吳開興 趙洪林 施麗君

(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

吊裝規(guī)劃中對起重機的選型不僅是一個耗時的任務(wù)更是整個規(guī)劃的關(guān)鍵[1]，因此針對起重機選型的研究具有實用意義。

針對起重機選型工作，已有一些學(xué)者和工程領(lǐng)域人員展開了相關(guān)的研究。國外學(xué)者綜合項目參數(shù)、被吊對象數(shù)據(jù)及安全約束等條件應(yīng)用數(shù)值算法對起重機進行了選型[2]；國內(nèi)學(xué)者針對項目情況、起重機性能、安全核算因素結(jié)合AHP層次分析法、投影尋蹤法等算法對起重機的選型進行了研究[3-6]。

但是上述的一些選型方式中雖然對起重機的選型進行了核算和施工過程的綜合考慮，提高了施工安全，但沒有考慮施工成本等問題，且不能判斷何種起重機是最優(yōu)的；投影尋蹤法可以處理非線性多指標(biāo)問題，但不適用于大數(shù)據(jù)下的篩選；層次分析法主觀性較強。因此本文在考慮了施工環(huán)境、安全性、操作人員因素、施工成本等因素的前提下，基于價值工程原理，并結(jié)合結(jié)構(gòu)熵權(quán)法的權(quán)重計算方法，建立了一個新的綜合指標(biāo)評價方法，達(dá)到在主客觀賦值相結(jié)合的前提下為大數(shù)據(jù)下的起重機選型提供評價支撐。

1 吊裝設(shè)備選型

1.1 選型流程

起重機選型過程大體可分為以下幾個部分，如圖1所示。

首先需要將被吊構(gòu)件信息、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)通過輸入框錄入到系統(tǒng)中用于系統(tǒng)對吊索具的選型工作，選擇出合適的吊索具與用戶再次錄入的施工環(huán)境數(shù)據(jù)、吊裝目標(biāo)及自定安全富余率作為初始條件參與起重機選型過程，選型過程中會通過評價方法進行評價打分，得到最佳的起重機型號。

1.2 吊索具選型

在選擇合適吊具時，為了吊裝過程的安全，取1.15倍的容許工作荷重進行計算，即：

S>1.15×Q+qd

(1)

吊索的選擇需要其容許破斷拉力大于1被吊構(gòu)件和吊索具的重量之和，即：

(2)

其中，Q為被吊構(gòu)件重量；S為吊具的容許工作荷重；qd為吊具的重量；Fs為鋼絲繩的實際破斷拉力總和；α為鋼絲繩之間荷載不均勻系數(shù)，一般來說6×19，6×37,6×61規(guī)格的鋼絲繩對應(yīng)的不均勻系數(shù)α分別可取0.85，0.82和0.8；Kg為鋼絲繩使用的安全系數(shù)，在起重機使用中鋼絲繩的安全系數(shù)一般取Kg=5.5。

1.3 起重機選型

1.3.1 吊裝荷載

起重機的額定起重量應(yīng)不小于在一定安全系數(shù)約束下的起吊重量，其計算公式為：

Qr≥Qj=(Q+qd)Kc

(3)

其中，Qr為起重機額定起重量；Qj為計算出的吊裝荷載；Kc為起重安全系數(shù)，可取1.5左右。

1.3.2 起吊高度

起重機的最大起升高度應(yīng)大于起吊高度，起吊高度計算式為：

Hr>Hj=H1+H2+H3+H4

(4)

其中，Hr為起重機的最大起升高度；Hj為計算出的起吊高度；H1為地面到支座表面的垂直距離；H2為支座表面到被吊構(gòu)件底面的垂直距離；H3為被吊構(gòu)件的高度；H4為預(yù)計的吊裝間隔，即安全空間，包含預(yù)計的被吊構(gòu)件上表面到吊點的距離。

1.3.3 抗臂驗算

為了避免起吊過程中被吊構(gòu)件與起重臂發(fā)生碰撞，需要進行抗臂驗算，計算式為：

(5)

其中，l為被吊構(gòu)件的長度；R為起重機的回轉(zhuǎn)半徑，即作業(yè)幅度；hd為預(yù)計的被吊構(gòu)件上表面到吊點的距離。

1.3.4 抗傾覆驗算

起重機的穩(wěn)定性對吊裝作業(yè)會產(chǎn)生很大的影響，它決定著在外界環(huán)境干預(yù)下起重機能否進行安全的起吊工作，因此起重機自身的抗傾覆力矩應(yīng)大于傾覆力矩。其計算式如下：

MZ>K(Qj+q)(R-l2)+MF+MG+ML

(6)

(7)

(8)

其中，MZ為起重機自身的抗傾覆力矩；K為起重機穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.15；q為起重滑車組的自重；l2為起重機中心到外側(cè)邊緣的距離；MF為風(fēng)荷載引起的傾覆力矩；MG為重物下降時突然剎車引起的慣性傾覆力矩；ML為起重機回轉(zhuǎn)時離心力引起的傾覆力矩；V為吊具下降速度，一般取吊具上升速度的1.5倍；g為重力加速度；t為吊具的制動時間，取1 s；n為起重機的回轉(zhuǎn)速度；H為起重臂頂端到地面的距離；h為所吊構(gòu)件處于最低位置時其重心到起重臂頂端的距離。

2 評價方法的建立

2.1 權(quán)重計算

結(jié)構(gòu)熵權(quán)法是一個將主觀賦值與客觀賦值相結(jié)合的組合賦值方法，具有定性分析與定量分析相結(jié)合的特點[7]。原始的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法中對主觀賦值的修正較弱[8]，因此本文采用改進的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法，詳細(xì)步驟如下：

