基于BIM技術(shù)和SLP的預(yù)制梁場(chǎng)布置規(guī)劃研究

李立軍，秦宏磊

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

改革開放以來，我國不斷加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度，交通行業(yè)迅猛發(fā)展，一座座世界級(jí)的特大橋拔地而起。港珠澳大橋的勝利通車，更彰顯了我國橋梁工程頂級(jí)的建造水平。“中國橋”已成為中國崛起的新名片被世界認(rèn)可。據(jù)《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2018年末，中國公路橋梁已達(dá)85.15萬座、總長(zhǎng)5 568.59萬m[1].而混凝土預(yù)制梁橋在其中占比最高。預(yù)制梁作為橋梁工程的重要構(gòu)件，它的生產(chǎn)加工不僅關(guān)系整個(gè)橋梁的質(zhì)量，還對(duì)橋梁工程的進(jìn)度、成本有著不可忽視的影響。

預(yù)制梁場(chǎng)作為混凝土簡(jiǎn)支梁的生產(chǎn)加工廠，投入設(shè)備多、建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)費(fèi)用大。因此，要保證預(yù)制梁加工生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高效，減少場(chǎng)內(nèi)的二次搬運(yùn)，節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，就要對(duì)梁場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)合理的布置規(guī)劃。現(xiàn)階段，預(yù)制梁場(chǎng)的布置規(guī)劃，大多依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn),沒有系統(tǒng)的分析模型為其提供科學(xué)依據(jù)。

鑒于此，本文通過對(duì)梁場(chǎng)功能和各分區(qū)之間關(guān)系的研究，引入了一種新的方法系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)(SLP)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)方法進(jìn)行了改良，為預(yù)制梁場(chǎng)的布置優(yōu)化提供了一種科學(xué)的解決方法，以達(dá)到預(yù)制梁場(chǎng)科學(xué)排布、高效生產(chǎn)的目的。

1 BIM技術(shù)和SLP法概述

1.1 系統(tǒng)布置法SLP的涵義

系統(tǒng)布置法是20世紀(jì)60年代美國的 Richard Muther在積累了大量布局設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出的、基于作業(yè)單位之間物流與非物流關(guān)系分析的設(shè)施規(guī)劃方法(systematic layout planning，簡(jiǎn)稱SLP)[2-4]。系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)(SLP) 是一種條理性很強(qiáng)、物流分析與作業(yè)單位關(guān)系密切程度分析相結(jié)合求得合理布置的技術(shù),在工業(yè)制造的設(shè)備布局中應(yīng)用廣泛[5]。

1.2 BIM的概念

BIM(building information modeling，建筑信息模型)是建筑信息化、數(shù)字化的集成應(yīng)用[6-7]。BIM模型不僅為工程項(xiàng)目提供了生動(dòng)直觀的三維體驗(yàn)，而且包含了工程項(xiàng)目詳細(xì)的屬性信息。在三維模型的基礎(chǔ)上加入工程的進(jìn)度計(jì)劃文集、成本文件，可以精確地模擬項(xiàng)目施工過程中，各種工況條件下的資源配置情況，為工程進(jìn)度計(jì)劃和成本管控提供更精確可靠的依據(jù)[8-9]。

1.3 BIM技術(shù)和SLP結(jié)合優(yōu)化布置梁場(chǎng)的實(shí)施步驟

預(yù)制梁場(chǎng)的布置規(guī)劃中，基于傳統(tǒng)的SLP法引入BIM技術(shù)，首先根據(jù)梁場(chǎng)規(guī)劃和生產(chǎn)所需確定預(yù)制梁場(chǎng)布置的5個(gè)基本要素：P(生產(chǎn)對(duì)象)、Q(生產(chǎn)量)、R(生產(chǎn)路線)、S(生產(chǎn)輔助部門)、T(時(shí)間)；然后對(duì)梁場(chǎng)各功能區(qū)之間進(jìn)行物流關(guān)系和非物流關(guān)系分析，得到功能區(qū)綜合關(guān)系分析表，繪制作業(yè)單位位置相關(guān)圖；在此基礎(chǔ)上利用BIM技術(shù)確定梁場(chǎng)各功能分區(qū)的面積，并建立數(shù)學(xué)模型尋求最優(yōu)布局；最后利用BIM技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)各作業(yè)單位進(jìn)行模擬，消除各功能區(qū)作業(yè)時(shí)的交叉碰撞，迅速準(zhǔn)確地得到最優(yōu)布局方案。實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)和SLP結(jié)合優(yōu)化布置流程圖Fig.1 BIM technology and SLP combined optimized layout process

