（管理科学与工程专业论文）复杂建筑群施工过程三维可视化仿真与优化研究.pdf

复杂建筑群施工过程 三维可视化仿真与优化研究 s t u d y 衄3 d v i s u a ls i i i l l l l a 舶na n d o p t i i l 血a l i 伽t o c o n s t m c t i o np r o c e s sf o rc o m p l e xb u i i d i l l gg r o u p 一级学科笪理型堂生工程 学科专业笸塑型堂皇王猩 作者姓名韭正蝗 指导教师鲑登坐熬援 建筑工程学院 二o o 六年五月 摘要 复杂建筑群的施工过程涉及的因素多，采用传统的分析模式效率较低，难 以全面的把握工程施工过程。本文将系统工程、g i s 、科学计算可视化、系统仿 真、网络计划和系统评价等先进技术方法引入到复杂建筑群施工组织设计中， 开展了复杂建筑群施工进度分析理论方法及其应用研究，系统地研究复杂建筑 群施工中各方面因素，统筹各方面的制约关系，将单体楼的施工顺序及工序进 行合理的组织安排，保证了施工的顺利完成。 主要研究工作和研究成果如下： 1 建筑群建设系统是一个非结构化问题，用常规的解析手段进行系统分析 是困难的。本文提出采用系统仿真技术来解决这一类问题，提出了基于g i s 的 三维动态可视化仿真理论。通过结合地理信息系统( g i s ) 与系统仿真技术，实现 图形辅助仿真建模、施工动态仿真计算和基于g i s 的仿真可视化，为施工进度 分析和管理提供了一个有效的途径。 2 针对建筑群系统施工的特点，提出了复杂建筑群施工三维动态可视化仿 真与进度优化理论，并研制开发了相应的可视化仿真软件。通过对欧景嘉园施 工进行系统分析，合理地安排了施工顺序，确定了优化的机械设备配套方案， 对施工强度进行了均衡优化。通过实际工程应用，验证了该理论方法的有效性。 3 利用g i s 强大的空间分析功能，建立了欧景嘉园三维数字模型，研究了 复杂建筑与地形的匹配。并在此基础上，采用可视化分析手段全面分析了施工 系统中各施工实体间复杂的时空逻辑关系，对施工过程进行跟踪模拟及演示。 4 提出了基于仿真的复杂建筑群施工总进度可视化分析方法s i r n c p m ，克 服了时间不确定型网络中p e r t 分析的一些局限。探讨了旄工系统仿真运行次 叠? 施工工期估计精度之间的关系，解决了要达到某一施工工期估计精度所需 仿真运行次数的问题。在欧景嘉园施工仿真的基础上，进行了完工概率分析， 较好地描述了施工进度计划的不确定性，为施工工期论证分析提供了依据。 关键词：施工进度 可视化仿真图形辅助建模地理信息系统( g i s ) 复杂建筑群施工 a b s t r a c t t h ec o n s t m c t i o no fm ec o m p l e xb u i l d i n gg r o u pi sac o m p l i c a t e ds y s t e m t h e c r a d i t i o n a lp i a n n i n gm e t h o di si n e f n c i e n ti nd e s c r i b i n ga n d a n a l y z i n gs u c hac o m p l e x s y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o d o l o g yo f c o n s t n j c t i o ns c h e d u l ea n a l y s i sf o r c h ec o m p l e xb u i i d i n g 舒o u p ，i nw h i c hs i m u i a t i o nt e c h n i q u e ，v i s u a l i z a t i o nt c c h n i q u e ， g i s ，c p m ，e v a l u a t i o nm e t h o da r eu t i l i z e da l lt o g e t h e r t h em a i nc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t so ft h et h e s j sa 王i es u m m a r i z e da sf b l l o w s ： ni sd i 硒c u l tt 0d e s c r i b ea n da n a l y z ec o m p l e xb u i l d i n g g r o u ps y s t h o df o r project-schedule，w h i c h s u c c e s s 如1 1 yo v e r c o m e st h el i m i t a t i o no fp e r tthe relationship b e t w e e n s i m u l a t i o nr u n n i n g t i m e s a n de s t i m a t e p r e c i s i o no fc o n s 仃u c t i o n timel i m i ti sd i s c u s s