（机械工程专业论文）非滑道区大型钢结构模块建造大型资源研究.pdf

中文摘要 随着建造业的快速发展，大型的钢结构物应用越来越广泛。其建造规模向着 高、大、重方向发展，而钢结构物建造也趋于模块化建造。镍矿项目是世界上采 用模块化建造技术建造的项目之一，该项目共有1 7 个大型钢结构模块，最重模 块约5 0 0 1 0 6k g 。由于外界和施工条件的限制，镍矿项目的钢结构模块是在非 滑道区域内建造的，这很大程度上影响了大型钢结构模块的顺利建造。 本文针对大型钢结构模块建造中的大型资源，如钢结构模块建造的场地资 源，钢结构模块与甲板片资源以及在施工过程中使用频繁的大型机具资源等进行 了分析论述，并作出了一定的优化。本文的主要内容有： 1 在阐述大型钢结构模块化建造过程的前提下，针对性地分析了在钢结构 模块建造过程中的大型资源，并解释了大型资源管理的重要性。 2 通过分析场地布置的流程，提出场地布置的多层次决策方法；运用模糊 评价理论，提出基于多层次决策的场地布置评价理论。 3 针对甲板片的生产，基于扫描式算法和t s p 节约算法，提出甲板片的生 产分配模型，使得甲板片的生产趋于合理化。 4 针对生产设备利用率不高的问题，提出基于生产效率的生产模型，解决 了钢结构模块的建造和甲板片的预制问题，在一定程度上减少了生产过程中的空 闲时间，提高了生产效率。 5 通过分析场地布置和钢结构模块与甲板片的生产，得出在整个建造过程 中使用频繁的大型机具固定式起重机和移动式起重机，并提出大型机具优化 使用方法等。最后针对工程建造中出现的冲突，提出基于价值系数的机具调度模 型。 综上所述，本文对钢结构模块建造中的大型资源的管理做了一定地优化。本 文的研究方法对实际工程的建造有着一定的指导意义。 关键词：钢结构模块大型资源大型机具场地布置评价甲板片 生产分配 a b s t r a ct w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , t h e a p p l i c a t i o no f l a r g e - s t e e ls t r u c t u r e sb e c o m e sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h es c a l eo ft h ec o n s t r u c t i o n b e c o m e sh u g e r a n dt h ec o n s t r u c t i o no fs t e e ls t r u c t u r e sa l s ot e n d st om o d u l a r c o n s t r u c t i o n k o n i a m b on i c k e lp r o j e c tw a so n eo ft h ep r o j e c t sw h i c hu s e dm o d u l a r c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d t h i sp r o j e c th a dat o t a lo f17l a r g e s t e e l m o d u l e s a n dt h eh e a v i e s to n ew a sa b o u t5 0 0 10 6k g b e c a u s eo ft h el i m i to fo u t m d e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dt h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，t h es t e e lm o d u l ei nt h e n i c k e l - m i n i n gp r o j e c tw a sb u n ti nan o n - s h d ea r e a , w h i c hg r e a t l yl i m i t e dt h e s u c c e s s f u lc o n s t r u c t i o no fl a r g e - s t e e lm o d u l e s t h i s p a p e rg i v e sa n a l y s i s a n dd i s c u s s i o n sa b o u tt h ek e yr e s o u r c e si nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s so f t h e l a r g e - s t e e ls t r u c t u r e s ，s u c ha sf i e l dr e s o u r c e ，t h el a r g e - s t e e l m o d u l e s ，t h es t e e ld e c k - p l a t e sa n dt h ek e ym a c h i n e sa n dt o o l su s