基于BIM-Queuing Theory的超高层施工电梯配置方法研究

赵 彬，杨希宁

（重庆大学 建设管理与房地产学院，重庆 400044，E-mail:xnyang@cqu.edu.cn）

基于BIM-Queuing Theory的超高层施工电梯配置方法研究

赵 彬，杨希宁

（重庆大学 建设管理与房地产学院，重庆 400044，E-mail:xnyang@cqu.edu.cn）

随着中国经济的高速发展，相对发达的城市都在建设超高层建筑并将其作为自己的地标性建筑。由于超高层建筑施工过程中工作面有限，投入资金量大，加快施工进度从而降低施工成本显得尤为重要。目前施工单位的施工管理水平有限，进度与成本两个目标的权衡变得很困难，施工单位在布置施工电梯时多是根据经验进行粗略估算，这可能会造成巨大的资源浪费。通过搜集和研究当前施工电梯在超高层建筑中的应用现状，应用BIM技术与排队论，结合施工电梯的实际应用状况，对施工电梯布置方法进行研究，力求为施工单位在配置施工电梯时提供一种新的思路，加强施工单位在施工过程中的管理水平，从而提高经济效益。

超高层建筑；施工电梯；BIM；排队论

超高层建筑施工的独特性在于垂直运输的技术经济问题变得更为显著［1］，它对整个施工的进度和成本等有着显著的影响。在电梯运行的过程中，由于材料、机械和人员等到达的随机性，经常会出现材料、机械等到达但是电梯繁忙而导致建筑主体下方材料积压而产生的排队现象，而盲目增加电梯的数量有可能导致电梯闲置空转的资源浪费。因此在施工组织设计过程中就需要将电梯的数量进行科学配置，在满足既定时间、成本约束的条件下，实现运输负载和电梯数量的平衡。

本文应用排队论［2］有关理论计算施工电梯布置的基本参数，并基于BIM技术分析整个生命周期内施工电梯布置的形式、数量和各电梯的性能等因素，力求做到施工电梯的合理化布置，保证施工进度并提高经济效益。

1　文献综述

1.1当前施工电梯布置的计算方法

关于运营阶段电梯的选型和计算研究相对较多，蔡琳泷［3］通过对客流量的估计、楼层的布置形式等分析了运输量的需求，同时它也受到了业主的高度重视。但是由于施工现场的垂直运输受到进度计划、材料供应、天气等因素影响，施工电梯配置的选型与配置未引起足够的重视［4～6］。传统的电梯数量估算方法一般采用“预设复验”法，它需要先按经验公式初步计算所需施工电梯的总数，在做完平面及立面的详细规划后，再按估算的人数及材料量，仔细复核施工电梯各阶段的运输能力。由于工期计划、物料供应等经常发生巨大的变化，这就导致了很多计算结果都难以实用。

实践当中，很多施工电梯的运输荷载、数量等都是由施工单位根据经验计算的，但是项目的独特性导致很多情况下施工电梯被闲置或配备不足，造成巨大的浪费和进度控制困难。其中的主要原因有两个:一是传统模式下电梯的配制计算方法太过粗略，多是静态算法，而施工电梯的运输能力受到层高、进度计划调整、待运货物量、运输速度、到场时间等动态因素决定，这就导致管理中的计划赶不上变化；二是传统的施工项目管理中对项目信息的掌握程度过低，很难精确地计算出各阶段的运输负载需求，这就使得电梯的配置计算不能完全依靠信息技术，只能凭借经验粗略估计。

1.2当前超高层项目施工电梯布置现状分析

目前国内已经有很多超高层建筑项目，施工电梯在超高层施工中具有良好的应用效果。Perttula等［8］通过在实际施工现场对比施工电梯运输和人工运输发现，施工电梯效率高，运输时间节约41%，同时它可以有效保证施工人员的健康安全。令狐延等［7］搜集施工电梯在广州新城西塔、京基 100、天津117大厦等应用的相关数据，如表1所示。