e d ，b yw h i c ht h er u n n i n gt i m e sr e q u i r e dt oac e n a i ne s t i m a t e drecisiono fc o n s t m c t i o nt i m el i m i tc a nb ef o u n d b a s e do nt h es i m u i a t i o n r e s u l to f f h i l yd c s c ：r i b e st h eu n c e r t a i n 妙o fc o n s t r u c t i o ns c h e d u l e p l a n 卸dp r o v i d e st h eb a s i s f 蓼氙n a l y s i so fc o n s t r u c t i o nt i m e1 i m i t 1 ( e y w o r d s ：p r o j e c ts c h e d u l e ，v i s u a ls i m u l a t i o n ，g r a p h i c a lm o d e l i n g ，g e o g r a p h i c i n f 0 咖a t i o ns y s t c m ( g i s ) ，t h ec o m p l e xb u i l d i n gg r o u pc o n s t m c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：力眵彭年，月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数握库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作 签字日期： 导师签名： 口日 签字只期：。2 即易年，月厂同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 改革开放以来，随着我国综合国力的增强，人民生活质量有了很大的提高，居 住条件也得到了很大改善。从2 0 世纪8 0 年代末开始，全国居民住宅的建设标准逐 步提高，由此居住小区成为适应我国人多地少和城市化发展国情具有中国特色的一 种居住方式，目前正在中国大地匕蓬勃发展，成为落实国家建筑产业政策、拉动国 民经济的生力军。 小区建筑工程施工是一项复杂的系统工程，其内部各组成部分之间相互联系又 相互制约，关系错综复杂。而且施工阶段又是工程项目得以实施并形成建设产品的 重要阶段，在此阶段，需要消耗大量的人力、财力和物力，加之受地形、地质、水 文、气象和交通运输、社会经济等因素的影响较大，因此，加强施工阶段的进度计 划管理显得十分重要。然而，目前在项目施工进度管理过程中，相关数据的统计、 编制、传递与存储主要采用的仍然是估量统计、手工编制、人工报表和文档传递等 方式。这些方式工作量大、效率低，难以保证信息的及时有效，更加不能对整个工 程施工进度从宏观上进行直观把握。施工进度计划是小区工程施工管理的核心环 节，如何更好地优化小区施工进度，使施工资源和机械设备得到更合理的利用，一 直是工程管理决策人员关心和亟待解决的关键问题之一。 鉴于上述小区建筑工程项目施工进度计划编制的复杂性，采用系统工程f l - 2 j 的思想和方法对小区建筑群的施工进度进行分析和优化是十分必要的。只有通 过系统地分析，才能理清系统各子系统之间及子系统与外部环境间的种种关系， 才得以确定系统的组织结构和目标，从而构造工程系统施工进度计划的模型， 在此基础上，找出实现系统目标的多种可行方案。正如一般系统创始人冯贝塔 朗菲指出“无论如何，我们被迫在知识的一切领域中运用整体或系统来处理 复杂性问题，这将是对科学思维的一个根本改造”。 因此，本文将地理信息系统( g l s ) 与仿真技术相结合，提出基于g i s 的三维 动态可视化仿真理论方法，具体研究了图形辅助建模技术、全过程动态仿真技 术以及基于g i s 的仿真可视化方法，实现了仿真建模、仿真过程和仿真结果的 可视化。用g l s 实现仿真的三维动态可视化改变传统仿真的表现模式，直观地 反映了施工过程中复杂的时空逻辑关系，揭示了施工系统仿真内部动态行为特 征，为全面、准确、快速地掌握施工全过程以及进行施工多方案比较分析提供 了一个有力的工具。 第一章绪论 协同式科学计算可视化。随着网络技术的发展，采用多媒体支持下的c s c w 技术进行协同工作是未来的发展方向。 沉浸式科学计算可视化。通过沉浸式显示设备给人以身临其境的感觉，帮 助获得对数据场的直观感觉。 1 2 3 地理信息系统 美国联邦数字地图协调委员会( f i c c d c ) 关于地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o 咖a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 的定义【3 3 】认为“g i s 是由计算机硬件、软件和不同 的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、 建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。” 