資源約束下裝配式混凝土建筑優(yōu)化調(diào)度模型研究

張利健

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

1 資源約束

資源約束是指在自然資源不足或者資源過度利用的情況下，對資源的利用造成了約束和限制[1]，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在資源供需矛盾嚴(yán)重、資源利用率低、資源浪費(fèi)量大、對經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在潛在約束等方面。在社會快速發(fā)展的過程中，建筑建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，占用了大量的土地資源，并且在施工過程中需要投入大量的資源，很有可能會出現(xiàn)資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，和我國當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展理念相違背，也會引發(fā)資源約束問題的出現(xiàn)。而裝配式混凝土建筑打破了以往施工技術(shù)存在的局限性，利用現(xiàn)場組裝的方式完成建筑施工，能夠控制資源的投入量。因此在資源約束背景下，裝配式混凝土建筑的出現(xiàn)為后續(xù)建筑行業(yè)的發(fā)展提供了重要的動力，緩解了當(dāng)前資源供需矛盾的問題。

2 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優(yōu)化調(diào)度總體框架

2.1 調(diào)度特點(diǎn)

裝配式混凝土建筑施工主要涉及現(xiàn)場施工、構(gòu)件運(yùn)輸、構(gòu)件生產(chǎn)3 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從表面上看，該建筑施工模式的施工環(huán)節(jié)較少，但是和傳統(tǒng)施工模式相比，其資源調(diào)度過程更為復(fù)雜。

（1）以往在施工過程中調(diào)度所涉及的作業(yè)空間具有單一化的特點(diǎn)，多個作業(yè)空間之間不存在資源牽制的現(xiàn)象。而在裝配式混凝土建筑施工過程中存在多個不同的作業(yè)空間，特別是在為同一建設(shè)環(huán)節(jié)提供相應(yīng)調(diào)度服務(wù)時，會受到處于不同空間下時間條件的約束和限制。

（2）傳統(tǒng)施工項目調(diào)度模型單一，裝配式混凝土建筑不同作業(yè)空間的調(diào)度形式存在較大差異。雖然在施工過程中，裝配式混凝土建筑的調(diào)度模式仍然和傳統(tǒng)施工項目相同，但在構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成了工業(yè)化的生產(chǎn)流程，其調(diào)度也處于工業(yè)化生產(chǎn)范圍內(nèi)。

（3）現(xiàn)場裝配環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及運(yùn)輸環(huán)節(jié)所處的地理位置具有較大差異。在對各類資源進(jìn)行調(diào)度的過程中會受到多種不同因素的影響和制約，包括環(huán)境要素、資源要素、地域要素等，其中一項要素出現(xiàn)波動都會影響施工活動的有序開展，導(dǎo)致調(diào)度活動出現(xiàn)偏差，從而引發(fā)成本上升以及工期延誤等問題的出現(xiàn)[2]。

2.2 調(diào)度過程

通過對裝配作業(yè)空間進(jìn)行分析，可以將其劃分為多個不同的建設(shè)空間以及建設(shè)時間節(jié)點(diǎn)，利用運(yùn)輸作為媒介形成現(xiàn)場裝配和生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的約束關(guān)系。例如，在某個施工節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場裝配空間發(fā)出調(diào)度指令，生產(chǎn)環(huán)節(jié)根據(jù)調(diào)度指令對構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)，再由物流單位將所生產(chǎn)出的構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場完成施工活動。每個調(diào)度空間均按照這樣的順序完成循環(huán)，一直持續(xù)到施工結(jié)束。在施工過程中，假設(shè)每個作業(yè)空間的工序不可以中斷，同時要求可更新資源不能夠作為成本，在確定環(huán)境下減少環(huán)境因素的影響，也不考慮構(gòu)件生產(chǎn)以及裝配過程中所需要投入的儲存成本，可以進(jìn)一步簡化裝配式建筑的施工過程。具體如下。

