基于离散仿真的吊装工程低碳施工方案优化研究.pdf

Jun.2023JournalofEngigManagement2023年0 6 月No.3Vol.37第37 卷第3期理程报学管基于离散仿真的吊装工程低碳施工方案优化研究康怀强1，彭正，侯幸福3，李伟4（1.中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，北京10 0 8 50；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州31112 2，E-mail：p e n g _z h d e c.c o m；3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150 0 0 1：4.中交一公局第三工程有限公司，北京10 110 2）摘要：我国在建项目数量庞大，施工过程中集中使用大型机械的吊装工程会带来大量的碳排放。提出了基于离散事件仿真和多目标优化的碳排放计量模型，以哈尔滨市地铁三号线车辆段工程钢结构吊装工程为例，在5种施工情景下建立了6 6 种机械配置方案进行实证分析。并通过测算6 6 种施工方案的碳排放、成本及进度指标，基于灰色关联分析改进的TOPSIS法比选出了综合最优的施工方案，以此验证了该模型的可行性和合理性，实现了对传统LCA碳排放计量模型的改进和完善。关键词：离散事件仿真；多目标优化；施工碳排放；吊装工程中图分类号：TU722文献标识码：A文章编号：16 7 4-8 8 59（2 0 2 3）0 3-136-0 6D0I:10.13991/ki.jem.2023.03.024Discrete Simulation Based Optimization of Low Carbon ConstructionPlan for Hoist EngineeringKANG Huaiqiang,PENG Zheng,HOU Xingfu3,LI Wei4(1.Institute ofDefense Engineering,AMS,PLA,Beijing 100850,China;2.Powerchina Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 311122,China,E-mail:peng_;3.School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;4.The Third Engineering Co.Ltd.of CCCC First Highway Engineering Bureau,Beijing 101102,China)Abstract:The number of projects under construction in China is huge,and the construction process concentrates on the use of largemachinery for hoisting works,which will bring a large amount of carbon emissions.This paper proposes a carbon emissionmeasurement model based on discrete event simulation and multi-objective optimization,takes the steel structure hoisting of theHarbin Metro Line 3 vehicle section project as an example,and establishes 66 machinery configuration scenarios under fiveconstruction scenarios for empirical analysis.By measuring the carbon