地理信息系统必须以强大的硬件系统为支持，用以存储、处理、传输和显 示海量地理信息或空间数据，并采用系统软件执行g i s 的数据输入、处理、数 据库管理、空间分析和图形界面等功能。地理信息系统区别于一般信息系统之 处在于它操纵的对象为空间数据，这种数据形式以地理实体为载体，集成其空 间特征、属性特征和时间特征于一体，正是由于这种独特的数据结构，使地理 信息系统对地理信息的管理和查询有着先天的优势。 地理信息系统除了具有数据采集与编辑、处理与变换、存储与管理、分析 与查询、图形输出与交互等基本功能，它还有很好的拓展性，通过与空间分析、 模型分析、网络技术、数据库和数据集成技术相结合开发出许多高级功能。尤 其是近年来，三维、四维空间数据结构和数据模型的逐渐成熟，三维、四维地 理信息系统也成为发展的一个新热点【弭了7 】；而且随着与迅速发展的人工智能、 面向对象、万维网、虚拟现实等技术的结合，地理信息系统必将进入一个更为 广阔的发展空间【3 。 1 2 4 网络计划技术及其发展现状 网络计划技术是现代管理科学总结出的一种比较有效的管理方法。它的总 体思删4 2 】是以缩短工期、提高效率、节省劳力、降低成本消耗为最终目标，通 过较为形象的时间关系图一网络图来表示预定计划任务的进度安排及其各个环 节之间的相互关系，并在此基础上进行系统分析，计算时间参数，找出关键性 线路，然后利用时差，进一步改进实施方案，以求得工期、资源、成本等的优 化。 计划是管理的核心，而进度又是计划的核心。运用网络法的目的就是从进 度计划方面去增强管理。网络计划以网络图为分析基础，网络图最本质的优点 就是能直观地反映工作项目之间的相互关系，使一项计划构成一个系统的整体， 第一章绪论 1 2 5 系统综合评价原理及其研究现状 系统综合评价就是从评价主体的角度出发，根据事先设定的系统目标，从 多个方面对各种可行方案全面进行利弊得失的权衡，从而为系统决策提供科学 的依据。 进行综合评价有几项关键技术：评价指标体系的建立、指标权系数的确定、 评价指标的量化和评价指标的合成。 ( 1 ) 为了确保评价的结果能被多数人接受，必须保证评价的客观性，合理选 择评价指标。然而由于系统本身的复杂性，对系统的内容了解可能并不完全， 最优的含义也不十分明确，而且评价是否最优的标准也是随时间而变化和发展 的，因而确定评价指标存在一定的困难。 ( 2 ) 评价指标的量化是评价中的重要工作之一。评价指标既有定性指标也有 定量指标，对它们应采用不同的量化方法。为了使各指标之间具有可比性，还 要将所有指标归- 二化。 ( 3 ) 由于各专家和决策人员对问题的偏好或重视程度不同，以及评判指标之 间的相互关系和在决策中作用的大小存在差异，因而要对各个指标确定权重。 权重的确定包含了主观认识，但也要符合客观的需要，达到主客观认识一致性。 ( 4 ) 评价指标合成就是将系统的多个目标合成为总体目标，以便对方案进行 排序。合成的模型一般可分为加法模型、乘法模型、函数模型、最大隶属度模 型、加权和模型等，应根据具体情况选用。 系统评价是个复杂的过程，评价的客观性和准确性很大程度上取决于上述 四项关键技术是否科学合理，因此众多学者在提高系统评价的简便性和可信性 方面作了大量的工作。何金平等【5 6 】提出用乘积标度法确定权重。文献 5 7 】用改 进的层次分析法与主成份分析法相结合给各指标赋权。北京大学徐福留等 5 8 】以 巢湖“两河两站”工程为例，探讨了水利工程环境影响指标体系及模糊综合评价 方法。文献 5 9 】将f u z z y 集合论与层次分析法( a h p ) 相结合，提出了多级模糊 层次综合评价的数学模型，并以某省9 座大型水库经营管理综合评价为例，进 行了实际应用分析。汪晓程和王瑛提出了“目标关联分析法”唧】，运用线性变换 将原来相互关联的目标变换成一组等价的独立目标，为多目标问题的分析和决 策提供了一种新方法。文献【6 l 】结合黄河小浪底水利枢纽工程，对两种试验模 型的各种试验结果进行了综合评价。天津大学刘尔烈和戴峙东采用模糊综合评 价方法对某水利工程项目进行社会评价1 6 2 j 。陈永灿掣6 3 】用灰色关联评价法和多 目标决策评价法对三峡库区河段水质进行了综合评价与分析。 第一章绪论 模型与施工历时整合，以三维模型的形式反映施工活动的进行，并利用强大的 计算能力和高效的图形处理能力，通过空间和时间两方面来仿真住宅小区的施 工过程。 本文第六章提出了基于仿真的施工总进度可视化分析方法s i m c p m ，并对 欧景嘉园建筑群施工总进度进行了分析。首先，提出建立总进度系统分析的网 络模型的流程。在建立的模型基础上，由施工全过程动态仿真获得活动工期的 随机分布，然后采用m o n t e c a r l o 仿真对施工总进度进行了仿真分析，在此基 础上还研究了合理的仿真次数和关键性工作的完工保证率 最后，本文的第七章对全文的工作进行了总结，并对未来的研究工作进行 了探讨。 9 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 将图形技术引入仿真建模，有效地增强了仿真工具的可操作性，用清晰易 懂的图形元素代替建模语言突破了仿真建模的瓶颈，可以大大降低建模的复杂 性，提高建模效率。