基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度——以某装配式住宅项目为例.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:陈剑辉()男广东广州人研究方向为数值优化计算(:.)通讯作者:范村莹()女江西赣州人硕士讲师研究方向为项目决策优化(:.)基金项目:广东海洋大学“冲一流”学科建设科研项目()广东海洋大学企业委托项目()基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度 以某装配式住宅项目为例陈剑辉 范村莹 庞翠娟(广东海洋大学 海洋工程与能源学院 广东 湛江)摘 要:在整个装配式建筑生命周期中施工吊装过程是预制装配式建筑施工进度问题的重要环节 根据运筹学中旅行商问题()的运算逻辑可以优化 构件吊装顺序以达到高效率施工的效果 从蚂蚁群寻觅食物的时候留下信息素并逐渐获得最短路径的生理过程得到启发本文通过建立装配式吊装调度优化模型分别考虑人为因素和机械因素结合原有的施工组织设计对实际的吊装施工过程进行模拟建模通过设定参数以及约束条件综合应用总效应系数和蚁群算法对模型求解获得优化吊装设计方案进行项目工期的评估验证了蚁群算法对于复杂的旅行商问题求解的高效性及科学性本研究为装配式预制构件吊装流水施工的调度优化提供了新思路关键词:装配式建筑 吊装优化 理论模型 蚁群算法中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.().:随着人工运输、机械辅助、自动化、计算机运用等技术的不断更迭人们发现信息技术与工业化建筑相融合越来越能在建筑施工上发挥强大优势 在装配式建筑施工过程中装配式构件的吊 第 期陈剑辉等:基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度 以某装配式住宅项目为例装运输效率对施工进度有较大的影响根据二八定律采取主动控制是非常必要的在施工项目开始以前就应对设计方案进行优化 吊装优化是典型的资源受限项目调度()的运筹学问题该问题旨在通过分析目标问题进行吊装时人员流水施工的优化调度以缩短项目实际周期降低成本遗传算法是计算数学中用于解决最优化的搜索方法也是目前装配式构件吊装调度方案优化运用得比较多的算法 和 最先应用了遗传算法进行路径规划的研究后继邓乾旺等提出在原有的基础上添加包围盒属性保证最优解搜索的精度 遗传算法的优点在于比传统运用的旅行商问题()多了对施工方案中施工次序、空间自由度等的考虑同时其稳定性也非常优越但缺点在于迭代的速度相对较慢同时由于栅格精度与运算效率之间有着一定的矛盾性导致比较容易出现局部最优化的状况实质上遗传算法更适合求解离散问题 而蚁群算法通过其算法逻辑本质上更适合路径规划即本文主要解决的装配式构件吊装规划问题参考刘香香、李文杰等学者的成功案例本文通过案例与算法理论相结合以某装配式住宅项目施工吊装调度方案为例探索基于蚁群的算法优化装配式构件施工调度问题建立数学模型来对现实吊装方案进行优化 通过算法优化获取调度方案的最优解从而指导施工现场的优化调度降低现实的吊装成本提高吊装效率缩短吊装工期 在客观上避免由于传统调度的误差性导致成本上涨的问题通过对比施工工期来检验优化的效率可以帮助施工管理人员规划施工现场并提高施工现场的安全性增强了优化模型的工程实用性与实际施工进度计划对比总结算法优化的指导性意义 理论研究.蚁群生态的基本原理蚁群算法总的来说是通过借鉴蚂蚁觅食的方法科学地寻找出一个最优的近似解 其基本原理就是每当蚁群觅食时每一只蚂蚁在觅食的过程中同步释放一种称为“弗洛蒙”的信息素这种信息素具有一定的挥发性每一只蚂蚁自身又具有识别信息素以及其浓度的能力蚂蚁通过识别“弗洛蒙”的浓度会更加倾向于朝着信息素浓度高的路径探索在一只又一只蚂蚁从初始点到终点再到初始点的不断循环往复在一边挥发一边堆积的信息素正反馈过程中一条“弗洛蒙”浓度最高的路径就会越发显现出来以此寻找出最优路径.