表1　国内若干超高层项目施工电梯应用数据

表2为应用软件对数据进行一元回归分析的结果，由此可知y=0.09x-2.69，其中x表示地上层数，y表示施工电梯数量，施工电梯台数与地上层高之间存在显著的线性相关关系，而施工电梯的数量增加会显著增大建设成本。

表2　分析结果

然而施工电梯的配置数量牵涉到很多因素，如进度计划、运输人员与物资数量、电梯运输周期、电梯工作效率等因素。传统的电梯配置数量凭借经验进行估算，而由于不同的项目工期要求不同，施工组织计划也不相同，导致不同项目施工电梯垂直运输的运量需求也是截然不同的，这就需要根据具体的项目计算。BIM技术可以实现物料、进度、人员等实时联动模拟的效果，通过预先模拟可以实现施工电梯优化配置［9，10］。

1.33种基本的施工电梯布置模式

超高层建筑一般会分层布置施工电梯，各层之间存在运输量的逻辑关系，为了充分利用资源，实际施工中主要根据具体的运输需求自主选定相应的布置模式。通过对多个项目的考察研究发现，目前实际应用的运输方式主要有以下3种模式，如图1所示。

图1　3种基本的施工电梯布置模式

通常第一种方式适合于工期相对较长的项目，但是由于多次停顿导致施工电梯的运输效率十分低下，容易引起窝工现象。第二种属于类似于平行施工模式，它做到了为一定的层级设置专门的施工电梯，管理相对简单，但是由于增加了施工电梯数量，可能导致使用效率不高而产生巨大的浪费。第三种模式综合了前两种情况各自的特点，从某种程度上提高了系统的应用效率，各层之间的周转相对便利，但控制系统相对复杂，容易造成不同层之间的冲突。

综上，目前施工中主要采取了分区分层配置施工电梯的思想，但是关于施工电梯能否满足施工需求和相关的布置方法的研究极少，能够应用BIM技术的少之又少，本文将对此展开研究。

2　研究方法

2.1基础数据

在超高层施工过程中由施工电梯组成的垂直运输系统由多个施工电梯组成，每个施工电梯又属于一个单独的随机服务系统，因此整个可以视为多个自随机服务系统的有机组合。本文的研究对象可以是一个单独的施工电梯，也可以是整体的系统，具体采用哪种方式需要根据管理的精细程度自主选择。

2.1.1施工电梯的性能指标

一般而言施工电梯的选型主要考虑载重、速度、单笼或双笼等参数［7］。施工电梯的数量主要由工期、成本两个因素决定［11］。具体而言主要取决于劳动力数量、运输的荷载、运次和电梯额定载客量等。但是受制于超高层的工作面、工作之间的逻辑关系，实际当中采取了分层运输，设置接驳电梯的方法，从而实现各层电梯之间的合理分工，为安排平行施工提供了更大的工作面，加快了工作效率。2.1.2 货物到达的时间分布

（1）货物到达间隔。由于在施工过程中会涉及到货物能否准时到达的问题，很难准确地估算出其实际的供应量，这就需要根据工作经验和当地的供应水平做出合理估计，计算其经验分布。

Pn（t）表示时间长度t范围内发生n次运输任务的概率，其期望值和方差均为λt。在实际工作中，可以根据项目进行情况进行总结，得出经验性的参数，为以后超高层项目积累经验。

（2）服务时间的经验分布。一般情况下施工电梯只要不发生机械故障都是出于可运行状态的，这就使得其服务时间基本属于连续性不间断服务状态。因此本文只讨论施工电梯正常运转的情况。

2.2施工电梯服务系统模型

2.2.1模型建立

根据实际施工电梯的运行状况，可以将其视为M/M/1模型，施工电梯在实际运行过程中符合以下特征:

（1）等待运输的货物是无限的，且相互独立。（2）假设为单队，符合先到先服务原则。

（3）不同货物之间的重量、要到达的层数之间相互独立，因此各自的运输时间是相互独立的。

设在时间［t，t+Δt］内，有一个货物到达的概率为aΔt+ο（t），货物在运输过程中完成的概率为bΔt+ο（t），ο（t）视为t的高阶无穷小，可以忽略不计。设每个时刻t系统内的运输任务个数为Pn（t）。则在某一时刻t+Δt施工电梯存在以下4种情况:

