附着式升降脚手架机位排布优化方法及应用

邹德芳，崔玉鹏，曹珍珠

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.河南中之正工程技术研究院，河南 郑州 450000)

附着式升降脚手架作为建筑施工过程中的一种辅助性施工工具，在高层建筑施工过程中扮演着重要的角色[1]。机位布置是附着式脚手架设计中重要的组成部分，当机位布置间距过大时，架体升降时安全性得不到保障；当机位布置间距过小时，降低了安装效率；非标机位数量越多，生产成本越高。同时，为了满足工程要求，标准机位优先布置在剪力墙处，尽可能减少布置在梁上的标准机位。合理的机位排布方案能够提升工程项目的经济效益。

然而，目前大多数建筑工程附着式升降脚手架机位的规划排布没有科学的指导，机位的位置、间距主要依靠工程师、施工人员的经验确定，而不是经过科学方法计算得到的最优排布方案，可能导致机位数量过多和非标机位占比较大等问题，无形中增加了脚手架的投入成本和安装时间，降低了工作效率。

本文针对脚手架的机位排布优化问题，提出一种以机位数量最少、非标机位占比最少，标准机位布置在梁上占比最少为目标的机位排布优化算法，并通过实际工程项目，验证算法的有效性和实用性。

1 机位布置模型建立

根据JGJ202-2010《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》规定，机位跨度与架体高度乘积不大于110m2，直线间距不超过7m，转角处间距不超过5.4m。

机位往往都在平面施工图中进行布置。根据建筑结构确定走道板的排布区域，机位布置在建筑结构与走道板中间位置，如图1 所示。

图1 机位布置图

实际工程中，建筑物的结构是复杂的，阳台、飘窗、空调板的位置并不固定，其规律不具有一般性，对机位的布置具有较多的约束。为了提高设计人员工作效率，降低制造安装成本，有必要将智能排布算法引入到设计活动中[2]。

本文机位布置的原则是：机位布置最大跨度为4.5m，机位布置预埋孔距离墙角或梁角最少100mm，机位优先布置在剪力墙处，阳台、飘窗、空调板处梁上布置非标机位。

设建筑轮廓周长为c，以建筑物某个转角为坐标原点，建筑轮廓为轴线（逆时针为正方向），建立单维坐标系，原点坐标为0，某点的坐标为其距离坐标原点的路径长度。将转角处墙角的坐标及墙梁接触点坐标按顺序排列，坐标集合为{Ji}，不可设置机位的区域集合为{（Ji-100，Ji-100）}。设共需要n个机位，第一个机位坐标取x1=100，机位坐标确定过程为

1.1 模型参数

n——机位总数量；

nf——非标机位的数量；

nb——标准机位的数量；

nq——标准机位布置在墙上的数量；

nl——标准机位布置在梁上的数量；

xk——第k个机位坐标；

xn——最后一个机位的坐标；

R——机位排布禁区；

c——建筑外轮廓周长；

P0——非标机位占机位总数量百分比；

P1——梁上标准机位占标准机位总数量百分比。

1.2 优化目标

在满足机位间距的前提下，使得非标机位数量占比尽可能少，同时也应该使得所有的机位总数最少。则可建立目标函数为

1.3 约束条件

机位布置需满足的约束为

2 机位优化排布方法设计

建筑外轮廓可用线段表示，这有利于数据处理以及算法设计[3]。由于不同结构在建筑外轮廓是连续的，用不同线型来区分不同结构，如图2所示。其中空心线代表剪力墙，实心线代表梁，阳台、空调板、飘窗用斜阴影线表示，为了便于观察，用一根垂直于建筑结构的直线代表机位预埋孔中心位置。每段墙与梁接触处以及墙转角处，左右各100mm 区域为机位预埋孔排布禁区，如图3所示，矩形框内包含的直线区域就是排布禁区。

图2 不同结构线段信息提取

图3 机位预埋孔排布禁区

为了降低成本，机位距离尽可能接近最大限度。通过分析建筑轮廓信息，构造排布禁止区间数列，首先确定机位预埋空起始点，根据机位距离最大步进确定第二点，判断该点是否在排布禁止区域。若不在，判断该点在墙上还是梁上，若在墙上，则该点为下一个机位预埋空位置，若在梁上，当梁长度大于4 300mm 时，该点仍为下一个机位预埋孔位置，若梁长度小于4 300mm，则下一机位预埋孔位置为该点左侧，排布禁区左端点，如图4 所示；若该点在排布禁止区域，则下一预埋空点向回偏移到可排布区域，即排布禁区左侧点，如图5 所示。机位排布流程如图6 所示。

图4 机位从梁平移至墙

图5 机位从排布禁区向前平移

图6 机位排布流程图

3 工程案例

以平顶山恒大珺睿府16#楼项目工程实例进行计算验证，架体覆盖层数为3～33 层，标准层高2.95m，单层建筑面积为1 060.91m2，建筑外周长261.24m，使用的脚手架高13.5m。走道板距离建筑外轮廓的距离H为0.466m，机位最初人工布置如图7 所示，机位使用总数量为67 个，其中标准机位56 个，非标准机位11 个。

图7 机位人工布置图

运用机位排布优化算法对机位进行排布，得到优化后的机位布置图如图8 所示。通过优化排布后，机位总数量位54 个，其中标准机位47 个，非标机位7 个。

图8 机位优化排布图

人工排布与优化排布相比较，机位数量变化如表1 所示。分析结果发现，优化后非标机位占比降低了4.6%，布置在梁上的机位比例从40.3%降低到了25.9%。机位数量减少使得导轨、导向支座、下吊点等相应零部件数量也减少。因此经过优化，从生产、运输、安装、材料使用等各方面均取得了明显的经济效益。

表1 优化前后机位数量对比表

4 结论

本文提出了一种针对全钢附着式脚手架机位排布优化方法，实现了基于机位最适间距、非标机位占比最少，墙梁排布机位优先序等条件的优化机位排布。通过实际工程案例，对方法的实用性和先进性进行了验证。对比发现，该优化排布方法能够适应工程需要，机位数量得到优化，非标机位数量大大降低，标准机位布置在梁上的占比减少，机位数量减少使得其它零部件使用数量减少。优化排布方法对提高设计效率、降低制造成本、减轻劳动强度有重要意义。