emission,cost,and schedule indexes of 66 constructionscenarios,the optimal construction scenario was selected based on the TOPSIS method with improved gray correlation analysis.Thisverified the feasibility and rationality of the model and improved the traditional LCA carbon emission measurement model.Keywords:discrete event simulation;multi-objective optimization;construction carbon emission;hoist engineering吊装工程贯穿于现代工程施工的全过程。然而，吊装工程在使用大型机械的过程中会带来大量的碳排放。据统计，建筑业碳排放总量在全球各行各业占比约2 8%，如果将建筑物化阶段碳排放考虑在内，全球的建筑与建筑业带来的碳排放占比高达40%。当前，全球范围正在积极开展节能减排运动。以中国为例，住房和城乡建设部在2 0 2 2 年印收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7.发了“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划，提出了推动装配式建筑项目实施、培育装配式建筑产业链等要求2,3。开展吊装工程的碳排放计量研究是施工节能减排和施工精细化管理的必然需求。吊装工程施工动作的持续时间往往具有离散性。离散事件仿真（Discrete EventSimulation，D ES）4,5是一种以事件驱动的动态系统，可以利用计算机强大的运算能力对复杂系统进行抽象，有效且真实地137.康怀强，等：基于离散仿真的吊装工程低碳施工方案优化研究第3期模拟施工过程，预测设备真实的操作和待工时间，精确计算施工过程碳排放量6 。从实际出发，在所有的施工目标中，项目成本和进度最先被决策者考虑进目标集7 ，追求“低碳”目标时需要同时考虑包括成本和进度在内的多个目标。灰色关联分析法8,9 和TOPSIS法10 12 是计算过程相对简单、计算量小、对数据要求少的多目标优化求解方法。本文使用灰色关联分析对TOPSIS法进行改进，并将其应用于吊装工程的“碳排放成本-进度”多目标优化问题求解。为实现在满足成本、进度要求的前提下降低吊装工程的碳排放量，本文提出了一种基于离散事件仿真的吊装工程施工碳排放计量模型，并以碳排放作为主要控制目标进行吊装工程施工方案的“碳排放-成本-进度”多目标优化研究。1吊装工程离散仿真模型分析1.1吊装工程离散事件分解依据主要施工工序，吊装工程可划分为构件运输、构件组合、构件吊装、节点固定4项内容。依据该通用施工工序，可分解为表1所示的离散事件。表1吊装工程离散事件分解工序离散事件划分构件运输构件装载、运输、卸载构件组合吊车装载、起吊、卸载、移位构件吊装吊车装载、起吊、卸载、移位节点固定螺栓固定、构件焊接、缆风绳固定1.2施工碳排放计量基础模型以构件作为实体运行模型，以各个施工动作作为服务器，将吊车作为资源进行调用，利用小车模拟平板车，按照先柱后梁、先形成稳定结构再向前进行的施工逻辑，利用SIMIO13仿真软件初步建立出吊装工程离散事件仿真模型如图1所示。平板车纵梁运输纵梁纵梁纵梁纵梁纵梁开始装车装载起吊卸载焊接平板车横梁运输横梁横梁横梁吊车横梁横梁开始结束装车装载起吊卸载移位焊接平板车柱运输柱柱柱柱柱开始装车装载起吊卸载焊接图1施工碳排放计量基础模型1.3基于离散仿真的碳排放计量模型仅以台班消耗量计量机械碳排放并不准确，还应该结合不同工作状态将台班消耗量加以修正。在此通过离散仿真模拟对机械工作状态进行详细统计，改进基于LCA评价法的碳排放计量模型。吊装施工机械作业时间消耗分布如图2 所示。