高層建筑主體結構施工過程仿真分析

袁廷偉,蔣根謀,楊 克

(1.華東交通大學 土木建筑學院,江西南昌330013;2.中鐵二局股份有限公司,四川 成都610031)

Yuan Tingwei1,Jiang Genmou1,YangKe2

(1.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.China Railway ERJU Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

高層建筑施工過程由于存在層間關系,其標準層的施工是一個循環重復的過程。若采用傳統的計劃編制方法CPM或PERT組織施工,其網絡結構就顯得非常復雜,且CPM及PERT都是屬于靜態的網絡計劃編制方法,不能反映工序施工中的隨機性。對這類循環施工的過程進行仿真,目前CYCLONE[1]建模方法已取得了較好的應用,應用領域包括土方工程施工[2]、隧道工程施工[3]、水利水電工程施工[4]等。另外,也有學者將GPSS-H仿真軟件[5]、Petri網理論[6]等技術應用到循環進行的施工過程中,也取得了一定的成果。本文將ABC(Activity-Based Construction)仿真系統運用到高層建筑標準層施工仿真中,并根據其施工特點,結合CPM網絡計劃技術建立合理的模型,使仿真更符合實際施工過程。

1 ABC仿真系統的基本原理[7,8]

ABC仿真系統是由Jonathan Shi教授于1999年開發出來用于項目進度、資源、費用的預測及優化的仿真系統。同CYCLONE類似,ABC仿真方法同樣適用于循環施工的過程。但CYCLONE模型元素多,建模復雜,需要一定的經驗和技巧[9]。ABC模型元素僅由活動組成,活動之間的邏輯關系由箭線表示。相對于CYCLONE,模型元素大為減少,不論是建模和對模型的理解都簡單很多。

ABC仿真系統中活動是組成模型的最基本元素,模型中的各項參數在活動屬性中加以表示,活動的屬性一般包括以下內容。

(1)活動持續時間分布。活動持續時間服從的概率分布,仿真中系統從給定的分布中隨機的抽出一個值作為活動的持續時間。

(2)資源。在實際施工過程中,任何一項活動的進行都必須有相應的資源參與,資源是仿真中不可缺少的因素之一。仿真建模時,必須對所需要資源種類、數量等參數予以說明。

(3)過程實體。ABC仿真系統中,若邏輯關系上相鄰的幾個活動之間沒有共同的資源,則前面的活動完成后就要釋放過程實體給其緊后活動以告知緊后活動可以開始。常見的過程實體包括顧客、材料、控制信息等。

(4)邏輯關系。表示活動執行的先后順序。

(5)優先等級。它定義了當多個活動共同競爭資源時,某個活動相對于其他活動的優先程度。

2 高層建筑主體工程施工仿真建模分析

2.1 高層建筑主體結構施工仿真建模方法

ABC仿真模型具有簡潔易懂的優點,對于循環進行的施工過程進行仿真,不但能得出工程施工工期,也能分析詳細的施工過程,計算出資源利用率以及機械使用費用,這對于CPM方法是做不到的。在以往對高層建筑的仿真中,大部分都是針對單個施工段的施工過程進行分析,但實際中一般采取多施工段流水施工的組織形式,僅對單施工段進行分析顯然是不符合實際的。而普通ABC模型缺乏對整體工程進行分析與安排的能力,很難將活動間的施工組織形式表達清楚。

CPM(Critical Path Method)是工程界常用網絡計劃技術,它能非常清晰的表達工序之間的邏輯關系,目前已得到了眾多工程管理人員的認可。但CPM在處理具有循環進行的施工項目,如高層建筑標準層施工過程,其節點和矢線就非常多,中間有大量重復的過程。且CPM屬于靜態網絡計劃,不能表達工序施工時間的不確定性。

針對ABC仿真系統和CPM網絡計劃技術各自具有的特點,本文提出將二者結合來建模的方法,即在ABC仿真建模時采用CPM的網絡組織結構。這樣建立的模型可分為兩類,一類為ABC循環模型,用于模擬循環進行的施工過程,如混凝土澆筑過程;另一類為CPM網絡模型,用于模擬非循環進行的施工過程,如鋼筋、模板的安裝過程。這樣不僅可以通過仿真的方法對施工過程進行分析,也利用了CPM表達工序間復雜的邏輯關系,使模型更符合工程施工實際情況。

