一种群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法

技术领域

本发明属于建筑业信息技术领域，特别涉及一种群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法。

背景技术

塔吊因其具有起升高度大，覆盖面广等特点一直是建筑结构施工期间垂直运输的主要设备之一。随着城市基本建设规模的不断扩大，在大型建筑项目中，单台塔式起重机已不能满足施工过程中水平和垂直运输的需要，往往采用多台甚至十几台塔机共同施工。加上现代建筑施工垂直运输量大；结构、水电、装修齐头并进，交叉作业多，安全隐患大；工期紧张；组织管理工作复杂等特点。因此，工程项目群塔的合理选择，不仅能加快施工速度，确保工期具有非常重要的作用。在建筑施工过程时，塔吊施工方案策划的不合理，可能导致设备闲置或者材料运输不到位，从而影响工程进度，增加项目成本。

塔吊施工方案中影响占比最大的是群塔布置，包括平面上的空间布置和立面的空间布置。平面布置上需要考虑塔吊覆盖面、运载量、安全性、经济性等因素指标，这些因素指标为静态指标，不随时间变化而变化，在实际工程中，项目管理人员通过平面图标注确定平面布置；而塔吊立面空间布置由于必须保证大风天气下无约束360度自由旋转，所以群塔立面上也存在着交叉碰撞问题。由于指标因素众多，并且相互制约，动态变化在实际工程中，项目管理人员往往无法梳理清楚。

目前，群塔施工的决策优化都停留在平面空间布置上，尚未有立面空间布置的优化方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法，通过基于BIM准确提取建筑、塔吊信息，构建双代号网络图工程逻辑算法，实现自动计算群塔施工立面最优施工方案，支持自动4D模拟，并根据实际进度进行实时工期偏离预警，攻克了传统作业方式中人脑无法考虑清楚的群塔立面作业问题。为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法，包括：

步骤1、从BIM获取信息，包括建筑物信息B={b

步骤11、所述建筑物信息包括建筑物总高度b

步骤12、所述塔吊信息包括塔吊独立高度d

其中d

所述塔吊施工安全距离防护要求指行业规范要求必须保证的安全距离，包括相邻塔吊大臂之间必须保持的最小安全距离GB1、塔吊与相邻建筑物必须保持的最小安全距离GB2；

步骤2、输入初始项目参数信息，包括单体建筑的开始施工时间、工期，所述输入初始项目参数信息指影响群塔作业计算结果的输入变量参数，为一个范围值；各个单体建筑的开始施工时间指每一栋单体建筑开始施工的时间，记为BT={b

所述工期指各个单体建筑标准楼层的工期，记为t

步骤3、建立群塔施工约束机理关系，所述群塔施工约束包括塔吊和附墙的约束、塔吊和相邻塔吊约束、塔吊和建筑物约束；具体包括：

步骤31、塔吊和附墙约束包括塔吊附着高度与附墙次数约束、塔吊附着高度与附墙高度约束；所述塔吊和附墙关系指塔吊和附墙之间的相互作业约束关系塔吊的附着最大高度根据附墙确定；所述塔吊附着高度与附墙次数约束按照塔吊附墙使用说明书要求，附墙次数c和塔吊附着高度约束关系为

d

步骤32、塔吊和相邻塔吊关系指塔吊高度和相邻塔吊高度之间的相互作业约束关系，在塔吊相交集合d

GB1为步骤1中的行业规范约束，为固定值；

步骤33、塔吊和建筑物约束关系指塔吊高度和建筑物高度之间的约束关系，在塔吊相交集合任一个相交集合d

d

d

f(T)

步骤4、计算满足群塔施工约束机理关系的项目参数信息和附墙信息；

步骤41、首先计算塔吊是否需要爬升，即首次附墙前塔吊高度是否已经高于建筑高度，计算公式为：d

如果不需要爬升，则直接输出初始项目参数信息和附墙信息；如果需要爬升，则基于启发式遗传算法将步骤1、2、3的参数信息放入步骤3的约束条件中进行计算；

步骤42、如果约束不满足，则从相交塔吊的最高塔吊开始附墙，去掉最高塔吊约束，重新进行约束计算，所述去掉最高塔吊约束指在进行约束计算中去掉最高塔吊对应的步骤3中约束关系；

