張滄海,牛 咪,徐 照
(東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)
裝配序列規(guī)劃(assembly sequences planning,ASP)概念來(lái)源于制造業(yè),理論體系研究起始于20世紀(jì)80年代初。作為裝配過(guò)程的核心內(nèi)容,規(guī)定裝配過(guò)程中產(chǎn)品及部件裝配順序,對(duì)包含幾何、物理、約束等信息的裝配模型,生成可行的裝配序列集,并對(duì)序列集進(jìn)行評(píng)價(jià),選出一條最優(yōu)裝配序列。裝配式建筑作為一種工業(yè)化建筑,兼具制造業(yè)和建筑業(yè)的雙重屬性,在一定程度上可借鑒參考制造業(yè)中一些較為成熟的裝配序列規(guī)劃理論,合理應(yīng)用至預(yù)制構(gòu)件裝配領(lǐng)域。
裝配式建筑序列規(guī)劃問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注點(diǎn)。蔣紅妍等[1]歸納了裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)主體工程不同類別構(gòu)件間的吊裝順序。這種根據(jù)施工操作人員個(gè)人知識(shí)儲(chǔ)備和以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行吊裝序列規(guī)劃的方法相對(duì)更適用于預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較少、吊裝序列方案簡(jiǎn)單的項(xiàng)目中。而Faghihi等[2]考慮預(yù)制構(gòu)件間幾何約束關(guān)系,通過(guò)系列推理規(guī)則推理吊裝序列方案,利用BIM系統(tǒng)中檢索的幾何數(shù)據(jù)信息,并將其轉(zhuǎn)換為約束矩陣,獲得構(gòu)件吊裝序列。Liu等[3]利用智能優(yōu)化算法,提出一種基于BIM的資源約束下的建筑項(xiàng)目綜合調(diào)度方法。其使用粒子群算法自動(dòng)生成優(yōu)化的活動(dòng)級(jí)施工計(jì)劃,通過(guò)迭代優(yōu)化對(duì)問(wèn)題求解,協(xié)助項(xiàng)目管理者有效安排現(xiàn)場(chǎng)裝配工作。
預(yù)制構(gòu)件是裝配式建筑基本單位,具有數(shù)量大、種類多、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息量大等特點(diǎn),因此,對(duì)構(gòu)件信息有效管理已成為保證裝配式項(xiàng)目順利開(kāi)展的關(guān)鍵。Li等[4]、Jeong等[5]提出可從IFC物理文件中有效提取預(yù)制構(gòu)件信息,并對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行正確分類。通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理預(yù)制構(gòu)件分類后的編碼,將其與實(shí)際意義進(jìn)行組合,可進(jìn)行對(duì)特定對(duì)象的獨(dú)特表達(dá)。但傳統(tǒng)人工編碼需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力資源,并且出錯(cuò)率較高。一些研究人員探索利用機(jī)器學(xué)習(xí)[6]和自然語(yǔ)言識(shí)別技術(shù)[7]來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目信息自動(dòng)編碼。與人工編碼方式相比,智能編碼技術(shù)可利用算法的高效計(jì)算能力和邏輯分析能力,按預(yù)先定制的編碼規(guī)則和規(guī)范對(duì)建筑模型信息進(jìn)行自動(dòng)編碼。
現(xiàn)有裝配式建筑吊裝序列優(yōu)化大多集中于裝配式建筑整體調(diào)度,只考慮了整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度,差異化較小。而吊裝邏輯不明確的同類型預(yù)制構(gòu)件裝配調(diào)度問(wèn)題卻未得到解決。因此,本文將與混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝前識(shí)別相關(guān)的構(gòu)件屬性信息進(jìn)行提取,并利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)分類編碼,在完成構(gòu)件唯一識(shí)別的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)部分混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,利用改進(jìn)遺傳算法,對(duì)同類型混凝土預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行吊裝序列優(yōu)化,得到最優(yōu)且合理的裝配式構(gòu)件吊裝序列方案。