e di nc o n s t r u c t i o n ； c e r t a i no p t i m i z a t i o no ft h e s er e s o u r c e sw e r em a d e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 u n d e rt h ep r e m i s eo fe x p o u n d i n go nk e ys t e e l s t r u c t u r e s c o n s t r u c t i o n ，t h ek e y r e s o u r c e si nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw e r es i g n i f i c a n t l ya n a l y z e d , a n dt h ec r i t i c a l i m p o r t a n c eo f r e s o u r c em a n a g e m e n tw a se x p l a i n e d 2 b ya n a l y z i n gt h ec o n s t r u c t i o ns i t el a y o u t ，t h em u l t i l e v e ld e c i s i o n m a k i n gw a s p r o p o s e d ；b ya p p l y i n g t h ef u z z ye v a l u a t i o nt h e o r y , t h ee v a l u a t i o nt h e o r yo f c o n s t r u c t i o ns i t el a y o u tb a s e do nm u l t i l e v e ld e c i s i o n m a k i n gw a sp r o p o s e d 3 f o rt h ep r o d u c t i o no ft h es t e e ld e c k - p l a t e s ，b a s e do nt h es c a n n i n g - a l g o r i t h m a n dt s ps a v i n g - a l g o r i t h m ，p r o d u c t i o na l l o c a t i o nm o d e lw a sp r o p o s e d ，w h i c hm a d e t h ep r o d u c t i o no ft h es t e e ld e c k p l a t e sb er a t i o n a l i z e da n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yb e i n c r e a s e d 4 s i n c et h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n tu t i l i z a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o no fs t e e lm o d u l e s a n dp r e f a b r i c a t i o no fs t e e ld e c k - p l a t e sw a sn o ts oh i g h ，t h ep r o d u c t i o nm o d e lb a s e do n t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw a sp r o p o s e dt or e d u c ei d l et i m ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s a n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 5 t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i t el a y o u ta n dt h e d e c k - p l a t e s ，w ek n e wt h e m o s tf r e q u e n t - u s e d p r o d u c t i o no fs t e e lm o d u l ea n d l a r g e - s c a l ee q u i p m e n t s i nt h e c o n s t m c t i o np r o c e s s w h i c hr r et o w e rc r a n e ，c r a w l e rc r a n ea n d p r o p o s e dm e t h o d st o o p t i m i z et h eu s eo ft h e s