基于BIM技术和SLP的预制梁场布置规划研究

李立军，秦宏磊

(太原理工大学 土木工程学院，太原 030024)

改革开放以来，我国不断加大基础设施建设的力度，交通行业迅猛发展，一座座世界级的特大桥拔地而起。港珠澳大桥的胜利通车，更彰显了我国桥梁工程顶级的建造水平。“中国桥”已成为中国崛起的新名片被世界认可。据《2018年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2018年末，中国公路桥梁已达85.15万座、总长5 568.59万m[1].而混凝土预制梁桥在其中占比最高。预制梁作为桥梁工程的重要构件，它的生产加工不仅关系整个桥梁的质量，还对桥梁工程的进度、成本有着不可忽视的影响。

预制梁场作为混凝土简支梁的生产加工厂，投入设备多、建设周期长、建设费用大。因此，要保证预制梁加工生产的优质、高效，减少场内的二次搬运，节省建设费用，就要对梁场进行科学合理的布置规划。现阶段，预制梁场的布置规划，大多依靠工程人员的经验,没有系统的分析模型为其提供科学依据。

鉴于此，本文通过对梁场功能和各分区之间关系的研究，引入了一种新的方法系统布置设计(SLP)，并在此基础上结合BIM技术对方法进行了改良，为预制梁场的布置优化提供了一种科学的解决方法，以达到预制梁场科学排布、高效生产的目的。

1 BIM技术和SLP法概述

1.1 系统布置法SLP的涵义

系统布置法是20世纪60年代美国的 Richard Muther在积累了大量布局设计经验的基础上，提出的、基于作业单位之间物流与非物流关系分析的设施规划方法(systematic layout planning，简称SLP)[2-4]。系统布置设计(SLP) 是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合求得合理布置的技术,在工业制造的设备布局中应用广泛[5]。

1.2 BIM的概念

BIM(building information modeling，建筑信息模型)是建筑信息化、数字化的集成应用[6-7]。BIM模型不仅为工程项目提供了生动直观的三维体验，而且包含了工程项目详细的属性信息。在三维模型的基础上加入工程的进度计划文集、成本文件，可以精确地模拟项目施工过程中，各种工况条件下的资源配置情况，为工程进度计划和成本管控提供更精确可靠的依据[8-9]。

1.3 BIM技术和SLP结合优化布置梁场的实施步骤

预制梁场的布置规划中，基于传统的SLP法引入BIM技术，首先根据梁场规划和生产所需确定预制梁场布置的5个基本要素：P(生产对象)、Q(生产量)、R(生产路线)、S(生产辅助部门)、T(时间)；然后对梁场各功能区之间进行物流关系和非物流关系分析，得到功能区综合关系分析表，绘制作业单位位置相关图；在此基础上利用BIM技术确定梁场各功能分区的面积，并建立数学模型寻求最优布局；最后利用BIM技术对场区各作业单位进行模拟，消除各功能区作业时的交叉碰撞，迅速准确地得到最优布局方案。实施流程如图1所示。

图1 BIM技术和SLP结合优化布置流程图Fig.1 BIM technology and SLP combined optimized layout process

2 某预制梁场总平面布置

2.1 梁场布置中各功能区划分

某梁场服务区域的桥梁为32 m和24 m的箱梁，根据预制梁生产的工艺流程，梁场的整体布置主要可以划分为：制梁区、存梁区、提梁上桥(装车)区、钢筋存放加工区、钢筋绑扎区、混凝土搅拌区、砂石料场、蓄水池、实验室、生活区、办公区等11个功能区[10]。其中存梁区包括存梁台座、静载实验台座、横移滑道、轮胎式搬梁机通道(轮轨式搬梁机轨道基础)、轮胎式搬梁机变向区(轮轨式搬梁机变向区)。