1)根據(jù)“德爾斐專家調(diào)查法”原理采集專家意見，形成主觀賦值形式的“典型排序”。假設(shè)有n個指標(biāo)，讓k個專家參與排序，則各專家獨立對單個指標(biāo)的排序值記為aij,i=1,2,…,k,j=1,2,…,n，可獲得典型排序矩陣A(A=(aij)k×n)。其中，根據(jù)“德爾斐專家調(diào)查法”的要求參與排序的專家需要對測評指標(biāo)熟悉、評價公正且具有專業(yè)權(quán)威性。

2)對典型排序矩陣進行“盲度分析”。專家進行的排序往往會存在主觀性和不確定性，影響數(shù)據(jù)的真實性，因此需要進行修正處理。對典型排序確定排序轉(zhuǎn)化的隸屬函數(shù)為：

(9)

其中,m為轉(zhuǎn)化參數(shù)量，取m=n+1。令I(lǐng)=aij，即可得aij的定量轉(zhuǎn)化值bij。假設(shè)k個專家對某指標(biāo)的話語權(quán)相同，則可計算k個專家對該指標(biāo)的一致看法，即評價認(rèn)識度，記為1-bj。

(10)

k個專家對某指標(biāo)的不確定性稱為認(rèn)識盲度，記為Qm；對某指標(biāo)的整體認(rèn)識度記為Xj。

Qm=max(b1j,b2j,…,bkj)

(11)

Xj=(1-bj)(1-Qm)

(12)

3)歸一化處理。對Xj進行歸一化處理得到對應(yīng)的各指標(biāo)的權(quán)重值。

(13)

針對起重機選型，從技術(shù)可靠性(c1)、工作效率(c2)、操作人員熟練度(c3)以及舒適性(c4)四個方面來考慮。為了保證起重機吊裝作業(yè)的安全性，在技術(shù)方面通常取最大額定起重量(c11)、最大起重力矩(c12)、最大起升高度(c13)三個二級指標(biāo)；起重機的工作效率會對整個施工效率產(chǎn)生影響，在工作效率方面一般取變幅速度(c21)、回轉(zhuǎn)速度(c22)和起升速度(c23)三個二級指標(biāo)。將一級指標(biāo)和二級指標(biāo)選取6位建筑行業(yè)的專家意見，按《指標(biāo)體系權(quán)重專家調(diào)查表》要求進行了統(tǒng)計計算，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 吊索具性能權(quán)重調(diào)查結(jié)果

經(jīng)過計算可得到相應(yīng)權(quán)重，如表2所示。

表2 起重機性能權(quán)重表

2.2 價值評定

價值的評定基于價值工程原理，其目的是評定出吊裝設(shè)備的價值水平，為選型提供價值依據(jù)。計算式為：

(14)

其中，V為計算出的工程價值；F為起重機所蘊含的價值，即為起重機各項重要指標(biāo)(cij)與其對應(yīng)的權(quán)重(αij)之積；C為綜合使用成本，其包含租賃成本(Cf)、配置成本(Cp)和人工成本(Cq)三個部分。

C=Cf+Cp+Cq

(15)

(16)

然而，起重機不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)大小差距很大，會對加權(quán)后的價值結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，需減輕因某指標(biāo)數(shù)額過大而對真實結(jié)果的影響，因此在加權(quán)前對起重機各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理。

假設(shè)起重機各評價指標(biāo)值為uij，即表示當(dāng)前指標(biāo)為第i個起重機的第j個指標(biāo)的值，則會得到j(luò)個合格起重機的指標(biāo)值向量Uj。對其進行規(guī)范化，為防止在價值計算環(huán)節(jié)中規(guī)范化后的成本指標(biāo)為0的情況，規(guī)范化計算式定為：

(17)

將起重機各項指標(biāo)規(guī)范化后的值代入價值評定公式中即可算出起重機的最終評價結(jié)果。

3 實例分析

本文針對文獻(xiàn)[9]的實例進行研究。該項目的主要內(nèi)容是對橋梁樁護筒進行安裝，護筒長10 m，重27.12 t，外壁直徑2.8 m，壁厚0.04 m，需起吊高度為0.5 m。參與篩選的起重機型號有：QUY150，QUY100以及KH300。其中，KH300起吊不滿足起吊安全要求，因此不參與對起重機的評價過程。

通過查閱相關(guān)資料和詢問相關(guān)人員可以獲得QUY150和QUY100起重機的一些關(guān)鍵信息，并對其進行規(guī)范化處理，得到滿足選型指標(biāo)要求的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 起重機選型指標(biāo)數(shù)據(jù)表

將規(guī)范后的指標(biāo)數(shù)據(jù)進行最后的價值評價打分，得出最終的起重機選型評分。QUY150型起重機最終評分為0.952，QUY100型起重機最終評分為1.078，0.952<1.078，由此可知QUY100的工程價值最高，選用該型號起重機最合適。

本文最終的選用結(jié)果與文獻(xiàn)[9]的一致，但該文獻(xiàn)在選型過程中僅按照吊裝安全標(biāo)準(zhǔn)嘗試選用起重量最小的起重機，缺乏一定的科學(xué)性，且當(dāng)備選起重機種類較多時需要耗費大量的時間去比較，本文提出的選型評價方法能有效地改善這些問題。

4 結(jié)語

本文對吊裝作業(yè)中起重機的選型進行了研究，從實際的施工情況出發(fā)，考慮施工的安全性和施工成本，并將價值工程原理與改進的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法相結(jié)合建立評價方法，為起重機的選型提供了一個高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟的解決方法，對提高施工效率和施工安全具有實用意義。