（1）在某個時間點(diǎn)上只完成運(yùn)輸作業(yè)和生產(chǎn)活動，不涉及現(xiàn)場裝配，在這一階段構(gòu)件完成生產(chǎn)后會被放到施工現(xiàn)場儲存。但是由于調(diào)度模型具有復(fù)雜性，因此不對儲存階段的成本進(jìn)行考慮[3]。

（2）對于某段時間到另一段時間之間所涉及的各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)作業(yè)，在現(xiàn)場裝配過程中如果發(fā)現(xiàn)存在資源不足的現(xiàn)象，需要對生產(chǎn)空間下發(fā)調(diào)度指令，要求生產(chǎn)空間對構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)安排，之后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。在這一過程中忽略外界因素給調(diào)度活動帶來的影響，確保調(diào)度處于不中斷的狀態(tài)。

（3）在施工過程中會需要使用各種不同類型的構(gòu)件，需要分析構(gòu)件類型對調(diào)度活動產(chǎn)生的影響，要求可以結(jié)合構(gòu)件需求完成生產(chǎn)。

2.3 調(diào)度計劃

調(diào)度計劃的合理設(shè)計能夠有效提高調(diào)度效率，需要從3 個作業(yè)空間出發(fā)，分別設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度流程：①在現(xiàn)場裝配活動中，需要分析建筑的整體施工流程，明確各個構(gòu)件的裝配順序，將其作為后續(xù)整體調(diào)度的基礎(chǔ)。②在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，需要同時了解生產(chǎn)情況以及現(xiàn)場的構(gòu)件需求，將不同類型的構(gòu)件作為最小調(diào)度單元完成構(gòu)件運(yùn)輸。③在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，需要明確不同構(gòu)件的具體生產(chǎn)流程，為了能夠形成協(xié)同調(diào)度模式、優(yōu)化生產(chǎn)工序，需要將施工工期以及施工資源投入作為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場施工情況對生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整[4]。

3 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

3.1 動態(tài)調(diào)度協(xié)同技術(shù)

在裝配式混凝土建筑建設(shè)過程中，涉及的作業(yè)空間較多，在具體的調(diào)度過程中空間以及空間之間會產(chǎn)生牽制關(guān)系，因此需要重視對牽制關(guān)系的處理。動態(tài)調(diào)度協(xié)同技術(shù)則可以有效解決這一問題，例如，在現(xiàn)場裝配過程中，可以將時間要素作為約束條件，利用不同空間的調(diào)度順序完成傳遞[3]。在調(diào)整空間以及空間的協(xié)同關(guān)系時，可以將現(xiàn)場裝配調(diào)度優(yōu)化后所需要的工期時間作為約束條件，利用運(yùn)輸環(huán)節(jié)完成不同資源的多個空間有序調(diào)度。動態(tài)調(diào)度協(xié)同技術(shù)將作業(yè)工期約束作為基礎(chǔ)條件，同時也屬于必要條件，利用多維度調(diào)度模型達(dá)到最短時間、最低成本的施工目標(biāo)。

在具體的調(diào)度模型構(gòu)建過程中，將TCTP 作為模型最優(yōu)目標(biāo)，利用現(xiàn)場作業(yè)資源對運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的調(diào)度進(jìn)行牽引，具體是指結(jié)合現(xiàn)場裝配過程中對不同類型構(gòu)件的需求，對生產(chǎn)時間、運(yùn)輸時間以及生產(chǎn)計劃進(jìn)行約束。

其中運(yùn)輸環(huán)節(jié)需要為現(xiàn)場裝配環(huán)節(jié)提供服務(wù)，結(jié)合現(xiàn)場裝配的時間點(diǎn)明確運(yùn)輸計劃[5]。在針對不同作業(yè)空間完成調(diào)度計劃優(yōu)化后，需要根據(jù)最優(yōu)目標(biāo)以及空間牽制要素利用遺傳算法對調(diào)度計劃進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整。

3.2 最優(yōu)資源總量確定技術(shù)

