因上的若干點位，使點位上的基因發(fā)生突變，生成新個體。

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

4.1 塔吊模型方案求解

在模型建成后，對算法中的參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置種群個數(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)度進化曲線如圖3所示。塔吊優(yōu)化結(jié)果為30.82min，由于本研究僅選取了6個需求處，相比初始種群僅實現(xiàn)了約10min的優(yōu)化。若對全部需求處進行方案優(yōu)化，則結(jié)果將更為理想。

圖3 塔吊適應(yīng)度進化曲線

4.2 預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場調(diào)度優(yōu)化對策

(1)創(chuàng)新施工現(xiàn)場調(diào)度優(yōu)化方式。現(xiàn)場調(diào)度是以BIM模型為基礎(chǔ)，以預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計為支撐，以BIM進度計劃編制為前提，以塔吊現(xiàn)場調(diào)度為實際工作的完整的邏輯階段。EPC項目管理模式使得設(shè)計過程成為整個項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)驗豐富的工作人員、設(shè)置獎金激勵方式、對操作人員進行定期培訓(xùn)等方式得以提高。

(3)加強智慧工地智能系統(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)管理的施工項目信息化生態(tài)圈，并將此數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下與物聯(lián)網(wǎng)采集到的工程信息進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(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)生事故時能以最快的速度發(fā)揮最大的效能，有序?qū)嵤┚仍?，達到盡快控制事態(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大，并盡可能地排除，以減少緊急事件對人員、財產(chǎn)和環(huán)境的不利影響或危害。

5 結(jié)語

本文對裝配式住宅建筑預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場調(diào)度過程進行研究，利用BIM技術(shù)進行裝配式住宅建筑深化設(shè)計，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，通過引入改進遺傳算法，對預(yù)制構(gòu)件施工現(xiàn)場調(diào)度關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行優(yōu)化與求解?；诖?，以西安市某裝配式建筑住宅群項目為例進行實證分析，驗證了該模型在預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場調(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)場調(diào)配提升對策。