2.2 標準層施工過程建模分析

高層建筑施工的標準層施工是一個以測量放線、架設腳手架、支模板、安裝鋼筋及澆筑混凝土為主導工序的施工過程[10]。標準層的每一層施工所需要的資源、需要完成的工作量都基本上是相同的,因此是一個循環施工的過程。另外,單層施工中混凝土的施工過程又是一個以混凝土裝載、運輸、澆筑和運輸車返回為主要活動的循環過程。因此,可以將標準層施工過程劃分為兩個系統:層面施工系統和混凝土施工系統。

1)層面施工系統

層面施工系統主要是在混凝土澆筑前層面上所進行的工作,主要包括測量放線、綁扎鋼筋、支滿堂腳手架、支模板等工作。這些工作一般施工程序比較繁瑣,不易將其劃分為一系列循環的活動,模型中將各工序按照一個活動來處理。對于其他的一些工作,如拆除模板等,由于其一般不在關鍵線路上,仿真中不予考慮。按照工作執行的順序,可以將標準層層面施工系統劃分為如下活動,見表1。系統中由于測量放線和隱蔽工程的驗收兩項工作持續時間較短,在此不考慮其資源的使用情況,而將其活動時間考慮在內。

表1 層面施工系統活動

2)混凝土施工系統

此處混凝土施工系統是指混凝土從攪拌站生產出來,經混凝土運輸車運送到澆筑地點,再由澆筑機械輸送到層面上進行澆筑、振搗、抹平的過程。本文假定混凝土生產率能完全滿足澆筑的需求,即不考慮由于拌和站生產能力的不足而引起的工期延長。混凝土生產系統可以劃分為如下活動,見表2。對于系統中的活動有如下描述。

(1)空車返回活動包括運輸車返回以及返回過程中料罐的沖洗兩個環節。

(2)混凝土的振搗、抹平作業與澆筑同時進行,將其合并到澆筑活動中。

(3)混凝土的養護工作一般在層間間歇的時間內進行,因此在仿真模型中也不予考慮。

(4)為方便分析,將層間間歇時間看做一個活動添加到模型中。

表2 混凝土施工系統活動

3 實例分析

某工程為下層商用,上層住宅的高層建筑,共四棟,每棟17層,其中4～16層為標準層,建筑高度為58米,建筑結構形式為框架-剪力墻結構。主體結構標準層施工采用流水施工段的組織形式,每棟作為一個施工段,4棟同時施工,共4個施工段。混凝土施工采用攪拌運輸車運輸,混凝土泵送車泵送的澆筑形式。層面施工活動進行所需要的資源如表1、表2所示。根據流水施工的組織形式,建立模型如圖1所示。

圖1 高層建筑標準層流水施工仿真模型

3.1 計算結果分析

根據本工程實際資源使用計劃,混凝土澆筑配備一臺HBT60A混凝土輸送泵和2輛混凝土攪拌運輸車。采用ABC軟件將圖1所示模型表達出來,運行模型10次,得出的仿真結果如表3所示,10次結果的平均值為2 017.78。可知在給定的資源條件下標準層的施工時間為2 017.78 h。

表3 高層建筑標準層施工仿真總時間

在標準層施工期間內,各項資源的利用率如圖2。從圖中可以看出,由于鋼筋的工作量較大,單個施工段上持續時間較長,鋼筋工組的利用率也最高,為85.07%。其它資源利用率依次為木工組72.44%,混凝土運輸車33.04%,架子工組24.1%,混凝土工組15.06%,混凝土輸送泵15.06%。實際工程中,木工組的拆模工作、架子工組的滿堂架拆除工作以及混凝土工組的養護工作都需占用一定的時間,但由于這些工作一般不在關鍵線路上,模型中未考慮在內,因此,實際施工中資源的利用率會高一些。

圖2 標準層施工期間內各項資源利用率

3.2 敏感性分析

此處僅對混凝土運輸車數量進行敏感性分析。通過改變混凝土運輸車數量,分別得到不同混凝土運輸車情況下的工期及各項資源的利用率,計算結果如表3。根據7種方案的計算結果繪制出混凝土運輸車數量分別與工期、資源利用率的關系曲線,見圖3和圖4。