将仿真计算可视化可以发掘和利用人类强大的视觉能力和 形象思维，促进对仿真数据更深一层的理解，发现客观世界隐藏的现象和规律， 成为科学决策强有力的手段。 2 2 可视化仿真体系 图2 1 可视化仿真体系 可视化仿真系统除了具有传统的数字仿真功能，还应当具有可视化交互和 动画演示能力一引，因此可以构造如图2 1 所示的可视化仿真体系。 此仿真体系为仿真对象建立两类模型，一类是传统的数学仿真模型，用以 反映系统的内部逻辑运行状态；另一类是可视化模型，表达系统的外部物理形 态。数学仿真模型与系统运行规律有关，需要根据研究领域的专业知识，运用 系统建模理论来建立。可视化建模通常需要图形技术和图形软件的支持。这两 类模型相互对应，构成了可视化仿真的基础。在数学模型的基础上进行数字仿 真，得到的仿真结果进入可视化系统，与可视化模型一同完成可视化展示。 2 3 复杂建筑群仿真建模方法 模型是仿真的基础，如何有效地建立模型一直是仿真研究的一个核心问题。 因为建模的复杂性和低效性，仿真技术作为一种管理分析的工具，并没有发挥 它应有的作用。针对这个问题，许多学者1 8 5 j 从不同的角度研究了简化建模过程 的方法。随着计算机技术的迅速发展，图形技术在系统仿真中的应用成为了主 要发展趋势之一，图形辅助建模技术得到了长足的发展。图形技术能够描述许 多语言难以表达的信息，便于信息交流，可以大大加快建模速度，并降低对用 1 2 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 建形式各异的“房屋”1 | 。当然模块化建模的前提就是仿真对象是可分的。由于 系统是由子系统组成，因此完全可将每个子系统作为模块，通过接口进行协调 耦合，组合成能够真实反映整体系统变化规律的系统模型。 系统的另一个特点就是层次性。系统分为子系统，子系统又可分为更多的 子系统。系统的这个特性是我们很容易联想到层次建模，既由基本的模型元素 ( m o d e le l e m e n t ) 组合成高一级的模型，这些模型作为子元素又可继续组成更高 级的模型，从而形成层次化模型( 见图2 2 ) 。 图2 - 2 层次化、模块化建模示意图 2 3 3 建筑群施工过程仿真建模思路 合模型 单元模型 对于一个复杂的工程施工系统而言，可将其分解为相对简单和独立的子系 统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以 协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规 律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。同时施工系 统又存在多个层次，总工程可以分为单项工程、单位工程、分部工程、分项工 程等多个层次。因而，采用层次化、模块化建模思路是可行的。 针对不同的需要可以选取不同的层次来建立仿真模型，本文将工程施工系 统的可视化仿真模型划分成2 个层次：控制层模型( c p m 层工序模型) 和实施层 模型( c y c l o n e 层单元模型) 。c y c l o n e 层单元模型构成c p m 层工序模型， c p m 层工序模型构成整体系统模型。 2 3 3 1 控制层模型 控制层模型对应着工程控制的基本单位工序，它是施工中的进度控制、 质量控制、费用控制的基础，在工程项目管理中占有极其重要的地位。工序作 为一个基本控制单元，采用的施工方法不变，配备的机械设备和人员基本固定， 例如主厂房顶拱开挖，就可以作为一个工序进行控制。控制层可以向上继续组 1 4 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 廿吨 心 卜 1 ) 一般节点2 ) 复合节点3 ) 捧队节点4 ) 职能节点5 ) 控制节点 图2 - 4 单元模型的图示符号 ( 2 ) 复合节点( c o m b i ) 表示一个受约束的工作。该节点要求所需的资源条 件全部得到满足后，各流水单元才能同时进入节点，处于工作状态并持续一段 工作时间。 ( 3 ) 排队节点( q u e u e ) 描述处于被动状态的流水单元。流水单元进入该节 点后，既处于等待状态，待有关的其他排队节点均具有可工作条件后一同进入 复合节点。 ( 4 ) 职能节点( f u n c t l o n ) 具有把n 个同类流水单元合并成一个流水单元 的功能，用c o nn g 表示。一般是与具有倍数产生功能的排队节点( 产生节点) 匹配使用。 ( 5 ) 控制节点( c o u n t e r ) 具有监测与控制的功能，通过累计流入节点的流 水单元数来控制模型的仿真进行。 2 矢线：表示各流水单元的流动方向和活动的顺序逻辑关系，不消耗时间 资源。 3 流水单元：工序模型的流水单元是指在系统中不断进行的状态交换和流 动的实体，及进行作业所需的资源实体( 机械设备、劳动力、材料、空间和其它 信息) 。 2 3 4 3 工序的划分 工序划分一般以工程组成部件、部件的施工程序和施工方法为依据。在住 宅小区建设工程中由于其整体性，故可将各单体楼视为工序模型，而把每个单 体楼工程中的基础工程、底层、标准层、顶层、竣工清理等都可看作单元模型。 另外，工序划分也具有层次性，即一个工序可以由若干个子工序组成，各 子工序又有它的子工序，最底层的子工序一般具有相同的施工方法或施工工艺、 消耗相同的资源。