步骤43如果约束全部满足，则最低塔吊附墙次数加一，计算塔吊是否需要再次爬升，计算公式为：d

如果不需要继续爬升，则输出当前项目参数和附墙信息；如果需要继续爬升，则重新进行约束计算；

步骤5、构建双代号网络图，形成双代号网络图集合；

步骤6、建立群塔作业最优方案评价方法，计算并输出最优方案；

步骤7、施工过程中，修改步骤1、2、3中参数信息，重新计算步骤4、5、6，对比变更前后输出方案的评分，判断是否发出偏离预警。

进一步地，所述步骤5包括：

步骤51、根据步骤1、步骤4输出的信息，构建网络图起始点、主线路、主线路开始时间、主线路节点和结束点：所述主线路数量为建筑单体数量，根据步骤1中BIM获取的信息确定；所述主线路节点为主线路上的组成节点，单体建筑中一层为一个线路节点，根据步骤1中BIM获取的信息确定，线路节点长短由工期确定，根据步骤4输出的信息确定；主线路开始时间由主线路对应的单体开工时间确定，根据步骤4输出的信息确定；

步骤52、构建网络图各主线路上塔吊附着高度节点，塔吊附着高度节点根据步骤4中输出的结果确定，塔吊附着高度节点从主线路节点中选择,根据主线路节点的高度进行判断，如果塔吊附着高度节点在主线路节点的高度范围内，则该主线路节点的末端为塔吊附着高度节点;

步骤53、构建各主线路附属线路，所述主线路附属线路是指各单体建筑对应的塔吊附墙施工路线，包括附墙起始点、塔吊附墙强度时间、附墙结束点;每个主线路上的附属路线有多条，由塔吊附着高度节点确定;附墙起始点从主线路节点中选择，根据步骤4中输出的附墙信息确定附墙结束点，每一个塔吊附着高度节点对应有一个附墙结束点;

步骤54、构建各主线路间的塔吊约束关系线，所述塔吊约束关系线为相邻塔吊之间的相互制约关系，高位塔吊制约低位塔吊，关系线由高位塔吊出发指向低位塔吊,塔吊约束关系根据步骤1中BIM获取的塔吊高度排布确定;

步骤55、根据上述步骤，循环遍历步骤4输出的全部参数值，生成双代号网络图集合。

进一步地，所述附墙结束点的计算公式为：附墙结束点=附墙起始点+塔吊附墙强度时间*标准楼层高层/工期。

进一步地，所述步骤6包括：

步骤61、基于最短路径法，计算步骤5中所有双代号网络图的总工期、总附墙数、施工计划；所述总附墙数指双代号网络图中附墙线数量累积之和，所述施工计划指双代号网络图对应的各单体建筑开工时间、各单体建筑工期、各单体建筑附墙高度和时间;

步骤62基于层次分析法建立群塔作业最优方案评价方法，评价指标包括总工期、总时差、总附墙数、塔吊立面排布等,评分F计算公式如下：

S

进一步地，所述步骤7包括：

所述修改包括将各单体施工计划进度改为各单体实际工程进度，塔吊排布改为实际塔吊排布，塔吊附墙时间改为实际附墙时间；所述发出偏离预警指当步骤6前后输出方案的评分误差在10%以上时，发出预警提示。