對(duì)現(xiàn)有分類方法和編碼系統(tǒng)進(jìn)行研究和整理,目前國(guó)際上主要有ISO 12006-2,UniformatⅡ,Masterformat,OmniClass等標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)主要有 GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、JG/T 151—2015《建筑產(chǎn)品分類與編碼》等。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知,國(guó)外發(fā)布的一些編碼體系時(shí)間較早,各編碼體系分類原則、編碼結(jié)構(gòu)及應(yīng)用角度均存在一定差異。而國(guó)內(nèi)目前發(fā)布的多為基于國(guó)外已有的較成熟體系,結(jié)合我國(guó)國(guó)情和行業(yè)規(guī)律,將其轉(zhuǎn)化為適合我國(guó)的規(guī)范性文件。
信息編碼是賦予編碼對(duì)象具有一定規(guī)律、含義且能被計(jì)算機(jī)和人識(shí)別處理的符號(hào)。本文借鑒OmniClass分類體系,考慮裝配式建筑特點(diǎn),以預(yù)制構(gòu)件為基本單元,對(duì)裝配式建筑吊裝預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行編碼,如圖1所示。
圖1 預(yù)制構(gòu)件編碼結(jié)構(gòu)
在編碼總體設(shè)計(jì)中,樓棟號(hào)和樓層號(hào)以兩位數(shù)形式表示。構(gòu)件類別以1位大寫字母表示,通常取構(gòu)件類別首字母,如L代表梁、Z代表柱、Q代表墻、B代表板等。構(gòu)件名稱以兩位數(shù)形式依次進(jìn)行編碼,對(duì)于墻來(lái)說(shuō),01表示預(yù)制外墻板,02表示預(yù)制外墻掛板,03表示預(yù)制內(nèi)墻板。構(gòu)件分類同樣使用兩位數(shù)編碼,對(duì)于預(yù)制內(nèi)墻板,01表示預(yù)制實(shí)心內(nèi)墻板,02表示預(yù)制空心內(nèi)墻板。流水號(hào)代表同類構(gòu)件序號(hào),通常為兩位數(shù),可根據(jù)預(yù)制構(gòu)件實(shí)際數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。例如,預(yù)制構(gòu)件編碼01-18-Q-03-01-06表示1號(hào)樓18層第6塊預(yù)制實(shí)心內(nèi)墻板。
混凝土預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)分類編碼前,需先從BIM模型中獲取與分類相關(guān)的構(gòu)件屬性信息。根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件屬性表達(dá)方式,選擇所需的構(gòu)件屬性,通過(guò)IFCOpenShell庫(kù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確提取。IFCOpenShell是一個(gè)用于處理IFC文件格式的開(kāi)源軟件庫(kù)(LGPL),其提供了強(qiáng)大API,可直接、方便地檢索IFC實(shí)體,再將提取的特征以表格形式呈現(xiàn)出來(lái),用于后續(xù)機(jī)器學(xué)習(xí)分類。
根據(jù)混凝土預(yù)制構(gòu)件不同特征,以墻體構(gòu)件為例,提取相應(yīng)屬性,生成特征向量集,用于機(jī)器學(xué)習(xí)分類。根據(jù)可用性和范圍,選擇9個(gè)BIM模型進(jìn)行構(gòu)件屬性信息提取實(shí)例驗(yàn)證,模型類型包括別墅、辦公大樓、公寓等,如圖2所示。模型中墻體實(shí)例數(shù)量最多且種類豐富便于分類,因此,選擇以IFCWallStandardCase為例,從這些模型中收集墻體實(shí)例信息用于訓(xùn)練和測(cè)試。在模型中共收集了 1 718 個(gè)墻體實(shí)例,使用IFCOpenShell庫(kù)提取每個(gè)實(shí)例Name, ObjectType, Material, MaterialThickness, LoadBearing, External屬性及IFCBuilding實(shí)例和IFCBuildingStorey實(shí)例的Name屬性等特征。