如图2 5 所示为单体楼的工序划分及其层次结构，从图中可 以看出，每个工序模型的工序划分基本一致，这样只要定义其中任一个的工序 模型其它的工序就可以参照使用，这使得建模过程简化。 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 制机制，构造出图示模型来表达实际施工过程。 2 。3 4 。6 工序模型形成 用矢线将工序、滞后连接起来，并给各工序附以属性，工序模型表示施工 中施工持续时间需要仿真的工序的，这样就构造能够直观地体现工程施工程序 工序模型。当全过程仿真钟到达该工序模型时将转入c y c l o n e 层模型，进行 循环网络仿真的计算与分析。 在图2 6 的基础上，按实际施工情况，给各工序附以属性，并加上必需的 滞后，则图2 6 就可以转变成工序模型。 根据施工作业及逻辑关系，将各种节点用矢线连接起来，并加入控制机制， 从而构造出仿真工序模型来表达实际施工过程。建立仿真工序模型时，首先应 明确工序施工过程中有哪些活动以及各活动之间的逻辑关系、活动进行所需的 流水单元、模型中所需的各种参数；然后由模型的组成部分建立起初始模型。 建模过程是一个反复修改的过程，当所建模型与实际系统基本相符时为最后的 仿真工序模型。图2 7 为用循环网络节点描述的主体工程底层工序模型。 面向对象的图形辅助仿真建模方法就是实现了在计算机辅助可视化的基础 图2 7 用循环网络节点描述的主体工程底层工序模型 上，以工序模型为基本组成单位，通过通信端口( 包括流入和流出端口) 联结各 工序模型，将其拼合成系统仿真模型，使得各资源实体在仿真模型中动态流动 的仿真建模方法。图形辅助建模不再是使用仿真语言建模的过程，而是使用更 加接近现实的图形，从而简化了建模过程；图形辅助建模的工序模型封装了循 环网络仿真单元模型，使得具有较少仿真知识的用户也能操作和使用。 2 4 建筑群施工过程仿真原理与仿真框架 2 4 1 基本概念 1 仿真钟嗍 仿真钟是离散事件仿真中不可缺少的组成部分，用来计量和记录各种事件 1 9 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 的发生时间，进行时间统计。它通常在仿真开始时设为零，随着仿真的进程而 不断更新，给出仿真时间的当前值。仿真钟也可以用来设定仿真结束的条件。 2 全程仿真钟 建筑群可视化仿真技术由于采用了两个层次的模型进行建模，故在仿真过 程中相应地设置两个“仿真钟”：“全程仿真钟”和“本地仿真钟”。全程仿真钟用 于记录c p m 层模型的仿真运行轨迹，它采用时间步长推进法，记录每个时间间 隔系统的状态，以便为仿真可视化提供数据。 3 本地仿真钟 本地仿真钟用于记录c y c l o n e 层模型的仿真运行轨迹，为了能记录固定 时间间隔系统的状态，它也采用时间步长推进法。本地仿真钟只存在于每个封 装的c y c l o n e 层模型的内部，只有当c p m 层模型调用该模型进行施工具体 过程仿真时，它才被启动并记录该模型的仿真轨迹，在仿真结束时将记录的内 容返回给全程仿真钟。 4 随机数发生器 由于实际的系统包含了多种不确定因素，在本质上属于复杂的随机过程。 离散系统仿真中要重复地处理这些随机因素，每次运行仿真时都要从这些因素 所属的概率分布中进行随机抽样，以获得仿真运行的得参数。因此离散系统必 须具备能够产生多种概率分布的随机变量的随机数发生器。随机数发生器的基 本原理和算法可以参见文献【9 8 】。 5 未来事件表【9 8 】 离散事件仿真的核心是随机事件的发生，随着仿真时钟的推进，某一随机 事件的出现，必将引起新的未来离散事件，并使系统的状态发生相应的变化。 未来事件表是仿真钟当前时刻以后将要发生的离散事件组成的事件表，表中离 散事件都按照发生时刻的先后次序排列。未来事件表是仿真时钟推进的依据， 是离散系统仿真钟的基本组成部分。 2 4 2 建筑群施工过程仿真原理 工程施工系统可以看作仅在离散的时间点发生跳跃性变化的系统，因而可 以作为离散系统进行仿真研究。 全过程动态可视化仿真在仿真过程中采用两个仿真钟，全程仿真钟”和 “本地仿真钟”。全过程仿真就是两种仿真钟不断地推进和交互的过程。 仿真开始前将全程仿真钟和每个本地仿真钟都初始化为零。仿真开始，全 程仿真钟启动，它采用时间步长推进法。时间步长推进法也叫固定增量时间推 进法，它是以某一规定的单位时间t 为增量，每推进一步检验是否有事件发 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 生，如果有则认为发生在t 的终止处，并相应地改变系统的状态，否则系统 的状态不发生改变。 当检测到有“仿真工序开始”事件发生时，全程仿真钟保留当时的状态，然 后将控制权交给c y c l 姬层仿真模型，启动它的本地仿真钟，设置模型初始 状态。 本地仿真钟也采用时间步长法推进。以工序准备施工的状态作为初始状态， 以开始施工的时刻作为本地仿真钟的零点。从该点开始，向前推进一个时间步 长t ，然后对工序模型中的所有节点进行扫描，检测是否有满足条件的活动发 生，同时跟踪各种资源的使用情况。