基于综合指标评价的起重机选型研究

吴开兴 赵洪林 施丽君

(河北工程大学信息与电气工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

吊装规划中对起重机的选型不仅是一个耗时的任务更是整个规划的关键[1]，因此针对起重机选型的研究具有实用意义。

针对起重机选型工作，已有一些学者和工程领域人员展开了相关的研究。国外学者综合项目参数、被吊对象数据及安全约束等条件应用数值算法对起重机进行了选型[2]；国内学者针对项目情况、起重机性能、安全核算因素结合AHP层次分析法、投影寻踪法等算法对起重机的选型进行了研究[3-6]。

但是上述的一些选型方式中虽然对起重机的选型进行了核算和施工过程的综合考虑，提高了施工安全，但没有考虑施工成本等问题，且不能判断何种起重机是最优的；投影寻踪法可以处理非线性多指标问题，但不适用于大数据下的筛选；层次分析法主观性较强。因此本文在考虑了施工环境、安全性、操作人员因素、施工成本等因素的前提下，基于价值工程原理，并结合结构熵权法的权重计算方法，建立了一个新的综合指标评价方法，达到在主客观赋值相结合的前提下为大数据下的起重机选型提供评价支撑。

1 吊装设备选型

1.1 选型流程

起重机选型过程大体可分为以下几个部分，如图1所示。

首先需要将被吊构件信息、安全系数等数据通过输入框录入到系统中用于系统对吊索具的选型工作，选择出合适的吊索具与用户再次录入的施工环境数据、吊装目标及自定安全富余率作为初始条件参与起重机选型过程，选型过程中会通过评价方法进行评价打分，得到最佳的起重机型号。

1.2 吊索具选型

在选择合适吊具时，为了吊装过程的安全，取1.15倍的容许工作荷重进行计算，即：

S>1.15×Q+qd

(1)

吊索的选择需要其容许破断拉力大于1被吊构件和吊索具的重量之和，即：

(2)

其中，Q为被吊构件重量；S为吊具的容许工作荷重；qd为吊具的重量；Fs为钢丝绳的实际破断拉力总和；α为钢丝绳之间荷载不均匀系数，一般来说6×19，6×37,6×61规格的钢丝绳对应的不均匀系数α分别可取0.85，0.82和0.8；Kg为钢丝绳使用的安全系数，在起重机使用中钢丝绳的安全系数一般取Kg=5.5。

1.3 起重机选型

1.3.1 吊装荷载

起重机的额定起重量应不小于在一定安全系数约束下的起吊重量，其计算公式为：

Qr≥Qj=(Q+qd)Kc

(3)

其中，Qr为起重机额定起重量；Qj为计算出的吊装荷载；Kc为起重安全系数，可取1.5左右。

1.3.2 起吊高度

起重机的最大起升高度应大于起吊高度，起吊高度计算式为：

Hr>Hj=H1+H2+H3+H4

(4)

其中，Hr为起重机的最大起升高度；Hj为计算出的起吊高度；H1为地面到支座表面的垂直距离；H2为支座表面到被吊构件底面的垂直距离；H3为被吊构件的高度；H4为预计的吊装间隔，即安全空间，包含预计的被吊构件上表面到吊点的距离。

1.3.3 抗臂验算

为了避免起吊过程中被吊构件与起重臂发生碰撞，需要进行抗臂验算，计算式为：

(5)

其中，l为被吊构件的长度；R为起重机的回转半径，即作业幅度；hd为预计的被吊构件上表面到吊点的距离。

1.3.4 抗倾覆验算

起重机的稳定性对吊装作业会产生很大的影响，它决定着在外界环境干预下起重机能否进行安全的起吊工作，因此起重机自身的抗倾覆力矩应大于倾覆力矩。其计算式如下：

MZ>K(Qj+q)(R-l2)+MF+MG+ML

(6)

(7)

(8)

其中，MZ为起重机自身的抗倾覆力矩；K为起重机稳定性安全系数，一般取1.15；q为起重滑车组的自重；l2为起重机中心到外侧边缘的距离；MF为风荷载引起的倾覆力矩；MG为重物下降时突然刹车引起的惯性倾覆力矩；ML为起重机回转时离心力引起的倾覆力矩；V为吊具下降速度，一般取吊具上升速度的1.5倍；g为重力加速度；t为吊具的制动时间，取1 s；n为起重机的回转速度；H为起重臂顶端到地面的距离；h为所吊构件处于最低位置时其重心到起重臂顶端的距离。

2 评价方法的建立

2.1 权重计算

结构熵权法是一个将主观赋值与客观赋值相结合的组合赋值方法，具有定性分析与定量分析相结合的特点[7]。原始的结构熵权法中对主观赋值的修正较弱[8]，因此本文采用改进的结构熵权法，详细步骤如下：