2 某預(yù)制梁場(chǎng)總平面布置

2.1 梁場(chǎng)布置中各功能區(qū)劃分

某梁場(chǎng)服務(wù)區(qū)域的橋梁為32 m和24 m的箱梁，根據(jù)預(yù)制梁生產(chǎn)的工藝流程，梁場(chǎng)的整體布置主要可以劃分為：制梁區(qū)、存梁區(qū)、提梁上橋(裝車)區(qū)、鋼筋存放加工區(qū)、鋼筋綁扎區(qū)、混凝土攪拌區(qū)、砂石料場(chǎng)、蓄水池、實(shí)驗(yàn)室、生活區(qū)、辦公區(qū)等11個(gè)功能區(qū)[10]。其中存梁區(qū)包括存梁臺(tái)座、靜載實(shí)驗(yàn)臺(tái)座、橫移滑道、輪胎式搬梁機(jī)通道(輪軌式搬梁機(jī)軌道基礎(chǔ))、輪胎式搬梁機(jī)變向區(qū)(輪軌式搬梁機(jī)變向區(qū))。

2.2 功能區(qū)物流關(guān)系分析

根據(jù)各功能區(qū)之間的工作需求和制梁的工藝流程，參考物流強(qiáng)度，確定各個(gè)功能區(qū)之間的物流情況。其中物流強(qiáng)度分為5個(gè)等級(jí)，用符號(hào)A，E，I，O，U來表示。各符號(hào)的含義如表1所示，從而繪制功能區(qū)物流相關(guān)圖如圖2所示。

表1 物流關(guān)系等級(jí)表Table 1 The classification of logistics connections

2.3 功能區(qū)非物流關(guān)系分析

在考慮預(yù)制梁場(chǎng)各功能區(qū)非物流關(guān)系時(shí)需要分析的因素有功能區(qū)之間的工藝流程、人員聯(lián)系、監(jiān)督和管理的方便及環(huán)境安全等問題，評(píng)價(jià)等級(jí)表如表2所示。定性分析的非物流關(guān)系也用A，E，I，O，U5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)表示；具體含義如表3所示。根據(jù)非物流關(guān)系及評(píng)價(jià)理由繪制梁場(chǎng)功能區(qū)非物流相關(guān)圖，如圖3所示。

圖2 梁場(chǎng)功能區(qū)物流相關(guān)圖Fig.2 The logistics correlogram of beam field’s functional area

序號(hào)靠近原因1工藝流程2方便監(jiān)督管理3作業(yè)安全4人員聯(lián)系5噪音影響

表3 非物流關(guān)系等級(jí)表Table 2 Classification of non-logistics connection

圖3 梁場(chǎng)功能區(qū)非物流相關(guān)圖Fig.3 Non-logistics correlogram of beam field’s functional area

2.4 功能區(qū)綜合關(guān)系分析

預(yù)制梁場(chǎng)占地面積大，物料需求量多。因此，在功能區(qū)之間綜合關(guān)系分析時(shí)，物流關(guān)系所占比重較大，本文通過調(diào)研將功能區(qū)的物流關(guān)系和非物流關(guān)系采用2∶1的加權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0對(duì)功能區(qū)綜合關(guān)系量化，得到功能區(qū)綜合關(guān)系表，并繪制梁場(chǎng)功能區(qū)綜合關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 梁場(chǎng)功能區(qū)綜合關(guān)系圖Fig.4 Comprehensive relationship of beam field’s functional area

2.5 繪制功能區(qū)位置相關(guān)圖

根據(jù)功能區(qū)綜合關(guān)系表，在不考慮功能區(qū)面積和排布方式的情況下繪制各作業(yè)單位之間的位置相關(guān)圖。聯(lián)系緊密程度越高，作業(yè)單位距離越近；聯(lián)系精密程度不高，則距離疏遠(yuǎn)。位置相關(guān)圖如圖5所示。