圖2 BIM模型
將提取結(jié)果導(dǎo)出為Excel.xsl格式,并對(duì)每個(gè)實(shí)例進(jìn)行人工標(biāo)注。由于實(shí)例模型存在一定局限性,無(wú)法涵蓋預(yù)制構(gòu)件信息分類的所有類別且略有不同,因此,根據(jù)現(xiàn)有模型中墻體構(gòu)件對(duì)構(gòu)件類別和分類略有改動(dòng),根據(jù)模型中現(xiàn)有結(jié)構(gòu)類型做了簡(jiǎn)單分類且補(bǔ)充了墻體材料信息。在實(shí)際工程中也可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況對(duì)編碼結(jié)構(gòu)在合理性范圍內(nèi)進(jìn)行一定擴(kuò)展。
在機(jī)器學(xué)習(xí)中,構(gòu)件分類編碼使用W-AB-XX-YY格式進(jìn)行分類和注釋。W代表構(gòu)件名稱為預(yù)制墻;A位表示該構(gòu)件是否承重(0為非承重,1為承重);B位表示該構(gòu)件是否在建筑內(nèi)部(0為內(nèi)墻,1為外墻);XX表示類別,01表示基本墻體,02表示填充墻,03表示女兒墻,04表示裝飾性隔墻,05表示幕墻;YY表示墻體材料,01表示砌塊,02表示混凝土,03表示鋁板,04表示波紋板。人工分類標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示。
圖3 人工分類標(biāo)注
通過(guò)對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件編碼,在完成構(gòu)件唯一識(shí)別的基礎(chǔ)上,以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑為應(yīng)用場(chǎng)景,通過(guò)對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝過(guò)程中的施工順序采用數(shù)學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行描述,建立混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝序列具體計(jì)算模型。遺傳算法具有較好的全局尋優(yōu)能力,針對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝施工實(shí)際問(wèn)題,對(duì)遺傳算法中的基本步驟進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn),從而找到合理且最優(yōu)的裝配式建筑吊裝序列施工方案。
對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑,目前國(guó)內(nèi)主要以中高層或高層為主,不同類型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑間盡管存在一定差異,但吊裝邏輯順序仍存在較大相似性。如圖4所示,受結(jié)構(gòu)受力、施工安全、建筑穩(wěn)定性等硬性約束條件的限制,裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件一般先吊裝豎向構(gòu)件(預(yù)制柱、預(yù)制墻等),再吊裝橫向構(gòu)件(預(yù)制梁、預(yù)制板等),最后吊裝裝飾性構(gòu)件(外墻掛板)。因此,根據(jù)GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的指導(dǎo)性原則、硬性約束條件及結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),即可明確吊裝順序,無(wú)需過(guò)多優(yōu)化。
圖4 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑吊裝邏輯