蚁群算法的基本模型在计算之初初始化包括:蚂蚁数量、信息素因子、启发函数因子、信息素挥发因子、信息素常数、最大迭代次数 等参数再构建出每个需要吊装的地点范围将各个蚂蚁随机放置于不同的出发点待其访问完所有城市最后通过统计路径的距离并不断更新信息素在运算迭代次数达到设定的最大值 时获得最优解后终止运算()()()()其他()式中:为第 只蚂蚁 与 分别为起点和终点()/为 两点路径距离的倒数()为时间 时由 到 的信息素浓度 为尚未访问过的节点集合()()()()()()式中:为已访问过信息素浓度堆积量 式()为信息素不同时刻 在不同坐标点下更新的方程其中 为信息素的挥发强度式中()为挥发后的信息素残留因子当前信息素浓度乘以信息素残留因子后再加上信息素堆积量则得到了下一时刻()信息素的浓度 式()中/意味着每只蚂蚁在各段路上释放的信息素浓度相等信息素浓度堆积量 与总路径 成反比随着蚂蚁行走的路径长度越长值越小 工程案例.项目概况该装配式调度工程项目为江苏省某装配式住宅楼 楼(以下简称 楼)其 层为装配式整体式结构预制的构件类型有:预制叠合楼板、预制内隔墙 其中预制叠合楼板范围为 土木工程与管理学报 年层预制内隔墙范围为 层如图 所示图 层预制楼板平面布置/图 层内隔墙平面布置/图 中阴影面为预制楼板布置面预制楼板面积为.图 中阴影面为预制内隔墙布置面预制内隔墙为 厚内隔墙板面积.本项目所有预制构件全部采用工厂流水加工制作制作的产品直接用于现场装配设计过程中运用 技术模拟构件的拼装减少安装时的冲突部分外墙 结构采用套筒植筋高强灌浆施工的新技术施工工艺将 结构进行有效连接增加了 结构的施工使用率以提高施工效率 按照 结构的施工特点采用外挂架施工 表 为该项目的装配式混凝土构件表 预制楼板构件尺寸预制楼板构件尺寸/()/()()()/表 预制内隔墙构件尺寸(墙厚均为 )预制内隔墙编号构件尺寸/预制内隔墙编号构件尺寸/()/()()()()/()()()()表 预制构件混凝土强度等级与后浇混凝土强度等级项目预制构件预制构件混凝土强度等级后浇混凝土叠合层强度等级通用预制叠合板/预制内隔墙/.项目施工组织设计.起吊工具的使用要求根据预制构件的单件重量、形状、安装高度、吊装现场条件吊具采用预埋吊环吊装机械为落地式塔式起重器 结合尹静、李戎焱等的研究结论合理设定吊机摆放位置 为满足回转半径的覆盖吊装区域与附墙位置至少应有 的距离塔机臂长为 如图 所示 吊钉选用不锈钢圆头吊钉承重等级为.吊装设备应在安全操作下进行 待混凝土强度达到后构件方可起吊预制构件吊装采用慢起、快升、缓放的操作方式预制构件吊装前应进行试吊吊钩与限位装置的距离不小于 起吊依次逐级增加速度不越档位操作 预制构件起吊时的吊点合力与构件重心重合采用可调式横吊梁均衡起吊就位 构件吊装下降时构件根部系好揽风绳控制构件转动保证构件就位平稳?25 m?30 m?图 参照工程案例所需臂长选配塔机图解.构件安装施工流程该项目 构件每层的安装施工流程为:构件进场储备轴线、标高测设埋件校正分仓墙板安装、校正、固定底部缝隙封闭、注浆连接竖向钢筋绑扎墙柱合模排 第 期陈剑辉等:基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度 以某装配式住宅项目为例架、模板搭设叠合板、楼梯吊装楼板钢筋、水电预埋混凝土浇筑爬架爬升、拼缝打胶开始下一层 施工.吊装施工进度楼第 层装配式构件吊装施工进行时间为 年 月 日至 月 日 根据装配式构件的存放点堆放顺序路径缩短化等的因素综合安排吊装顺序总体施工组织设计吊装方案是自左向右依次吊装吊装顺序按照以下装配式构件的编号进行装配式楼板为 吊装路线如图 所示图 预制叠合楼板吊装路线装配 式 内 隔 墙 为 吊装路线如图 所示图 预制内隔墙吊装路线根据施工总进度计划编制一层现场的原吊装计划如图 所示?1 d?2 d?3 d?4 d?5 d?6 d?7 d?8 d?9 d?、?、?、?图 吊装计划 构件安装需要吊装工人 人灌浆工人 人接缝打胶工人 人一个标准的 施工小组约 人左右如表 所示表 施工组织设计序号任务名称工程量施工人数时长/测量放线.贴海绵条、分仓.内隔墙吊装 块连接缝隙封堵.内隔墙连接灌浆 块竖向钢筋连接绑扎.墙柱合模加固 块叠合板支撑架搭设.叠合板安装 块楼面水电预埋及钢筋绑扎.墙柱、楼面混凝土浇筑.蚁群算法模型.