圖5 位置相關(guān)圖Fig.5 Correlogram of site

2.6 預(yù)制梁場(chǎng)各功能區(qū)面積的確定

梁場(chǎng)設(shè)計(jì)階段，基于建好的橋梁模型，應(yīng)用BIM4D對(duì)梁場(chǎng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)的橋梁進(jìn)行施工模擬(如圖6所示)。首先確定各個(gè)時(shí)間段預(yù)制梁準(zhǔn)確的類型及需求量，取最大值作為梁場(chǎng)最大生產(chǎn)量，得到制梁臺(tái)座的數(shù)量，從而計(jì)算出制梁區(qū)的面積，通過對(duì)制梁臺(tái)座生產(chǎn)力的測(cè)算和施工要求確定存梁臺(tái)座數(shù)量和存梁區(qū)的面積；其次利用BIM模型一鍵導(dǎo)出工程量確定預(yù)制梁生產(chǎn)所需的原材料(鋼筋、混凝土等)的需求量，如圖7所示，從而確定混凝土攪拌區(qū)，砂、石料存放區(qū)，鋼筋存放加工區(qū)的面積；對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)資源及人員配置進(jìn)行分析得出生產(chǎn)附屬區(qū)域(辦公區(qū)、生活區(qū)、實(shí)驗(yàn)室等)的面積。制梁區(qū)和存梁區(qū)面積計(jì)算公式如下：

(1)

制梁區(qū)面積：SZLQ=M1×S1.

(2)

存梁臺(tái)座數(shù)量：M2=t×η.

(3)

存梁區(qū)面積：SCLQ=M2×S2.

(4)

式中：M1為所需制梁臺(tái)座的數(shù)量，M2為存梁臺(tái)座的數(shù)量，t為預(yù)制梁在存梁臺(tái)座上最少存放的時(shí)間；η為預(yù)制梁場(chǎng)一天內(nèi)生產(chǎn)梁的榀數(shù)；d為單片梁的預(yù)制周期；N為梁場(chǎng)生產(chǎn)梁的榀數(shù)；D為工期；S1為單個(gè)臺(tái)座所需面積(包括周邊操作區(qū)域)；S2為單個(gè)存梁臺(tái)座所需面積(包括運(yùn)梁通道)。計(jì)算得到的梁場(chǎng)各功能區(qū)面積如表4所示。

圖6 梁場(chǎng)服務(wù)區(qū)域某橋梁施工模擬Fig.6 Simulation of a bridge construction in the service area of the beam field

圖7 工程量統(tǒng)計(jì)表Fig.7 Engineering quantity statistics

功能區(qū)面積/m2制梁區(qū)14 400存梁區(qū)50 000提梁上橋(裝車)區(qū)7 912鋼筋存放加工區(qū)3 000鋼筋綁扎區(qū)2 800混凝土攪拌區(qū)3 417砂石料場(chǎng)14 190蓄水池28實(shí)驗(yàn)室1 504辦公區(qū)3 528生活區(qū)3 248合計(jì)104 027

2.7 建立各功能區(qū)的BIM模型

對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行匯總，根據(jù)場(chǎng)地面積對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)各功能區(qū)進(jìn)行規(guī)劃布置。其中，制梁區(qū)設(shè)置9個(gè)制梁臺(tái)座(24 m制梁臺(tái)座4個(gè)、32 m制梁臺(tái)座4個(gè)、共用臺(tái)座1個(gè))，制梁區(qū)最大產(chǎn)量為60榀/月；存梁區(qū)設(shè)存梁臺(tái)座60個(gè)，雙層存梁臺(tái)座50個(gè)，單層存梁臺(tái)座10個(gè)，最大存梁能力110榀，提梁區(qū)設(shè)喂梁臺(tái)座1個(gè)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)座1個(gè)；混凝土攪拌區(qū)設(shè)120攪拌站兩座。場(chǎng)區(qū)設(shè)置3臺(tái)50 t龍門吊，1臺(tái)900 t輪胎移梁機(jī)。通過各功能區(qū)所需面積和市場(chǎng)上臨建、機(jī)械設(shè)備和材料等構(gòu)件的屬性，建立梁場(chǎng)各功能區(qū)的BIM模型，并獲取每個(gè)功能區(qū)的中心坐標(biāo)。

2.8 建立預(yù)制梁場(chǎng)布置的數(shù)學(xué)模型

預(yù)制梁場(chǎng)的優(yōu)化布置以作業(yè)單位之間的物料搬用成本最低，聯(lián)系緊密程度最大為目標(biāo)。梁場(chǎng)功能區(qū)布置圖如圖8所示。

圖8 梁場(chǎng)功能區(qū)布局示意圖Fig.8 Schematic diagram of the layout of the beam field function area

