數字孿生驅動的施工場地動態布置研究

屈新升

(中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司)

隨著科技的進步，數字孿生技術逐漸成為工程領域的研究熱點。特別是在施工場地動態布置方面，數字孿生技術展現出巨大的潛力和價值[1]。數字孿生技術，是指通過數字化手段，將物理世界的實體映射到虛擬的數字世界中。這個虛擬的數字模型具有與物理實體相同的形態、功能和性能，能夠模擬物理實體的行為和狀態變化。數字孿生技術為施工場地動態布置提供了強大的工具和平臺。本文將深入探討數字孿生驅動的施工場地動態布置，以期為相關領域提供有益的參考。

數字孿生技術在施工領域的應用得到了越來越多的關注和重視。隨著數字孿生技術的不斷發展，其在施工領域的應用范圍不斷擴大，涉及到施工的各個環節，如規劃、設計、施工、運維等。除此之外，數字孿生技術在施工領域的應用水平不斷提高。隨著技術的不斷發展，數字孿生技術在施工領域的應用效果越來越好，能夠更好地模擬施工過程、優化施工方案、提高施工質量、降低施工成本等。

1.施工場地布置多源異構數據融合

通過智能化實時采集施工場地數據，可以獲取施工過程中的實時信息，為后續的數據分析和處理提供基礎數據。以下是施工場地數據智能化實時采集的關鍵步驟和技術：首先，在采集前，需要明確采集的目標數據，如施工進度、設備運行狀態、人員位置等。根據采集目標選擇合適的傳感器和數據采集方法。其次，根據采集目標，建立相應的數據采集系統。該系統應具備實時性、穩定性和可擴展性，能夠根據施工場地的變化進行靈活調整。再次，根據采集目標，選擇合適的傳感器，如紅外傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。這些傳感器能夠實時監測施工場地的各種參數，并將數據傳輸到數據采集系統中[2]。最后，通過有線或無線方式將傳感器采集的數據傳輸到數據采集系統中，并進行實時存儲。為了確保數據的完整性和可靠性，應采取相應的數據加密和備份措施。

多源異構的場地布置數據融合處理旨在整合建設用地信息數據中的全局信息，通過對用地布局相關數據的篩選，提升用地布局數據的使用效率。將多源異質的調度大數據進行融合和處理構造為一個數據源，既能準確刻畫虛實空間布局，又能推動虛實空間布局的迭代優化[3]。本項目研究內容包括：第一，基于站點信息的數據融合，以更加精確地展現虛擬場景的布局狀態；第二，基于數據融合，實現虛擬場景的布局優化。資料處理包括資料凈化、離群處理、歸一化及資料整合等作業，以提升資料的準確度與可信度。在數據融合過程中，數據融合分為數據融合、實時處理和離線處理三個部分。圖1 為數據融合模型結構圖。

圖1 數據融合模型結構圖

對于多個數據源，通過給每個數據源賦予不同的權重，然后對所有數據源的數據進行加權平均，得到融合后的數據。數學公式如下：

式中：F 代表融合后的數據，W 代表第 i 個數據源的權重，D 代表第 i 個數據源的數據。對于多個具有相關性的變量，為將其轉化為少數幾個互不相關的變量，可結合主成分分析法將多個數據源的特性融合到一個或幾個主成分中，從而簡化數據的表示[4]。數學公式如下：

式中：P 代表通過主成分分析法簡化后的數據，E 代表標準化矩陣，L 代表特征值矩陣，E'代表E 的轉置矩陣，n代表樣本數量。這些數學公式是常用的多源異構數據融合方法的一部分。在實際應用中，我們需要根據具體的數據類型、特性和應用場景選擇合適的方法進行融合[5]。同時，還需要考慮數據的預處理、特征提取和模型評估等因素，以確保融合后的數據能夠滿足施工場地動態布置的需求。

數據融合是指采用可擴展的標簽語言來處理多源異質排列的數據，以去除數據的冗余性，提高數據的精度。多源異質布設大數據采用深層神經網絡對施工場地布局數據中的運行狀態、工藝過程、施工階段等信息進行深層次的融合[6]。實時數據處理是指通過大數據規模的計算架構，實現對真實工地的實時數據的讀取、寫入與融合。

