多维作业空间下的装配式建筑工程资源调度

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 06:17:04   浏览次数:40



  摘要:装配式建筑促进传统建造方式向现代工业化建造方式的转变,但其现场装配、构件生产、运输物流等多维作业空间的异地域与非同步特点,常导致建造资源调度性质各异、相互牵制,并成为其推广应用的重要瓶颈问题。该文以装配式建筑工程为对象,深入分析其建造方式的特性,研究其建造过程中分布于各作业空间的建造资源协同机理;在多空间信息共享前提下,以人工、设备等建造资源协调配置为核心,提出基于时间轴多维作业调度空间降维处理技术、信息共享下多维作业空间资源调度协同技术、现场装配作业空间最优资源线确定技术;建立了装配式建筑工程资源调度方法并进行实证分析。结果表明,该调度方法能有效确定各作业空间的排产进度计划并提供额外决策支持信息。

  关键词:装配式建筑;多维作业空间;建造资源;调度技术

  引言

  装配式建筑工程具有标准化设计、工业化生产、装配式施工、信息化管理及绿色化建造的特点[1],其建造分布于现场装配、构件生产、运输物流等多维作业空间(简称“多空间”)的人力、设备等建造资源调度,通常具有异地域、非同步特点,并存在多维作业空间相互牵制、资源调度性质各异的矛盾,导致装配式建筑工程普遍出现低收益、超期、超预算局面[2],极大影响了其推广应用,目前亟待展开装配式建筑工程多维作业空间环境下的资源调度问题研究,以有效提高资源使用效率。

  国内外学者研究单项目及多项目资源调度问题产生的大量成果[3-4]目前难以直接应用于解决装配式建筑工程这类多维作业空间并存下的资源调度问题。究其原因,单项目资源调度主要以“施工现场”单一作业空间为对象,而多项目资源调度虽涉及项目间人力、设备等资源共享互动[5],并形似于多空间资源调度,但其项目之间除共享资源库外相互独立,实质上仍属于单一作业空间调度,无法有效解决多空间的信息牵制及资源协同问题。若能克服多空间非同步调度难题,将多维作业空间资源调度有效转换至一个虚拟的单作业空间下,则有望借鉴传统项目调度方法进行求解,而这方面的文献极少,仅见Hsie[6]在重复性项目调度研究中提出过按空间或时间段划分调度单元,该方法可为本文提供初步转换思路。

  因构件生产调度方式与制造业相近,近年来,有学者尝试将制造业生产调度理论移植到装配式建筑工程资源调度中[7-8]。该理论除存在单作业空间问题外,其稳定流水线式调度方式难以有效克服装配施工现场受环境因素的频繁干扰,也无法直接适用现场装配作业空间调度要求。受益于分布式计算技术发展[9],李京生[10]等通过建立资源共享池实现多作业车间资源虚拟集中和分散利用,为异地域多作业车间的分布式资源共享提供了思路,但多维作业空间的相互牵制难题仍未得到有效解决。经分析,多个作业空间若能在供应链上进行信息共享,即可实现实时互动。针对供应链信息共享问题Shin等[11]研究提出了管理框架和共享机制,李伯虎[12]等进一步结合“云制造”模式,通过网络将分散异构性资源聚合为云节点虚拟化封装,实现资源和信息共享思路。因此运用云技术有望实现装配式建筑多空间的信息共享。

  基于以上研究思路,本文在多个作业空间信息畅通前提下,建立装配式建筑调度过程概念模型,提出资源调度关键技术,构建装配式建筑工程资源调度模型,形成有效的资源调度方法并进行实证分析,为解决装配式建筑工程资源调度瓶颈问题提供方法支持。

  1装配式建筑调度过程概念模型

  装配式建筑的“多空间性”主要体现在四个方面:一是“异性质”,三作业空间分别涉及工程项目、运输和车间生产调度等三种不同性质的调度;二是“非同步性”,服务于建筑同一建设部位的三个作业空间的工作内容处在不同的时间点上;三是“异地域性”,三作业空间地理位置相异,且同一时间段内三个作业空间的工作服务于不同的建设部位;四是“关联性”,三作业空间共同服务于一个共有建设目标。