圖中，m和n分別表示第m和第n個(gè)功能區(qū)；Xm和Ym分別表示為功能區(qū)m的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；an和bn分別表示功能區(qū)n的寬和長(zhǎng)。dbmn和damn分別表示功能區(qū)m和n橫向和縱向必須保留的間隔[11]。

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)：

(5)

(6)

將(6)轉(zhuǎn)化為求最小值問題：

(7)

式中：P1為功能區(qū)之間的物料搬用總成本；P2為功能區(qū)之間的聯(lián)系緊密程度；qmn為功能區(qū)m與功能區(qū)n之間的物料量；pmn為功能區(qū)m與功能區(qū)n之間的單位物料搬用成本；dmn為功能區(qū)m與功能區(qū)n的中心距離，dmn=|Xm-Xn|+|Ym-Yn|；αmn為功能區(qū)m與功能區(qū)n的鄰接度，表示功能區(qū)之間的距離大小；βmn為功能區(qū)m與功能區(qū)n的密切度，αmn和βmn的量化值如表5，表6所示。

表5 αmn量化值Table 5 Quantized values of αmn

表6 βmn量化值Table 6 Quantized values of βmn

將式(1)(3)加權(quán)求和，轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解：

(8)

式中：P為實(shí)現(xiàn)物料搬用總成本最小和聯(lián)系緊密程度最大的函數(shù)；w1為物料搬用總成本加權(quán)值，w2為聯(lián)系緊密度加權(quán)值；w1=0.5，w2=0.5.

將P1、P2統(tǒng)一量綱：

(9)

(10)

約束條件：

(11)

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合遺傳算法求解在滿足約束條件下的梁場(chǎng)各功能區(qū)的中心點(diǎn)坐標(biāo)如表7所示。

表7 某梁場(chǎng)功能區(qū)坐標(biāo)Table 7 Coordinate of the beam field

2.9 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)數(shù)學(xué)模型求得各功能區(qū)中心的橫縱坐標(biāo)，并修改BIM模型，將各功能區(qū)移到指定的坐標(biāo)點(diǎn)。在三維狀態(tài)下模擬吊車、龍門吊、移梁機(jī)等機(jī)械的工作路線，保證機(jī)械有足夠的工作空間，避免碰撞。優(yōu)化后的梁場(chǎng)布置如圖9所示。

圖9 某梁場(chǎng)優(yōu)化后布置模型Fig.9 Layout model after optimization of the beam field

3 應(yīng)用結(jié)果分析

基于BIM技術(shù)和SLP法對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)進(jìn)行布置規(guī)劃，從作業(yè)單位聯(lián)系緊密程度出發(fā)并結(jié)合數(shù)學(xué)模型得到的梁場(chǎng)布置方案完全符合實(shí)際工程項(xiàng)目的需求和工藝流程。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

1) 各作業(yè)單位的布置完全符合生產(chǎn)工藝要求，聯(lián)系程度高的作業(yè)單位距離近，有效地保證了預(yù)制梁的生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)效率。

2) 通過對(duì)梁場(chǎng)作業(yè)單位，機(jī)械工作路線的模擬生動(dòng)直觀地模擬預(yù)制梁的生產(chǎn)過程，保證機(jī)械有足夠的工作空間，避免工作過程中的交叉碰撞。

3) 辦公區(qū)和生活區(qū)分離并遠(yuǎn)離生產(chǎn)區(qū)，避免生產(chǎn)區(qū)噪音和揚(yáng)塵的影響，符合安全文明施工的要求。

預(yù)制梁場(chǎng)是交通運(yùn)輸工程中重點(diǎn)的大型臨時(shí)工程，建設(shè)周期長(zhǎng)，投資費(fèi)用大。本文采用SLP法定性分析了預(yù)制梁場(chǎng)各功能之間的物流關(guān)系和聯(lián)系精密程度。結(jié)合BIM技術(shù)從功能區(qū)面積的確定，生產(chǎn)規(guī)劃布置等方面，對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)的布置規(guī)劃進(jìn)行了深入的研究，最后建立梁場(chǎng)布局的數(shù)學(xué)模型，以物料搬運(yùn)成本最小，聯(lián)系精密程度最大為目標(biāo)，求解出梁場(chǎng)的最優(yōu)布局。系統(tǒng)合理地解決了大型預(yù)制梁場(chǎng)布置規(guī)劃中的問題。