工程机械作业时间必须消耗时间损失时间有效工作技术操作不可避免的多余工作违反劳动停工时间时间中断时间无负荷时间时间纪律时间与工人休息有关时间与机械本身有关时间与工艺过程有关时间循环时间定期时间过失原因造成非过失原因造成间图2施工机械作业时间消耗分布图2“成本一进度一碳排放”多多目标优化模型2.1多目标优化模型建立基于多目标优化14 模型的一般数学描述及对成本、进度、碳排放指标的研究与讨论，所建立的“成本-进度-碳排放”多目标函数的施工机械配置优化模型如下式所示：minZ=kC(n,F)+k,T+k,CE(n,f)ki+k,+k,=1k,0,k,0,k,0,C(n,F)=n*C,*F(n)+含n,*C,*F,(n)s.t.,F(n)Li(m)+/2(a)(1)80%0F(n)TCE(n,f)=)mb+n*QL,*式中，F(n)是施工机械i的总工作台班数；fi(n)是施工机械i的正常工作台班数；fi2(n)是施工机械i的怠工工作台班数；C(n,F)是吊装工程的施工总成本；ni是施工机械i的数量；C是施工机械i每工作台班的费用；F(n)是施工机械i的工作台班数；nj是施工工种j的工人数量；C是施工工种j每工作工日的费用；F(n)是施工工种j的工作工日数；i是施工机械种类；是施工工人工种；n是主要决策变量，表示各备选方案所需施工机械设备型号及数量组成的向量；是辅助决策变量，表示各备选方案所需施工机械台班数及所需配合工种工日数。2.2多目标优化求解设评价方案集合为X=x1，x 2，x n)，评价指标集合为A=a1,a2,a3)，这3个指标分别是成本C,进度T、碳排放CE，3个指标的权重集合为W=w1,W2,W3。在此分别基于单独灰色关联分析法、TOPSIS138第3 7 卷理程报学管法进行求解。2.2.1；灰色关联分析法求解（1）建立评价方案矩阵CX，表示式为：x;(1)x;(2)x;(3)x(1)x2(2)x,(3)CX=（2）x,(1)x,(2)x,(3)（2）针对每个指标从n个方案中选出最优值组成理想值向量，即成本最小、工期最短、碳排放最低方案组成的理想方案向量15，将理想值向量加人评价方案矩阵构成理想方案矩阵PCX，理想方案矩阵可以表示为：X;(1)X(2)X;(3)X(1)x2(2)x(3)PCX=(3)x,(1)x,(2)x,(3)px(1)px(2)px(3)（3）对所有指标数据进行标准化处理。由于每个指标的量纲和数量级不同，为了保证结果的正确性，必须对理想方案矩阵的每一个元素进行标准化处理以消除量纲。同时，本文的3个指标均追求最小化，方向一致，不需要进行同向化处理，只采用平方和归一化处理，计算公式如下：X,(k).(k)=(k=1,2,3)（4)将所有指标标准化处理后即可使理想方案矩阵转化为规范矩阵F，规范矩阵可表示为：.(1)Ji(2)(3)J.()J(2)J(3)F=（5）J,(1)J,(2)J,(3)fpx(1)fpx(2)fpx(3)（4）计算指标灰色关联系数。将各方案的每一个指标与理想方案中的对应指标比较，即可得到该方案各个指标与理想方案中的最优指标的灰色关联系数。灰色关联系数公式如下：n3n3minminl/px(k)-f,(k)+pmaxmax/Tpx(k)-f,(k)S,(k)=K-(6)1px(k)-f,(k)+pmgxmax/x(k)-.(ky其中，p是分辨系数，0 p1。p 越小，关联系数间差异越大，区分能力越强。通常p取0.5。（5）计算关联度。如果认为各指标同等重要，则不考虑指标权重，直接计算关联度即可，若考虑指标权重则计算加权关联度。计算公式如下：（不考虑指标权重）31（7)r=Z5(k)w.(i=1,2,3,.,.n)（考虑指标权重）各方案与正负理想方案的加权灰色关联度，计算公式如下：=Z5,(k)w(i=1,.)（8)k=1=Z5,(k)w,(i=1,2,.,n)k=1（6）根据各方案与最优方案的关联度对方案进行排序，选出最优方案。2.2.2TOPSIS法求解思路（1）建立评价方案矩阵CX，该步骤与灰色关联分析法相同，矩阵见式（2）。