（2）系统内有 n+1个运输任务，其中有一个运输任务正在服务中准备离去，这种情况的概率为Pn+1（t）（1-aΔtbΔt。

（3）系统内有 n-1个运输任务，其中一个且正好有一个新的运输任务出现的概率为Pn-1（t） aΔ t（1-bΔ t） 。

（4）系统内有 1个运输任务刚好正要完成，且同时恰好有1个新的运输任务出现Pn（ t） aΔtbΔt，该项为关于Δt的高阶无穷小。

因此由于以上4种情况满足独立性、正则性，因此有以下结果:

综上，为简化计算将时间为稳态，此时运输系统满足以下关系:

服务强度ρ≤1，否则会出现平均到达率高于平均运输服务率而导致队列无限长；a表示每小时货物到达量；b表示每小时运输能力；ρ为平均到达率与平均运输能力之比，它的实际意义为服务强度。

根据以上计算出的基本参数作为软件设置的基本参数和基本约束，可以在BIM软件中结合实际进度计划进行合理的安排和模拟。

2.2.2施工电梯系统的两类相关指标

应当明确的是这里的排队问题属于FCFS类型的服务问题，服务时间分布、服务时间的确定要根据实测的数据来测定，其他因素大都是给定的。应用排队论解决施工电梯的配置问题首先要确定的是数量指标的概率分布和特征数，主要涉及:

（1）队列长度，在这里指的是运输系统中所有的人员货物总量（其期望值为 Ls），它指的是施工电梯系统中所有的等待运输人员货物的运输单位个数，其期望值记为Lq。

一般而言，Lq越大，说明运输的任务量越重，需要配备的施工电梯数量与单台运输能力需要提高。

（2）逗留时间（完成一项循环运输任务的时间），其期望值为WS，等待时间期望值为Wq:

人员、货物在运输系统中逗留的时间 W（在M/M/1情形下）服从（b-a）的指数分布，因此有:

2.3基于BIM的施工电梯动态布置流程

根据排队论系统中的基本原理，可以根据实际需求统计出等待运输货物的分布情况以及施工电梯完成一次运输任务到开始为下一服务周期服务时所消耗时间的分布，这部分数据主要来源于BIM5D的施工计划和备选电梯型号以及以往的施工企业的经验数据积累。总体的施工电梯布置流程见图2，将施工电梯的布置流程分为以下4个部分，从而实现动态布置。

图2　垂直运输系统布置优化流程

2.3.1关键参数测算

在此以等待运输的砌块为例，施工电梯的单次运输容量为V0，设每个砌块的体积为V1，施工现场运输容量为V0，设每个砌块的体积为V1，施工现场可容纳材料的空间为V2。

随机服务系统理论中的服务对象“顾客”一般而言都是频率分布，施工现场等待运输的这里主要通过在BIM软件中进行相应的参数设置，建立模拟环境设置，这主要涉及到以下参数:

（1）施工电梯的容积。由于涉及到运输能力问题，等待运输的材料等个数的计算，需要根据施工电梯的单次运输能力进行测定。运输货物数量的计算可以将施工电梯单次的运输重量限额（M0）或体积（V0）作为计算基础，将不同的设备作为需要运输货物的计算参数，从而将运输任务转化为整数单位计算的“顾客”。

（2）现场排队空间设置。施工电梯周边的空间是限制排队长度的关键因素之一。由于超高层建筑一般位于城市的中央，施工现场的空间是非常有限的。但是在排队论中系统的边界设定不能以空间作为约束条件，而应当以时间作为约束条件。因此这里的队列长度约束应当是包括在货物运输途中。

这里的空间限制可以由2.2.2中的Lq进行比较确定。施工现场可以容纳的排队空间为L0（表示现场可以运输单位个数）:

