基于BIM 的裝配式建筑并行施工作業(yè)空間沖突識(shí)別研究

程國富

1.裝配式建筑施工作業(yè)空間自動(dòng)生成模型分析

1.1 實(shí)體空間的占用需求分析

在傳統(tǒng)建筑施工中，一般出現(xiàn)的工作空間沖突都是人和活動(dòng)物體間的沖突，比如施工人員、吊車和裝卸車等等。所以在分析空間沖突時(shí)只注重人和活動(dòng)物體之間出現(xiàn)的沖突。但是針對(duì)裝配式建筑施工時(shí)，其所牽扯的多為以下三類要素，即施工人員、施工機(jī)械、預(yù)制部件[1-2]。在建筑的施工現(xiàn)場中施工人員和施工機(jī)械以及預(yù)制部件都需要占用空間，而其則被稱作實(shí)體空間（ES），空間的占用完全由其自身的尺寸所決定。在施工場地內(nèi)的施工人員和施工機(jī)械需要進(jìn)行移動(dòng)，在實(shí)體空間中呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化；而預(yù)制部件完成安裝后則不需要移動(dòng)，為固定實(shí)體空間[3-4]。

1.2 工作空間的占用需求分析

為完成施工，現(xiàn)場的施工機(jī)械和施工人員所占據(jù)使用的空間為工作空間（WS）。一般來講，工作空間大能夠保障施工的效率，而空間受限制時(shí)則容易影響施工，更有可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[5-6]。所以，依據(jù)安全與效率的目標(biāo)可以把工作空間劃分為安全工作空間（SWS）及效率工作空間（EWS）。

對(duì)于裝配式的建筑施工，其現(xiàn)場多圍繞預(yù)制部件進(jìn)行操作，而其中最為典型的操作主要是預(yù)制部件的起吊運(yùn)輸及安裝固定和支護(hù)[7-8]。依據(jù)施工時(shí)不同交互空間占用的實(shí)際需求，將空間生成的方法分成表平面和環(huán)繞的擴(kuò)展兩種，具體如圖1 顯示。表平面擴(kuò)展主要使用在現(xiàn)場施工人員在預(yù)制件的單側(cè)施工，依據(jù)工作的需求把工作面依X，Y，Z 方向進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，將擴(kuò)展的參數(shù)標(biāo)記為αx，αy，αz；對(duì)預(yù)制構(gòu)件開展圍繞施工的現(xiàn)場則運(yùn)用環(huán)繞擴(kuò)展，其依據(jù)擴(kuò)展的系數(shù)β擴(kuò)展。現(xiàn)實(shí)中依據(jù)該工程的實(shí)際狀況由建筑項(xiàng)目的管理人員予以設(shè)定。

圖1 工作空間的擴(kuò)展類型

圖2 起吊和運(yùn)輸操作空間的擴(kuò)展

2.裝配式建筑施工作業(yè)的空間沖突

2.1 空間沖突的產(chǎn)生

在裝配式建筑施工過程中，處于同一施工的空間被兩種施工占用則會(huì)產(chǎn)生工作空間的沖突。造成沖突的主要原因是對(duì)空間資源未能有效分配，其嚴(yán)重影響工程的順利施工，并存在安全隱患[9-10]。再者，當(dāng)兩組施工人員在操作中的空間占用出現(xiàn)輕微的重疊，但未對(duì)正常的施工產(chǎn)生影響，通過綜合的考慮，在適當(dāng)?shù)那闆r下允許此空間沖突存在。所以，在實(shí)際對(duì)空間沖突進(jìn)行判斷時(shí)的嚴(yán)重性非常關(guān)鍵。

2.2 沖突類型

依據(jù)不同的要素占用空間可將空間劃分為以下三種，即實(shí)體空間（ES）、效率工作空間（EWS）以及安全工作空間（SWS）。一般情況下，其存在關(guān)系為：實(shí)體安全工作效率工作的空間。依據(jù)實(shí)際各類空間的占用，其沖突類型如圖3顯示為三類。

圖3 三種空間沖突

2.3 空間沖突嚴(yán)重性量化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

在裝配式建筑施工過程中，如果出現(xiàn)兩個(gè)工作空間沖突，進(jìn)而說明兩個(gè)工作空間在時(shí)間與空間的維度中產(chǎn)生了干涉的情況，而沖突的時(shí)間越長則產(chǎn)生較大的沖突空間，進(jìn)而導(dǎo)致空間沖突越來越嚴(yán)重。所以，對(duì)于沖突嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)測時(shí)可依據(jù)時(shí)間與空間的維度，通過設(shè)定Vi為施工活動(dòng)i需要占用的空間體積，Vj為施工活動(dòng)j 需要占用的空間體積，t（ts，tf）為施工活動(dòng)工期，ts和tf分別代表活動(dòng)開始與結(jié)束的時(shí)間，進(jìn)而Vi，Vj工作空間的沖突量化指標(biāo)如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量表