2.2 功能区物流关系分析

根据各功能区之间的工作需求和制梁的工艺流程，参考物流强度，确定各个功能区之间的物流情况。其中物流强度分为5个等级，用符号A，E，I，O，U来表示。各符号的含义如表1所示，从而绘制功能区物流相关图如图2所示。

表1 物流关系等级表Table 1 The classification of logistics connections

2.3 功能区非物流关系分析

在考虑预制梁场各功能区非物流关系时需要分析的因素有功能区之间的工艺流程、人员联系、监督和管理的方便及环境安全等问题，评价等级表如表2所示。定性分析的非物流关系也用A，E，I，O，U5个强度等级表示；具体含义如表3所示。根据非物流关系及评价理由绘制梁场功能区非物流相关图，如图3所示。

图2 梁场功能区物流相关图Fig.2 The logistics correlogram of beam field’s functional area

序号靠近原因1工艺流程2方便监督管理3作业安全4人员联系5噪音影响

表3 非物流关系等级表Table 2 Classification of non-logistics connection

图3 梁场功能区非物流相关图Fig.3 Non-logistics correlogram of beam field’s functional area

2.4 功能区综合关系分析

预制梁场占地面积大，物料需求量多。因此，在功能区之间综合关系分析时，物流关系所占比重较大，本文通过调研将功能区的物流关系和非物流关系采用2∶1的加权值进行计算。取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0对功能区综合关系量化，得到功能区综合关系表，并绘制梁场功能区综合关系图，如图4所示。

图4 梁场功能区综合关系图Fig.4 Comprehensive relationship of beam field’s functional area

2.5 绘制功能区位置相关图

根据功能区综合关系表，在不考虑功能区面积和排布方式的情况下绘制各作业单位之间的位置相关图。联系紧密程度越高，作业单位距离越近；联系精密程度不高，则距离疏远。位置相关图如图5所示。

图5 位置相关图Fig.5 Correlogram of site

2.6 预制梁场各功能区面积的确定

梁场设计阶段，基于建好的桥梁模型，应用BIM4D对梁场负责生产的桥梁进行施工模拟(如图6所示)。首先确定各个时间段预制梁准确的类型及需求量，取最大值作为梁场最大生产量，得到制梁台座的数量，从而计算出制梁区的面积，通过对制梁台座生产力的测算和施工要求确定存梁台座数量和存梁区的面积；其次利用BIM模型一键导出工程量确定预制梁生产所需的原材料(钢筋、混凝土等)的需求量，如图7所示，从而确定混凝土搅拌区，砂、石料存放区，钢筋存放加工区的面积；对预制梁场资源及人员配置进行分析得出生产附属区域(办公区、生活区、实验室等)的面积。制梁区和存梁区面积计算公式如下：

(1)

制梁区面积：SZLQ=M1×S1.

(2)

存梁台座数量：M2=t×η.

(3)

存梁区面积：SCLQ=M2×S2.

(4)

式中：M1为所需制梁台座的数量，M2为存梁台座的数量，t为预制梁在存梁台座上最少存放的时间；η为预制梁场一天内生产梁的榀数；d为单片梁的预制周期；N为梁场生产梁的榀数；D为工期；S1为单个台座所需面积(包括周边操作区域)；S2为单个存梁台座所需面积(包括运梁通道)。计算得到的梁场各功能区面积如表4所示。

图6 梁场服务区域某桥梁施工模拟Fig.6 Simulation of a bridge construction in the service area of the beam field

图7 工程量统计表Fig.7 Engineering quantity statistics

功能区面积/m2制梁区14 400存梁区50 000提梁上桥(装车)区7 912钢筋存放加工区3 000钢筋绑扎区2 800混凝土搅拌区3 417砂石料场14 190蓄水池28实验室1 504办公区3 528生活区3 248合计104 027

