基于AnyLogic的装配式建筑施工模拟仿真实践

张新伟, 邹贻权

(湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北 武汉430068)

随着我国劳动力成本快速增高,提高劳动力资源利用效率成为建筑施工行业的迫切需求[1]。为促进建筑行业由劳动密集型产业向技术密集型产业转变,近年来国家大力推广预制装配式建筑。当前装配式建筑施工管理内容精细化要求高,实际施工中存在资源浪费、管理混乱等问题,容易造成窝工、工期延误等情况,增加建设成本[2]。

将计算机仿真模拟技术运用至建筑施工中,能清晰的显示出施工进度,实时掌握劳动力资源投入情况和使用效率,输出模型仿真数据并分析仿真结果[3]。根据工期目标配置班组劳动力,预测不同劳动力资源配置情况下的施工进度,对班组劳动力效率定量评价,找出存在严重窝工的班组和工序,解决传统经验法配置班组劳动力导致的项目窝工问题。

1 AnyLogic简介

AnyLogic是一个现代和灵活的面向对象的多方法仿真软件拥有流程建模库、物料搬运库等多个模型库及功能模块,具备良好的可视化建模环境和数据输入、输出方式,广泛应用于加工制造业[4]。

2 装配式建筑施工仿真模拟方法

2.1 装配式建筑施工管理问题

区别于传统施工方式,装配式建筑在工厂加工制作好建筑构件和配件,再运输到建筑施工现场,通过可靠的连接方式在现场装配安装而成[5]。装配式建筑较传统建设方式增加了分项工程数量(装配式建筑施工增加分仓、灌浆、预制构件吊装等)工序;由于采用预制构件替代现浇结构,部分分项工程的工程量(钢筋、模板工程量较传统施工方式)减少。分项工程种类增加和工程量减少,参与施工的班组种类增多,施工环节交错,工序繁多,管理要求更加精细化,导致流水施工工序衔接和穿插管理难度更高,劳动力资源配置管理难度更大,按传统施工经验配置劳动力的方法易造成窝工和现场管理混乱的现象发生,不能满足装配式建筑高效建造的要求。

2.2 基于AnyLogic的仿真模拟方法

将项目施工抽象为流水线加工,施工分区智能体抽象为产品生产,通过AnyLogic软件中模型库、功能模块、参数和函数调用,按装配式建筑施工工艺串行、并行、穿插和衔接逻辑进行仿真建模。在确定施工工序、工程量、工效等技术资料的基础上,为各道工序初步配置劳动力资源,建立施工仿真模型模拟项目流水施工,通过模型可视化分析和数据输出,找到窝工严重的工序和施工班组。对劳动力利用效率进行定量评价,为优化劳动力配置提供依据。

2.3 AnyLogic仿真模块及功能

本研究使用AnyLogic(8.7.5)仿真软件进行建模,主要运用流程建模库搭建逻辑模型,通过参数和函数设置输入项目工程量、工序和劳动力资源数据,使用软件自带分析图表实现模型运行情况实时观测和数据输出,常用模块及功能如下。

1)Source是项目智能体生成模块,每一个施工分区对应一个智能体,携带有项目工程内容、规模、工效等参数。

2)Service代表施工工序,通过函数设置实现模拟工序施工,智能体在工序停留的时间即工序耗时。

3)Combine可以合并智能体副本,连续合并智能体时可设置多个Combine模块,避免使用Assembler模块导致丢失智能体数据。

4)Split可以创建智能体副本,并确保输出的智能体和副本属性与原输入智能体保持一致。利用Combine和Split可以表示施工工序的串行、并行、穿插和衔接逻辑。

5)Queue是智能体排队等待模块,可以在工序完成后连续使用Combine合并智能体时防止模型堵塞。

统计分析中国大陆CGDPA和IMERG的季节平均降水强度,结果表明:春季两者的相关系数最大、冬季最小,分别为0.89和0.83;夏、秋两季的相关系数也都超过了0.85(图4)。夏季两者的均方根误差最大,为1.65 mm/d;其次是春季,两者的均方根误差为0.94 mm/d;冬季两者的均方根误差最小,为0.70 mm/d。秋季两者的相对偏差最小,为2.10%;其次是春季,两者的相对偏差为5.30%;冬季两者的相对偏差高达-18.24%。

6)Delay是指在某道工序结束后的等待时间,可以代表分仓料或灌浆料的凝固时间。

7)Sink是仿真模型的终点,代表该施工分区施工完成和仿真过程结束。

8)Resource Pool是模型资源池模块,模型中各工序均从对应的资源池调用劳动力资源。

9)Parameter是参数,可以设置项目各工序的工程量、工效和班组人数等数据。

10)Plot是图表模块,可以实时显示模型运行情况和劳动力资源使用情况,并输出模型运行数据。

3 案例分析

3.1 项目概况

以某单体装配式建筑标准层为研究对象,该标准层竖向结构采用预制装配式外墙(YWQ)和现浇内墙,预制外墙连接处采用现浇结构连接。标准层水平结构部分采用预制装配式,预制构件类型有预制叠合板(YDB)预制阳台(YYT)预制空调板(YKB)预制阳台挂板(YGB)预制楼梯(YLT),水平构件、部分楼板和梁采用现浇结构连接。将该标准层分为A、B两个施工分区,前期已测定工序工效,各分区的工程内容、工程量如表1所示。