em a c h i n e s m o r e o v e r , f b rt h ec o n f l i c t i o ni nc o n s 旬r l l c t i o n w e p r o p o s e das c h e d u l i n gm o d e lb a s e do nv a l u ec o e m c i e n t i ns u m m a r y , t h em a n a g e m e n to fl a r g e - s c a l er e s o u r c e si n t h es t e e lm o d u l e s c o n s t r u c t i o nw a so p t i m i z e di ns o m ee x t e n ti n t h i sp a p e r b yt h e s em e t h o d s t h e c o n s t r u c t i o no ft h el a r g e s t e e ls t r u c t u r ew o u l db ec o m p l e t e ds m o o t h l y a n dt h e s e m e t h o d smt h i sp a p e rh a v ec e r t a i ns i g n i f i c a n c et ot h ea c t u a lp r o j e c t s k e yw o r d s ：l a r g e s t e e l s t r u c t u r e k e yr e s o u r c e c o n s t r u c t i o ns i t el a y o u t s t e e ld e c k - p l a t e s k e ye q u i p m e n t s t a s ka l l o c a t i o n 第一章绪论 1 1 钢结构模块建造概述 第一章绪论 钢结构模块建造的基本流程是：钢结构模块设计一异地建造一现场安装，如 图1 1 所示。钢结构模块化设计是指以兼顾功能和工艺为前提，进行的钢结构模 块单元划分和深化设计，是模块化建造的前提条件；模块的异地建造是指钢结构 模块的集成化生产，它可以充分利用工厂的设施和场地资源及管理等各方面优 势，从而提高生产产品的质量、缩短生产的周期、节约生产成本；模块化的现场 安装指在钢结构模块集中化生产完成并运送到目的地后，进行结构总装工作。它 一方面可以降低对资金、人力、材料和安装设施等各种资源的需求和依赖，同时 能够保证建造质量、缩短生命周期和降低建造成本【啦 3 4 】。 ， 囊_ 图1 - 1钢结构模块化建造示意图 钢结构模块化建造的3 个主要步骤是顺序的，依次进行的。对于钢结构模块 建造来说，三个步骤是同样重要的，任何一方面都能够影响到工程的建造，所以 应同样重视建造过程中的每一阶段。 虽然模块化建造是当今建造行业的主流趋势，但是在一个建造项目中，完全 的模块化建造还不能实现。例如，在钢结构模块化生产中，甲板片的预制过程， 就不是模块化建造。模块化建造与非模块化建造的主要差异如表1 1 所示。 签 第一章绪论 劳动力成本 需要大羞萎? 舅翥劈嫠纂詈板片的 现场施工设备 后期的组萋火羹鐾磊震萋工作需要 运输 依嘉警莩薹蔷墓耄萎磊吾嘉差运硼q ，首遄到贝钧六即日j 凋疋 现场施工检验现场需要大量检验工作，成本高 供应商现场协调 霎囊嘉簧鬟望幂亨磊荔喜差霪嫠妻 只需少量练劳动力进行吊装安装即 可，劳动力成本低 只需要少量的吊机和平板车即可 可能需要重新修建用于运输模块的 公路或码头，运输机具有一定限制 产品在异地建造时，已完成全部检 验工作 模块化产品已经集合了所有的设备 和管线，不再需要现场进行安装工 作【5 】 由非模块建造和模块建造的异同点，可以看出，在工程设计和建造中采用模 块化思想具有以下几个优势【6 】： ( 1 ) 工程建造关键步骤的所需时间减少，能够在一定程度上减小施工周期； ( 2 ) 现场工作明显减少，在一定程度上，能够保证施工的安全，工作环境 得到一定的改善； ( 3 ) 工厂化的预制建造模式，能够有效地控制和提高工程的质量； ( 4 ) 降低了生产费用，在一定程度上节省了生产成本。 1 2 大型工程建造丰资源管理国内外现状 资源是一个非常重要而内涵又十分丰富的一个概念。联合国环境规划署将资 源定义为“一定时间和技术条件下，能够产生经济价值，提高人类当前和未来福 利的自然环境因素的总称”【7 】。按照技术经济学中的生产要素理论，任何劳动和 生产都必须同时具备的六个条件，即劳动人员、劳动资料、劳动对象、劳动环境、 劳动空间和劳动时间；从这六个独立的生产条件中可以引申出六个力或称为六种 资源，即人力、财力、物力、自然力、运力和时力【8 】。 在实际的工程建造，资源的含义和其他生产也是一样的。其六个方面的资源 可以概括为：施工人员、管理人员；施工机械、施工设备；原材料、构配件；施 工现场；施工顺序、施工信息；施工的进度安排等六个方面【9 1 0 1 ，如图1 2 所示。 2 第一章绪论 图1 - 2 建造工程施工资源 在大型的建造工程中，起关键作用的大型资源，则可根据工程项目的不同， 有着不同的区分。