如果有活动发生，它们被认为发生在t x 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 用时间步长法对系统进行仿真时，时间步长的选取是一个很重要的问题。 选取的时间步长愈小，仿真的系统状态与真实状态就愈吻合，仿真的精度愈高。 图2 喝全过程动态仿真流程图 但仿真过程中要增加状态检查判断的次数，从而增加仿真运行时间。相反，当 时间步长取得过大时，虽然能减少状态检查判断次数，缩短运行时间，但容易 丢失系统行为的某些信息或导致仿真状态的失真，降低仿真精度。在全过程动 态可视化仿真中，根据不同层次仿真的需要设置时间步长。在系统模型层，由 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 于是针对单项工程，可选取较大的时间的步长，如以天为单位。在工序模型层， 主要面向具体施工的各个环节，如隧洞开挖中的钻孔、爆破、出渣等活动，可 以采用更精确的时间步长，如以分钟为单位，从而满足仿真运行时间和仿真精 度的双重要求。 2 4 3 建筑群施工过程动态仿真框架 建筑群仿真首先要建立仿真模型。通过在模型库中拾取模型元素，用联接 机制将它们组合成整体模型。然后从参数库中为模型加载合适仿真参数，如机 械设备参数、爆破施工参数、钻孔施工参数等等，形成一个完整的仿真模型。 仿真模型在仿真试验平台上运行，这个平台是个一体化的集成环境，与仿真建 模、仿真运行、仿真结果输出以及数据库操纵都集合在一个界面下，避免了各 套系统间相互转换，使用起来十分方便。然后仿真平台从方法库为仿真模型获 取试验和分析的算法，进行各种仿真试验。仿真平台也可以与其它的系统交互， 如可视化系统，实现仿真结果的可视化展示。全过程动态仿真框架见图2 9 。 图2 _ 9 建筑群施工过程仿真框架 从上述分析可见，仿真过程中涉及的参数、模型、算法繁多，给管理带来 了很大的麻烦。0 r e n 一9 】等人早就指出传统的仿真技术的最主要缺点之一是缺乏 数据的有效管理，分析人员经常要花费大量的时间组织整理这些信息。因此本 文将数据库技术引入了全过程动态可视化仿真，弥补了这一不足。 在构造数据库时，通过o d b c ( 开放数据库链接) 和o d b c 驱动程序访问数 据库。o d b c 包含了一组可扩展的动态链接库，这些动态链接库提供了一个标 准的数据库应用的程序设计接口。o d b c 是基于结构化查询语言的标准化版本 而设计的，借助于o d b c 和数据库语言，可以编写独立于任何数据库的应用。 这样建模系统可以通过统一的接口访问各种数据库管理系统( d b m s ) ，而不必依 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 赖于某个具体的d b m s 。 下面详细介绍全过程仿真中涉及的各种数据库。 2 4 3 1 数据库 ( 1 ) 资源数据库 工程施工项目往往涉及众多资源，如机械设备、劳动力、材料等。而每一 项资源又涉及很多的特性参数，如机械设备的名称、型号、机械设备总台数、 拟使用台数、闲置的台数、生产率等。资源数据库的建立使得仿真模型所需的 与资源相关的信息均从此数据库中获得。一项工程所有的资源信息利用同一数 据库，这样提供了存取数据的一致性，同时也使模型具有通用性。一旦某一资 源的特性参数得到更新，则依靠此资源的所有模型也同样得到更新。数据库中 的数据可以是数字型的，也可以是含有某种信息的数据，它使仿真模型所需数 据可以通过简化的自然语言来表达，有利于用户的理解和使用。 ( 2 ) 活动时间数据库 工程项目不仅有资源问题，还需要进行进度等方面的分析计算。特别是对于仿 真系统而言，要进行随机时间的模拟。因此需要建立活动时间参数库。从中获得活 动持续时间的分布类型以及进行概率统计分析所需的各种参数。 ( 3 ) 工程类比数据库 施工系统施工动态可视化仿真模型中的参数的初步选取，有些是根据经验方 法，以国内外已建和在建类似工程为依据，需要有关专业人员具有丰富的经验和掌 握大量的相关知识。本研究对所收集到的国内外已建和在建类似工程的原始资料进 行分析、归纳、综合、加工，建立了工程类比数据库。结合施工动态仿真的特点， 对各工程从规模、施工程序、施工方法、施工进度等方面进行比较、分析，为工程 专业技术人员提供辅助决策的科学依据。 2 4 3 2 模型库 由于全过程动态可视化仿真模型分成工序模型层次和单元模型层次，故全过程 动态可视化仿真模型库由工序模型库和单元模型库组成。 工序模型库包括基础施工模型、底层施工模型、标准层施工模型、顶层施工模 型以及装饰工程模型等。 单元模型库包括五种基本单元模型，与循环网络的节点类型相一致：一般节点、 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 复合节点、排队节点、职能节点和控制节点。由于单元模型建模的复杂性，单元模 型被封装于工序模型中，我们只以工序模型面向用户。 2 4 3 3 算法库 由于各种系统的服务对象不同，对具有不同特征的服务对象及服务目的应建立 相应的算法。本软件系统的算法库针对施工系统分析的实际特点建立了多种仿真算 法、分析算法和优化算法。 ( 1 ) 仿真算法：本软件系统针对不同工序模型的行为特征和活动机理建立相应 的仿真算法，主要包括以下五类： 基础施工仿真算法； 主体工程底层施工仿真算法； 主体工程标准层施工仿真算法； 主体工程顶层施工仿真算法； 装饰工程施工仿真算法。 