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
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1、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
2、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
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
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