针对大型钢结构模块化建造工程，我们把施工场地、大型施工 机具和主要建造材料作为本工程中的“大型资源”。 1 2 1 场地布置研究综述 施工场地的总平面设计是指把建筑物、堆场等根据生产工艺的要求用不同的 方式连接起来，使得各部分在建造过程中成为一个整体，充分发挥企业的生产能 力，节约建造成本，提高企业效益；场地总平面布置的研究，应结合具体的工程 项目，一般来说，应遵循的基本原则包括：因地制宜、因时制宜、有利生产、方 便生活、易于管理、安全可靠、经济合理【l 。 起初，人们主要依靠实践经验来进行施工场地的布置设计。但是随着建造业 的发展，场地布置从较小的工程项目发展到大型且非常复杂的工程项目，仅凭实 践经验难以得到较好的场地布置方案。随着科学研究对这一领域的深入，越来越 多的数学方法被用于建造场地的布置优化中。关于建造项目中场地、施工机具、 管线和运输道路等方面的合理布置等问题的相关理论越来越多。 系统布置设计( s l p ) 理论是缪瑟( 美国) 于1 9 6 1 年提出的，这一理论的提出 促进了对系统布置研究的高速发展。1 9 9 8 年，j c g a n a 运用非线形算法，求解出 建造施工布局问题，并比较了遗传算法和模拟退火算法两种算法的先进性和缺 陷；1 9 9 9 年，c p a p a h r i s t o d o u o l o u 提出以二元线性为模型的设施布置方法，并 将该模型应用于小型医院的设施布置中；2 0 0 2 年，t d u n k e r 研究设施布置问题 并提出遗传基因的进化算法，通过对各个部门进行编码并提出改良的突变和交叉 3 第一章绪论 算子，并通过实例分析，证明能够应用于大型建造工程的场地布置中；2 0 0 3 年， l c a s t l i o 针对施工设施布置问题，研究了嵌入链式算法，该理论模拟了大量的 点系统的图型模式，其中节点为各个设施布置位置，边为布置点( 各个设施) 间 的链，最后通过获得最小的系统费用方案为最佳布置方案 1 2 , 1 3 。 胡志根、肖焕雄等在进行场地布置方案决策研究中，引进了数学模型。朱卫 军、张孝军等针对实际的工程建造提出场地布置理论，并以三峡工程建造的场地 布置为例，指出了施工场地的总体要求和工程建造对场地及道路的要求【1 4 1 。随着 计算机应用技术与人工智能技术的发展和建造工程的场地布置更趋于复杂化，为 解决该问题，计算机技术越来越广泛地应用于该领域。张建平等人将计算机图形 技术引进到场地布置中，通过三维实体图形形象地表达了施工进度和场地布置等 问趔15 1 。 1 2 2 资源优化问题综述 在实际的建造项目中，安排资源计划时，往往碰到两方面问题：一是建造企 业在一定的时间内完成工程建造的各种资源是有限的；另一个则是如何合理地有 效地利用这些资源。因此，资源优化问题一般分为两类：资源约束项目调度问题 和工期固定资源均衡优化问题。在本文中只研究第二种。 在理想的条件下，工程建造资源的计划安排能够保证工程对资源需求量的稳 定，但由于在实际生产中的不确定性，往往会使项目对资源的需求量出现高峰和 低谷。在工程项目的工期固定下，应安排合理的生产计划，能够较为平均地使用 生产资源，使得工程对资源需求量的起伏变化降低，并且降低生产成本及提高资 源的利用率。上述即为在建造工期固定下的资源均衡优化问题。然而，资源均衡 优化往往是针对单一项目进行的，对多个并行项目的研究则为数不多。 o 1 整数规划方法是t a l b o t 于1 9 8 2 年提出，它研究了离散型的时间与资源关 系，但这种方法适用范围较小。 近年来，借鉴遗传算法，对工程项目进行资源优化的研究越来越成熟。 s a t y a n a r y a n a 等人针对建造项目的资源问题，运用遗传算法做了一定的优化研 究；c h a r t 等人研究了工期固定资源均衡问题，并利用遗传算法在一定程度上优 化了该问题；l e us o u s e n 等人以遗传算法理论为基础，建立了多目标的进度优 化模型，该模型以工期与费用平衡、资源限制和资源均衡为目标，为项目资源优 化提供了较完善的理论【16 1 7 。 国内对于资源问题的研究也比较多。天津大学李建武等人优化遗传算法，提 出了带有修复算子的遗传算法；通过具体的实例分析，进行了资源优化的验证工 作并得出结论，针对大型工程建造中复杂的资源优化问题，该算法具有很明显地 4 第一章绪论 优势【1 8 。长沙交通学院王首绪等人针对施工网络计划，做了一定的优化工作，将 遗传算法引入到多资源均衡优化问题中，并具体给出了资源均衡优化的实例 1 9 1 。 华中科技大学祁神军等人针对建造项目中的关键资源，进行了优化调拨研究【2 0 1 。 天津大学张建勇等人对大型工程施工机械设备资源管理进行了研究，利用双代号 网络资源分配技术对使用大型设备的相关工序进行了进度跟踪和控制，提出了大 型设备的动态调度的方法【2 1 1 。 1 3 课题提出背景 随着建造业的高速发展，各种建造工程的大型化，重型化和模块化的趋势越 来越明显。模块化建造，已经成为很多建造行业未来发展的潮流。但模块化建造 的管理还停留在传统建造的管理模式中。如何通过合理的生产管理模式，提高企 业生产的效益，是一个亟待解决的问题。 