而對(duì)于同類混凝土預(yù)制構(gòu)件,如同一樓層或同一施工區(qū)域的內(nèi)墻,則缺乏硬性約束條件。當(dāng)構(gòu)件數(shù)量較多時(shí),吊裝邏輯順序不明確。因此,可通過(guò)建立柔性約束進(jìn)行吊裝序列優(yōu)化。選取某一樓層或某一施工區(qū)域內(nèi)同類構(gòu)件為基本對(duì)象研究混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝序列優(yōu)化。
吊裝序列規(guī)劃不僅要生成規(guī)則上可行的吊裝順序,更是為了獲取符合裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑施工實(shí)際要求且吊裝成本最低的裝配序列[8]。因此,需根據(jù)混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝影響因素建立吊裝序列方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,確定目標(biāo)函數(shù),對(duì)可行的吊裝序列按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇,并采用改進(jìn)遺傳算法對(duì)最優(yōu)吊裝序列方案進(jìn)行求解。
2.2.1吊裝序列方案評(píng)價(jià)指標(biāo)識(shí)別與量化
吊裝過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為預(yù)制構(gòu)件吊運(yùn)和安裝,首先采用起重設(shè)備將正確識(shí)別后的目標(biāo)預(yù)制構(gòu)件吊運(yùn)至指定空間位置,再對(duì)目標(biāo)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行安裝、校正工作。通??赏ㄟ^(guò)分析吊裝時(shí)間、吊裝難度對(duì)吊裝序列方案進(jìn)行評(píng)估[9],如表1所示。
表1 吊裝序列方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
1)吊裝時(shí)間
為盡量避免安裝工人不必要的來(lái)回移動(dòng)從而減少移動(dòng)總路程,可通過(guò)預(yù)制構(gòu)件安裝位置間的距離關(guān)系最短來(lái)表示,如式(1)所示:
(1)
式中:dij為預(yù)制構(gòu)件i到預(yù)制構(gòu)件j之間的最小距離,實(shí)際工程中應(yīng)考慮施工人員實(shí)際移動(dòng)路線的可行性,dij= 0則表示緊前吊裝的預(yù)制構(gòu)件與緊后吊裝的預(yù)制構(gòu)件在設(shè)計(jì)上存在連接關(guān)系;v0為施工人員移動(dòng)速度。
2)吊裝難度
吊裝難度可由吊裝強(qiáng)度和可行性兩部分來(lái)決定。吊裝強(qiáng)度是指受構(gòu)件質(zhì)量、尺寸等因素導(dǎo)致吊裝的難易程度;吊裝可行性是指在預(yù)制構(gòu)件吊裝過(guò)程中,可能會(huì)受到其他已吊裝構(gòu)件的阻礙,其上下、左右、前后自由移動(dòng)的方向受到干涉,導(dǎo)致該預(yù)制構(gòu)件不易、甚至無(wú)法安裝的情況出現(xiàn)。存在干涉的方向越多,則安裝難度越大,實(shí)際工程中還應(yīng)考慮干涉對(duì)預(yù)制構(gòu)件安裝的影響問(wèn)題。
預(yù)制構(gòu)件所占空間的量化描述引入懲罰值[10]原理,按預(yù)制構(gòu)件所占空間大者優(yōu)先吊裝的原則,當(dāng)緊后預(yù)制構(gòu)件尺寸所占空間大于緊前預(yù)制構(gòu)件所占空間時(shí),則產(chǎn)生1個(gè)懲罰值,從而阻止違背吊裝原則情況的發(fā)生。懲罰值可按緊后預(yù)制構(gòu)件所占空間與緊前預(yù)制構(gòu)件所占空間的比值確定,當(dāng)比值<1時(shí),懲罰值設(shè)為0,如式(2)所示:
(2)
式中:B為同一樓層或施工區(qū)域中同類型預(yù)制構(gòu)件間所有可能的懲罰值;bij為預(yù)制構(gòu)件i,j產(chǎn)生的懲罰值;xi為預(yù)制構(gòu)件i所占空間;xj為預(yù)制構(gòu)件j所占空間。
預(yù)制構(gòu)件間的干涉關(guān)系量化由受干涉的安裝方向表示,如式(3)所示:
(3)
式中:Ci為構(gòu)件安裝的受干涉程度,取值為0~1,當(dāng)Ci= 1時(shí)表示所有安裝方向均發(fā)生干涉,該構(gòu)件無(wú)法進(jìn)行吊裝,Ci越小說(shuō)明構(gòu)件受干涉程度越低;gi為可能發(fā)生干涉的自由移動(dòng)方向數(shù)量;fi為無(wú)其他預(yù)制構(gòu)件干涉下的可安裝方向數(shù)量。