在多空間調(diào)度資源優(yōu)化時，需要將不同空間的效益作為基礎(chǔ)目標(biāo)，在時間約束以及資源約束的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法明確資源的最佳配置方式。如果不同空間的資源量出現(xiàn)變化，則調(diào)度計劃也需要進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)每個空間資源總量處于較多狀態(tài)時，資源成本投入也會有所提高，但是在生產(chǎn)安排過程中不會出現(xiàn)過多的資源沖突問題，施工工期也隨之縮短。當(dāng)每個空間資源總量處于較少狀態(tài)時，資源成本投入雖然會降低，但是在生產(chǎn)安排過程中容易出現(xiàn)資源沖突問題，導(dǎo)致施工時間有所延長。因此需要明確資源總量，可使用最優(yōu)資源總量確定技術(shù)進(jìn)行分析。如果該技術(shù)能夠了解在不同空間作業(yè)下資源總量的最佳數(shù)值，就能加強(qiáng)對成本以及資源的控制。此外，相關(guān)人員需要調(diào)整各個空間的調(diào)度進(jìn)度計劃，明確初始資源總量數(shù)值，再不斷地調(diào)整資源總量，減少資源總量，從而完成調(diào)度優(yōu)化，確保在資源總量有限的情況下能夠提高施工效率[6]。

4 資源約束背景下裝配式混凝土建筑優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

4.1 優(yōu)化調(diào)度模型思路

在進(jìn)行調(diào)度時，通過動態(tài)協(xié)調(diào)技術(shù)可以針對多個空間的資源調(diào)度問題進(jìn)行處理，防止資源調(diào)度過程中存在的約束問題。首先需要構(gòu)建協(xié)同管理平臺，針對裝配作業(yè)環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行深入分析，從資源約束、工期約束、緊前關(guān)系約束角度出發(fā)對調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化，盡可能在最短時間內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的成本控制效果。如果對調(diào)度模型進(jìn)行應(yīng)用模擬后，其預(yù)期成果不符合成本以及工期控制要求，可以再次通過協(xié)同管理平臺對調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化調(diào)度模型時，以成本-工期最優(yōu)目標(biāo)為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)場裝配資源調(diào)度對運(yùn)輸環(huán)節(jié)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的調(diào)度進(jìn)行牽引，使用遺傳算法獲得最為合適的調(diào)度計劃[7]。在運(yùn)輸調(diào)度過程中，將現(xiàn)場裝配總工期、裝配構(gòu)件時間節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)所需資源量作為基礎(chǔ)約束，以資源成本最優(yōu)作為調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)，保證在某一段運(yùn)輸時間內(nèi)可以運(yùn)輸最多的資源，并將生產(chǎn)資源成本作為調(diào)度模型優(yōu)化目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)對生產(chǎn)工序進(jìn)行合理安排。

4.2 模型建立

4.2.1 現(xiàn)場裝配調(diào)度優(yōu)化模型

現(xiàn)場裝配是影響裝配式混凝土建筑后續(xù)使用安全的關(guān)鍵要素，在現(xiàn)場裝配過程中需要對各類構(gòu)件進(jìn)行合理應(yīng)用，盡量縮短施工時間。在該環(huán)節(jié)中，應(yīng)合理安排工序活動，選擇在合適的時間實施合適的施工工序，以此來達(dá)到最佳的施工建設(shè)效果。在施工過程中，直接成本和工序持續(xù)時間呈現(xiàn)出反比關(guān)系，工序時間縮短則直接成本會上升，當(dāng)施工時間被壓縮到極致狀態(tài)時，直接成本變化不會給工期帶來過多的影響。