2 0 0 8 年8 月，中海油海洋石油工程( 青岛) 股份有限公司与k o n i a m b o n i c k e ls a s ( k n s ) 公司( 法属海外领地新卡罗多尼亚s m s p 公司与加拿大 x s t r a t an i c k e l 公司的合资公司) 签订了k o n i a m b o 镍矿冶炼厂的主体模块 建造项目合同，整体的建造工程在亚太地区最大海洋工程制造场地中海油海 洋石油工程公司所属的青岛建造场地完成瞄】。该项目是世界上第一例采用集成 化、模块化的大型冶炼厂主体建造工程。该镍矿项目包括1 7 个模块，总体重量 近4 1 0 7k g ，其中，最大模块的重量达5 0 0 x 1 0 6k g ，主体结构为大型钢架结构 2 3 】。 为使在整个建造过程中，模块化建造能够有条不紊地进行，需要对一些大型 资源的生产和管理进行优化，中海油海洋石油工程( 青岛) 股份有限公司与天津 大学签订了矿业模块化工厂建造工艺工法研究项目，本文的研究就是在这一 背景下提出的。 1 4 本文的研究内容 本论文主要研究了在大型钢结构模块化生产过程中大型资源的优化管理和 调度问题：钢结构模块建造的大型资源分析；模块化建造场地布置问题；针对这 一工程的主体建造，提出模块建造和甲板片建造优化；大型机具资源( 如履带吊， 塔吊等) 的管理和调度问题等。本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对钢结构模块建造过程进行分析，提出钢结构模块建造中的大型 资源，并对这些大型的资源进行总体概述。 气 第一章绪论 ( 2 ) 通过探讨场地布置的一般流程，引出多层次决策方法，并运用多层次 分析法对场地布置模型进行评价，并对镍矿项目的模块布局进行了分析。 ( 3 ) 结合实际工程的建造，提出生产任务的分配方法。在这一方法的基础 上，针对模块的生产和甲板片的制造，提出了基于生产效率的生产优化模型，通 过对比分析可以看出该方法的实用性。 ( 4 ) 针对在模块化建造中主要的大型机具的使用情况，提出大型机具的管 理方法，并对大型机具的选用及使用进行了优化分析，最后提出了基于价值收益 的大型机具的调度模型。 6 第二章大型钢结构模块建造大型资源 第二章大型钢结构模块建造大型资源 2 1 大型钢结构建造流程概述 k o n i a m b o 镍矿冶炼工厂建造项目是根据功能区域的不同，采用模块化思 想进行设计和建造的。由模块化设计得到熔化塔楼、h m f d 楼、闪烧炉进料楼、 及辅助楼四部分，这四部分组合完成后，无论从结构上，还是功能上，都能够满 足冶炼工厂的要求 2 3 1 。其中，每一部分都是由不同数量的钢结构模块组成的。这 些钢结构模块在青岛的非滑道区域内进行建造，建造完成后，通过大型拖轮，将 模块运送到位于n e wc a l e d o n i a 岛( 澳大利亚东部太平洋海域) 上的v a v o u t o p e n i n s u l a 进行总装【6 】。其生产过程如图2 1 所示。 t 广t 梦沿计ijt 广凶圆沿计ii 焙曲f p 凸林裾；+ l 上上乙暖同 1 上7 思图阪刃7 l 俣耿忆思1 伞阪订i 设计交底和协调模块单元设计 田柘 嬉杓诵制l- l 模块单元的分层1 1 单元内各专业安l 中似门绢倒耿利11 组装 |7 l 装集成 i 模块单元装船运 模块单元总体检 输 验 模块单兀迸场检l - j 模块单元安装就1 1 模块单元组装连l _ 。 验 li 位 i7 i 接 i l 盆士、，蛤酴；寸聆l i 单元间各专业对l i 合专业伍题砜题ri 接集成 r r 麟装蓑榔检h 工厂龊行h 工厂交付黼 图2 1k o n i a m b o 镍矿冶炼工厂建造生产流程图 7 第二章大型钢结构模块建造大型资源 由镍矿冶炼工厂的建造生产流程图，可以看出，钢结构模块的建造主要分为 三大部分：( 1 ) 钢结构模块设计；( 2 ) 钢结构模块建造；( 3 ) 钢结构模块的装配。 这三部分是相互联系，相互制约的。本文的研究工作就是以第二部分大型钢 结构模块建造为研究对象展开的。 2 1 1 钢结构模块的建造 镍矿冶炼工厂项目的1 7 个钢结构模块的建造，是在同一场地进行的，而根 据建造完成后将所有的模块分四批进行运输可以看出，在每一阶段的模块建造 中，会有多个模块并行建造。 钢结构模块的建造工作包括最初的场地准备，甲板片预制，甲板片的组装， 大型设备的安装以及最后的装船等主要工作。但是，每一项工作都是有在若干工 作的基础上进行的，比如，在进行甲板片的预制工作之前，需要对构成甲板片的 材料( 工字梁等) 进行焊接等处理；甲板片的组装工作则是以甲板片预制完成后， 通过运输到达安装现场为前提的。其具体的建造流程如图2 - 2 所示。 第二章大型钢结构模块建造大型资源 图2 - 2钢结构模块建造流程图 在单个模块建造完成后，通过s p m t 小车将1 7 个模块装船，运送到工厂场 地，进行最后总组装。 9 第二章大型钢结构模块建造大型资源 2 1 2 钢结构模块中大型资源分析 在不同的工程建造中，由于其限制条件不同，其关键的大型资源也不同。