2.7 建立各功能区的BIM模型

对上述结论进行汇总，根据场地面积对预制梁场各功能区进行规划布置。其中，制梁区设置9个制梁台座(24 m制梁台座4个、32 m制梁台座4个、共用台座1个)，制梁区最大产量为60榀/月；存梁区设存梁台座60个，双层存梁台座50个，单层存梁台座10个，最大存梁能力110榀，提梁区设喂梁台座1个，实验台座1个；混凝土搅拌区设120搅拌站两座。场区设置3台50 t龙门吊，1台900 t轮胎移梁机。通过各功能区所需面积和市场上临建、机械设备和材料等构件的属性，建立梁场各功能区的BIM模型，并获取每个功能区的中心坐标。

2.8 建立预制梁场布置的数学模型

预制梁场的优化布置以作业单位之间的物料搬用成本最低，联系紧密程度最大为目标。梁场功能区布置图如图8所示。

图8 梁场功能区布局示意图Fig.8 Schematic diagram of the layout of the beam field function area

图中，m和n分别表示第m和第n个功能区；Xm和Ym分别表示为功能区m的横坐标和纵坐标；an和bn分别表示功能区n的宽和长。dbmn和damn分别表示功能区m和n横向和纵向必须保留的间隔[11]。

根据优化目标，构建多目标函数：

(5)

(6)

将(6)转化为求最小值问题：

(7)

式中：P1为功能区之间的物料搬用总成本；P2为功能区之间的联系紧密程度；qmn为功能区m与功能区n之间的物料量；pmn为功能区m与功能区n之间的单位物料搬用成本；dmn为功能区m与功能区n的中心距离，dmn=|Xm-Xn|+|Ym-Yn|；αmn为功能区m与功能区n的邻接度，表示功能区之间的距离大小；βmn为功能区m与功能区n的密切度，αmn和βmn的量化值如表5，表6所示。

表5 αmn量化值Table 5 Quantized values of αmn

表6 βmn量化值Table 6 Quantized values of βmn

将式(1)(3)加权求和，转化为单目标函数进行求解：

(8)

式中：P为实现物料搬用总成本最小和联系紧密程度最大的函数；w1为物料搬用总成本加权值，w2为联系紧密度加权值；w1=0.5，w2=0.5.

将P1、P2统一量纲：

(9)

(10)

约束条件：

(11)

根据数学模型，结合遗传算法求解在满足约束条件下的梁场各功能区的中心点坐标如表7所示。

表7 某梁场功能区坐标Table 7 Coordinate of the beam field

2.9 方案评价

根据数学模型求得各功能区中心的横纵坐标，并修改BIM模型，将各功能区移到指定的坐标点。在三维状态下模拟吊车、龙门吊、移梁机等机械的工作路线，保证机械有足够的工作空间，避免碰撞。优化后的梁场布置如图9所示。

图9 某梁场优化后布置模型Fig.9 Layout model after optimization of the beam field

3 应用结果分析

基于BIM技术和SLP法对预制梁场进行布置规划，从作业单位联系紧密程度出发并结合数学模型得到的梁场布置方案完全符合实际工程项目的需求和工艺流程。其优点主要有：

1) 各作业单位的布置完全符合生产工艺要求，联系程度高的作业单位距离近，有效地保证了预制梁的生产需求，提高了生产效率。

2) 通过对梁场作业单位，机械工作路线的模拟生动直观地模拟预制梁的生产过程，保证机械有足够的工作空间，避免工作过程中的交叉碰撞。

3) 办公区和生活区分离并远离生产区，避免生产区噪音和扬尘的影响，符合安全文明施工的要求。

预制梁场是交通运输工程中重点的大型临时工程，建设周期长，投资费用大。本文采用SLP法定性分析了预制梁场各功能之间的物流关系和联系精密程度。结合BIM技术从功能区面积的确定，生产规划布置等方面，对预制梁场的布置规划进行了深入的研究，最后建立梁场布局的数学模型，以物料搬运成本最小，联系精密程度最大为目标，求解出梁场的最优布局。系统合理地解决了大型预制梁场布置规划中的问题。