（2）针对每个指标从n个方案中选出最优值和最差值，分别组成正理想值向量和负理想值向量，将正、负理想方案向量加人评价方案矩阵，构成理想方案矩阵PCX，理想方案矩阵如下：X;(1)X;(2)X;(3)X(1)X2(2)X2(3)PCX=x,(1)x,(2)x,(3)(9)px*(1)px*(2)px*(3)Lpx(1)px(2)px(3)（3）对所有指标数据进行标准化处理。方法与灰色关联分析法相同，公式如式（4）所示。将所有指标标准化处理后即可使理想方案矩阵转化为规范矩阵F。规范矩阵可表示为：(1).(2)i(3)J(I)f(2)J.(3)F=J,(1)J,(2)J,(3)(10)fpx(1)fpx*(2)px*(3)Lpx(1)fpx(2)fpx(3)（4）如果认为各指标同等重要，即不考虑指标权重，则可直接计算各方案指标与正理想方案和负理想方案的距离，计算式如下：D(i=1,2,3,.n)(11)D？（不考虑指标权重）如果考虑指标权重，则需要计算各方案指标与正理想方案和负理想方案的加权距离，即将各指标权重代人公式进行计算，计算公式：139.康怀强，等：基于离散仿真的吊装工程低碳施工方案优化研究第3期D(i=1,2,3,.,n)（考虑指标权重）（12）2(u.(k)-px()wD（5）计算各方案与正理想方案的贴近程度，计算公式如下：DC,(i=1,2,3,.,n)D+D,(13)其中，0 C;1，若C,越大，则说明该备选方案相对更贴近正理想方案，则该备选方案更优。（6）根据各方案与正理想方案的贴近程度排序，选出最优方案。2.2.3灰色关联分析TOPSIS法组合求解由于本文既需要做方案间的整体评判，又需要分析各指标的动态变化及各指标对系统的影响强度及指标间的相互关系，而这两个多目标优化求解模型单独使用时都存在一定的缺陷，这些缺陷又是两种方法可以互补的。因此本文使用灰色关联分析对TOPSIS法进行改进，按下式求解组合贴近程度。h,=Q,C,+0,M,(14)其中，hi是组合贴近程度值；C;是各方案与正理想方案的TOPSIS贴近程度值（见式（13）；Mi是各方案与正理想方案的灰色关联贴近程度值，计算公式如下：M(i=1,2,3,.,n)(15)r+1显然，在式（14）中，hi越大，则方案越贴近正理想方案。其中，1和2 取决于决策者对两种求解方法的偏好程度，0 1+0 2=1，本文取0 1=0 2=0.5。3工程实证分析本文以哈尔滨市地铁三号线车辆段工程D区洗车轮库的吊装工程进行实证分析。洗车轮库区域钢结构框架高12 m，东西方向跨度9m，南北方向跨度6 m。其中，型钢柱单根重量958 5kg，共计6 0 根；框支横梁单根重量48 6 4kg，共计54根；框支纵梁单根重量3344kg，共计50 根。3.1施工情景设定项目原方案中，针对洗车轮库的钢结构吊装工程采用梁、柱逐一吊装的施工方案，机械配置为：1台10 0 t汽车吊在构件堆场实现构件装车、3辆12 m平板车实现构件堆场到现场的运输、2 台10 0 t汽车吊进行现场吊装、3组焊接设备负责节点螺栓旋紧及焊接作业。在仿真模拟过程中发现部分工序的机械配置存在优化空间，因此在原施工方案的基础上进行优化调整。优化的方向主要有：差异化选择吊装机械、进行部分拼装减少空中作业、增加梁节点固定劳动力。根据上述优化方向，在原施工方案的基础上可以设置出5种施工情景如表2 所示。分别建立对应的仿真模型，按照不同机械配置运行仿真模型，选择出影响运行时间的机械数量范围，最终产生出6 6种施工方案，施工机械定额数据如表3所示。表2 施工情景设定情景吊装方案梁、柱逐一吊装施工方案（10 0 t与50 t汽车吊组合）梁、柱逐一吊装施工方案（仅使用10 0 t汽车吊）三部分拼装后吊装施工方案（150 t与50 t汽车吊组合）四部分拼装后吊装施工方案（10 0 t抬吊与50 t汽车吊组合）五部分拼装后吊装施工方案（仅使用10 0 t汽车吊）表3施工机械定额数据表情景运输机械150t汽车吊100t汽车吊50t汽车吊焊接设备一301-21-33-5三301-403-5三31-211-24-6四302-31-24-6五302-504-63.2工程基础数据收集（1）施工离散事件持续时间收集。