由 大型钢结构模块的建造流程可知，钢结构模块化的建造是该工程的主体工作；钢 结构模块的建造是一个非常庞大的工程，在生产过程中，各种资源对工程建造的 重要程度不同，本文针对在钢结构模块建造中，对工程的建造起着关键作用的大 型资源进行优化管理。 首先，场地资源。由于钢结构模块的建造工作是在青岛场地3 撑号滑道和甜 号滑道之间的场地进行的，场地资源非常的有限。同时还要考虑到地基的承受能 力和预制车间及堆场的地点选择等问题。因此场地资源利用的是否合理将对后面 的建造工作产生很大的影响。 其次，模块与甲板片资源。在钢结构模块建造中，由于模块是由甲板片装配 而成的，所以甲板片是生产过程中最主要的资源。模块作为钢结构模块建造的产 物，其生产过程对整个的工程来说非常重要。 最后，大型机具资源。在钢结构模块建造工程中，所用的机具很多，但对工 程起到关键作用的机具主要有起重机，如塔吊，履带吊等。这些起重机具负责着 工程建造中的吊装和运输工作，如甲板片和大型设备的运输和吊装作业等。而这 些工作是工程建造的关键步骤之一，大型起重机具管理是否得当将直接影响着工 程的建造进度。 2 2 钢结构模块建造的场地资源 由于该工程的建造空间是有限的，所以在建造过程中，场地资源为其关键的 资源。在进行制定生产计划时，需要针对场地进行布置优化，以达到对场地进行 合理利用，保证工程的顺利施工。 2 2 1 场地布置的重要性 建造工程施工的场地布置对于工程的建造是非常重要的【2 4 1 。施工现场布置是 否合理，将直接影响到工程的施工，如果布置不合理，这将直接会影响到工程的 建造进度和施工的成本。这样，一方面企业建造成本的增加，将直接影响的企业 的利润；另一方面企业将不能按照项目的进度计划进行施工，使企业的形象受到 影响。 常见的影响建造进度和成本的原因主要有： ( 1 ) 建造现场的一些临时设施布置不当。由于缺乏对建造总工程的整体规 1 0 第二章大型钢结构模块建造大型资源 划，建造现场的一些临时设施，如材料堆场，消防栓，供电设施等，因建造的需 要，不得不拆除、搬迁并重新进行布置。 ( 2 ) 现场的道路布置不合理。道路布置不合理，就会增加车辆的运输不便， 尤其是大型构件，如运输距离过长、车辆的转弯不方便，易堵塞等。这样将对建 造的进度产生直接的影响，在大型构件的运输中将消耗很大的运输成本。 ( 3 ) 生产加工场地和大型机具设备的位置布置不合理。在大型的工程建造 中，尤其是钢结构模块化建造中，生产加工场地的布置是非常重要的，其生产效 率的高低和运输系统好坏直接影响到工程的建造。大型机具设备布置不合理，将 造成吊装作业的不便，直接影响工程的建造。 合理的施工现场布置，一旦实施，将会为企业带来很直观的经济效益，同时 也能保障建造的顺利完工。由此可以看出，场地布置对于企业和工程建造的重要 性。因此，在建造初期，一定要合理的规划好施工现场的场地布置。 2 2 2 场地布置韵指标 目前，在建造项目场地布置中，一般依靠工程实践，制订一些定性的因素或 指标来确定建造的场地布置【2 5 】。一般而言，在进行场地布置时，需要考虑的指标 主要有： 1 ) 建筑的布置费用。主要包括建筑物的占地面积、建筑物所占场地的地质 条件( 包括地基土质、地基承载力等) 、场地平整费用、场地给水排水情况等 2 ) 施工机具的布置效果。主要包括是否有利于施工的进行，机具的布置能 否促进工程的建造，在一定程度上能否保证生产的安全施工等。 3 ) 建筑物布置对运输系统的影响。主要包括对外交通情况、场内运输情况、 施工机械设备的运输安全高度和宽度的限制、道路通行能力、快速施工期间的车 辆通行能力等。 4 ) 建造过程对周围环境的影响。主要包括施工设施正常运转时所要求的最 小作业半径、机具之间的安全距离、设施之间的干扰、分散和协调程度等。 5 ) 机具的调整能力。主要包括机具随进度计划的调整能力、建造过程中机 具的使用能力、机具因场地冲突需要的调整能力等。 6 ) 建造临时道路的布置。主要考虑的因素包括建造所需的运输量的大小、 建造场地的几何形状、主要施工机具的布置情况、场地永久道路的位置、场地地 理条件、施工管线和水电管线等。 在进行大型工程项目的场地布置时，应根据具体布置的设施来确定场地布置 的评价因素，有针对性的确定最优的场地布置方案。 第二章大型钢结构模块建造大型资源 2 3 钢结构模块与甲板片资源 2 3 1 钢结构模块资源 钢结构模块作为钢结构模块建造工程中的主体，其重要性不言而喻。 钢结构模块建造的具体工艺流程如下： 第一步：组对甲板片主要大梁，见图2 3 。组对时遵循从甲板片中间向四周 组对的原则，根据梁格待焊接头密度留出适量焊接收缩余量。如果甲板片较大则 可分成几个小甲板片分别进行预制，预制完毕后再组装成一个大甲板片。 第二步：组对甲板片小梁格及水平拉筋，见图2 - 4 。组对完毕后进行组对外 观及甲板片尺寸检验，合格后进行焊接。焊接遵循的原则是：从中间往四周焊接； 对称焊接。 图2 3甲板片组对图2 _ 4 组对甲板片小梁格及水平拉筋 第三步：铺设甲板，见图2 - 5 。 第四步：插焊立柱并安装部分拉筋及小甲板片，见图2 - 6 。 l 图2 5甲板铺设图2 - 6 插焊立柱并安装部分拉筋及小甲板片 第五步：将预制完毕的甲板片通过平板小车转运到模块总装场地，安放到预 先铺设好的垫墩上，见图2 - 7 。 