基于AnyLogic的裝配式建筑施工模擬仿真實踐

張新偉, 鄒貽權

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院,湖北 武漢430068)

隨著我國勞動力成本快速增高,提高勞動力資源利用效率成為建筑施工行業(yè)的迫切需求[1]。為促進建筑行業(yè)由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變,近年來國家大力推廣預制裝配式建筑。當前裝配式建筑施工管理內(nèi)容精細化要求高,實際施工中存在資源浪費、管理混亂等問題,容易造成窩工、工期延誤等情況,增加建設成本[2]。

將計算機仿真模擬技術運用至建筑施工中,能清晰的顯示出施工進度,實時掌握勞動力資源投入情況和使用效率,輸出模型仿真數(shù)據(jù)并分析仿真結果[3]。根據(jù)工期目標配置班組勞動力,預測不同勞動力資源配置情況下的施工進度,對班組勞動力效率定量評價,找出存在嚴重窩工的班組和工序,解決傳統(tǒng)經(jīng)驗法配置班組勞動力導致的項目窩工問題。

1 AnyLogic簡介

AnyLogic是一個現(xiàn)代和靈活的面向?qū)ο蟮亩喾椒ǚ抡孳浖碛辛鞒探臁⑽锪习徇\庫等多個模型庫及功能模塊,具備良好的可視化建模環(huán)境和數(shù)據(jù)輸入、輸出方式,廣泛應用于加工制造業(yè)[4]。

2 裝配式建筑施工仿真模擬方法

2.1 裝配式建筑施工管理問題

區(qū)別于傳統(tǒng)施工方式,裝配式建筑在工廠加工制作好建筑構件和配件,再運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場,通過可靠的連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成[5]。裝配式建筑較傳統(tǒng)建設方式增加了分項工程數(shù)量(裝配式建筑施工增加分倉、灌漿、預制構件吊裝等)工序;由于采用預制構件替代現(xiàn)澆結構,部分分項工程的工程量(鋼筋、模板工程量較傳統(tǒng)施工方式)減少。分項工程種類增加和工程量減少,參與施工的班組種類增多,施工環(huán)節(jié)交錯,工序繁多,管理要求更加精細化,導致流水施工工序銜接和穿插管理難度更高,勞動力資源配置管理難度更大,按傳統(tǒng)施工經(jīng)驗配置勞動力的方法易造成窩工和現(xiàn)場管理混亂的現(xiàn)象發(fā)生,不能滿足裝配式建筑高效建造的要求。

2.2 基于AnyLogic的仿真模擬方法

將項目施工抽象為流水線加工,施工分區(qū)智能體抽象為產(chǎn)品生產(chǎn),通過AnyLogic軟件中模型庫、功能模塊、參數(shù)和函數(shù)調(diào)用,按裝配式建筑施工工藝串行、并行、穿插和銜接邏輯進行仿真建模。在確定施工工序、工程量、工效等技術資料的基礎上,為各道工序初步配置勞動力資源,建立施工仿真模型模擬項目流水施工,通過模型可視化分析和數(shù)據(jù)輸出,找到窩工嚴重的工序和施工班組。對勞動力利用效率進行定量評價,為優(yōu)化勞動力配置提供依據(jù)。

2.3 AnyLogic仿真模塊及功能

本研究使用AnyLogic(8.7.5)仿真軟件進行建模,主要運用流程建模庫搭建邏輯模型,通過參數(shù)和函數(shù)設置輸入項目工程量、工序和勞動力資源數(shù)據(jù),使用軟件自帶分析圖表實現(xiàn)模型運行情況實時觀測和數(shù)據(jù)輸出,常用模塊及功能如下。

