基于BIM技術和SLP的預制梁場布置規(guī)劃研究

李立軍，秦宏磊

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

改革開放以來，我國不斷加大基礎設施建設的力度，交通行業(yè)迅猛發(fā)展，一座座世界級的特大橋拔地而起。港珠澳大橋的勝利通車，更彰顯了我國橋梁工程頂級的建造水平?！爸袊鴺颉币殉蔀橹袊绕鸬男旅皇澜缯J可。據(jù)《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2018年末，中國公路橋梁已達85.15萬座、總長5 568.59萬m[1].而混凝土預制梁橋在其中占比最高。預制梁作為橋梁工程的重要構件，它的生產(chǎn)加工不僅關系整個橋梁的質量，還對橋梁工程的進度、成本有著不可忽視的影響。

預制梁場作為混凝土簡支梁的生產(chǎn)加工廠，投入設備多、建設周期長、建設費用大。因此，要保證預制梁加工生產(chǎn)的優(yōu)質、高效，減少場內(nèi)的二次搬運，節(jié)省建設費用，就要對梁場進行科學合理的布置規(guī)劃?，F(xiàn)階段，預制梁場的布置規(guī)劃，大多依靠工程人員的經(jīng)驗,沒有系統(tǒng)的分析模型為其提供科學依據(jù)。

鑒于此，本文通過對梁場功能和各分區(qū)之間關系的研究，引入了一種新的方法系統(tǒng)布置設計(SLP)，并在此基礎上結合BIM技術對方法進行了改良，為預制梁場的布置優(yōu)化提供了一種科學的解決方法，以達到預制梁場科學排布、高效生產(chǎn)的目的。

1 BIM技術和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60年代美國的 Richard Muther在積累了大量布局設計經(jīng)驗的基礎上，提出的、基于作業(yè)單位之間物流與非物流關系分析的設施規(guī)劃方法(systematic layout planning，簡稱SLP)[2-4]。系統(tǒng)布置設計(SLP) 是一種條理性很強、物流分析與作業(yè)單位關系密切程度分析相結合求得合理布置的技術,在工業(yè)制造的設備布局中應用廣泛[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)字化的集成應用[6-7]。BIM模型不僅為工程項目提供了生動直觀的三維體驗，而且包含了工程項目詳細的屬性信息。在三維模型的基礎上加入工程的進度計劃文集、成本文件，可以精確地模擬項目施工過程中，各種工況條件下的資源配置情況，為工程進度計劃和成本管控提供更精確可靠的依據(jù)[8-9]。

1.3 BIM技術和SLP結合優(yōu)化布置梁場的實施步驟

預制梁場的布置規(guī)劃中，基于傳統(tǒng)的SLP法引入BIM技術，首先根據(jù)梁場規(guī)劃和生產(chǎn)所需確定預制梁場布置的5個基本要素：P(生產(chǎn)對象)、Q(生產(chǎn)量)、R(生產(chǎn)路線)、S(生產(chǎn)輔助部門)、T(時間)；然后對梁場各功能區(qū)之間進行物流關系和非物流關系分析，得到功能區(qū)綜合關系分析表，繪制作業(yè)單位位置相關圖；在此基礎上利用BIM技術確定梁場各功能分區(qū)的面積，并建立數(shù)學模型尋求最優(yōu)布局；最后利用BIM技術對場區(qū)各作業(yè)單位進行模擬，消除各功能區(qū)作業(yè)時的交叉碰撞，迅速準確地得到最優(yōu)布局方案。實施流程如圖1所示。

圖1 BIM技術和SLP結合優(yōu)化布置流程圖Fig.1 BIM technology and SLP combined optimized layout process

2 某預制梁場總平面布置

2.1 梁場布置中各功能區(qū)劃分

某梁場服務區(qū)域的橋梁為32 m和24 m的箱梁，根據(jù)預制梁生產(chǎn)的工藝流程，梁場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、蓄水池、實驗室、生活區(qū)、辦公區(qū)等11個功能區(qū)[10]。其中存梁區(qū)包括存梁臺座、靜載實驗臺座、橫移滑道、輪胎式搬梁機通道(輪軌式搬梁機軌道基礎)、輪胎式搬梁機變向區(qū)(輪軌式搬梁機變向區(qū))。

2.2 功能區(qū)物流關系分析

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

表1 物流關系等級表Table 1 The classification of logistics connections

2.3 功能區(qū)非物流關系分析

在考慮預制梁場各功能區(qū)非物流關系時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，評價等級表如表2所示。定性分析的非物流關系也用A，E，I，O，U5個強度等級表示；具體含義如表3所示。根據(jù)非物流關系及評價理由繪制梁場功能區(qū)非物流相關圖，如圖3所示。

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

序號靠近原因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 非物流關系等級表Table 2 Classification of non-logistics connection

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

2.4 功能區(qū)綜合關系分析

預制梁場占地面積大，物料需求量多。因此，在功能區(qū)之間綜合關系分析時，物流關系所占比重較大，本文通過調研將功能區(qū)的物流關系和非物流關系采用2∶1的加權值進行計算。取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0對功能區(qū)綜合關系量化，得到功能區(qū)綜合關系表，并繪制梁場功能區(qū)綜合關系圖，如圖4所示。