對(duì)空間沖突表現(xiàn)出的嚴(yán)重性進(jìn)行判斷時(shí)，不僅要對(duì)兩個(gè)空間重疊的時(shí)間與大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，還必須對(duì)空間類型進(jìn)行有效的判斷，不同的類型空間所表現(xiàn)出的沖突嚴(yán)重性具有較大的差別。另外，還應(yīng)當(dāng)融合沖突類型的調(diào)節(jié)因子h，其能修正空間沖突的嚴(yán)重性評(píng)價(jià)的結(jié)果。

經(jīng)過綜合量化指標(biāo)，現(xiàn)場的兩個(gè)施工活動(dòng)時(shí)空沖突的嚴(yán)重程度，可以根據(jù)沖突嚴(yán)重性指數(shù)得出Iij，具體為公式（1）：

公式中；h—表示空間沖突類型的修正因子；

kj,ki∈［0,10］——表示相關(guān)施工作業(yè)的權(quán)重調(diào)節(jié)因子。

3.重視生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效。要重視分公司生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率的提升，要通過對(duì)資源的整合，新設(shè)備的投入，新工藝的推廣，新工裝的開發(fā)利用，提升在下料、切割、壓型、焊接、組拼和噴涂等工序的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，突破生產(chǎn)能力瓶頸，提高全員勞動(dòng)生產(chǎn)率。要根據(jù)地域差異，產(chǎn)品類別，制定合理的工費(fèi)限價(jià)，嚴(yán)格按照單工號(hào)加工費(fèi)用預(yù)算和用戶實(shí)際過磅重量“雙控”辦法結(jié)算工費(fèi)，工費(fèi)總額經(jīng)審批后限額發(fā)放，嚴(yán)控人工成本。要通過對(duì)結(jié)構(gòu)件部件就近委托外加工和訂購模式，充分利用社會(huì)資源，提供滿足公司標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)件成品或半成品；要積極探索在施工現(xiàn)場進(jìn)行周轉(zhuǎn)材料維修、改造的途徑和方法，降低運(yùn)營成本。

為利于辨別沖突嚴(yán)重性則設(shè)立θ1與θ2兩個(gè)閾值，并有效地劃分時(shí)空的沖突程度，即嚴(yán)重、中等以及輕度三種。θ1與θ2則依據(jù)實(shí)際需求取值。

3.裝配施工作業(yè)空間的沖突識(shí)別分析

3.1 沖突識(shí)別方法

建筑信息模型（BIM）已經(jīng)在建筑行業(yè)得到大量的應(yīng)用，其能夠準(zhǔn)確的集成建筑項(xiàng)目各項(xiàng)的信息，例如結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、施工進(jìn)度等等，構(gòu)建3D 空間的仿真模型能夠?qū)ㄖ?xiàng)目達(dá)到可視化和數(shù)字化的管理。并且該技術(shù)通過利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)施工空間的資源占用進(jìn)行自動(dòng)分析，有效地對(duì)作業(yè)間的空間沖突進(jìn)行識(shí)別。

3.2 虛擬空間碰撞檢測算法

當(dāng)前使用較為廣泛的是包圍盒層次法，其主要是把不規(guī)則的物體占用空間進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展成凸面體。所以，對(duì)于裝配式的建筑施工工作空間能夠進(jìn)行擴(kuò)展成規(guī)則的立方體，進(jìn)而方便后續(xù)碰撞的相應(yīng)檢測。而以包圍盒為基礎(chǔ)的碰撞檢測算法主要有軸向和有向的包圍盒算法。

3.3 4D 作業(yè)空間沖突識(shí)別的混合算法

3.3.1 以包圍盒為基礎(chǔ)的3D 空間占用模型

把裝配式建筑的預(yù)制部件占用空間利用凸立方體的形式予以表示，還能夠把針對(duì)預(yù)制部件工作的空間進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展成與之對(duì)應(yīng)的立方體空間。運(yùn)用3D空間的占用模型來對(duì)建筑的預(yù)制部件和施工工作區(qū)域進(jìn)行表示，進(jìn)而能夠高效地將3D 空間的占用模型自動(dòng)生成，這樣便于對(duì)占用需求空間的實(shí)際沖突進(jìn)行檢測，提高計(jì)算的工作效率。

預(yù)制部件與其空間占用全部運(yùn)用混合軸向包圍盒和有向包圍盒表示，然后運(yùn)用立方體的頂點(diǎn)和面及邊構(gòu)建包圍盒空間的模型，具體如公式（2）：

公式中：P—表示立方體頂點(diǎn)集合；S—表示立方體表平面集合；L—表示立方體邊的集合；

而其3D 的空間坐標(biāo)如公式（3～5）：

公式中：Pm—表示立方體的第m個(gè)頂 點(diǎn)，m=1，2，3…8；g（Pm，Pn，Pk，Ph）—表示4 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)平面的方程；m，n，k，h—表示對(duì)應(yīng)此平面的4 個(gè)頂點(diǎn)；lmn—表示立方體的1 條邊，其空間f（Pm，Pn）由空間中的點(diǎn)Pm，Pn構(gòu)成。