与现有技术相比，本发明有益的技术效果在于：

本发明提供一种基于BIM的群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法，1）从BIM获取建筑物信息和塔吊数量；2）输入初始项目参数信息，包括单体建筑的开始施工时间、工期；3）建立群塔施工约束机理关系，所述群塔施工约束包括塔吊和附墙的约束、塔吊和相邻塔吊约束、塔吊和建筑物约束；接着，计算满足群塔施工约束机理关系的项目参数信息和附墙信息；4）构建双代号网络图，形成双代号网络图集合；5）建立群塔作业最优方案评价方法，计算并输出最优方案；6）将各单体施工计划参数修改为实际工程参数，对比变更前后输出方案的评分，判断是否发出偏离预警。通过自动从BIM中提取塔吊、附墙信息，建立群塔施工约束机理关系，该群塔施工约束机理关系分别为群塔施工约束包括塔吊和附墙的约束、塔吊和相邻塔吊约束、塔吊和建筑物约束群塔施工作业机理关系。通过计算满足群塔机理约束条件的项目参数，根据群塔作业机理将三维群塔爬升问题抽象成生成二维双代号网络图问题，构建双代号网络图自动生成方法，形成群塔施工双代号网络图集合，利用关键路径法和基于AHP的群塔作业评价方法对双代号网络图进行评价，输出群塔施工立面最优方案，并根据实际进度进行实时工期偏离预警，攻克了传统作业方式中人脑无法管理的群塔立面施工问题。

附图说明

图1为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法的流程图；

图2为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中塔吊附着高度和塔吊附墙关系图；

图3为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中塔吊平面布置图；

图4为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中塔吊立面排布图；

图5为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中群塔约束计算流程图；

图6为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中双代号网络图；

图7为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中BIM生成群塔立面施工方案图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

下面结合图1至图7，详细说明本发明的群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法。

塔吊立面排布指各个塔吊在立面空间上的排布情况，包括塔吊相交和塔吊高度排布: 如图3所示，塔吊相交指塔吊与塔吊在平面空间上360度旋转有公共区域，根据塔吊大臂长度计算相交塔吊。如图4所示，塔吊高度排布指相交塔吊在立面上所有塔吊的高低排布情况，相交塔吊的高低排布直接通过塔吊高度计算。塔吊立面空间布置需要考虑单体施工速度、塔吊附墙时间、塔吊立面排布等动态因素指标，并且由于存在着群塔相互作用影响，需要考虑塔吊附着高度、工期、塔吊附墙强度时间等动态因素指标下塔吊立面爬升是否安全、合理。塔吊附墙指塔吊的附墙架，附墙是高层施工中塔吊为了防止横向剪切破坏力而增设的附墙拉结件，因此为了保证安全，塔吊到达一定的高度需要再次提升前，必须先要附墙；塔吊附墙强度时间指附墙开始施工与安装附墙完成的时间间隔；塔吊独立高度是指塔吊不依附建筑物，能够独立的最大高度；如图2所示，塔吊附着高度指附墙后固定在建筑上能达到的最大高度,附着高度随着附墙次数的增加而提升；塔吊附墙高度指附墙在建筑上的高度。

实施例一

请参考图1至图7，一种群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法，包括：

步骤1、从BIM获取信息，包括建筑物信息B={b

步骤11、建筑物信息包括建筑物总高度b

以图4为例，建筑物1#楼总高度b

步骤12、塔吊信息包括塔吊独立高度d

塔吊施工安全距离防护要求指行业规范要求必须保证的安全距离，包括相邻塔吊大臂之间必须保持的最小安全距离GB1、塔吊与相邻建筑物必须保持的最小安全距离GB2。

以图4为例，2#塔吊独立高度50米，附墙高度如图2所示，附墙次数c=0首次附墙时，塔吊附着高度≤50米，塔吊附墙强度时间10天；1#塔吊独立高度50米，附墙次数c=0首次附墙时，塔吊附着高度≤50米，塔吊附墙强度时间10天； 1#、2#、3#塔吊为一个相交集合，塔吊高度排布如图4所示，2#塔吊和3#塔吊同高，1#塔吊最低。塔吊施工最小安全距离GB1=3.5米,GB2=6米。

步骤2、输入初始项目参数信息，包括单体建筑的开始施工时间、工期。

输入初始项目参数信息指影响群塔作业计算结果的输入变量参数，为一个范围值。各个单体建筑的开始施工时间指每一栋单体建筑开始施工的时间，记为BT={b1_ps、b2_ps、b3_ps、……}；工期指各个单体建筑标准楼层的工期，记为t