案例参数化塔机开始运作的时候起升到对应楼层的作业平面 将每个预制构件的平面几何中心作为布置点进行蚁群算法计算 根据内隔墙和叠合楼板的装配式构件施工布置平面图以 轴和轴的交点为坐标原点根据装配式构件的尺寸以及施工平面布置所在的位置可得各个构件几何中心点坐标如表 所示 土木工程与管理学报 年表 预制楼板的坐标位置预制楼板编号坐标点预制楼板编号坐标点表 预制内隔墙的坐标位置预制内隔墙编号坐标点预制内隔墙编号坐标点.约束变量.模型中装配式构件施工时考虑人为因素的条件约束理论模型难以保证对现实吊装施工的拟真度往往在模型建立时很容易忽略施工环境、自身素质、组织管理、激励措施、机械设备的实际情况影响因素()施工环境施工现场的温度、湿度、光照强度或多或少影响施工工期的进度尤其是夏日高温极端作业情况下作业工人相对容易进入到倦怠、注意力不集中的状态另外施工现场尘土飞扬、机械嘈杂也会直接影响到原有的施工组织()自身素质施工企业的素质不同会影响实际吊装的工期 其中装配式建筑的施工素质重点在于:塔机驾驶员对塔机吊装操作的熟练程度、与现场安装工人的配合默契程度以及操作当时的精神状态当塔机驾驶员的素质越高在繁重的现场作业任务与高强度的工作下才能与其他施工人员默契配合()组织管理装配式建筑施工作业时更需要严格按照项目负责人的施工组织设计安排进行对于装配式构件的搭接更是需要现场作业人员以及塔机操控员相互配合 施工人员组织混乱或不服从组织安排都会极大影响流水线作业的实现 领导优秀的管理能力有利于加强作业人员、材料、机械的合理配合从而避免引发误工、延长工期的现象()激励措施装配式建筑施工作业属脑力与体力并存的工种 现场作业工作时间越长工人越容易出现失误怠工、情绪低落、行动迟缓等技术性施工疲劳现象影响吊装施工的连贯性导致出现吊装施工效率低下的情况 而实际的现场作业工时与工作效率呈负相关的趋势故在组织管理时对工人的激励措施是必不可少的()机械设备装配式构件吊机运作受吊装塔机的性能、设备新旧程度的影响因此机械设备的定期检查维护也是必不可少的 机械设备的操作复杂程度也在一定情况下影响着塔机工人的操作效率 此外吊装塔机的选型也应符合工程规模与现场环境综合上述 个因素能够一定程度上使模型对施工模拟程度进行优化引用人体疲劳对建筑工程施工质量的影响研究成果在基于问卷调查和结构模型的基础上对施工工人的疲劳程度进行量化 通过利用主成分分析法得到施工环境、自身素质、组织管理、激励措施、机械设备的 个代表性因子再根据 计算得到人体疲劳对施工作业的影响总效应系数 以总效应系数作为模型的拟态因子 可以对施工进行预期估算模型的建立如式()所示()()()()式中:()为第 次塔机吊装运行时从装配式构件需求地 到装配式构件需求地 人为因素影响下的时间.塔机运行时机械因素影响下的时间条件约束()构件存放和塔机的位置塔机的放置点()作为研究的初始 第 期陈剑辉等:基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度 以某装配式住宅项目为例设定点 为提高吊装效率需要合理设置构件存放放置点 考虑到吊臂需要从构件存放和装配式构件放置点来回往返运动以及吊装耗时较大的部分为吊臂切向运动的过程因此构件存放坐标点的设置是关键 根据施工布置图装配式内隔墙和装配式叠合板大致均为对称分布以图纸中线轴作为构件存放的横坐标比较能发挥塔吊的吊装效率也不会超过塔机的最大回转半径同时为保证构件存放放置点与建筑保持 的距离故构件存放坐标点 设定为()()构件的运行轨迹结合戈姗姗、段海宁、杨浩、徐鹏等的模型研究本案例模型预制构件的运行轨迹为当吊装前的准备工作完成之后便可以运行位于()坐标点的塔机塔机的吊具先从位于()的构件存放场上安装好要吊装的预制构件摆动切线方向的弧度 后再径向运行到各个 构件吊装坐标点上进行安装 每完成一次预制构件的吊装塔机的吊具返回到构件存放场以此作为一次吊装的流程循环往复直至完成对叠合板或内隔墙的吊装实际上塔机在吊装时的运行轨迹包括沿着塔机吊臂的径向方向以及塔机吊臂弧形的切线方向 塔机的挂具在安装好 构件之后需转动到装配式构件需求点 所需的角度 使吊装的切线方向达到需求点 的要求再根据装配式构件需求点 所在位置调整径向距离 实际的径向运动轨迹距离为:()式中:为吊臂初始径向外伸长度案例中根据构件存放放置点的几何关系设定为 