杜瑋琮

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

鋼筋作為建筑設(shè)計(jì)、施工和造價(jià)的重要組成部分，其造價(jià)占據(jù)整個(gè)項(xiàng)目造價(jià)的30%～40%[1]，因此越來越多的企業(yè)開始重視鋼筋工程。

近幾年，建筑業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，鋼筋工程的管理方式逐漸由粗放式管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化、信息化管理[2]。因此，需要尋找一種精簡(jiǎn)高效的鋼筋翻樣系統(tǒng)來解決鋼筋浪費(fèi)問題。

隨著信息化時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛[3]。本文通過總結(jié)歸納鋼筋翻樣公式來完成數(shù)據(jù)翻樣，并通過自主研發(fā)的下料優(yōu)化及接長(zhǎng)算法來提高鋼筋利用率，最終形成以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工為目的、簡(jiǎn)單便捷的鋼筋翻樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，有效地指導(dǎo)了工人施工并提高了鋼筋利用率，初步實(shí)現(xiàn)了企業(yè)降本增效。

1 工程背景

上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目（XFEL）是世界頂級(jí)的大科學(xué)裝置之一，其工程目標(biāo)是建設(shè)1臺(tái)能量8 GeV的超導(dǎo)直線加速器、3條波蕩器線、3條光束線以及首批10個(gè)實(shí)驗(yàn)站。硬X射線自由電子激光裝置工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用銑接頭形式的地下連續(xù)墻。1號(hào)井厚1.2 m、深83 m的超深地下連續(xù)墻共計(jì)46幅。

2 鋼筋翻樣

鋼筋翻樣是指施工人員根據(jù)圖紙計(jì)算鋼筋詳細(xì)清單并畫出加工簡(jiǎn)圖。鋼筋翻樣在實(shí)際應(yīng)用過程中分為2種：一種是設(shè)計(jì)翻樣，指在設(shè)計(jì)階段對(duì)圖紙進(jìn)行鋼筋翻樣，以統(tǒng)計(jì)圖紙中鋼筋用量為目的，用于造價(jià)預(yù)算及招投標(biāo)工作；另一種是施工翻樣，即在設(shè)計(jì)翻樣的基礎(chǔ)上考慮接駁器、鋼筋接頭錯(cuò)開距離等問題以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.1 計(jì)算規(guī)則整理

鉆孔灌注樁一般含有縱筋、螺旋箍以及加強(qiáng)箍，組成相對(duì)簡(jiǎn)單；而地下連續(xù)墻包含縱向主筋、非加密水平筋、支撐處水平筋、立筋、桁架筋等一系列鋼筋近30種，同時(shí)，不同類型的地下連續(xù)墻，其計(jì)算規(guī)則也各不相同。

通過調(diào)研大量的鋼筋翻樣數(shù)據(jù)，針對(duì)鉆孔灌注樁及每一種地下連續(xù)墻類型內(nèi)的每一種鋼筋，都制定了相應(yīng)的輸出參數(shù)以及計(jì)算規(guī)則。選擇不同鋼筋類型，根據(jù)提示輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)（圖1），可以高速快捷地完成鋼筋翻樣。

2.2 斷料及接頭錯(cuò)開

圖1 信息錄入界面

地下連續(xù)墻深度往往可達(dá)50 m以上。在地下連續(xù)墻以及鉆孔灌注樁的鋼筋翻樣過程中，縱向主筋占據(jù)其中很大的一部分，而鋼筋出廠的定尺長(zhǎng)度一般為6、9、12 m。因此，需要使用接駁器將幾根定尺長(zhǎng)度的鋼筋連接在一起以滿足縱向主筋的長(zhǎng)度要求。系統(tǒng)會(huì)依據(jù)不同情況進(jìn)行計(jì)算，完成斷料以及接駁器數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。

GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定“縱向受力鋼筋機(jī)械連接接頭及焊接接頭連接區(qū)段的長(zhǎng)度為35d（d為縱向受力鋼筋的較大直徑），且不小于500 mm”，同時(shí)，對(duì)同一連接區(qū)段內(nèi)縱向受力鋼筋機(jī)械連接及焊接的接頭面積百分率作出了相應(yīng)規(guī)定。

為考慮接頭錯(cuò)開距離的問題，在輸入端預(yù)設(shè)了一個(gè)參數(shù)，并提示接頭錯(cuò)開距離最短長(zhǎng)度。以定尺長(zhǎng)度9 m為例：

1）實(shí)際鋼筋長(zhǎng)度為40 m，系統(tǒng)會(huì)給出“9×4＋4”的組合方式進(jìn)行斷料。

2）實(shí)際鋼筋長(zhǎng)度為37 m，直徑為36 mm，可以發(fā)現(xiàn)如果采用“9×4＋1”的組合方式會(huì)不滿足接頭錯(cuò)開要求，此時(shí)假設(shè)輸入接頭錯(cuò)開距離為2 m，則會(huì)給出“9×4＋1”及“3＋9×3＋7”的組合方式，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