在優(yōu)化現(xiàn)場裝配調(diào)度模型時，以工序持續(xù)時間-直接成本作為計算基礎(chǔ)，對工序時間和成本的關(guān)系進(jìn)行假設(shè)，設(shè)定其為二次函數(shù)關(guān)系，再針對成本以及工序之間的關(guān)系進(jìn)行計算。在計算的過程中，需要考慮壓縮以及未壓縮工序工期后的直接成本、工序直接成本壓縮系數(shù)、壓縮工期以及最長工期。在分析間接成本和工序工期關(guān)系時，需要考慮間接成本、壓縮工期以及間接成本系數(shù)。在具體模型建立過程中，應(yīng)從成本約束、工期約束以及時間約束角度出發(fā)對模型進(jìn)行優(yōu)化，并綜合分析施工總工期、工序施工最短和最長工期、最大限制總成本以及總工期[8]。

4.2.2 運(yùn)輸調(diào)度優(yōu)化模型

構(gòu)件運(yùn)輸會影響構(gòu)件的質(zhì)量，也會影響構(gòu)件是否能夠及時運(yùn)送到施工現(xiàn)場。為了確保各個環(huán)節(jié)能夠得到有效調(diào)度，形成協(xié)同作業(yè)的模式，需要對配件生產(chǎn)過程中所需要的時間以及資源作為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，將構(gòu)件作為最基礎(chǔ)的調(diào)度單元，在滿足工期約束的基礎(chǔ)上，將資源成本作為最佳條件。在滿足工序邏輯關(guān)系以及資源約束的基礎(chǔ)之上對調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化。在調(diào)度模型中緊前關(guān)系是主要的參數(shù)之一，要求每項工序在開始之前其時間和緊前工序完成時間相同，或者超過這一時間。針對在不同時間段、對不同類型可更新資源提出的需求，應(yīng)當(dāng)保證其需求量少于供應(yīng)量[9]。除去調(diào)度模型優(yōu)化外，在運(yùn)輸過程中同時需要做好合理管控，在確保運(yùn)輸時效性的基礎(chǔ)上減少資源浪費(fèi)；還需要做好包裝保護(hù)措施，針對容易碰壞的位置采取特殊的防護(hù)手段，進(jìn)而避免在磕碰過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。

4.2.3 生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型

構(gòu)件的生產(chǎn)過程主要由工廠完成，形成了流水化的生產(chǎn)體系，和現(xiàn)場調(diào)度相比，該環(huán)節(jié)的調(diào)度方式更為簡單，可以利用RCPSP 完成求解。在優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度模型時仍然將構(gòu)件作為最小調(diào)度單元，分析在生產(chǎn)過程中所需要的時間以及所需要的資源[10]。在具體的模型構(gòu)建過程中可以不考慮材料成本，但需重點(diǎn)分析人工成本以及設(shè)備成本。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)與工廠的管理人員進(jìn)行溝通提出構(gòu)件的具體質(zhì)量要求，并確保工廠擁有完善的生產(chǎn)設(shè)備以及高素質(zhì)的生產(chǎn)隊伍，確保構(gòu)件生產(chǎn)的合理性，保證人力資源投入在最佳范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

裝配式混凝土建筑簡化了以往的施工流程，提升了施工效率，但是其存在的質(zhì)量隱患出現(xiàn)較大的變化，如果仍然使用以前的調(diào)度策略，將難以有效發(fā)揮裝配式混凝土建筑的優(yōu)勢，會給建筑的發(fā)展造成不利影響，降低人們對于裝配式建筑的認(rèn)可程度。在資源運(yùn)輸背景下，優(yōu)化調(diào)度成為裝配式混凝土建筑施工建設(shè)所關(guān)注的重點(diǎn)，這需要相關(guān)人員明確該類建筑的調(diào)度特點(diǎn)，制訂合適的調(diào)度流程和調(diào)度計劃，對動態(tài)調(diào)度協(xié)同技術(shù)、最優(yōu)資源總量確定技術(shù)進(jìn)行合理利用，保證后續(xù)調(diào)度模型構(gòu)建的合理性。在優(yōu)化調(diào)度模型時需要從現(xiàn)場裝配、運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)入手，為裝配式混凝土建筑活動的開展打下良好基礎(chǔ)，提高施工的科學(xué)性和有序性。