3.3.2 3D 作業(yè)空間生成的算法

通過BIM 技術(shù)直接構(gòu)建建筑的3D空間模型，然后經(jīng)WBS 分解建筑工程為多級(jí)的子作業(yè)，子作業(yè)則占用對(duì)應(yīng)的實(shí)體與工作的空間。其中工作的空間根據(jù)工程管理人員依據(jù)操作需要，對(duì)空間進(jìn)行擴(kuò)展參數(shù)的設(shè)置，例如［(αx，αy，αz)，β，（d，l）（r，γ）］。最后再與實(shí)體空間進(jìn)行結(jié)合得出包圍盒模型V。

3.3.3 進(jìn)度空間的占用模型

而對(duì)于裝配式建筑的施工作業(yè)對(duì)空間占用的實(shí)際需求來講，其存在一定的可更新性，所以不能只重視對(duì)工作業(yè)空間的占用，還應(yīng)當(dāng)考慮疊加施工作業(yè)進(jìn)度的相關(guān)信息，即將時(shí)間維度融合到3D作業(yè)空間的模型，建立4D 作業(yè)的空間占用模型，具體如公式（6）：

公式中：ts—表示相關(guān)施工作業(yè)的開始時(shí)間；tf—表示相關(guān)施工作業(yè)的結(jié)束時(shí)間。

3.4 作業(yè)空間沖突識(shí)別的混合算法

通常在實(shí)踐中，大部分建筑的結(jié)構(gòu)規(guī)則呈現(xiàn)作業(yè)空間為軸向立方體，可以使用混合軸向包圍盒碰撞檢測的算法來對(duì)作業(yè)的空間是否沖突進(jìn)行檢測判斷。而有一部分建筑具有非軸向的預(yù)制構(gòu)配件存在，所以需要使用有向包圍盒碰撞檢驗(yàn)的算法。但由于混合軸向包圍盒的檢測算法非常的簡單便捷，所以在對(duì)作業(yè)空間的沖突進(jìn)行識(shí)別時(shí)可以運(yùn)用混合軸向包圍盒的檢測算法計(jì)算。本文則把混合軸向包圍盒與有向包圍盒進(jìn)行混合，針對(duì)待識(shí)別的空間占用模型Vi及Vj利用判斷施工的時(shí)間和位置坐的標(biāo)開展沖突識(shí)別算法優(yōu)化。

4.基于BIM 的作業(yè)空間沖突識(shí)別實(shí)現(xiàn)分析

通過使用Navisworks 軟件來對(duì)裝配式建筑項(xiàng)目WBS 分解和4D 進(jìn)度計(jì)劃編制，再運(yùn)用Navisworks SDK 工具包對(duì)工作空間加以生成，然后對(duì)實(shí)際作業(yè)的空間沖突進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)。圖5 顯示為技術(shù)架構(gòu)圖。

圖5 沖突識(shí)別架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)裝配建筑吊裝的作業(yè)施工進(jìn)度開展分析，首先利用Navisworks 對(duì)項(xiàng)目文件進(jìn)行讀取，主要為樓體地理的空間與WBS 相關(guān)信息。然后再開啟時(shí)空沖突的檢測插件，最后讀取WBS 信息，并查找及保存并行的全部工序。

在施工作業(yè)的空間生成模塊中，依據(jù)不同的施工交互方式進(jìn)行對(duì)操作空間實(shí)際的需求判斷，最后再對(duì)工作空間擴(kuò)展方式和系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)把在關(guān)鍵位置的施工工序上的施工活動(dòng)權(quán)重全部設(shè)成2，而其他則為1。

當(dāng)對(duì)操作空間進(jìn)行批量的生成之后，利用空間沖突的檢測模塊檢測出全部有時(shí)空沖突的并行工序，然后再對(duì)沖突的嚴(yán)重性進(jìn)行計(jì)算。本文把θ1與θ2分別設(shè)置1 和10，即輕度的沖突為I∈［0，1］，中等的沖突為I∈［1，10］，嚴(yán)重的沖突為I ≥10。

最后通過軟件的實(shí)驗(yàn)分析表明，上述提出的算法，即作業(yè)空間自動(dòng)生成法，能夠?qū)⑹┕ぷ鳂I(yè)的空間模型較好地展現(xiàn)出來，與此同時(shí)，對(duì)于空間沖突的檢測也能完全準(zhǔn)確地識(shí)別出來。但該算法和檢測沖突的流程只對(duì)工期重疊進(jìn)行了檢測，減少了計(jì)算量，而運(yùn)用混合軸向包圍盒與有向包圍盒為基礎(chǔ)的碰撞檢測算法，能夠較大的減少檢測計(jì)算的難度，并且工作的效率高，以后可以在裝配式建筑工程項(xiàng)目中實(shí)踐運(yùn)用。

5.結(jié)論

本文通過上述對(duì)裝配式建筑并行施工時(shí)作業(yè)空間的沖突進(jìn)行深入的分析，對(duì)作業(yè)空間的沖突原因和類型予以明確，并提出混合軸向包圍盒與有向包圍盒融合的沖突識(shí)別算法，經(jīng)過應(yīng)用表明其效果較為準(zhǔn)確，能夠有效地識(shí)別空間沖突，由此優(yōu)化后續(xù)的施工。