浅谈塔式起重机选型定位优化及任务分配设计
2019-07-08王涌
王涌
摘要：本文采取论述及建模计算的方式，对塔式起重机选型及站位进行分析，以期解决塔式起重机的选型、定位以及使用时任务分配的问题。
Abstract： This paper adopts the method of discussion and modeling calculation to analyze the selection and location of tower cranes， in order to solve the problem of tower crane selection， positioning and task assignment.
关键词：塔式起重机策划;选型站位;计算建模;任务分配
Key words： tower crane planning;selection station;computational modeling;task assignment
中图分类号：TH213.3 文獻标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）16-0038-04
0 引言
塔式起重机作为项目施工机械体系的重要组成部分，在增强施工效能，降低施工人员劳动强度，控制企业成本等方面发挥着关键性的作用。
塔式起重机在分公司工程施工中得到大量应用，为项目施工带来了便利及效益。工程施工中影响塔式起重机使用因素很多，如施工现场地形复杂，环境干扰多，吊装任务分配不均等。
为了确保塔式起重机运行的安全、高效，经济性及管理效能，应在塔式起重机进场前进行策划管理工作。技术人员在塔式起重机策划过程中需综合考虑多重影响因素，制定切实可行的策划方案。本文以塔式起重机策划工作中选型、站位及后续使用任务分配作为研究对象，积累郑万高铁、运宝黄河大桥、双达公路、东二环等项目塔式起重机现场应用有益经验。
1 塔式起重机选型及定位原则
1.1 选型
塔式起重机主要性能参数见表1。从表中可以看出塔式起重机参数种类较多，在设备选型中主要通过计算验证塔起重机的起重性能数据是否满足现场使用要求。其中工作幅度、起重量及起重力矩三个参数最为重要，是塔式起重机选型的关键因素。在做选型时，工作幅度着重考虑最大幅度、最大起重量时的工作幅度的参数。起重量着重考虑最大起重量和最大工作幅度情况下的额定起重量的参数。
由于塔式起重机完成安装后如无法完成现场施工需求而更换，势必会造成工期、成本以及安全等不可控风险。在安装前必须采用施工现场最重的吊重任务作为模拟对象对设备选型结果进行验证。即选定塔式起重机在给定条件下能完成最重的吊重任务。
塔式起重机在选型工作中需要考虑的另一个因素是工作效率。工作效率从其性能参数上体现为起重机卷扬机的起升速率、变幅速率及回转速率等。
分析项目策划工程得出：
1.2 定位
塔式起重机对初始站位定位应遵循安全、便利、经济的原则，需要考虑以下4个因素：
1.2.1 安全因素
施工现场建筑物及高压线是对塔式起重机安全运行的重要影响因素。在其中站位时应充分考虑施工现场整体布局，在考虑塔式起重机对其他构件的造成的安全隐患同时，也要考虑其他构件对塔式起重机的安全威胁，如后期安装脚手架等是否会对塔身存在安全影响等。
如施工现场有架空输电线路时，原则上需远离输电线路。如场地受限不可避免，应严格遵守GB 5144-2006《塔式起重机安全规程》中规定的安全距离，见表2。
1.2.2 覆盖因素
塔式起重机定位是应充分发挥其作用，起重臂的作业范围尽可能做到覆盖最大化。提高设备使用效率，减少工作盲区，避免多次转运的重复工作。
1.2.3 便利因素
塔式起重机在整个使用过程中要考虑其进场、安装、附墙、升降等工作便利性。主要体现在塔式起重机在安装时施工现场空旷，车辆及安装设备进场站位较为容易，而在施工工序完成后需拆除、转运时塔式起重机由于未考虑结构物场地制约造成作业困难。在塔式起重机定位时未考虑其附墙距离，造成附墙距离较大，增加成本同时也存在安全隐患。建议在定位时结合设备及场地情况综合考虑。
1.2.4 干扰因素
在项目施工时多台塔吊交叉作业情况较为常见，每台塔吊进行定位时需考虑相邻塔吊的工作区间，合理优化站位，减少相互之间干扰。即能保障塔式起重机安全系数及使用效率。
2 塔式起重机定位优化建模
在完成塔式起重机选型后及站位后，需要对塔式起重机站位进行优化。优化的时主要考虑的因素是工作地区的充分覆盖、工作量的配发。
2.1 初始条件
在建立以任务需求为模型的定位方式，需要先从项目策划书中明确以下四点信息：
①起重机选型后的基本参数，包括起重力矩、最大起重量、起升高度、工作速度等。
②施工现场所有供应点及需求点supply（S）与需求点demand（D）的几何布局。（供需关系）及每组供需关系的大致工期。
③每组供需关系的需求水平，可以通过需求次数/工期时间进行计算。
④每组供需关系有单一的塔式起重机完成，如由多台塔式起重机共同完成，需要对供需关系进行分解。
2.2 任务模型
2.2.1 確定可行区域