1)Source是項目智能體生成模塊,每一個施工分區(qū)對應一個智能體,攜帶有項目工程內(nèi)容、規(guī)模、工效等參數(shù)。

2)Service代表施工工序,通過函數(shù)設置實現(xiàn)模擬工序施工,智能體在工序停留的時間即工序耗時。

3)Combine可以合并智能體副本,連續(xù)合并智能體時可設置多個Combine模塊,避免使用Assembler模塊導致丟失智能體數(shù)據(jù)。

4)Split可以創(chuàng)建智能體副本,并確保輸出的智能體和副本屬性與原輸入智能體保持一致。利用Combine和Split可以表示施工工序的串行、并行、穿插和銜接邏輯。

5)Queue是智能體排隊等待模塊,可以在工序完成后連續(xù)使用Combine合并智能體時防止模型堵塞。

統(tǒng)計分析中國大陸CGDPA和IMERG的季節(jié)平均降水強度,結果表明:春季兩者的相關系數(shù)最大、冬季最小,分別為0.89和0.83;夏、秋兩季的相關系數(shù)也都超過了0.85(圖4)。夏季兩者的均方根誤差最大,為1.65 mm/d;其次是春季,兩者的均方根誤差為0.94 mm/d;冬季兩者的均方根誤差最小,為0.70 mm/d。秋季兩者的相對偏差最小,為2.10%;其次是春季,兩者的相對偏差為5.30%;冬季兩者的相對偏差高達-18.24%。

6)Delay是指在某道工序結束后的等待時間,可以代表分倉料或灌漿料的凝固時間。

7)Sink是仿真模型的終點,代表該施工分區(qū)施工完成和仿真過程結束。

8)Resource Pool是模型資源池模塊,模型中各工序均從對應的資源池調(diào)用勞動力資源。

9)Parameter是參數(shù),可以設置項目各工序的工程量、工效和班組人數(shù)等數(shù)據(jù)。

10)Plot是圖表模塊,可以實時顯示模型運行情況和勞動力資源使用情況,并輸出模型運行數(shù)據(jù)。

3 案例分析

3.1 項目概況

以某單體裝配式建筑標準層為研究對象,該標準層豎向結構采用預制裝配式外墻(YWQ)和現(xiàn)澆內(nèi)墻,預制外墻連接處采用現(xiàn)澆結構連接。標準層水平結構部分采用預制裝配式,預制構件類型有預制疊合板(YDB)預制陽臺(YYT)預制空調(diào)板(YKB)預制陽臺掛板(YGB)預制樓梯(YLT),水平構件、部分樓板和梁采用現(xiàn)澆結構連接。將該標準層分為A、B兩個施工分區(qū),前期已測定工序工效,各分區(qū)的工程內(nèi)容、工程量如表1所示。

表1 工程量及工效

3.2 裝配式建筑流水施工模型搭建

將工序劃分主線工序和支線工序,支線工序在主線各工序施工時并行、穿插進行。

主線工序包括:測量放線、分倉、外墻吊裝、封倉、灌漿、YDB吊裝、YYT吊裝、YKB吊裝、YGB吊裝、梁底板鋼筋綁扎、板面筋綁扎、澆筑混凝土。

支線工序包括:1)內(nèi)外墻鋼筋綁扎、內(nèi)外墻模板支設,在外墻吊裝完成后開始,與封倉工序并行;2)梁板鋁模支設、設置獨立支撐,在內(nèi)外墻模板支模完成后開始;3)設置三角獨立支撐、設置支撐托木方,在獨立支撐設置完成后開始;4)水電安裝,在吊裝全部完成后開始,與梁板底筋綁扎并行;5)預埋件,在梁板底筋綁扎完成后開始,與板面筋綁扎并行。

封倉4小時后方可開始灌漿,灌漿24 h后才能進行YDB、YYT、YKB、YGB等水平構件吊裝。模型邏輯框架如圖1所示。

圖1 裝配式建筑流水施工邏輯關系

3.3 參數(shù)和函數(shù)設置

施工班組資源集設置。將工人分為測量班組、灌漿班組、吊裝班組、鋼筋班組、模板班組、安裝班組和混凝土班組,使用資源集模塊代表各施工班組,并通過參數(shù)模塊設置各班組人數(shù)。