2.3 下料優(yōu)化

鋼筋優(yōu)化下料問題可以簡(jiǎn)單表述為：目前項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)需要相同等級(jí)和直徑并且長(zhǎng)度為a1的鋼筋b1根，a2的鋼筋b2根，……，an的鋼筋bn根，在定尺長(zhǎng)度一定的情況下，通過下料優(yōu)化，以總共使用定尺長(zhǎng)度最少的方法來實(shí)現(xiàn)鋼筋下料。

針對(duì)一維線性鋼筋下料問題，常用的方法是線性規(guī)劃或整數(shù)規(guī)劃，包括Excel規(guī)劃求解[4]，LINGO求解以及MATLAB求解。此外，還可以使用AB分類法[5]、啟發(fā)式算法[6]和模擬退火算法[7]。上述解決方法都通過軟件內(nèi)置算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在研究各方算法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用由局部最優(yōu)推向全局最優(yōu)的思路進(jìn)行下料優(yōu)化，限制運(yùn)算循環(huán)次數(shù)，作出近似最優(yōu)解，從而指導(dǎo)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)下料優(yōu)化。

以硬X射線項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻中鋼筋直徑為32 mm、鋼筋等級(jí)為HRB400的鋼筋下料優(yōu)化為例，需要實(shí)現(xiàn)下料優(yōu)化的鋼筋列表如圖2所示。

本次優(yōu)化目標(biāo)是滿足圖2中的鋼筋下料要求，實(shí)現(xiàn)使用定尺長(zhǎng)度鋼筋最少的下料優(yōu)化方案。

圖2 鋼筋長(zhǎng)度與數(shù)量列表界面

經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算后，得到下料優(yōu)化方案，如圖3所示。

圖3 下料優(yōu)化方案界面

對(duì)于圖3所表達(dá)的含義，以第一行為例：下料方案1為“（3 070×2＋1 887.351） mm”，余料為972.649 mm，這個(gè)方案共實(shí)行5次。 在下料方案1中，余料為972.649 mm，小于1 m，通常在項(xiàng)目上小于1 m的鋼筋會(huì)作為廢料被處理。而下料方案7中，余料為1 450.596 mm，大于1 m，并且有133根，數(shù)量龐大，全部廢棄會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，因此，選擇進(jìn)行二次優(yōu)化，即通過鋼筋下料接長(zhǎng)來進(jìn)一步提高鋼筋利用率。

2.4 下料接長(zhǎng)

下料接長(zhǎng)是將余料接長(zhǎng)重新使用。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)一般會(huì)將長(zhǎng)度大于1 m的余料重新使用。為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的變化，設(shè)定了變量參數(shù)——廢料長(zhǎng)度，作為邊界條件進(jìn)行控制。

緊接圖3下料優(yōu)化方案中的數(shù)據(jù)，可以看到既有小于1 m的余料，也有大于1 m的余料。選擇進(jìn)行下料接長(zhǎng)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)大于1 m的余料進(jìn)行下料接長(zhǎng)處理（圖4、圖5）。

圖4 下料接長(zhǎng)方案界面一

圖5 下料接長(zhǎng)方案界面二

從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)直徑為32 mm的鋼筋進(jìn)行下料接長(zhǎng)后，可以接長(zhǎng)出21根定尺長(zhǎng)度為9 m的鋼筋，從而通過優(yōu)化再一次提高了鋼筋利用率。

3 實(shí)例分析

以實(shí)際的工程案例為例，挑選了硬X射線項(xiàng)目中幅寬6 m（標(biāo)準(zhǔn)幅）的一字形地下連續(xù)墻進(jìn)行測(cè)試。

通過系統(tǒng)翻樣，得到鋼筋理論質(zhì)量約為38.70 t，經(jīng)過比對(duì)，翻樣準(zhǔn)確率高達(dá)98.5%，其中出入主要在水平筋數(shù)量的計(jì)算上。通過單幅下料優(yōu)化及接長(zhǎng)，可比實(shí)際單幅節(jié)省鋼筋2.42 t，且在下料優(yōu)化組合內(nèi)的地下連續(xù)墻數(shù)量越多，鋼筋的利用率將變得越高，具有很好的實(shí)際效用。

4 結(jié)語

本文以實(shí)際項(xiàng)目為載體，將理論開發(fā)軟件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合，針對(duì)工程實(shí)際中鋼筋翻樣問題，提出了一種切實(shí)可行且十分有效的解決方法：

1）通過輸入?yún)?shù)，快速進(jìn)行鋼筋翻樣。

2）將翻樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下料優(yōu)化及接長(zhǎng)，提高鋼筋利用率。

3）輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，便于現(xiàn)場(chǎng)管理。

本文以地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁中的鋼筋翻樣為研究目標(biāo)，目的是研發(fā)一種方便項(xiàng)目人員使用的鋼筋翻樣系統(tǒng)，并且提供下料優(yōu)化以及下料接長(zhǎng)功能。通過算法研究切實(shí)幫助項(xiàng)目提高鋼筋利用率，實(shí)現(xiàn)降本增效。同時(shí)提供料單報(bào)表，便于指導(dǎo)施工。