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

2.5 繪制功能區(qū)位置相關圖

根據(jù)功能區(qū)綜合關系表，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。位置相關圖如圖5所示。

圖5 位置相關圖Fig.5 Correlogram of site

2.6 預制梁場各功能區(qū)面積的確定

梁場設計階段，基于建好的橋梁模型，應用BIM4D對梁場負責生產(chǎn)的橋梁進行施工模擬(如圖6所示)。首先確定各個時間段預制梁準確的類型及需求量，取最大值作為梁場最大生產(chǎn)量，得到制梁臺座的數(shù)量，從而計算出制梁區(qū)的面積，通過對制梁臺座生產(chǎn)力的測算和施工要求確定存梁臺座數(shù)量和存梁區(qū)的面積；其次利用BIM模型一鍵導出工程量確定預制梁生產(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；對預制梁場資源及人員配置進行分析得出生產(chǎn)附屬區(qū)域(辦公區(qū)、生活區(qū)、實驗室等)的面積。制梁區(qū)和存梁區(qū)面積計算公式如下：

(1)

制梁區(qū)面積：SZLQ=M1×S1.

(2)

存梁臺座數(shù)量：M2=t×η.

(3)

存梁區(qū)面積：SCLQ=M2×S2.

(4)

式中：M1為所需制梁臺座的數(shù)量，M2為存梁臺座的數(shù)量，t為預制梁在存梁臺座上最少存放的時間；η為預制梁場一天內(nèi)生產(chǎn)梁的榀數(shù)；d為單片梁的預制周期；N為梁場生產(chǎn)梁的榀數(shù)；D為工期；S1為單個臺座所需面積(包括周邊操作區(qū)域)；S2為單個存梁臺座所需面積(包括運梁通道)。計算得到的梁場各功能區(qū)面積如表4所示。

圖6 梁場服務區(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14 190蓄水池28實驗室1 504辦公區(qū)3 528生活區(qū)3 248合計104 027

2.7 建立各功能區(qū)的BIM模型

對上述結論進行匯總，根據(jù)場地面積對預制梁場各功能區(qū)進行規(guī)劃布置。其中，制梁區(qū)設置9個制梁臺座(24 m制梁臺座4個、32 m制梁臺座4個、共用臺座1個)，制梁區(qū)最大產(chǎn)量為60榀/月；存梁區(qū)設存梁臺座60個，雙層存梁臺座50個，單層存梁臺座10個，最大存梁能力110榀，提梁區(qū)設喂梁臺座1個，實驗臺座1個；混凝土攪拌區(qū)設120攪拌站兩座。場區(qū)設置3臺50 t龍門吊，1臺900 t輪胎移梁機。通過各功能區(qū)所需面積和市場上臨建、機械設備和材料等構件的屬性，建立梁場各功能區(qū)的BIM模型，并獲取每個功能區(qū)的中心坐標。

2.8 建立預制梁場布置的數(shù)學模型

預制梁場的優(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。梁場功能區(qū)布置圖如圖8所示。

圖8 梁場功能區(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個功能區(qū)；Xm和Ym分別表示為功能區(qū)m的橫坐標和縱坐標；an和bn分別表示功能區(qū)n的寬和長。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，構建多目標函數(shù)：

(5)

(6)

將(6)轉化為求最小值問題：

(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)加權求和，轉化為單目標函數(shù)進行求解：

(8)

式中：P為實現(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值，w2為聯(lián)系緊密度加權值；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)學模型，結合遺傳算法求解在滿足約束條件下的梁場各功能區(qū)的中心點坐標如表7所示。

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

2.9 方案評價

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

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

3 應用結果分析

基于BIM技術和SLP法對預制梁場進行布置規(guī)劃，從作業(yè)單位聯(lián)系緊密程度出發(fā)并結合數(shù)學模型得到的梁場布置方案完全符合實際工程項目的需求和工藝流程。其優(yōu)點主要有：

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，有效地保證了預制梁的生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)效率。

2) 通過對梁場作業(yè)單位，機械工作路線的模擬生動直觀地模擬預制梁的生產(chǎn)過程，保證機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)分離并遠離生產(chǎn)區(qū)，避免生產(chǎn)區(qū)噪音和揚塵的影響，符合安全文明施工的要求。

預制梁場是交通運輸工程中重點的大型臨時工程，建設周期長，投資費用大。本文采用SLP法定性分析了預制梁場各功能之間的物流關系和聯(lián)系精密程度。結合BIM技術從功能區(qū)面積的確定，生產(chǎn)規(guī)劃布置等方面，對預制梁場的布置規(guī)劃進行了深入的研究，最后建立梁場布局的數(shù)學模型，以物料搬運成本最小，聯(lián)系精密程度最大為目標，求解出梁場的最優(yōu)布局。系統(tǒng)合理地解決了大型預制梁場布置規(guī)劃中的問題。