表1 工程量及工效

3.2 装配式建筑流水施工模型搭建

将工序划分主线工序和支线工序,支线工序在主线各工序施工时并行、穿插进行。

主线工序包括:测量放线、分仓、外墙吊装、封仓、灌浆、YDB吊装、YYT吊装、YKB吊装、YGB吊装、梁底板钢筋绑扎、板面筋绑扎、浇筑混凝土。

支线工序包括:1)内外墙钢筋绑扎、内外墙模板支设,在外墙吊装完成后开始,与封仓工序并行;2)梁板铝模支设、设置独立支撑,在内外墙模板支模完成后开始;3)设置三角独立支撑、设置支撑托木方,在独立支撑设置完成后开始;4)水电安装,在吊装全部完成后开始,与梁板底筋绑扎并行;5)预埋件,在梁板底筋绑扎完成后开始,与板面筋绑扎并行。

封仓4小时后方可开始灌浆,灌浆24 h后才能进行YDB、YYT、YKB、YGB等水平构件吊装。模型逻辑框架如图1所示。

图1 装配式建筑流水施工逻辑关系

3.3 参数和函数设置

施工班组资源集设置。将工人分为测量班组、灌浆班组、吊装班组、钢筋班组、模板班组、安装班组和混凝土班组,使用资源集模块代表各施工班组,并通过参数模块设置各班组人数。

工序耗时函数设置。以测量放线工序为例,在测量放线Service模块中设置时间延迟函数:

agent.total_测量放线/(agent.rate_测量放线*agent.num_测量放线)

表示智能体在该工序耗时。

副本函数设置。使用Split和Combine还原工序逻辑,通过函数设置,使智能体离开Split模块时保持原智能体属性,如图2所示。

图2 副本函数设置

3.4 智能体封装和数据读取

新建Myagent智能体,设置项目各工序工程量、工效、劳动力资源参数和时间变量,智能体即包含该项目标准层施工工作。在Excel中将工程量、工序和劳动力资源数据进行规范处理,将模型连接到Excel文件。然后在Source模块中设置函数如图3所示,分别读取表格数据,智能体离开Source时即携带全部该工程工程量、工效和拟投入的劳动力资源数据。

图3 智能体数据读取

3.5 仿真结果分析及优化

使用图表模块,设置函数采集运行数据,如图4所示 ,实时观测不同时段工作内容、在忙人数、工序耗时等,分析各班组工作存在的问题。

图4 数据分析

对仿真结果进行输出和整理得到各工序的用工数据,进而得到标准层施工的总用工数、总出勤时间和闲置时间班组窝工率,结果整理如表2所示。

表2 仿真结果分析

通过对仿真数据整理发现,灌浆班组、吊装班组、钢筋班组总用工数较大,且窝工率较高,需要进行优化调整。

1)灌浆班组优化 灌浆班组工作时间存在多次间隔,班组人员工作时间零散且分散,单独配置灌浆班组,易造成大量窝工。在工期富裕时,竖向构件吊装和灌浆可以交由同一个班组进行,提高劳动力资源利用率。

2)吊装班组优化 预制构件吊装施工不能通过改变班组人数提高工作效率,可以通过调整班组工作分工进行优化。在吊装班组任务繁重时,将吊装辅助工作,例如外墙斜撑拆除、三角独立支撑拆除等交由模板班组进行。

3)钢筋班组优化 梁板钢筋绑扎工序对钢筋班组窝工率影响较大,适当增加钢筋班组人数,提高施工速度,减少钢筋班组的加班时间,将该工序的出勤时间控制在1个完整工作日以内,从而降低窝工率。在工期富裕时,也可适当减少钢筋班组人数,将该工序时间控制在1.5个工作日以内。

调整班组人数并再次仿真,可以得到不同劳动力资源投入情况下的工期、用工数和用工效率,进一步计算用工成本,根据项目工期和成本控制要求设计出最佳的班组人数组合。

4 结束语

通过梳理装配式建筑施工工序逻辑关系,运用AnyLogic软件仿真模拟,建立了标准层两个施工分区流水施工模型。根据模型和数据分析图可以实时观察施工进度和劳动力使用情况,分析仿真数据,定量评价劳动力资源利用效率,发现灌浆班组、吊装班组和钢筋班组窝工率较高,针对性提出优化方案。设计出最佳班组人数组合,有效降低班组窝工率,为项目劳动力资源配置提供依据。