根据吊装工程施工离散事件通用分解方法，将部分工序中的离散事件进行合并、修改或删除，形成了更符合实际情况也更为流畅的施工步骤分解。实证分析的施工工序分解流程图如图3所示。开始平板车装载平板车运输否构件组合？是组合构件柱吊车横梁吊车纵梁吊车吊车装载装载装载装载组合构件柱起吊横梁起吊纵染起吊起吊组合构件柱吊车横梁吊车纵梁吊车吊车卸载卸载卸载卸载吊装完成？节点固定是吊车移位吊车移位？是结束图3施工工序分解流程图以型钢柱构件起吊施工离散事件分解为例，在项目现场进行2 0 次观测。将整理后的施工动作持续时间观测数据进行拟合，K-S检验统计量均大于0.05，故结果有效，施工动作持续时间均符合正态离争件具结果140：报理学程第37 卷管分布，施工动作持续时间频率分布直方图与正态分布曲线拟合效果如图4所示构件运输-桂装载构件吊装-柱起吊80000:000:01213141516171819404550556065构件运输一柱装载构件吊装-柱起吊（a）构件运输-柱装载（b）构件吊装-柱起吊构件吊装-柱卸载吊车移位-10 0 t汽午吊00000000456781820222426构件带装-柱御载吊车移位-10 0 t汽车用（c）构件吊装-柱卸载（d）吊车移位-柱起吊图4构件施工全过程持续时间频率分布直方图（2）施工机械定额数据收集。按照2 0 17 全国统一施工机械台班费用定额计取机械定额能源消耗。本项目机械的定额数据如表4所示。表4施工机械定额数据表规格能源消耗能源消耗量设备名称号型号类型排放因子（台班/台）1汽车吊50t柴油3.2251.92Kg2汽车吊100t柴油70.06Kg3履带吊150t柴油125.67Kg413m平板车12t柴油44.98Kg5CO,气体保护焊机KR-500电力1.3670.70Kw*h（3）施工人工定额数据收集。本文实证分析案例所涉及的工种劳动强度及碳排放因子如表5所示。表5施工机械定额数据表施工工种劳动强度人工碳排放因子碳排放系数单位安装工中度2.42KgCO2/（人*工日）焊接工中度吊车司机轻度2.09平板车司机轻度指挥工轻度信号工轻度3.3基于离散仿真的计量结果分析根据上述施工情景设定建立如图1所示离散事件仿真模型框架，输人参数并进行模型验证，得到各情景最终的离散事件仿真结果如图5所示。3.4组合贴近程度求解将各方案与正理想方案的灰色关联贴近程度值和TOPSIS贴近程度值各占50%比例进行加权和，构成组合贴近程度，并按照各方案与正理想方案的组合贴近程度对所有方案进行排序，得到组合贴近程度如表6 所示。各情景碳排放趋势对比图1615141312111098123456789101112131415161718施工方案中施工情景一一施工情景二一一施工情景三一施工情景四开一施工情景五（a）碳排放趋势各情景成本趋势对比图4540353025201345679101012131415461718楚工方茶一日一施工情景一一施工情景三一施工情景三一施工情景四日一施工情景五（b）成本趋势各情景进度趋势对比图（?）工1311975123456789101112131415161718施工方案一施工情景一施工情景二一一施工情景三一施工情景四一一施工情景五（c）进度趋势表6组合贴近程度降序表方案组合贴方案组合贴方案组合贴编号近程度编号近程度编号近程度A(2,3,5)0.82E(5,6)0.61D(3,1,6)0.52A(2,2,5)0.79A(1,3,3)0.61E(3,5)0.51B(3,5)0.77C(1,1,6)0.61C(2,1,4)0.51B(4,5)0.77B(3,3)0.61C(2,2,4)0.50A(1,3,5)0.73A(1,1,5)0.60E(3,6)0.49C(1,2,6)0.72B(4,3)0.60D(3,1,4)0.48A（1,2,5)0.71C(2,2,5)0.60D(3,2,4)0.48C(1,2,5)0.67B(2,3)0.59D(2,1,5)0.47A(2,3,4)0.67A(2,1,5)0.59D(2,2,5)0.46A(1,2,4)0.67D(3,2,5)0.58D(2,1,6)0.