当Lq＞L0表示服务系统的运输效率不够快，产生了现场积压现象，不能满足既定的运输需求，反之，表示随机服务系统可以满足需求。

（3）施工电梯运行服务时间与运输任务的分布参数。由于每台施工电梯在执行不同的运输任务时需要到达不同楼层，因此其每次的服务时间是不确定的，这就需要设置相关的参数。施工电梯完成一次运输任务周期需要的时间是由施工电梯的自身性能决定的，同时其处于工作状态的时间分布类型需要具体观测。施工单位在实际当中可以根据统计学中的矩估计、极大似然估计和贝叶斯估计等［12］方法测算出施工电梯服务系统的服务参数指标a。

2.3.2基于BIM的运输荷载估算

BIM 技术在施工阶段的施工组织设计具有广泛的应用［13］并取得了很好的经济效益［14］。BIM技术能够实现设计、施工和运营等阶段的系统集成管理，统计分析各阶段的信息协同［15］，降低信息的不完全性［16］。目前绝大部分的 BIM 软件都拥有构件统计功能，它可以实现不同阶段的材料和人员的进场计划安排。由于不同时间段内施工的强度是不同的，因此运输的负载也是不同的。施工电梯的运行过程是一个随机服务系统，因此可以通过应用BIM技术计算运输负载在各个时间段的分布情况，建立运输负载数据库，通过统计分析计算不同施工阶段的运输峰值，作为约束条件用以进行电梯配置数量预估，初步确定施工电梯的数量。在此可以先研究单台电梯运输的问题，再通过加装多台施工电梯满足相同运输能力的思路。

根据这些指标可以计算出单台电梯时的服务强度，进而可以通过计算得出所需加装的电梯数量和工期约束、费用约束等确定所需加装的数量。图3为根据 BIM5D实现的施工组织计划以及根据其指定的垂直运输计划量，图中浅色部分表示单位在一段时间内低层每天等待运输的砌块的量V3，深色部分表示高层每天需要运输的砌块的量V4，N表示每天等待运输的运输单位总数，则有:

图3　运量分布图

2.3.3基于BIM的运输负载模拟

BIM技术在应急模拟、逃生模拟［17］等分析中具有很大的应用价值。而BIM模型是对真实的施工现场和建筑形体的精确的三维表达。目前 Pathfinder在应急疏散模拟中具有广泛的应用。通过将超高层建筑的各阶段施工模型以dfx格式导出，作为模拟环境的基础。通过 Pathfinder软件设定等待运输货物的流动路线、装卸地点、流动速度和垂直运输系统的服务能力等参数设置，实现整个运输流程的模拟过程。

应用BIM技术模拟电梯工作过程，检验是否满足相应的运输负载要求。由于现场施工过程中会面临巨大的不确定，业主、监理方、天气等随时可能影响施工进度，进而影响施工过程中的施工强度。因此，在此企业可以分析业主需求和施工所在地的气候环境等因素，根据企业自身在以往的施工中遭遇不利因素的应对经验，对设计好的电梯配置方案施加随即扰动，监测方案应对不确定性和风险的能力，设置预留运输能力空间。

2.3.4施工电梯配置优化

通过以上步骤的模拟可能出现不能满足相应的运输能力需求的现象，这就需要提高运输能力，配备更多的设备。施工方可以通过调整技术方案、施工进度安排、资源投入等实现资源投入数量的均衡化，进一步调整施工电梯数量，增大施工现场材料堆放的空间。重复以上过程若干次最终确定施工电梯数量。在此优化过程中，可以进行相应的技术经济对比分析，从而实现相应的最优方案。当然，如果调整得到施工电梯布置方案会导致较高的成本发生，可以通过调整相应的材料、人员和机械设备等改变配备能力系数，从而获得相对最优方案。

3　建议

当前精益建造思想在建筑业得到了普遍的认同。建筑工业化、信息化、绿色化和智能化等离不开施工单位对施工过程进行全面的管理。建筑施工企业的国际化道路表明，施工技术的创新和施工管理的精细化是提高市场竞争力的主要途径。当前的施工企业必须从以下几个方面改善自身的经营生产状况才能实现施工管理的高效率。