  为了更直观描述装配式建筑各作业空间的调度关系,将其调度过程运用网络图表达,通过模拟解析形成调度过程概念模型,如图1所示。

  以现场装配作业空间A为基准,将建造过程按时间划分为不同时段,时间段Δti对应的建设过程称为建设单元i,共有n+1个建设单元。建造活动开始时,A向构件生产作业空间C下单预制构件Mi,C接单后,即投入生产Mi,生产完毕,则立即通过运输物流作业空间B运往A的堆放空间Vi处。Mi到达Vi后,A即开始建设单元i+1生产,对C下单生产Mi+1。依次循环,直至工程完工。上述模拟涵盖了关键调度工序,能准确反映各作业空间互动与约束。

  2装配式建筑关键调度技术分析

  以调度过程概念模型为研究基础,首先需克服多维作业空间非同步调度和相互牵制难题,进而借鉴资源受限项目调度理论开展具体模型研究。

  2.1基于时间轴多维作业调度空间降维处理技术

  结合装配式建筑工程调度特点,需研究一种技术,用于将多空间非同步调度转换为单空间同步调度。本文通过对装配式建筑关键调度过程模拟解析,抽离出最基本的三空间并行调度过程形成一个典型建设单元,并作为研究对象。为确保各作业空间连续工作,假设各空间生产能力经合理资源安排后可基本匹配,即典型建设单元内各空间消耗时间基本相等。一个典型建设单元连续跨越三个时间段,若两个建设单元的内容基本一致,则各作业空间在不同时间段的工作可视为重复性工作,如此可以时间轴为载体将滞后的两个作业空间的工作内容平行移动至同一时间段Δti分析,那么服务于同一建设部位的分布于不同时间段的非同步调度作业内容可转换至同一时间段下进行同步调度研究,从而可有效解决降维问题,见图2。

  运用此技术可将同一时间段下三个作业空间的活动视作三个项目统筹在经技术处理的单维作业空间下,可借助多项目调度方法解决问题,同时能反映各个项目的的牵引与限制关系。

  2.2信息共享下多维作业空间资源调度协同技术

  经降维技术处理的多空间调度相比多项目调度,除共享资源库外,多个作业空间相互牵制、协同生产的特点大大增加了项目调度的难度,还需研究一种技术解决多空间资源协同难题。本文采用以下处理方法:

  建造过程中,以现场装配作业空间为主空间进行调度排产进而牵引其余两个协作生产空间完成排产,同时协作空间的调度结果反向限制现场装配作业空间计划实现。三个作业空间在总目标约束下互动确定最佳调度排产组合。多作业空间信息共享是良好互动的前提,可借鉴分布式计算和云制造技术实现,本文在假设三个作业空间信息已实现共享条件下进行分析。

  在调度开始时,现场装配空间可根据自身作业目标和资源条件确定最优调度计划并向构件生产空间发出生产需求指令,构件生产空间收到订单,即根据对方需求量和自身资源条件安排生产,并委托物流运输空间在规定时间内运输至现场,结合总目标约束,依次类推,即可求取多个满足各空间相互匹配关系的排产计划组合,依据管理者决策偏好选取最满意解。

  2.3现场装配作业空间最优资源线确定技术

  运用第2.1节多空间降维和第2.2节资源调度协同技术,需进一步研究一种技术解决现场装配作业空间最优资源配置难题,进而完成总调度计划安排。结合装配式建筑推广瓶颈和效益关注点[1-2],本文选取工期和资源成本综合效益最大化作为总体效益目标。当改变资源分配总量时,需对应调整其最优调度计划,本文称该资源总量为“资源线”。若资源线过高,则资源成本较高,但后期排产时资源冲突小,可兼顾并行排产,工期缩短;反之,若资源线过低,则资源成本较低,但后期排产时资源冲突较大,部分工序需往后排,工期延长。因此,一定存在某个最佳资源线,使得工期与资源效益达到综合最优,图3粗略描绘了资源线与工期的关系,其中Rbest、tbest即为对应的最佳资源线和工期。——论文作者:陈伟1秦海玲1童明德2

  论文来源:《土木工程学报》是中华人民共和国住房和城乡建设部主管、中国土木工程学会主办的土木工程综合性学术期刊,以土木工程界中、高级工程技术人员为主要读者对象。主要报道土木工程各专业领域的发展综述,重大土木工程实录,建筑结构、桥梁结构、岩土力学及地基基础、隧道及地下结构、道路及交通工程、建设管理等专业在科研、设计、施工方面的重要成果及发展状况,同时也刊登建筑材料、港口、水利、市政、计算机应用、力学、防灾减灾等专业中与上述学科交叉或有密切联系的论文报告。本刊办刊宗旨为促进国内外土木工程界的学术交流。

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