工序耗時函數(shù)設置。以測量放線工序為例,在測量放線Service模塊中設置時間延遲函數(shù):

agent.total_測量放線/(agent.rate_測量放線*agent.num_測量放線)

表示智能體在該工序耗時。

副本函數(shù)設置。使用Split和Combine還原工序邏輯,通過函數(shù)設置,使智能體離開Split模塊時保持原智能體屬性,如圖2所示。

圖2 副本函數(shù)設置

3.4 智能體封裝和數(shù)據(jù)讀取

新建Myagent智能體,設置項目各工序工程量、工效、勞動力資源參數(shù)和時間變量,智能體即包含該項目標準層施工工作。在Excel中將工程量、工序和勞動力資源數(shù)據(jù)進行規(guī)范處理,將模型連接到Excel文件。然后在Source模塊中設置函數(shù)如圖3所示,分別讀取表格數(shù)據(jù),智能體離開Source時即攜帶全部該工程工程量、工效和擬投入的勞動力資源數(shù)據(jù)。

圖3 智能體數(shù)據(jù)讀取

3.5 仿真結果分析及優(yōu)化

使用圖表模塊,設置函數(shù)采集運行數(shù)據(jù),如圖4所示 ,實時觀測不同時段工作內(nèi)容、在忙人數(shù)、工序耗時等,分析各班組工作存在的問題。

圖4 數(shù)據(jù)分析

對仿真結果進行輸出和整理得到各工序的用工數(shù)據(jù),進而得到標準層施工的總用工數(shù)、總出勤時間和閑置時間班組窩工率,結果整理如表2所示。

表2 仿真結果分析

通過對仿真數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn),灌漿班組、吊裝班組、鋼筋班組總用工數(shù)較大,且窩工率較高,需要進行優(yōu)化調(diào)整。

1)灌漿班組優(yōu)化 灌漿班組工作時間存在多次間隔,班組人員工作時間零散且分散,單獨配置灌漿班組,易造成大量窩工。在工期富裕時,豎向構件吊裝和灌漿可以交由同一個班組進行,提高勞動力資源利用率。

2)吊裝班組優(yōu)化 預制構件吊裝施工不能通過改變班組人數(shù)提高工作效率,可以通過調(diào)整班組工作分工進行優(yōu)化。在吊裝班組任務繁重時,將吊裝輔助工作,例如外墻斜撐拆除、三角獨立支撐拆除等交由模板班組進行。

3)鋼筋班組優(yōu)化 梁板鋼筋綁扎工序?qū)︿摻畎嘟M窩工率影響較大,適當增加鋼筋班組人數(shù),提高施工速度,減少鋼筋班組的加班時間,將該工序的出勤時間控制在1個完整工作日以內(nèi),從而降低窩工率。在工期富裕時,也可適當減少鋼筋班組人數(shù),將該工序時間控制在1.5個工作日以內(nèi)。

調(diào)整班組人數(shù)并再次仿真,可以得到不同勞動力資源投入情況下的工期、用工數(shù)和用工效率,進一步計算用工成本,根據(jù)項目工期和成本控制要求設計出最佳的班組人數(shù)組合。

4 結束語

通過梳理裝配式建筑施工工序邏輯關系,運用AnyLogic軟件仿真模擬,建立了標準層兩個施工分區(qū)流水施工模型。根據(jù)模型和數(shù)據(jù)分析圖可以實時觀察施工進度和勞動力使用情況,分析仿真數(shù)據(jù),定量評價勞動力資源利用效率,發(fā)現(xiàn)灌漿班組、吊裝班組和鋼筋班組窩工率較高,針對性提出優(yōu)化方案。設計出最佳班組人數(shù)組合,有效降低班組窩工率,為項目勞動力資源配置提供依據(jù)。