45A(2,2,4)0.66A(1,1,4)0.57D(2,2,6)0.45B(2,5)0.66E(4,6)0.57E(4,4)0.44A(1,3,4)0.66A(1,1,3)0.56E(3,4)0.44C(2,2,6)0.65C(2,1,6)0.56E(5,4)0.44A(2,2,3)0.63A(2,1,4)0.56D(2,2,4)0.40D(3,2,6)0.63C(2,1,5)0.56D(2,1,4)0.39B(3,4)0.63A(2,1,3)0.56B(1,3)0.36B(2,4)0.63C(1,1,4)0.56B(1,4)0.35B(4,4)0.62C(1,2,4)0.55B(1,5)0.35A(2,3,3)0.62E(5,5)0.55E(2,5)0.30A(1,2,3)0.62D(3,1,5)0.54E(2,6)0.28C(1,1,5)0.61E（4,5)0.54E(2,4)0.243.5“碳排放一成本-进度”多多目标优化求解按照各方案与正理想方案的组合贴近程度对所有方案进行排序，得到最优施工方案为A（2，3，5）。最优施工方案A（2，3，5）与原施工方案B（2，3）3个指标对比情况如表7 所示。可以看出，相比于原方案，最优方案可使碳排141康怀强，等：基于离散仿真的吊装工程低碳施工方案优化研究第3期表7最优方案与原方案对比情况表方案编号碳排放（kg）成本（元）进度（天）原方案B（2,3）10604.44282785.3414.16最优方案A（2,3,5）9943.65252637.867.72放在原方案基础上降低6.2 3%，即0.6 6 t，同时可使成本在原方案基础上降低10.6 6%，而且在原方案基础上压缩了45.48%的工期。3.6结果分析（1）从组合贴近程度表（见表6）可以发现，施工情景一与施工情景二中方案与理想解的贴近程度相对较高，说明在吊装工程施工中减少工序复杂程度对于方案优化更为关键，在此基础上识别关键工序并做合理资源分配就能得到最优施工方案。（2）从多目标优化模型求解的角度分析，“碳排放-成本-进度”多目标优化问题与基于灰色关联分析改进的TOPSIS法匹配度很高。采用这种方法，不仅计算量小、计算过程简单，并且可以同时从方案和指标两个角度分析各备选方案，为项目决策提供充足的信息（3）从指导施工的角度分析，一方面将碳排放作为主要控制目标进行施工管理，在施工优化过程中同时带来了成本与进度的优化，说明碳排放指标的优化并不一定会造成成本和工期的增加，反而存在同时优化的可能性。所以施工过程中管理者将以碳排放目标作为关键控制目标进行施工管理，以碳排放目标的优化带动成本、进度目标的优化；另一方面，在控制过程中，应主要关注机械及人员配置是否使得施工流水作业效率得到了提高、施工方案是否使工序得到了简化，机械选型能否充分发挥该机械的效率，不可极端追求成本或进度的最优，而是要综合考量，否则会造成控制失效等。在上述要求下指定合理的施工方案并在施工中及时纠偏，就能使施工过程中的碳排放、成本、进度管理目标都得以实现。4结语本文考虑了施工碳排放的动态输出特性，采用离散事件仿真模拟吊装工程施工过程，将碳排放的计量数据从定额台班维度精确到正常工作时间、怠工时间、停止时间的维度，提出了基于离散事件仿真的吊装工程碳排放计量模型。以离散事件仿真作为基础进行碳排放计量和施工方案优选具备可行性和合理性，改进后的碳排放计量模型可以提高吊装工程碳排放计量精度，以碳排放作为控制目标进行施工方案优选符合实际施工情况及未来发展需要。此外，通过本理论方法可以清晰直观地比较各施工方案的机械工时间长短、流水施工作业效率、工序复杂程度等施工方案表现，可为施工方案优化和施工动态管理提供方向和理论指导。参考文献：1 Klaus Mohn.The gravity of status quo:a review of IEAsworld energy outlookJ.Economics of Energy&EnvironmentalPolicy，2 0 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