2.2.2吊裝序列方案評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建
建立吊裝序列評(píng)價(jià)的目標(biāo)函數(shù),需同時(shí)考慮各種影響因素。綜合式(1)~(3),構(gòu)建裝配式混凝土結(jié)構(gòu)某一樓層或某一施工區(qū)域內(nèi)的同類別預(yù)制構(gòu)件吊裝序列綜合目標(biāo)函數(shù),如式(4)所示:
min(F)=w1T+w2B+w3C
(4)
式中:w1為構(gòu)件間距離權(quán)重系數(shù);w2為構(gòu)件所占空間權(quán)重系數(shù);w3為構(gòu)件間干涉關(guān)系權(quán)重系數(shù)。
按各指標(biāo)重要程度確定權(quán)重系數(shù),且w1+w2+w3=1??梢钥闯?,預(yù)制構(gòu)件吊裝序列的時(shí)間越短、構(gòu)件所占空間的懲罰值越小、構(gòu)件之間受干涉程度越低,則目標(biāo)函數(shù)值越小,即目標(biāo)函數(shù)值與評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值呈正相關(guān)關(guān)系。
遺傳算法編碼與解碼實(shí)現(xiàn)了序列優(yōu)化問(wèn)題的變量與生物染色體轉(zhuǎn)換的過(guò)程,采用實(shí)數(shù)編碼形式[11],將預(yù)制構(gòu)件吊裝序列表達(dá)成基因型的串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。染色體由按一定順序的多基因組成,不同基因順序的染色體對(duì)應(yīng)不同吊裝序列方案。如圖5所示,吊裝序列為123456789,則表示同一樓層或同一施工區(qū)域內(nèi)同類型預(yù)制構(gòu)件吊裝順序依次為1號(hào)構(gòu)件→2號(hào)構(gòu)件→…→9號(hào)構(gòu)件。
圖5 染色體結(jié)構(gòu)
適應(yīng)度函數(shù)具有非負(fù)性且與目標(biāo)函數(shù)相關(guān),根據(jù)式(4),建立適應(yīng)度函數(shù),如式(5)所示:
(5)
式中:f為適應(yīng)度函數(shù)值,最大適應(yīng)度函數(shù)值對(duì)應(yīng)的染色體代表最優(yōu)吊裝序列方案。
種群中每個(gè)個(gè)體依次通過(guò)選擇、交叉、變異等遺傳操作來(lái)實(shí)現(xiàn)下一代種群的產(chǎn)生。對(duì)于預(yù)制構(gòu)件吊裝序列規(guī)劃,遺傳操作產(chǎn)生的子染色體中的基因值不能重復(fù)且形成的新個(gè)體代表的吊裝序列要符合預(yù)制構(gòu)件間硬性約束條件,因此,采用輪盤賭選擇法選擇優(yōu)秀個(gè)體,選擇部分映射交叉算子作為實(shí)施染色體交叉操作的方法,并采用交換變異的方法進(jìn)行變異操作。
采用設(shè)定迭代次數(shù)的方法終止遺傳算法計(jì)算。通過(guò)反復(fù)迭代多次進(jìn)化逐漸逼近最優(yōu)解,當(dāng)目前種群平均適應(yīng)度逐漸收斂保持不變,說(shuō)明遺傳算法已迭代完成。
對(duì)隨機(jī)森林(RF)、支持向量機(jī)(SVM)和K-鄰近(KNN)等分類算法性能進(jìn)行比較,根據(jù)分類精度(見(jiàn)表2),選擇自動(dòng)分類編碼最佳算法。
表2 不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型分類結(jié)果
原始樣本集由多類預(yù)制墻基本構(gòu)件數(shù)據(jù)構(gòu)成,將原始樣本集按8∶2的比例分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,使用網(wǎng)格搜索法來(lái)確定學(xué)習(xí)機(jī)器最佳參數(shù)。下面的核心代碼實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)森林的最佳數(shù)量和最大深度的參數(shù)搜索,決策樹(shù)數(shù)量從20到100個(gè)搜索,最大深度從2到20個(gè)搜索。