以图4为例，1#楼开始施工时间为10号，每层工期5天；2#楼开始施工时间为10号，每层工期5天；3#楼开始施工时间为10号，每层工期5天。

步骤3、建立群塔施工约束机理关系，所述群塔施工约束包括塔吊和附墙的约束、塔吊和相邻塔吊约束、塔吊和建筑物约束；

步骤31、塔吊和附墙约束包括塔吊附着高度与附墙次数约束、塔吊附着高度与附墙高度约束。

塔吊和附墙关系指塔吊和附墙之间的相互作业约束关系，如图2所示，塔吊的附着最大高度必须根据附墙确定；

塔吊附着高度与附墙次数约束按照塔吊附墙使用说明书要求，附墙次数c和塔吊附着高度约束关系为

d

塔吊附墙高度d

如图2和图4所示，2#塔吊最小附墙高度要求d

2#塔吊附墙使用说明书中最小附墙高度要求d

步骤32、塔吊和相邻塔吊关系指塔吊高度和相邻塔吊高度之间的相互作业约束关系，在塔吊相交集合d

d

进一步地，GB1取3.5米，d

步骤33、塔吊和建筑物约束关系指塔吊高度和建筑物高度之间的约束关系，在塔吊相交集合任一个相交集合d

d

f(T)

如图4所示，塔吊高度最小的1#塔吊需要在塔吊正常爬升时间T时，满足高度大于所有覆盖的1#、2#建筑高层最少6米，GB2为6米，根据开工时间10、每层工期5和标准层高度3米，分别计算：

1）计算1#塔吊爬升时间T

T

首次附墙c=0时，T

根据1#施工计划f(81.7)

2）塔吊和建筑物约束

高度最低的1#塔吊首次附墙时塔吊附着高度需要满足：d

步骤4计算满足群塔施工约束机理关系的项目参数信息和附墙信息。

步骤41：如图5所示，首先计算塔吊是否需要爬升，即首次附墙前塔吊高度是否已经高于建筑高度，计算公式为：d

以图4为例，首次附墙前，塔吊高度小于建筑高度，需要进行爬升。1#塔吊首次附墙c=0时，塔吊附着高度为50米，2#塔吊首次附墙c=0时，塔吊附着高度为50米。根据步骤32进行约束计算，低位塔吊1#的附着高度应小于2#塔吊附着高度3.5米，即1#塔吊附着高度为50-3.5=46.5米; 根据步骤33进行约束计算，高度最低的1#塔吊首次附墙时塔吊附着高度需要大于48.6米，不满足约束。

步骤42：如果约束不满足，则从相交塔吊的最高塔吊开始附墙，去掉最高塔吊约束，重新进行约束计算。所述去掉最高塔吊约束指在进行约束计算中去掉最高塔吊对应的步骤3中约束关系。

以图4为例，约束不满足，从1#、2#中最高塔吊2#开始附墙。根据步骤31中2#塔吊附墙高度d

步骤43：如果约束全部满足，则最低塔吊附墙次数加一，计算塔吊是否需要再次爬升，计算公式为：d

以图4为例，2#塔吊首次附墙后，约束满足，最低塔吊1#附墙次数加一后附着高度依然小于1#建筑高度，即还需要继续爬升，则根据各个塔吊当前附墙次数继续基于启发式遗传算法将步骤1、2、3的参数信息放入步骤3的约束条件中进行计算，直到全部满足。

步骤5、构建双代号网络图，形成双代号网络图集合。

步骤51、如图6所示，根据步骤1、步骤4输出的信息，构建网络图起始点、主线路、主线路开始时间、主线路节点和结束点：主线路数量为建筑单体数量，根据步骤1中BIM获取的信息确定；主线路节点为主线路上的组成节点，单体建筑中一层为一个线路节点，根据步骤1中BIM获取的信息确定，线路节点长短由工期确定，根据步骤4输出的信息确定；主线路开始时间由主线路对应的单体开工时间确定，根据步骤4输出的信息确定。

