基于智能优化算法的群塔塔吊平面布置优化

陈 明, 邵 泉, 程 瀛, 燕乐纬

(1.广州建筑股份有限公司, 广东广州 510030; 2.广州一建建设集团有限公司, 广东广州 510060 3.广州大学土木工程学院, 广东广州 510006)

0 引言

随着我国土木工程行业的蓬勃发展,大型工程多栋建筑同时施工建设成为常态[1]。塔吊作为施工过程中主要的垂直运输工具,在工程建设中发挥着至关重要的作用[2]。但是,塔吊的平面布置会大大影响建筑材料的输送效率,进而影响整个工程的施工进度[3]。如何科学合理地对塔吊进行平面布置,是工程施工过程中遇到的一个具备实践意义的问题[4]。

需要注意的是,塔吊的初步安装位置往往是在工程的投标期,制定施工计划时就要初步确定。在这一阶段,作为施工组织管理者,能够掌握的往往只有施工区域红线、建筑物位置等基本信息,建材供货和用料的详细信息难以获取。这就需要在只掌握有限信息的前提下完成塔吊的初步平面布设,塔吊进场前再根据实际情况进行调整[5]。

1 工程概况

某住宅工程总占地面积9 hm2,拟建设12栋18层高的高层住宅。建筑物为框架结构,总高度62.5 m,层高3.2 m,顶层层高3.25 m。建筑施工平面如图1所示。

图1 建筑施工平面

现要求在充分考虑场地特点和建筑物形状的前提下,初步进行塔吊平面布设,并以此工程为例,探索群塔塔吊快速平面布设的一般流程和方法。

2 塔吊平面布置方案与实施

2.1 基于Python的平面布置方案

针对这一塔吊平面布置问题,拟定采用Python语言编程分析的方案:

(1)利用Python读取建筑施工平面图,获取建筑物轮廓数据。

(2)根据建筑物形状和施工区域红线等因素,初步确定塔吊的可布置区域。

(3)根据工程概况,初步确定塔吊类型。

(4)集中已有数据,建立塔吊平面优化布置问题的数学模型。

(5)利用智能优化算法进行求解。

(6)对优化结果进行分析,确定最优配置方案。

2.2 分析数据准备

根据建筑物形状和施工区域红线,考虑塔吊的安装和拆卸要求,初步确定塔吊的不可布置区域如图2所示。

图2 建筑轮廓线与塔吊不可布置区域

在制定施工计划阶段,由于缺乏供材与用料的详细信息,可以初步给定常用的塔吊型号。对本工程而言,建筑物只有12栋,用单一塔吊类型一般也可以实现平面布置的要求。但是,考虑到本项目作为塔吊优化布置的样板工程和探索塔吊平面优化布置一般流程的需求,选择臂长为60 m和65 m的2种塔吊进行初步规划,以使所用方法具备较好的通用性和扩展性。

塔吊平面布设的根本目标,是在付出最小成本(主要是塔吊租金)的前提下,覆盖全部施工区域。从本文研究的角度来看,这可以作为优化问题的目标函数,即总租金最小化。

虽然塔吊布设有一个根本的要求是不窝工,但在施工计划制定初期,供材量和用料量都无法详细估算的前提下,只能先进行塔吊平面设计。塔吊进场前如果发现某区域有较高的吊装量需求,可以采用更换塔吊型号或采取局部措施进行修正。

2.3 优化分析模型

塔吊的安装位置可以决定塔吊的工作区域。群塔塔吊工作区域覆盖施工区域的面积比率是塔吊平面布置方案优劣的主要评价标准之一。结合塔吊自身的租金,设置优化分析模型的目标函数为式(1)。

(1)

在本文的算例中,塔吊的可选位置坐标由图2 给出。未覆盖区域和重复覆盖区域的罚函数由表1给出。

表1 目标函数的罚函数

2.4 用智能优化算法分析求解

由于目标函数与设计变量之间的函数关系不明确,难以采用梯度算法找到优化问题的最优解。本例采用改进的遗传算法进行求解。

遗传算法是一种智能寻优算法。其寻优流程是[6]。

(1)对设计变量进行编码;标准遗传算法采用二进制编码,本例采用数组编码。

(2)利用随机数生产初始种群。

(3)初始种群中的每一个染色体代表一个可行解,将该可行解代入目标函数,计算目标函数值。

(4)根据各染色体的目标函数值,采用轮盘赌选择算子或锦标赛选择算子,选择部分染色体进入交配池。

(5)让交配池中的染色体依照交叉概率进行交叉运算,产生子代个体。

(6)将种群中的部分个体依变异概率进行随机变异。

(7)检测种群是否满足终止迭代条件,如否,转回(2);如是,结束种群进化,输出寻优结果。

2.5 优化计算结果与分析

逐次增加塔吊数量,进行优化计算。得到优化分析结果如表2所示。

表2 优化计算结果

布置4台塔吊时,最优解含3台II型塔吊(臂长65 m)和1台I型塔吊(臂长60 m)。但未覆盖率高达9.7%,对施工带来较大困难,予以舍弃。

布置5～7台塔吊的最优解(塔吊位置坐标)如表3所示。最优布置方案如图3～图5所示。

表3 最优解(塔吊安装位置)

图3 5台塔吊最优布置示意

图4 6台塔吊最优布置示意

图5 7台塔吊最优布置示意

优化分析给出了多种塔吊布置方案,可以供施工管理人员根据现场施工的其他要素选择使用。

3 结论

施工现场塔吊的布置是一个复杂的工程优化问题。针对某施工工地的群塔平面优化布置问题,确立了利用Python语言编程进行优化的方案和步骤。根据建筑物形状、施工区域红线和塔吊的安装和拆卸要求,初步确定塔吊的不可布置区域。以塔吊的月租金和塔吊工作半径对施工区域的覆盖率为目标函数,建立了塔吊平面优化问题的数学模型,并采用遗传算法进行了优化求解。算法给出了塔吊数量为5台、6台、7台等3种情况时的最优解,供施工管理人员根据现场的其他要素选用。