1)根据“德尔斐专家调查法”原理采集专家意见，形成主观赋值形式的“典型排序”。假设有n个指标，让k个专家参与排序，则各专家独立对单个指标的排序值记为aij,i=1,2,…,k,j=1,2,…,n，可获得典型排序矩阵A(A=(aij)k×n)。其中，根据“德尔斐专家调查法”的要求参与排序的专家需要对测评指标熟悉、评价公正且具有专业权威性。

2)对典型排序矩阵进行“盲度分析”。专家进行的排序往往会存在主观性和不确定性，影响数据的真实性，因此需要进行修正处理。对典型排序确定排序转化的隶属函数为：

(9)

其中,m为转化参数量，取m=n+1。令I=aij，即可得aij的定量转化值bij。假设k个专家对某指标的话语权相同，则可计算k个专家对该指标的一致看法，即评价认识度，记为1-bj。

(10)

k个专家对某指标的不确定性称为认识盲度，记为Qm；对某指标的整体认识度记为Xj。

Qm=max(b1j,b2j,…,bkj)

(11)

Xj=(1-bj)(1-Qm)

(12)

3)归一化处理。对Xj进行归一化处理得到对应的各指标的权重值。

(13)

针对起重机选型，从技术可靠性(c1)、工作效率(c2)、操作人员熟练度(c3)以及舒适性(c4)四个方面来考虑。为了保证起重机吊装作业的安全性，在技术方面通常取最大额定起重量(c11)、最大起重力矩(c12)、最大起升高度(c13)三个二级指标；起重机的工作效率会对整个施工效率产生影响，在工作效率方面一般取变幅速度(c21)、回转速度(c22)和起升速度(c23)三个二级指标。将一级指标和二级指标选取6位建筑行业的专家意见，按《指标体系权重专家调查表》要求进行了统计计算，统计结果如表1所示。

表1 吊索具性能权重调查结果

经过计算可得到相应权重，如表2所示。

表2 起重机性能权重表

2.2 价值评定

价值的评定基于价值工程原理，其目的是评定出吊装设备的价值水平，为选型提供价值依据。计算式为：

(14)

其中，V为计算出的工程价值；F为起重机所蕴含的价值，即为起重机各项重要指标(cij)与其对应的权重(αij)之积；C为综合使用成本，其包含租赁成本(Cf)、配置成本(Cp)和人工成本(Cq)三个部分。

C=Cf+Cp+Cq

(15)

(16)

然而，起重机不同指标的数据大小差距很大，会对加权后的价值结果产生一定的影响，需减轻因某指标数额过大而对真实结果的影响，因此在加权前对起重机各指标数据进行规范化处理。

假设起重机各评价指标值为uij，即表示当前指标为第i个起重机的第j个指标的值，则会得到j个合格起重机的指标值向量Uj。对其进行规范化，为防止在价值计算环节中规范化后的成本指标为0的情况，规范化计算式定为：

(17)

将起重机各项指标规范化后的值代入价值评定公式中即可算出起重机的最终评价结果。

3 实例分析

本文针对文献[9]的实例进行研究。该项目的主要内容是对桥梁桩护筒进行安装，护筒长10 m，重27.12 t，外壁直径2.8 m，壁厚0.04 m，需起吊高度为0.5 m。参与筛选的起重机型号有：QUY150，QUY100以及KH300。其中，KH300起吊不满足起吊安全要求，因此不参与对起重机的评价过程。

通过查阅相关资料和询问相关人员可以获得QUY150和QUY100起重机的一些关键信息，并对其进行规范化处理，得到满足选型指标要求的数据，具体数据如表3所示。

表3 起重机选型指标数据表

将规范后的指标数据进行最后的价值评价打分，得出最终的起重机选型评分。QUY150型起重机最终评分为0.952，QUY100型起重机最终评分为1.078，0.952<1.078，由此可知QUY100的工程价值最高，选用该型号起重机最合适。

本文最终的选用结果与文献[9]的一致，但该文献在选型过程中仅按照吊装安全标准尝试选用起重量最小的起重机，缺乏一定的科学性，且当备选起重机种类较多时需要耗费大量的时间去比较，本文提出的选型评价方法能有效地改善这些问题。

4 结语

本文对吊装作业中起重机的选型进行了研究，从实际的施工情况出发，考虑施工的安全性和施工成本，并将价值工程原理与改进的结构熵权法相结合建立评价方法，为起重机的选型提供了一个高效、准确、经济的解决方法，对提高施工效率和施工安全具有实用意义。