这五类仿真算法都是根据循环网络思想编制的，采用对离散系统仿真的时间步 长法推进，流程图参见图2 3 。而在主体工程施工仿真算法中，由于不同的建筑采 用的施工工艺可能有不同，考虑到一般房屋施工常用的工艺，在主体工程施工算法 库中加入在实际施工中主要的采用的结构形式：砖混结构和框剪结构，以满足不同 房屋建筑施工仿真的需要，使本系统的通用性进一步增强。 ( 2 ) 分析算法：为得到各种直观、实用的数据来指导施工组织设计，需对仿真 结果进行各种分析，本软件系统建立以下几种算法： 施工进度分析算法； 换算日历时间算法； 寻找关键路线算法； 统计施工强度算法； 寻找施工强度高峰时段算法。 ( 3 ) 优化算法：仿真不是最终目的，我们希望通过对仿真结果的分析得到更为 合理的方案，因此优化算法也是仿真算法重要的部分。本软件系统主要考虑对施工 强度的均衡优化。 本软件系统对施工强度均衡优化采用“最小均方差法。同时针对“最小均 第二章复杂建筑群施工过程可视化仿真原理 方差法”仅着眼于单个工序在总时差范围的调整，而忽略工序间制约关系的弊 病进行了相应的改进。 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 3 1 工程概况 本项目用地位于广西玉林市的中心区与南流开发区的交接部位，周边均为新发 展或正在规划建设的城市街区。地块呈基本规则的矩形，现状为经过初步平整的城 市建设用地，地势平坦，基本上无高差可利用。地块东边是城市规划中的石子岭工 业区；南面在城市的规划中为居住用地，目前为自然状态，尚有未开发的迹象；西 面为玉林制药厂，此社区较成熟；北边在城市规划中为临南流江的大型公共体育广 场及体育馆。 以体现全新的人居理念和国际先进的审美风格打造人与自然、社会共生的理想 家园为目标，拟将此用地创造一个高尚品质的居住社区，亲近自然，贴近社会，领 悟人生，体味新人居，感受新生活。 在规划布局上，以营造自然、和谐的小区内部环境为整体构架，体现整个小区 温馨、惬意的居住环境，突出社区氛围与城市街区商业、文化氛围的有机融合。小 区步行入口以及底层的商业空间等共同形成个颇具特色的商业步行街，利用叠水、 旱泉、密林等景观要素营造清新、休闲的社区氛围。并以中心步行道为景观轴线， 利用自然生态元素和人居文化元素所提供的休闲、娱乐、交往的连续空间，使南北 两部分既保持相对独立，彼此之间有相互联系。 由于小区周边没有可供借景的自然环境，故意强调内部环境为主，对外与城市 空间展开充分对话；南、北、东三面底层沿街为对外商铺。既提供了完善的商业配 套，同时也是开放的城市空间与社区私密空间的过渡区域。外围布置两房、三房的 小户型；内部以花园三房及四房为主，结合组团绿化及小区内在环境设计，满足小 区均好性及环境层次性原则，使整个小区错落有致、主次分明。 建筑造型突出简洁大方，又不失时尚典雅的整体风格。以精心设计的图式语言 统一建筑细部。四坡屋顶结合平面的变化高低错落，构成完美的城市天际线。立面 以素色为主，点缀活跃色块。 3 2 建筑群施工过程可视化仿真模型的建立 根据广西玉林欧景嘉园工程施工组织设计，充分考虑各单体工程的衔接关 系及相互制约条件，并采用流水施工方式对其施工系统的施工程序进行分析研 究，建立了玉林欧景嘉园建筑群施工过程仿真模型，如图3 1 所示。 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 图3 - 1 欧景嘉园建葫群施工仿真措e 型图( b 区) 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 系设置的，它的特点是易于理解，便于工程人员学习和掌握，在应用中针对不 同的工程采取不同的c p m 网络图，使本数据库具有很强的可移植性，结合上面 的循环网络算法数据库，即对其他小区施工工程同样有效。 5 文本输出数据库 是上面几个数据库的最终体现，所得到的结果的文本文件均保存在本库中， 工程人员可根据需要查看。经过仿真计算后，文本输出数据库也随之更新，保 证了文本输出的动态性。 3 4 仿真参数的选取 本工程中可供选择的装载机类型有：3 m 3 、3 5 m 3 、4 0 m 3 ；其生产效率分别 为6 0 m 3 h 、7 0 m 3 1 1 、8 0 m 3 l ；可供选择的吊机为l6 t 、2 0 t 、3 5 t 和4 0 t ；可供 选择的塔吊为4 0 塔吊、6 0 塔吊、8 0 塔吊和1 2 0 塔吊。 工序的持续时间的确定：测量、安全检查、自卸汽车的运输等均假设服从 均匀分布，混凝土灌注、吊机和塔吊服务系统服从正态分布等等。 1 混凝土运输时间参数的计算 每一循环所要灌注的混凝土量v ( m 3 ) 的计算公式为： v = ( s + 0 2 l s ) w( 3 - 1 ) 其中：s 为断面面积( m 2 ) ； l s 为断面周长( m ) ： w 为所要灌注的长度( m ) 。 由上式可以求出每一循环的混凝土灌注量，从而可以确定每一循环所需要 的运输次数n ： n = v c ( 3 - 2 ) 其中：v c 为每辆混凝土运输车的实际装载方量( m 3 ) ( 已考虑装满系数) 。 装满一辆运输车的时间t ( m i n ) 为： 仁( 6 0 v c ) z( 3 - 3 ) 其中：v z 为一台装载机的生产率( m 3 h ) 。 