为吊臂调节到装配式构件需求点的径向外伸长度 由于案例构件放置点、塔机的放置点、构件存放的放置点都已二维坐标参数化根据两点距离公式:()()()由式()可以算出各个坐标点水平运动的距离 对于塔机吊臂切线方向的运动弧度可以通过已知上述三点的坐标计算得到两点间距离运用余弦定理公式:()()()()()()式中:()为塔机的放置点 与构件存放的放置点 之间的距离()为塔机的放置点 与构件需求放置点 之间的距离()为构件存放的放置点 与构件需求放置点 之间的距离由上述计算得到径向轨迹距离 和切线弧度 再根据塔机的性能属性中变幅速度、回转角速度 即可得到塔机运行时机械因素影响下的时间:()().目标函数根据上述约束条件塔机对所有装配式构件完成吊装时所耗费的人为和机械的时间要最小以达到工期缩短优化的效果得到的目标函数表达式如下:()()()式中:()为第 次塔机吊装运行时从装配式构件需求地 到装配式构件需求地 机械因素影响下的时间.理论假设()装配式构件的调度安排符合原有设计的吊装施工工艺并且模型中机械因素部分与人为因素部分之间相互独立严格按照 构件安装施工流程两两之间没有相互影响()装配式构件一次吊装完成吊具与吊臂运行时安全无障碍无需进行二次吊装()装配式构件需求点在 构件吊装完成到达时刻起即需求被满足自动在构件需求点集合中消失查找下一个未被选中的位置吊装 模型的优化运算.案例参数的设置.算法参数设置以图纸中预制内隔墙和叠合板的坐标参数为基础设定初始化参数 蚁群算法的最大迭代次数 为 次预制内隔墙与预制叠合板设置的蚂蚁个数设定为装配式构件的.倍因此根据计算得到两组的蚂蚁数分别为 只 信息素因子、启发函数因子、信息素挥发因子 分别设定为.均在算法合理范围之内最后分别就装配式叠合板和装配式内隔墙通过蚁群算法计算 层每层现场作业配合 构件吊装的流水施工最优路径.塔机运行时人为因素参数设置考虑吊装施工的人为因素是一个模棱两可的概念实际很难量化人的主观因素 客观量化一直是当前研究的难点一般难以定量地描述出实 土木工程与管理学报 年际施工情况引用人体疲劳对建筑工程施工质量的影响研究成果通过问卷调查及结构模型的计算我们可以设定优化模型中塔机运行时人为因素影响下的时间()的拟态因子 为.使得模型更加接近实际情况.塔式起重机参数设置现场使用的塔式起重机 根据吊机出厂制造规格它的顶升速度./变幅速度 /回转角速度./整机高度为.最大回转半径为.塔机的工作温度为 整机总功率为.(不包括顶升电机)在装配式构件吊装时假设天气状况良好起重机吊钩以及吊臂在吊装运行时平稳无障碍现场作业施工情况良好.蚁群算法的运行结果针对上述具体问题和相关数据采用蚁群算法进行求解 根据问题的规模设置了以 代最大迭代次数的迭代运算 该算法采用 语言编程最短距离、最优路径和 运行时间如图 所示.装配式内隔墙的运算结果根据运算结果可以得到优化后的装配式内隔墙的最优吊装调度方案为:图 中 分别为最优吊装调度方案内隔墙序号运算得到的简化每层的最短路径距离为.运算耗时为.?(:62296.4389)1?234567891011121314151617181920212223?0.20.40.60.81.01.21.4?/10 mm4-1.5-1.0-0.500.51.01.5?/10 mm4图 内隔墙蚁群算法优化路径.装配式叠合板的运算结果根据运算结果可以得到优化后的装配式叠合板的最优吊装调度方案为:020406080100120140160180200?9.08.58.07.57.06.56.0?/10 mm4?图 内隔墙蚁群算法最优解收敛图 图 中 分别为最优吊装调度方案叠合板序号运算得到的简化每层的最短路径距离为.运算耗时.1?2345678910111213141516171819202122?1.51.00 50.?/10 mm4-1.5-1.0-0.500.51.01.5?/10 mm4图 叠合板蚁群算法优化路径020406080100120140160180200?/10 mm4?11.010.510.09.59.08.58.07.57.0图 叠合板蚁群算法最优解收敛图.模型优化结果.