2.數字孿生驅動的智能布置服務運行

施工場地布局是按照施工各階段的施工要素來進行不同的布置，通常有兩種，一種是在收到施工項目生產任務之后，對施工場地進行初始化安排，一種是在施工活動開展期間，根據工地的狀況以及施工進度規劃進行調整而進行的動態布置[7]。所以，該系統的功能分為初始化配置與孿生數據驅動的動態配置兩大模塊，其工作機制見圖2。

圖2 數字孿生驅動的智能布置服務運行機理

圖3 曼哈頓距離表述方式

在建筑工程啟動之前，基于建筑工程的施工需求及現有的資源布局，在智能布局服務模塊中產生初始布局，并對實際工地進行布局；在此基礎上，對施工過程中所發生的施工數據進行實時傳輸，并對其進行數據分析，生成施工仿真數據、三維場地布局數據以及施工規范數據，并向智能布局服務模塊進行反饋。通過智能布局服務模塊，實現對實體工地的二次布局；這一過程將繼續進行，直到建設流程的最后，連續的數據交互以及虛擬地圖的建立。

在獲取建設工程的施工組織方案后，利用 BIM 技術的有關軟件對工程建設進行建模，常用的造型軟件有：Revit、Tekla、廣聯達等[8]。在此基礎上，提出了一種基于人工經驗的工地布局規劃方法。虛擬工地是通過對施工過程中各個元素的數據進行分析，得到與之相適應的、具有一定抗干擾性的初步布局。

在復雜多變的施工現場，在施工過程中，會發生諸如設備故障、材料短缺、施工進度規劃變化、人員缺席等多種不確定事件，因此，必須對施工現場的布局作出動態的調整，這也增加了對施工過程的精準控制的難度。李生采用數據驅動的布局方式，以最小的代價減少布局目標的偏差，以最小的能耗為目標，采用多目標尋優算法，將實時監測的增量數據與虛擬工地、實體工地的實測數據相結合，生成最優布局方案，實現場地二次布局。然而，微小的場地變動并不會導致場地布局的合理，而頻繁的場地二次布局又會導致整個項目的資源浪費，同時還會使建筑生產的費用大大提高，因此，為了節省資金，工程管理者通常都會按照施工階段的劃分或重大不確定事件的發生來對工地進行布局。

3.施工場地動態布置優化

為實現對施工場地動態布置優化，構建施工場地布置問題數學模型。模型的輸入包括可用場地空間、臨時設施的種類、尺寸估算以及施工活動的具體持續時間。為便于計算，本項目擬將其外形近似看成由一條或幾條長方形組成，并基于建筑信息模型獲取其空間尺度L×W，并以此為依據進行結構優化。臨時設施的長度、寬度應根據后勤、設備要求及現場實際條件而定。建筑生產設備按其實際存儲情況可分為固定設備、儲存設備和處理設備。存儲設備應保證有充足的倉儲空間，使得材料不受自然氣候和其他自然因素的影響，并能方便地取得和存放材料。儲存設備中的材料儲備量是由材料的消耗以及兩個連續交貨的時間決定的，其計算公式為：

式中：Ac代表存儲設施的尺寸大小，C 代表常數，取值大于1，代表每個存儲單元所占用的區域以及所需要的空間。R代表材料消耗峰值速率，T 代表一段相鄰的材料之間的間隔。

在加工設施當中，機械設備的數量通常是由單位實際處理材料量決定，因此其計算公式為：

式中：Ap代表加工設施的尺寸大小，K 代表常數，取值大于1，具體取值根據工藝的特定因素，考慮作業變動及安全作業的因素設置。S 代表施工階段加工速率峰值，V 代表每一臺機械設備的加固速率。

假設某一臨時設施面積為A，其形狀為矩形，用L 代表矩形長度，W 代表矩形寬度，則臨時設施面積的大小可通過下述公式計算得出：

式中：Lmin代表臨時設施長度最小值，Wmin代表臨時設施長度最大值，α 和β 代表常數，對于任意一個α 值，都有與其相對應的β 值，且α 和β 的取值均大于或等于0。