混凝土的运输时间t ( m i n ) 的计算公式为： t = l 1 v l + l 2 v 2 ( 3 - 4 ) 其中：l l ( m ) 小区内运输距离； v l ( m m i n ) 小区内运输汽车运速； l 2 ( m ) 小区外运输距离； v 2 ( m m i n ) 小区外运输汽车运速。 全过程动态可视化仿真模型中的基本参数在仿真计算准备阶段已输入到数 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 据库中，在计算时会自动调用。 其设计参数可参见表3 1 、表3 1 2 。 2 塔吊吊运时间t 的计算 h 2 = 1 5 7 木r ( 3 - 5 ) t = h o n l + h o 4 + h i v 2 + h 1 v 3 + h 2 v 5 + h 2 厂v 6 + a( 3 - 6 ) 式中：a 为摘、挂钩和卸料的平均时间； v l 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 、v 6 分别为起重机吊升吊罐、重罐下 降、空罐提升、空罐下降、重罐水平及空罐水平运送的速度； r 为起重机吊臂的旋转半径； h o 为吊罐吊起高度； h 1 为吊罐下降高度； h 2 为起重机水平旋转运距； 3 5 施工过程可视化仿真成果 通过玉林欧景嘉园小区的施工全过程动态可视化仿真计算，可以得出施工 工期、施工进度计划、关键路径以及资源强度等成果。并将所得到的施工历时 与三维模型结合，将整个欧景嘉园小区的施工全过程用a v i 文件形象的演示出 来。 在程序中还对上述结果用相应的优化算法进行了小区的施工过程资源均衡 优化。通过均衡优化施工强度，可以有效地解决诸如施工过程中交通拥挤等问 题，同时对非关键路径的施工时间进行调整，使施工机械设备和施工人员得到 有效的利用，从而能有效减少由于机械设备及劳动力数量的使用而带来的费用。 在程序设计中采用的是“削峰填谷法”和“最小方差法 进行均衡，削峰填谷 法着眼于资源强度的最大值，通过调整处于最大资源强度时段内部分工序的开 工时间，达到逐步降低最大资源强度，减少强度波动的目的。“最小方差法”将 资源强度的方差大小作为调整对象，通过调整非关键路径上的部分工序的开工 时间，达到逐步降低资源强度方差，减少强度波动的目的。通过优化，可以得 到均衡后的资源强度情况和旌工进度计划。除此之外，实现了施工时间和日历 时间的相互转化，在施工的过程中可以很方便的了解施工进度情况。 3 5 1 施工进度成果输出 1 施工进度计划及关键路线 根据欧景嘉园小区施工全过程可视化仿真计算与优化分析，可知： 总工期为：2 4 个月，其施工开始于施工准备1 ，结束于2 - 1 2 竣工清理。 第三章欧景嘉园建筑群施工动态可视化仿真与进度优化分析 计算出的关键路径的组成顺序为： 施工准备1 ，滞后2 2 ，施工准备2 ，1 - 8 基础工程，卜8 主体工程底层，1 - 8 主体工程标准层，1 - 8 主体工程顶层，1 - 8 装饰工程，4 - 5 装饰工程，2 - 1 2 装饰 工程，2 - 1 2 竣工清理。 由上可见，确保上述工序的工期是按期完成该小区施工的关键。 2 初始横道图及均衡横道图 横道图具有易于编制直观、易懂的优点，特别适合于现场的施工管理。因 此经小区施工系统仿真软件计算后的施工进度计划还以横道图的形式输出供实 际施工使用。 考虑到小区施工工序繁多、工序间逻辑关系较复杂，在进行横道图绘制时， 将工序分组并加入了工序间的逻辑关系。根据本小区施工中几个重要组成部分， 将工序分为卜施工、2 一施工、3 一施工、4 一施工及其它工程施工等五组。工序的 分组是由程序识别工序名称中的关键字自动进行的。工序间的紧前、紧后逻辑 关系，以矢线形式表示。此外，为了突出资源均衡优化前后施工进度的调整， 横道图中图示出了各工序的最早开工日期及最迟完工日期。从横道图中可以获 得以下信息：仿真关键线路、各工序时间参数、工序间逻辑关系、优化前后工 序安排的调整等。 初始横道图见图3 - 2 。 均衡横道图见图3 - 3 。 3 初始日历时间及均衡日历时间 横道图虽然有其直观性强，能一目了然得出工序进行时间相对长短，并且 可以很容易的得到关键路径以及最早开始时间和最迟开始时间的差，同时还便 于使用者查看紧前紧后关系等优点，但也具有无法与具体施工时间对应的缺点， 考虑到上述缺点，本软件设计了时间转换算法，可以通过输入工程的开工时间 来得到各工序的最早开始时间、最早结束时间、最迟开始时间和最迟结束时间， 工序号、工序名称与时间一一对应，便于查询，从而可以对施工的进度安排起 到辅助决策的作用。 均衡日历时间见表3 - 3 。 圈3 - 2 玉林欧景嘉同施工初始横道图f l * = 章酞景嘉园建* 群施i 自夺日埋m 仿真与进度m 化h 析 圈3 2 玉林殴景嘉园施工初始横道圈( 2 】 图3 0 玉林欧景嘉园施i 均衡横道圈f l 第= 章欧景嘉吲建筑群m t 动岳视化仿真5 进度优化h 析 l 一 f 骨一 1 1 1 - 5 骨5 j 孓 l r l _ 二l e r 匹 hl j ? 烹i i 。= - i = _ = _ 二 图3 - 3 玉林欧景嘉园施工均衡横