根据策划最大吊重物对设备选型，确定的塔式起重机的额定载荷能力，其起升能力由一个径向载荷曲线决定，其中载荷越大，起重机的工作半径越小。假设在供应点S处有一个负载，其重量为w，其工作半径为r。如图1所示：塔机位于半径为r的圆内，塔式起重机可以吊起负载w，否者无法完成吊装任务。
为了将货物从供应点S点吊装运送到需求点D点，起重机必须放置在由S、D两个点所形成的可行区域圆围成的椭圆区域内，如图2所示可行区域。面积的大小与S与D的距离、荷载的重量、起重机的承载能力有关。可行区域越大，吊装任务越容易处理。
该模型定位原理可以理解为通过建立所有供需任务组，通过任务组重叠区域的交集形成一个理想区域，理想区域的几何中心可以作为塔式起重机的定位最优的选择。当然技术人员也可以根据现场实际情况在理想区域内选择位置作为站位点。
2.2.2 供需任务几何关系
施工现场供需任务存在多样性，同样它们的几何位置也存在三种几何关系，如图3a所示：任务2完全在任务1的封闭区间内;如图3b所示两个任务区间有部分相交的区域;如图3c所示同时还存在两个完全分开的任务7与任务8区域;如图3所示，由于位于A区域，起重机可以同时处理任务1和2，同样地，在B区域，起重机可以处理任务1和3。但是，在图3c，任务7和任务8距离太远，单台塔式起重机无法在没有移动位置的情况下同时处理所有任务。
项目在施工中场地布局及塔式起重机选型确定情况下，如果供需任务可行区域之间没有重叠，则需要两台起重机分别处理每项任务。同样，如果有三个供需任务中任意两个没有重叠区域，则需要三个塔式起重机。一般来说，一个单独的任务可行区域与其他任务可行区域无任何交集，该任务必须由单独的塔式起重机来完成。
2.2.3 完成优化定位
通过以上涉及三个步骤确定塔式起重机群的最优位置。首先通过策划及现场图纸，初步确定塔式起重机参数及布置。随后建立供需任务组几何模型。最后通过分析几何模型中每个供需任务关系，确定塔式起重机需求数量及精确站位点。
3 塔式起重机任务分配建模
塔式起重机群的站位及需求数量是由各供需任务组几何关系确定的，然而在施工现场实际施工作业中会存在以下两种情况：一台起重机超负荷工作而另一台起重机可能处于闲置状态;塔式起重机相互干扰频率较高。因此需要将供需任务进行合理分配，提高塔式起重机使用效率，从而达到功效及成本最优。为了研究供需任务分配，需要引入任务组紧密度概念及可达性矩阵。减少人的经验对其存在的不可控性因素。
3.1 任务组紧密度
通过图3可以看出供需任务的几何关系。任务的紧密程度可以通过重叠区域的大小来衡量，如图3所示：因为任务1和任务2的重叠区域大于任务1和任务3的重叠区域，所以任务2比任务3更接近任务1。这个概念可以扩展到度量单个供需任务与任务组的紧密程度。如图3b所示C区域内包含任务4、5、6三个可行任务组。如图3c所示C和D之间的重叠面积大于C和E之间的重叠区域，可以得出任务8比任务7与整个任务组紧密度更高。如果给完成供需任务8的塔式起重机添加新的任务组，那么优先选择与D区间重叠的供需任务区间。
3.2 可达性矩阵
可达矩阵对应的是拓扑几何，而不是通常讲的几何。它描述的是要素之间的相对位置的关系。跟供需任务组具体的几何坐标无关。
假设所有塔式起重机都位于初始位置。使用表3中的可达性矩阵来解释每个起重机对其供需相关任务的可用性，其中δij是一个二元变量，定义为：
显然，对于任意
3.3 分配标准
对于多台塔式起重机分配任务需进一步建立分配机制。分配机制需要有标准来衡量其是否合理性，通过上文了解可以使用以下两个标准：根据每个塔式起重机的利用率衡量工作负荷情况，以及塔式起重机间相互干扰发生冲突的概率大小。用的标准差来衡量平衡工作负荷。平衡工作负荷状态可以用Ti的标准差来衡量
为了计算冲突的可能性，引入了一个冲突索引的参数（NC）。每个δij对应一个三角形，顶点表示供应点、需求点和起重机位置（图4）。如果两个三角形如图4a所示图形分开，则不会发生冲突。两个三角形之间的交叉点数量反映了冲突的几率越高，即，交叉点越多，冲突发生的几率越大。因此，图4b中比图4a中发生冲突的几率更大。此外，物质流动的强度（载荷流转速率）也会影响冲突的可能性。所以模型分别由起重机i和任务j，起重机k和任务l构成，使用nij，kl定义两个三角形的交点个数。
两个塔式起重机与任务之间冲突的可能性应该与nij，kl（Qij+Qkl）成比例，其中Qij与Qkl分别为第i个和第k个任务组中第j个和第l个任务的提升次数。因此，塔式起重机i和k之间冲突可以表示为
3.4 分配算法
其中变量δij是
4 结束语
随着分公司涉及的施工领域日益增多，塔式起重机的应用将更为广泛。同时相对应的策划及使用措施也将日趋成熟，在施工过程中更多精细化的计算及建模分析应用应作为日后工作的重点。项目施工环境千变万化，还需根据实际状况，不断优化塔式起重机管理工作。
参考文献：
[1]向晖.吴延凯.马庆吉，等.基于BIM技术的塔式起重机空间定位及选型[J].施工技术，2017，46（2）：1236-1239.
[2]曹立忠，宋茂进，沈毅.施工现场大型塔机的合理组织与安全管理[J].建筑施工，2002，24（2）：134-135.
[3]罗辉东.施工现场塔式起重机安全管理重点[J].建筑机械化， 2017（9）：52-55.