在建筑裝卸作業中，由于障礙物較多，難以按照一條直線進行作業，因此，曼哈頓距離將障礙物納入其中，能夠更加準確地計算出各個暫居點間的運輸距離。假設在兩個設施之間存在障礙物，則可以按照下述四種路徑實現搬運。

搬運路徑為：A →①→②→③→④→B。A 設施與B設施之間的曼哈頓距離可以通過下述公式計算得出：

式中：Dij代表A 設施與B 設施之間的曼哈頓距離，MOD 代表修正障礙距離，（xA，yA）代表設施A 的位置坐標，（xB，yB）代表設施B 的位置坐標。

在施工組織管理中，一般把工程按照不同的專業進行細分，把不同的部分分為十個部分。為提高施工階段的臨時設施的流通費用及親密度，按照施工階段對施工場地進行布局，實現對施工場地的合理使用。但是，在實際的布局中，臨時設施的搬運將導致大量的人力資源消耗，頻繁的材料裝卸還會導致材料損耗和成本上升。所以，按照建筑分部工程的時間分布、工程量的大小、資源消耗的比重，把施工階段分為三個階段，即基礎與基礎工程、主體結構工程和裝修工程。圖4 為施工場地布置優化示意圖。

圖4 施工場地布置優化示意圖

由于基礎及基礎工程的復雜和隱蔽，所以在布局工程中不能設置臨時設施，所以在布局工程中要分別加以考慮。主體結構工程施工量大、交叉作業多、工序復雜，因此，在布局過程中，要將場地充分利用起來，并與施工過程相結合。在進行室內裝修時，要確保建筑平面整齊，并將易受污染的物料與其他物料、器材等隔離存放。

根據項目的不同階段，對臨時設施的需求各不相同，但也有部分臨時設施只適用于特殊的施工階段，其他時間則根據項目的需求進行適當調整。為此，本項目將考慮各施工階段對臨時設施空間位置變化的要求，建立基于三個主要施工階段的臨時設施空間布局動態建模方法。要想建立一個動態的施工場地布局模式，就必須要建立起一個建筑項目和一個臨時設施的對應關系。在此基礎上，按照施工組織計劃和施工進度，獲得臨時設施的類型和尺寸。最后，根據現場的具體情況，對場地進行最優的布置。

4.實例應用

對于上述提出的布置方案，將其應用到真實的施工場地當中，完成對場地的動態布置。真實施工場地為某高層住宅項目群建設施工場地，臨街建筑高度為76.52m，地上建筑面積為18560.24m2，地下建筑面積為625.32m2，抗震設防烈度為8 度，建筑物層數為26 層，地下一層，地上25 層。根據實際需要，對建設工程的三個階段，即基礎工程、主體結構工程和裝飾裝修工程三個階段進行合理的規劃。在已劃分的建筑階段內，無需進行大規模的拆除或新的臨時設備。考慮到施工場地中影響場地布置的因素主要是實現對施工進度計劃的推進，因此對比迭代取下和目標函數可以確定布置方案的有效性。圖5 為初始化布置和應用上述數字孿生驅動的布置結果圖。

圖5 初始化布置（a）和數字孿生驅動布置（b）結果圖

通過對比圖5 中兩種布置結果可以看出，初始化布置與數字孿生驅動的布置迭代曲線均收斂，相應方案達到了施工階段的最佳狀態，能夠提供在相應階段最合適的施工場地布置方案。

5.結論

數字孿生技術在施工場地動態布置中具有廣闊的應用前景。通過數字孿生技術，可以實現施工過程的全面模擬、實時監控和資源配置優化。這將有助于提高施工效率、降低成本、減少安全事故。未來，隨著數字孿生技術的不斷發展，其在施工場地動態布置中的應用將更加廣泛和深入。期待更多的研究和實踐能夠推動這一領域的發展，為工程建設帶來更多的創新和價值。