水電站工程施工中鋼筋下料優化問題初探

李云鵬 趙玉新

（黑龍江省水利水電勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 前言

本文主要是在總結國內外的研究成果的基礎上，針對目前成果在反映鋼筋需求與庫存的動態性方面的不足，重點利用定量分析方法建立了多規格一維下料模型和單規格一維下料模型，同時，還定性地總結了水電工程施工中鋼筋配料問題的長期實踐經驗，這些經驗可以大大增加多規格一維下料問題解題的邊界條件，使得問題的解決實際意義更強，方法更快速實用。對工業工程生產過程中的線性原料優化下料問題給出了通用性的啟示和具體的方法，具有普遍的借鑒作用和較為實際的應用價值，將對企業的成本工作產生很大的影響。

2 面向工藝的鋼筋下料優化思想

2.1 輸變電線路鐵塔下料優化的一種新思路

在電力工業輸變電線路鐵塔下料中，有如下實例:生產流程由上料員在工位5上料，工位1～工位3的操作者完成定位調整，工位4的操作者控制機床動作，工位1的操作者將排料單上的零件，經組合后，選定組指揮加工。堆放3通常堆放最長件，也是將要清離現場的一批零件。堆放1，2的零件長度一般比堆放3長度短，它類似于計算機中的堆棧。現場設置的料頭堆，長度都很小，不占場地。對鐵塔基數較大的，現場通常允許堆放料數一般為3～4種零件，即己開始下料而未下完的零件材料一般為3～4種零件，料頭因其很短，不計入現場數。這個工藝條件，即為優化排料的工藝約束條件。目前的排料工作是由工位1的工作者擔任，同時與工位2～4的操作者配合完成定位調整，由于現場的噪聲影響及沒有預先的規劃，難免會產生排料不合理的地方，而一旦發生，又無更改余地另一方面對材料利用率的控制顯得過于粗糙。針對這種情況，一種面向工藝的優化下料系統，運行該系統產生生產下料清單，操作者只要按此清單執行即可，不需要再現場排料。

2.2 對水電工程鋼筋下料的啟發

上述優化系統具有明顯的面向工藝和面向實際生產的特點，也為后續研究簡化模型和流程提供了很好的思路啟發。

水電工程的鋼筋加工相比較鐵塔加工而言，復雜的地方在于原材料規格多，需求規格和長度變化更大，考慮不同的鋼筋接頭形式則問題更復雜。但是，二者處理下料問題的思路是一致的。在水電鋼筋下料施工中，可以把問題分步、分塊簡化處理，只針對某一倉面、某種鋼筋來應用上述優化思想，則問題較之鐵塔系統一般都簡單些。這樣的簡化處理是有依據的。因為如下原因，本文放棄了尋求所謂全局優化的方法而只對某一倉面的某種確定規格確定的強度等級和確定的直徑鋼筋進行設計。因為，水電工程分為若干單項、單位、分部、分項工程，某一倉面的鋼筋下料題只是鋼筋分項工程的一個環節。前述己說明，水電施工不確定因素太多，不必也不可能針對所謂的全局去優化，同時，某種規格鋼筋的下料與其他規格的鋼筋的下料并沒有任何聯系，除非要求代換。就算代換，還是轉化為確定規格下料問題。這樣，一個水電站施工過程中的鋼筋問題就變成很多個“單個倉面某種確定規格下料問題”的組合，問題被簡化。下面就在工程中鋼筋的下料問題做些論述。

某倉面鋼筋，其主要使用坯料為L=4.5米。還有部分使用坯料為L=3.0米的。根據這種情況，我們采取上述跨料處理框圖進行材料的優化分析、對比，從而確定原材料利用率最高的下料方案。具體分析過程如下:

通過分析，可得出，優先考慮L=4.5米的大規格下料，再考慮L=3.0米的短規格下料，L=4.5米的大規格與L=3.0米的短規格再搭配下料的方式，可提高原材料的利用率，減小材料的損耗。由此可見，采取上述方式進行優化下料，計算簡化，高效，特別適合在施工現場進行下料優化操作，進行及時優化調整。

3 可簡化計算的部分管理經驗

目前的水電工程施工中，經過鋼筋配料問題的長期實踐，建設者已摸索出其中的一些特點 (區別于其他建筑工程和其他線材下料問題).總結這些經驗，可以大大增加多規格一維下料問題 (鋼筋下料問題的一般情況)解題的邊界條件，使得問題的解決實際意義更強，方法更快速實用。這些經驗，在下料問題開始前，可以直接應用，大大減少在計算之前坯料的數量，減少定量分析中的“組合”數目，便于計算。

(1)在實際生產過程中，一根原材料上套裁成品鋼筋的長度不超過3種是比較合理的。而且，設計圖上的某根鋼筋套裁后的各段鋼筋如果不是利用了余料，只存在不多于一根的長度為非整數或非0.5米的整數倍數的長度。否則會導致實際切割加工不便，容易造成差錯，同時也降低了生產效率。這種經驗，使得“組合爆炸問題”造成的難度被大大降低。

(2)豎向鋼筋的長度確定為3米、4.5米兩種規格，當然，起始扎筋時和鋼筋到頂時具體調整。這是因為,豎向鋼筋由于人力所限，太長不易施工，且臨時連接如果不可靠，極易引發安全事故;同時，因為混凝土施工規范中規定混凝土的自由下料高度不超過2米，豎向鋼筋太長，影響混凝土臥罐水工大體積混凝土常用料具的下放，尤其是在一些倉面狹窄的部位。

(3)水平鋼筋首先用原材料(即從鋼鐵廠出廠的標準長度，一般為9米或12米組合，當剩余長度小于標準原材料長度時再進入套裁組合優化過程。

(4)余料長度必須首先考慮規范要求，再考慮接頭的經濟問題。

以上幾點，均是多年被實踐者證明有效的下料經驗，充分重視這些經驗，可以大大減少定量研究的難度。因為下料的經濟性是僅是施工過程中的一個問題，斷料結果能否在施工中具有方便快捷的可操作性，也是一個很重要的問題，忽略了現場施工的難度問題的斷料結果，不具有可實施性。所以，上述這些經驗不但是可用的，有效的，也是必要的。

4 結語

施工過程中面對的問題是庫存鋼筋經常有多種規格，那么問題要進一步得到解決，就不能回避針對多種規格的原材料、多種下料需求的多規格一維下料問題。對這一問題，主要解決方法是總結行之有效的施工經驗，用定性的方法去盡量增加該問題的邊界條件，使得定性和定量方法盡量能各自發揮特長，求得快速而有效的結果。本文總結了施工實踐中的經驗，并在施工程序和總體布置上參考了輸變電鐵塔下料的一種新思想，方法實用、快速而有效。

[1]孫守遷，唐明，潘云鶴.面向人機工程的布局設計方法的研究計算機輔助設計與圖形學學報，2000

[2]曾芬芳.虛擬現實技術[M].上海交通大學出版社，1997

[3]袁忠良.最優化下料方法與程序[M].天津大學出版社，1989