（1）建立企业自身的数据库。当前我国建筑施工企业在项目数据管理方面十分落后，很多项目在结束后只对资料进行简单归档，很多有价值的项目信息、施工经验数据和高效的管理方法随着项目的结束而消失。例如施工电梯的布置过程就需要根据企业在其他项目上的经验数据，结合本项目的资源调配计划进行统筹规划，从而初步确定施工电梯布置方案。此外，施工单位人员的巨大流动性导致人员的自身技能和经验与企业相脱节，从而导致企业核心技术随人员流动而流失的现象。项目具有一次性的特点，但是施工企业的经营却是连续性的，加强施工企业对自身项目实施的数据搜集和总结迫在眉睫。

（2）推进BIM技术在项目中的实质化应用。当前BIM技术在建筑施工行业得到了普遍的应用，但是其应用的深度和效果有待进一步发展。BIM技术的实际应用价值尚未得到施工企业的深刻认识。很多施工企业虽然投入了大量的人力物力，但是实际应用效果并不理想，甚至出现了“为了应用BIM而应用BIM”的怪现象。从本质上看，主要是由于现场的施工管理精细化程度和信息化程度太低，而BIM 技术的应用需要建立在完善和具体的各个管理环节上，如材料、设备和人员分配信息的实时性、精确性和真实性，BIM技术提供的信息才具有应用价值并真正地提高经济效益，否则BIM只能停留在概念上。

（3）提高现场施工管理人员专业素养。施工现场的物资和人员的调度蕴含着很多能够运用优化思想的问题，这就涉及到工期、成本和技术方案等之间均衡。在满足既定工期和质量等要求的约束下，追求企业效益最大化是对现场施工管理人员提出的基本要求。国际排名领先的施工企业人员的素质普遍高于我国施工企业施工现场管理人员素质，他们能够对每一个施工过程涉及到技术节点进行专业化的控制，如力学分析、成本对比分析等都是必须具备能力。而我国的施工现场管理人员都是依靠时间和经验积累。国外很多大型施工企业在我国很多标志性项目中依靠自身精细的管理方法和技术设备，只雇用本地廉价劳动力和购买低成本的建筑材料从而实现利润最大化。因此，提高现场施工管理人员管理和技术水平十分必要。

4　结语

本文的研究成果可以作为大型施工单位在进行施工电梯配置提供参考和效率评估。但是其应用效果还取决于各企业的施工管理水平。从目前的超高层施工电梯的布置应用来看，其应用效率尚有提升空间。鉴于我国目前的建设施工项目管理尚处于粗放的经验主义阶段，精细化、信息化等新的观念和技术方法尚处于逐渐引入的阶段，大型的施工单位应当注意积累自己的数据库。本文所研究的超高层施工电梯布置本身就需要施工单位具备相应的施工经验，并测定和积累相应的施工电梯运输水平和施工过程中等待运输的材料设备等到达的规律，只有这样才能实现科学化的管理。此外，BIM技术的发展对施工过程的精细化具有巨大的推进作用，但是囿于目前我国建筑行业的发展水平和相关专业技术人员的匮乏，BIM在实际当中的深入应用与推广尚需时日。

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A New Approach to the Layout of Construction Elevators Through Integration of BIM Tools and Queuing Theory

ZHAO Bin，YANG Xi-ning
（Faculty of Construction Management and Real Estate，Chongqing University，Chongqing 400044，China，E-mail:xnyang@cqu.edu.cn）

Along with the enormous achievement of China`s economic development，cities in great numbers try to construct lots of super high-rise buildings as their symbols. However，the building construction has to suffer limited space with substantial capital investment. As is acknowledged，many construction elevators are arranged by experience and gross calculations，which causes significant waste of resources. In this paper，BIM and Queuing theories are applied to support a new method for arranging the construction elevator. Contractors can use this technology to enhance the management and improve economic returns.

super high-rise building；construction elevator；BIM；queuing theory

TU857

A 本文编号：1674-8859（2016）04-126-06

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.024

赵 彬（1966-），男，副教授，研究方向:建筑信息化，建筑工业化，区域经济发展等；

2016-06-25.

杨希宁（1991-），男，硕士研究生，研究方向:技术经济，BIM，可持续建设等。