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifierfrom sklearn.model_selection import GridSearchCVparam_grid = [{’n_estimators’:range(20,100),’max_depth’:range(2,20)}]forest_clf = RandomForestClassifier()grid_search = GridSearchCV(forest_clf,param_grid,cv=10,scoring=’accuracy’)grid_search.fit(X,Y)
隨機(jī)森林算法最佳參數(shù)為69棵決策樹(shù),最大深度為16。同理,使用相同方法可得到SVM算法和KNN算法的最佳參數(shù),并得到最佳分類精度。不同機(jī)器學(xué)習(xí)分類結(jié)果如表2所示。在包含343個(gè)實(shí)例的測(cè)試集上進(jìn)行驗(yàn)證,隨機(jī)森林模型的F1值為0.99,相比SVM,KNN算法更有優(yōu)勢(shì),因此,最終選擇RF算法對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行分類。
經(jīng)過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)將構(gòu)件分類后,即可獲得構(gòu)件類別、名稱和分類碼段編號(hào),再將樓棟、樓層信息賦予編碼,流水號(hào)根據(jù)檢索出的同類構(gòu)件按順序依次賦予編號(hào)。通過(guò)以上流程,即可完成對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)分類編碼。
以某高層住宅裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)建筑中的內(nèi)墻板構(gòu)件為例,對(duì)采用遺傳算法計(jì)算混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝序列的方法進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)建筑某一預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)層部分結(jié)構(gòu)平面如圖6所示。對(duì)于同類構(gòu)件,預(yù)制內(nèi)墻板一般按順時(shí)針或逆時(shí)針順序逐塊吊裝,在這種情況下邏輯順序更明確且可避免施工人員間不必要的移動(dòng)距離和構(gòu)件間的互相干涉問(wèn)題,只需考慮所占空間對(duì)吊裝序列方案的影響即可。
圖6 某一預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)層部分結(jié)構(gòu)平面
預(yù)制內(nèi)墻板間的布局較雜亂無(wú)章,且當(dāng)內(nèi)墻板數(shù)量較多時(shí)可通過(guò)排列組合隨機(jī)形成眾多吊裝序列方案,不同方案間的指標(biāo)關(guān)系也有所差異,因此,更有必要對(duì)其吊裝邏輯做進(jìn)一步規(guī)劃。預(yù)制內(nèi)墻板Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)信息如表3所示。對(duì)于圖7中不存在連接關(guān)系的預(yù)制內(nèi)墻板(如Q2,Q3),混凝土預(yù)制構(gòu)件間的距離按構(gòu)件間最靠近部分的距離計(jì)算;對(duì)于存在連接關(guān)系的預(yù)制內(nèi)墻板(如Q1,Q2),安裝間距默認(rèn)為0?;炷令A(yù)制構(gòu)件所占空間按內(nèi)墻板實(shí)際尺寸,相互比較得到所占空間懲罰值?;炷令A(yù)制構(gòu)件間干涉關(guān)系在同一樓層或同一施工區(qū)域內(nèi)僅考慮在水平面內(nèi)的前、后、左、右4個(gè)方向上的移動(dòng),采用發(fā)生干涉方向數(shù)量與無(wú)干涉下的預(yù)制內(nèi)墻板可安裝方向數(shù)量比值來(lái)表示預(yù)制內(nèi)墻板受干涉程度,受干涉程度最大的為預(yù)制內(nèi)墻板Q5,Q8。Q8兩端夾在Q7,Q9中間,雖然Q8仍有2個(gè)方向可自由移動(dòng),但由于預(yù)制混凝土內(nèi)墻板質(zhì)量和體積較大,實(shí)際安裝過(guò)程中當(dāng)有2個(gè)方向發(fā)生干涉,其在另外2個(gè)自由移動(dòng)方向上的移動(dòng)也將變得十分困難,Q5同理。當(dāng)只有1個(gè)方向發(fā)生干涉,有3個(gè)方向可自由移動(dòng)時(shí),對(duì)吊裝施工影響較小,且為避免約束條件太多而導(dǎo)致可行的吊裝序列方案過(guò)少造成遺傳算法過(guò)早收斂,在吊裝序列方案中僅考慮避免Q3,Q4先于Q5安裝及Q9,Q7先于Q8安裝的情況。