1 2 第二章大型钢结构模块建造大型资源 图2 7甲板片转运吊装图2 - 8总装后示意图 第六步：后续甲板片按照1 4 步预制完毕后，依次进行吊装总装，最后完成 模块的建造，见图2 8 ，各层甲板片上的设备在甲板片吊装焊接完毕后开始吊装。 在甲板片吊装总装时必须考虑大型设备的安装。某些层的甲板片上的某些大 型设备必须安装完毕后方才可以吊装下一个甲板片，特别是不同标高甲板片贯穿 型设备。否则，后续设备的安装将无法进行。 钢结构模块在该工程中既是建造的目标，也是建造过程中的瓶颈资源。钢结 构模块建造顺序和开工时问是否合理，将直接影响到工程能否顺利完工，作为该 工程的关键资源之一，必须针对此做出相关的优化。 2 3 2 甲板片资源 钢结构模块是由甲板片分层组装而成的，甲板片的制造是否顺利，将直接影 响到整个钢结构模块的建造，因此，甲板片是钢结构模块建造中的关键资源之一。 由于甲板片的主要构成部件是组合梁，因此在进行甲板片预制焊接之前必须 将组合梁预制完成。甲板片的预制流程如图2 - 9 所示。在图中，q c 检验包括焊 缝n d t 检验、焊接施工过程、组对质量及焊后尺寸检验等。为保证甲板片的预 制质量，需将q c 检验贯穿于整个甲板片的预制过程中。 图2 - 9甲板片预制流程图 1 3 第二章大型钢结构模块建造大型资源 在镍矿项目中，需要的甲板片数量多而且单片面积大，所以需要大面积的预 制场地来进行甲板片预制工作。但是由于场地资源是有限的，甲板片的预制车间 不可能无限地增多，因此，需要首先制定合理的甲板片预制顺序，避免过多甲板 片同时预制，合理地规避资源瓶颈。 另一方面应提前确定模块甲板片的预制顺序及计划，并将计划发给组合梁预 制厂家要求其按计划进行组合梁预制及发货。然后组合梁到达现场后，模块经理 与施工队共同接收并找区域存放并将杆件号及存放地点登记。当甲板片预制时， 施工队就能轻松地将需要的杆件倒运到预制地点，加快了甲板预制进度减少场地 资源占用。 2 4 大型机具资源 在整个工程的建造过程中，所用的机具数量很多，但是针对这样一个大型的 工程项目来说，其主要的工作为吊装作业，如甲板片的吊装，大型设备的吊装以 及其他散件的吊装等。 常见的起重设备主要塔吊、履带吊、汽车吊、龙门吊，电梯、千斤顶等。在 钢结构模块建造过程中，常用的起重设备为塔吊、履带吊、汽车吊等。 2 4 1 固定起重棚具 塔吊( 如图2 1 0 所示) 主要布置在模块的周围，负责一些小型的设备或者材 料的吊装。在塔吊的选择和布置中，主要考虑到最大起重量，最大起重半径以及 起重高度等因素。另外，由于该工程所需要塔吊数量比较多，在塔吊的布置过程 中，要考虑塔吊机群布置所受的限制，如塔吊高度，塔吊干涉等。 图2 1 0固定式起重机( 塔吊) 1 4 第二章大型钢结构模块建造大型资源 塔吊的选择，主要根据建造工程的最大起重量，工程的覆盖范围，建筑物的 高低等因素来进行的。主要的步骤如下： 由安装建筑物构件所需最大起吊高度，来选择塔吊的类型。 根据建造的要求，在不同的距离，吊装或提升不同重量这一指标，进行塔 吊型号的选择( 如图2 1 1 所示) 。 其中：h = h i + 只+ - 3 + 4 , 表示塔吊满足建造要求所需起吊的最大高度： 竭，飓，飓，凰分别表示建筑物高度；建筑物顶层预留安全高度；零部件 高度；吊索( 吊具) 高度； r 表示塔吊的最大回转半径； q 表示最大回转半径时的起重量； r l 、r 2 、尺3 、风、r 5 表示不同构件安装时所需回转半径； q 、q 2 、q 3 、q 4 、q 5 表示所安装的不同构件重量。 图2 一l l 塔吊回转半径与起重量 根据建筑物的平面形状、吊装作业的要求及周围场地的条件，可以选择塔吊 的位置。一般地，为充分发挥塔吊的作业能力( 能够使塔吊在起重臂作业范围内， 将所需要吊装的材料吊至其要求的区域) ，将塔吊布置在沿建筑物的长度方向且 在场地较宽的一侧。此外，在塔吊布置的过程中，还要注意建筑物和塔吊的安全 距离，以便在不影响作业的前提下搭设安全网。 塔吊群的平面布置主要考虑以下几点【2 6 】： 为最大限度地发挥塔吊的作业能力，在满足安装要求的前提下，应使塔吊 幅度有足够覆盖面积，并使两塔吊间距离尽量大，尽量使塔吊能够3 6 0 。回转。 这样一方面能够使塔吊全方位作业，另一方面减少了吊机的数量，节省了建造成 1 5 第二章大型钢结构模块建造大型资源 本。 由于塔吊作业时向前倾，吊臂位置前移高度压低；空载时，塔身后倾，平 衡臂压低，平面位置后移。因此相邻两吊机的水平距离应考虑低塔的配重臂或起 重臂不能碰撞高塔塔身或吊臂，并留有一定的距离差值。 相邻两塔臂杆高度应错开，高塔吊臂的铰点应高于低塔的塔顶，并留有一 定的高度差。当两吊机的中心距离较远时，其高度差可适量减小，但应考虑起重 钢丝绳下垂度和高塔平衡臂下平衡重底部不能碰撞低塔的吊臂拉绳，并留有一定 的安全量。 塔式起重机的主要优点有：( 1 ) 结构简单，不用安装揽风绳，工作灵活；( 2 ) 起重臂的支座位于塔身顶部，起重高度和回转半径较大；( 3 ) 能靠近所安装的建 筑物，能够充分利用起重机的回转半径；( 4 ) 驾驶室位于塔吊顶部，有利于起重 吊装的安全作业。 