以图6为例，三栋建筑生成3条主线路L1、L2、L3，依据每栋建筑的楼层数生成主线路节点。

步骤52、构建网络图各主线路上塔吊附着高度节点，塔吊附着高度节点根据步骤4中输出的结果确定，塔吊附着高度节点从主线路节点中选择,根据主线路节点的高度进行判断，如果塔吊附着高度节点在主线路节点的高度范围内，则该主线路节点的末端为塔吊附着高度节点。

以图6为例，L1线路对应的建筑塔吊附着高度在9层，因此L1线路中23号节点为塔吊附着高度节点。

步骤53、构建各主线路附属线路，主线路附属线路是指各单体建筑对应的塔吊附墙施工路线，包括附墙起始点、塔吊附墙强度时间、附墙结束点。每个主线路上的附属路线有多条，由塔吊附着高度节点确定。附墙起始点从主线路节点中选择，根据步骤4中输出的附墙信息确定附墙结束点，每一个塔吊附着高度节点对应有一个附墙结束点。

特别地，附墙结束点的计算公式为：附墙结束点=附墙起始点+塔吊附墙强度时间*标准楼层高层/工期。

以图6为例，根据步骤4中输出结果，L1主线路对应的建筑在8层开始附墙，附墙强度时间10天，因此在L1主线路上8层的11#塔吊节点引出附属路线，长度为10天，终点13#塔吊为附墙结束点，附墙结束点连接到对应的23#塔吊附着高度节点。

步骤54、构建各主线路间的塔吊约束关系线，塔吊约束关系线为相邻塔吊之间的相互制约关系，高位塔吊制约低位塔吊，关系线由高位塔吊出发指向低位塔吊,塔吊约束关系根据步骤1中BIM获取的塔吊高度排布确定。

以图6为例，1#塔吊对应L1主线路，1#塔吊为最低塔吊，受制于高位2#塔吊，因此从高位塔吊22号节点引出关系线，指向低位塔吊23号节点。

步骤55、根据上述步骤，循环遍历步骤4输出的全部参数值，生成双代号网络图集合。

步骤6、建立群塔作业最优方案评价方法，计算并输出最优方案。

步骤61、基于最短路径法，计算步骤5中所有双代号网络图的总工期、总附墙数、施工计划。所述总附墙数指双代号网络图中附墙线数量累积之和。所述施工计划指双代号网络图对应的各单体建筑开工时间、各单体建筑工期、各单体建筑附墙高度和时间。

以图6所示，红色路线为关键路线，总工期为71天，11-13附属线路为塔吊附墙,网络图中所有附属路线之和为总附墙数量。

步骤62、基于层次分析法建立群塔作业最优方案评价方法，评价指标包括总工期、总时差、总附墙数、塔吊立面排布等。评分F计算公式如下：

S

以图6所示，S1为总工期，权重0.8，S2为总时差，权重0.05，S3为总附墙数，权重为0.15，总工期、总时差、总附墙数初始10分，在所有网络图中占比每少10%减少1分，总评分9分以上合格。

步骤7、施工过程中，修改步骤1、2、3中参数信息，重新计算步骤4、5、6，对比变更前后输出方案的评分，判断是否发出偏离预警。

特别地，图7为本发明一实施例中群塔竖向爬升策划数字仿真优化方法中BIM生成群塔立面施工方案图。通过提取BIM模型信息，基于群塔立面施工作业机理知识和双代号网络图生成算法，生成双代号网络图集合，根据基于AHP的群塔方案评价方法和最短路径法确定群塔作业最优方案。

修改的参数信息包括将各单体施工计划进度改为各单体实际工程进度，塔吊排布改为实际塔吊排布，塔吊附墙时间改为实际附墙时间。

发出偏离预警指当步骤6前后输出方案的评分误差在10%以上时，发出预警提示。

进一步地，修改工期5天为6天，重新计算，评分相比之前误差10%以上，发出预警。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实施例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。