表3 預(yù)制內(nèi)墻板評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)信息
為避免構(gòu)件間距離和所占空間指標(biāo)絕對(duì)值降低指標(biāo)間的可對(duì)比性從而對(duì)算法優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響,對(duì)指標(biāo)屬性值進(jìn)行規(guī)范化處理,如式(6),(7)所示:
(6)
(7)
規(guī)范化處理后,T′,B′數(shù)值分別如表4,5所示。使用MatlabR2021b對(duì)上述遺傳算法進(jìn)行求解計(jì)算,程序運(yùn)行環(huán)境為Win10/64位,12GB內(nèi)存。遺傳算法各參數(shù)設(shè)置如表6所示。
表4 T′ 數(shù)值
表5 B′數(shù)值
表6 遺傳算法參數(shù)設(shè)置
最終計(jì)算結(jié)果為:預(yù)制內(nèi)墻板吊裝序列為Q1,Q2,Q3,Q5,Q4,Q6,Q7,Q8,Q9。最優(yōu)個(gè)體出現(xiàn)在第133代,最優(yōu)適應(yīng)度值為1.72。遺傳算法在預(yù)制內(nèi)墻板吊裝序列規(guī)劃求解過(guò)程中每代最優(yōu)解變化情況如圖7所示,展現(xiàn)了迭代次數(shù)與平均適應(yīng)度的關(guān)系。由圖7可知,在迭代開(kāi)始初期,解的優(yōu)化效率較高,能較快趨近于最優(yōu)吊裝序列,隨著迭代次數(shù)增加,種群平均適應(yīng)度變化趨向平穩(wěn),逐漸收斂,說(shuō)明遺傳算法達(dá)到成熟。由計(jì)算結(jié)果可知,預(yù)制內(nèi)墻板吊裝序列方案具有一定合理性,符合混凝土預(yù)制構(gòu)件通常沿1個(gè)方向依次吊裝的吊裝原則。且經(jīng)過(guò)多次運(yùn)算測(cè)試,所得的最優(yōu)吊裝序列方案始終為相近混凝土預(yù)制構(gòu)件前后順序相連,確保了混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)墻板就近安裝及所需的安裝空間。因此,此優(yōu)化算法達(dá)到了預(yù)期吊裝序列規(guī)劃的目的。
圖7 遺傳算法計(jì)算結(jié)果
在裝配式建筑發(fā)展的大背景下,對(duì)預(yù)制構(gòu)件智能化管理、裝配施工精準(zhǔn)化控制的要求不斷提高。圍繞裝配式建筑吊裝信息智能標(biāo)注與序列優(yōu)化進(jìn)行了研究,首先實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件智能標(biāo)注,在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上,通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)構(gòu)件信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編碼,為目標(biāo)混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝前的身份識(shí)別提供了標(biāo)注基礎(chǔ)。在混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝施工準(zhǔn)備階段,提出混凝土預(yù)制構(gòu)件吊裝序列規(guī)劃模型,運(yùn)用遺傳算法對(duì)構(gòu)件吊裝序列進(jìn)行規(guī)劃,但仍有不足。
1)提出的基于IFC標(biāo)準(zhǔn)和隨機(jī)森林的構(gòu)件自動(dòng)分類編碼,僅針對(duì)IFCWall墻體實(shí)例進(jìn)行屬性提取和隨機(jī)森林模型訓(xùn)練驗(yàn)證,未包括其他類型預(yù)制構(gòu)件。
2)在預(yù)制構(gòu)件吊裝序列規(guī)劃中使用的改進(jìn)遺傳算法,求解計(jì)算的初始種群為全局隨機(jī)搜索,當(dāng)裝配式建筑某一層或某一施工區(qū)域需規(guī)劃序列同類別預(yù)制構(gòu)件數(shù)量較多時(shí),可能會(huì)錯(cuò)過(guò)最優(yōu)解或延長(zhǎng)求解時(shí)間。
因此,擴(kuò)充數(shù)據(jù)集預(yù)制構(gòu)件類型和解決全局隨機(jī)搜索的不足,將是今后的研究重點(diǎn)。