塔机运行时人为拟态因素影响下的时间()一层的装配式建筑工程原施工组织设计为 第 期陈剑辉等:基于蚁群算法的装配式构件施工吊装调度 以某装配式住宅项目为例 工时共计为 已知模型设置人为因子 则实际现场作业工时为.在进行蚁群算法优化调度装配式构件现场流水施工后的实际总工时为.塔机运行时机械因素影响下的时间()根据上述塔机作业分析模型考虑装配式构件的切线运动以及径向运动分别求出对应的实际距离 根据设定的塔机的放置点()和构件存放坐标点()通过公式可求得实际吊装预制楼板和预制内隔墙构件的径向距离和切线弧度如表 所示表 吊装预制楼板构件的径向距离和切线弧度构件编号径向距离/切线弧度/构件编号径向距离/切线弧度/./././././././././.表 吊装内隔墙构件的径向距离和切线弧度构件编号径向距离/切线弧度/构件编号径向距离/切线弧度/././././././././.已知塔式起重机的变幅速度 /回转角速度 ./综上计算可得机械因素吊装内隔墙的总距离和总弧度分别为 和.而吊装叠合板的总距离和总弧度分别为 和.最后计算吊装内隔墙总耗时为.吊装叠合板总耗时为.结 论根据案例施工布置图本研究提出的优化方案为塔机的放置点()、构件存放放置点()并根据式()计算出优化率优化率优化量原吊装机械部分耗时量()装配式内隔墙的最优吊装施工优化路径方案为:优 化 率 达 到.装配式叠合板的最优吊装施工优化路径方案为:优化率达到.本研究取得的主要成果如下:()建立了考虑构件存放、塔机位置、构件安装顺序等塔机运行时机械因素影响以及引用人为拟态因子 对工期预估的装配式吊装调度优化模型()通过蚁群算法以最大迭代次数 次运算设计了装配式内隔墙和装配式叠合板 条优化吊装线路()通过原施工组织设计与施工工艺的比较验证了蚁群算法可以以较短时间将复杂的 旅行商问题求解并得出近似的调度优化方案 结 语本文基于蚁群算法以及优化的装配式施工工艺构建了一个装配式构件吊运安装调度优化模型通过将现实案例各个场地位置进行参数坐标化进行优化运算求解出最优的调运方案计算出优化率 优化调度设计方案可以为现实装配式作业施工提供一定参考以达到指导施工现场的塔机服务调度优化降低吊装成本提高吊装效率缩短吊装工期的目的同时也为后续装配式建筑吊装施工调度提供新思路参考文献 .():.邓乾旺 高礼坤 罗正平 等.基于多目标遗传算法的起重机吊装路径规划.湖南大学学报(自然科学版)():.土木工程与管理学报 年 刘香香 孙 凤.基于蚁群算法的装配式建筑施工工序多目标优化模型.土木工程与管理学报():.李文杰 黄春 刘占省 等.装配式构件施工现场吊装调度建模与优化.土木工程与管理学报():.尹 静 杨阿慧 王凯晖.装配式混凝土结构塔机吊装服务调度研究.混凝土():.尹 静 杨阿慧.装配式混凝土结构塔机吊装服务调度方法:.李戎焱.装配式建筑塔式起重机布局优化研究.重庆:重庆大学.齐培琴.人体疲劳对建筑工程施工质量的影响研究.西安:西安建筑科技大学.戈姗姗.装配式建筑预制构件运输班次调度优化.砖瓦世界():.段海宁 王 茹.装配式 构件车辆调度问题研究.土木建筑工程信息技术 ():.杨 浩.基于 的装配式建筑施工现场碳排放实时监测与多目标优化.重庆:重庆大学.徐 鹏.基于蚁群算法的 构件分批配送模型研究.大众标准化():.(上接第 页)布设方式存在胶水晾干阶段光纤回缩弯曲问题在小应变阶段测试不稳定 预拉力的定量分析仍需进一步探究 推荐一种在混凝土表面采取快干胶与环氧树脂、辅助胶布的方式布设分布光纤可以有效保障光纤存活率使得实际粘贴情况更接近应变传递理论假设()分布式光纤与 传感器在钢梁测试中监测较稳定每级荷载下单点应变值呈线性增长 在混凝土实验中 由于其毫米级高精度监测的特点能在肉眼观测前预警并精准定位混凝土微裂缝 传感器因其高灵敏的特点混凝土开裂后警示信号远比应变片明显 综合来说在保证布设工艺的情况下二者可以有效弥补电阻应变片易损坏、精度不足的缺点参考文献 林美金.基于分布式光纤光栅传感技术盾构隧道纵向沉降和水平位移监测研究.福州:福州大学.刘永莉.分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究.杭州:浙江大学.周 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