2 4 2 移动起重机具 在甲板片的生产过程中，甲板片的搬运工作不可避免，因此需要选择合适的 起重设备，即履带吊和汽车吊( 如图2 1 2 和图2 1 3 所示) 。两种吊机的选择， 主要考虑的因素有：吊机的运行速度，转弯半径以及最大起重量等。吊机的运行 速度主要考虑到工程的进度和生产成本，由于履带吊的运行速度较慢，所以在时 间较为紧张的情况下，需要选用合适汽车吊进行工作。吊机的转弯半径主要考虑 到在场地中的道路问题，由于在建造过程中，预制出来的甲板片要堆放到模块的 周围，从而形成一定的路障，吊机进行工作时，可能因为道路路障而无法进行工 作。吊机的最大起重量因素是主要针对甲板片的质量不同，而进行的选择。选择 合适的起重机具能够在一定程度上降低生产成本。 图2 1 2履带吊 1 6 图2 1 3汽车吊 第二章大型钢结构模块建造大型资源 在钢结构模块建造过程中，移动起重机主要用于甲板片的运输和安装以及大 型设备的吊装工作。由于甲板片的面积较大，因此在甲板片的垂直运输过程中， 需要多台起重机进行联合作业。另外，由于大型设备的不规则性，在大型设备的 吊装过程中多台起重机也经常联合作业。 起重机具的选择主要考虑两方面的要求：现场的施工限制和施工工艺要 求，主要包括甲板片或设备的放置位置、吊机的行车路线：道路的最小转弯半径； 施工现场的作业空间：模块总装的吊装工艺要求等。施工参数，主要包括吊装 高度、吊装重量、幅度和跨度等，如图2 1 4 所示。而如何选用履带式起重机和 汽车式起重机，则主要根据运输道路情况以及作业时间限制两个方面来进行确 定。 图2 1 4 移动起重机具的选择 移动起重机其优点主要有：( 1 ) 具有高度灵活性，能够服务于整个工程现场； ( 2 ) 起重高度大，工作区域大；( 3 ) 工作快速，能将重物在空间内以很快的速 度，向任何方向移动 2 7 】。 2 5 本章小结 本章通过对钢结构模块的建造过程进行分析，得出在钢结构模块建造过程中 的大型资源：场地资源、钢结构模块与甲板片、大型机具资源。通过对上述三类 大型资源的分析，简单介绍了三类资源，并阐述其在钢结构模块建造中的重要性。 1 7 第三章钢结构模块生产场地资源优化 第三章钢结构模块生产场地资源优化 建造工程的场地布置以满足场地施工需要为前提，综合考虑工程项目的建造 工期、施工强度与施工密集度、建造方法及工艺、运输情况等各种因素，规划出 适合并方便工程建造的场地布置，使得在工程项目建造中，降低建造费用，减小 施工成本，提高建造项目的经济效益。 3 0 l 场地布置与优化流程 建造工程的场地布置与优化应按图3 1 进行： 场地功能分区 1 l 确定主要的施工临时设施 一l 1分析设施之间的相互影响程度 l 布置调整施工临时设施 1 l 布置临时道路 1 l 布置临时管线 l 布置临时堆场及其他设施 j 进行总平面布置的局部调整 图3 0 !场地布置流程图 在进行场地布置的过程中，应把场地的布置与场地优化结合起来。首先布置 关键的全局性的施工设施并优化其布置；在主要的施工设施布置完成后，再进行 局部的布置与优化跚。 1 8 第三章钢结构模块生产场地资源优化 3 2 场地布置韵多层次决策方法 在实际的工程建造中，其场地布置会有很多初选方案，而场地的布置是一个 受多因素影响，属于多属性决策的问题。在初步布置确定后，应综合场地的各种 约束和限制条件及设施之间的相互影响与促进关系，设计出几个不同初选方案， 进行多层次决策，选出最优方案。 在大型工程的场地中施工设施种类多、数量和体积大、结构复杂，场内交通 人流量和物流量很大，因此在场地布置时需要考虑的因素很多。在进行方案优选 之前，需建立完善的指标体系。其建立过程是非常复杂繁琐的，而在施工的不同 阶段，指标体系也不尽相同。在实际工程应用中，可以将决策的过程分为两到三 个层次：在首个层次上，确定全局性的、笼统的指标。再转入下一层次，细化指 标。再通过对指标的比较判断，确定较优的方案。 在场地布置优选过程中，一般地，第一层决策包括场地的功能分区和确定主 体位置，而将具体的细化的建筑物布置作为第二层决策，如果场地中施工设施较 多且布置较为复杂，可将设施布置作为第三层决策。 3 3 基于多层次决策啬勺场地布置评价理论 2 0 世纪7 0 年代美国的t l s a a t y 教授提出了层次分析理论，该理论能够帮助 人们解决那些难以用定量来分析的决策问题，在科学和实践领域，其应用也是非 常地广泛。该方法的主要思想是将一问题由笼统整体目标分散到细节部分中，然 后按照一定的支配关系对细节部分进行分组，进而形成一个有顺序的并依次递进 的层次机构 2 9 1 。同一层次中所有元素的相对重要性通过两两比较的方法确定后， 借鉴人们的判断来确定各个层次中所包含因素的相对重要性的总顺序。这样，就 可以对非定量决策问题做出相对合理的判断。 层次分析法的具体步骤如下： ( 1 ) 构造判断矩阵么。以c 为决策目标，4 ，( i ，= 1 ，2 ，3 ，z ) 表示彳，对彳，的 相对重要性数值。由4 。可以组成决策的判断矩阵彳。 彳= 4 ，4 ： 4 。4 ： 以。以： 4 。 ； 4 。 ( 3 一1 ) 以可以通过评价标度来确定，一般取1 ，2 ，3 ，9 及它们的倒数。各 1 9 第三章钢结构模块生产场地资源优化 个标度表示两个元素之间的关系，如表3 1 所示。例如：元素口和元