表3 不同數量混凝土運輸車情況下工期及資源利用率

從圖3中可以看出,隨著混凝土運輸車數量的增加,工期呈逐漸縮短的趨勢。其中,運輸車數量從1輛增加到2輛時,工期縮短的量最為明顯,這說明由于運輸車數量太少,運輸能力不能滿足混凝土輸送泵的澆筑要求,致使輸送泵空閑時間較多,澆筑效率較低。當運輸車數量大于4輛時,運輸車數量雖然增加,工期縮短的量也非常小。說明此數量的運輸車的運輸能力已能完全滿足輸送泵澆筑要求,輸送泵的澆筑能力已經達到極限,運輸車的排隊等待時間增加。此時,若要減少混凝土工程的工期,就必須增加輸送泵臺數。

從圖4中可以看出,隨著混凝土運輸車數量的增加,運輸車的利用率逐漸降低,而其它資源的利用率卻逐漸升高。對于運輸車利用率降低的原因,是因為運輸車數量增加,工期雖有縮短,但單個運輸車的忙碌時間與所有運輸車的施工總時間之比減小。對于其它資源,其數量不變,在工期縮短的情況下,其利用率有所提高;但隨著運輸車數量逐漸增加,工期縮短值越來越小,因此其利用率提高量也越來越小。

從上述分析可以看出,本工程運輸車數量以2～3輛為宜。運輸車為2輛時,工期為2 017.78 h;運輸車為3輛時,工期為1 978.33 h。此時,若要想再縮短工期,就必須減少其它分項工程(如鋼筋、模板工程等)的施工時間,這可以通過改變資源的數量來實現。

圖3 運輸車數量與工期關系曲線

圖4 運輸車數量與資源利用率關系曲線

4 結語

高層建筑標準層的施工是一個循環施工的過程,同時各施工段之間又存在著流水施工作業。在以往的文獻中,大部分都是對單棟高層建筑進行的仿真,很少將流水施工的組織方式考慮在內,這樣仿真得出的結果顯然和實際是有一定出入的。本文采用ABC仿真系統對高層建筑標準層施工過程進行仿真,在建模時采用CPM網絡結構來表達多個施工段流水施工的組織形式,使模型更符合實際工程施工情況,同時也克服了傳統計劃編制方法中存在的一些缺點。通過對某工程實例進行分析,表明了采用這種建模方法不但能對工程施工的進度進行分析,也能得到在多施工段流水施工的情況下各主要資源的利用率,為合理組織工程施工提供的依據。

[1]HALPIN D W,RIGGS L S.Planing and analysis of construction operation[M].New York:John Wiley&Sons,Ine.,1992.

[2]胡程順,毛校君.循環網絡模擬技術在土石方工程中的應用[J].中國工程科學,2007,9(10):71-74.

[3]CHIHTSANG L,WEN T H,TAO M C,et al.Simulation of NATM tunneling construction in gravel formation-lessons learned from pakuashan highway tunnel project in taiwan[J].ASCE,GeoHunan International Conference,2009(2):194-202.

[4]鐘登華,李景茹,鄭家祥.全過程動態仿真技術及其在水利水電工程施工中的應用[J].水利水電技術,2002,33(9):24-36.

[5]焦海賢,王升斌,等.基于GPSS/H仿真軟件的瀝青路面機群施工系統仿真模型研究[J].重慶交通學院學報,2007,26(1):70-73.

[6]楊學紅,胡志根.基于Petri網隧洞施工過程的系統建模[J].水電能源科學,2001,19(4):33-36.

[7]JONATHAN JS.Activity-based construction(ABC)modeling and simulation method[J].Journal of Construction Engineering and Management,1999(10):354-360.

[8]HONG Z,JONATHAN J S.Iconic animation for activity-based construction simulation[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2002(7):157-164.

[9]鐘登華,李景茹,等.全過程動態仿真技術及其在水利水電工程施工中的應用[J].水利水電技術,2002,33(9):22-36.

[10]蔣根謀.建筑施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.