數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置研究

屈新升

(中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司)

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是在施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置方面，數(shù)字孿生技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力和價(jià)值[1]。數(shù)字孿生技術(shù)，是指通過數(shù)字化手段，將物理世界的實(shí)體映射到虛擬的數(shù)字世界中。這個(gè)虛擬的數(shù)字模型具有與物理實(shí)體相同的形態(tài)、功能和性能，能夠模擬物理實(shí)體的行為和狀態(tài)變化。數(shù)字孿生技術(shù)為施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置提供了強(qiáng)大的工具和平臺(tái)。本文將深入探討數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置，以期為相關(guān)領(lǐng)域提供有益的參考。

數(shù)字孿生技術(shù)在施工領(lǐng)域的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注和重視。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，其在施工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，涉及到施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，如規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等。除此之外，數(shù)字孿生技術(shù)在施工領(lǐng)域的應(yīng)用水平不斷提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在施工領(lǐng)域的應(yīng)用效果越來越好，能夠更好地模擬施工過程、優(yōu)化施工方案、提高施工質(zhì)量、降低施工成本等。

1.施工場(chǎng)地布置多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

通過智能化實(shí)時(shí)采集施工場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)，可以獲取施工過程中的實(shí)時(shí)信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以下是施工場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)智能化實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵步驟和技術(shù)：首先，在采集前，需要明確采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)，如施工進(jìn)度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員位置等。根據(jù)采集目標(biāo)選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集方法。其次，根據(jù)采集目標(biāo)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)施工場(chǎng)地的變化進(jìn)行靈活調(diào)整。再次，根據(jù)采集目標(biāo)，選擇合適的傳感器，如紅外傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)施工場(chǎng)地的各種參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[2]。最后，通過有線或無線方式將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。為了確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，應(yīng)采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)加密和備份措施。

多源異構(gòu)的場(chǎng)地布置數(shù)據(jù)融合處理旨在整合建設(shè)用地信息數(shù)據(jù)中的全局信息，通過對(duì)用地布局相關(guān)數(shù)據(jù)的篩選，提升用地布局?jǐn)?shù)據(jù)的使用效率。將多源異質(zhì)的調(diào)度大數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理構(gòu)造為一個(gè)數(shù)據(jù)源，既能準(zhǔn)確刻畫虛實(shí)空間布局，又能推動(dòng)虛實(shí)空間布局的迭代優(yōu)化[3]。本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容包括：第一，基于站點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)融合，以更加精確地展現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的布局狀態(tài)；第二，基于數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的布局優(yōu)化。資料處理包括資料凈化、離群處理、歸一化及資料整合等作業(yè)，以提升資料的準(zhǔn)確度與可信度。在數(shù)據(jù)融合過程中，數(shù)據(jù)融合分為數(shù)據(jù)融合、實(shí)時(shí)處理和離線處理三個(gè)部分。圖1 為數(shù)據(jù)融合模型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 數(shù)據(jù)融合模型結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于多個(gè)數(shù)據(jù)源，通過給每個(gè)數(shù)據(jù)源賦予不同的權(quán)重，然后對(duì)所有數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到融合后的數(shù)據(jù)。數(shù)學(xué)公式如下：

式中：F 代表融合后的數(shù)據(jù)，W 代表第 i 個(gè)數(shù)據(jù)源的權(quán)重，D 代表第 i 個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。對(duì)于多個(gè)具有相關(guān)性的變量，為將其轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的變量，可結(jié)合主成分分析法將多個(gè)數(shù)據(jù)源的特性融合到一個(gè)或幾個(gè)主成分中，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的表示[4]。數(shù)學(xué)公式如下：

式中：P 代表通過主成分分析法簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)，E 代表標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，L 代表特征值矩陣，E'代表E 的轉(zhuǎn)置矩陣，n代表樣本數(shù)量。這些數(shù)學(xué)公式是常用的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合方法的一部分。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)類型、特性和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的方法進(jìn)行融合[5]。同時(shí)，還需要考慮數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取和模型評(píng)估等因素，以確保融合后的數(shù)據(jù)能夠滿足施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置的需求。

數(shù)據(jù)融合是指采用可擴(kuò)展的標(biāo)簽語言來處理多源異質(zhì)排列的數(shù)據(jù)，以去除數(shù)據(jù)的冗余性，提高數(shù)據(jù)的精度。多源異質(zhì)布設(shè)大數(shù)據(jù)采用深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)施工場(chǎng)地布局?jǐn)?shù)據(jù)中的運(yùn)行狀態(tài)、工藝過程、施工階段等信息進(jìn)行深層次的融合[6]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理是指通過大數(shù)據(jù)規(guī)模的計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)工地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取、寫入與融合。

2.數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能布置服務(wù)運(yùn)行

施工場(chǎng)地布局是按照施工各階段的施工要素來進(jìn)行不同的布置，通常有兩種，一種是在收到施工項(xiàng)目生產(chǎn)任務(wù)之后，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行初始化安排，一種是在施工活動(dòng)開展期間，根據(jù)工地的狀況以及施工進(jìn)度規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整而進(jìn)行的動(dòng)態(tài)布置[7]。所以，該系統(tǒng)的功能分為初始化配置與孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)配置兩大模塊，其工作機(jī)制見圖2。

圖2 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能布置服務(wù)運(yùn)行機(jī)理

圖3 曼哈頓距離表述方式

在建筑工程啟動(dòng)之前，基于建筑工程的施工需求及現(xiàn)有的資源布局，在智能布局服務(wù)模塊中產(chǎn)生初始布局，并對(duì)實(shí)際工地進(jìn)行布局；在此基礎(chǔ)上，對(duì)施工過程中所發(fā)生的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成施工仿真數(shù)據(jù)、三維場(chǎng)地布局?jǐn)?shù)據(jù)以及施工規(guī)范數(shù)據(jù)，并向智能布局服務(wù)模塊進(jìn)行反饋。通過智能布局服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體工地的二次布局；這一過程將繼續(xù)進(jìn)行，直到建設(shè)流程的最后，連續(xù)的數(shù)據(jù)交互以及虛擬地圖的建立。

在獲取建設(shè)工程的施工組織方案后，利用 BIM 技術(shù)的有關(guān)軟件對(duì)工程建設(shè)進(jìn)行建模，常用的造型軟件有：Revit、Tekla、廣聯(lián)達(dá)等[8]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于人工經(jīng)驗(yàn)的工地布局規(guī)劃方法。虛擬工地是通過對(duì)施工過程中各個(gè)元素的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到與之相適應(yīng)的、具有一定抗干擾性的初步布局。

在復(fù)雜多變的施工現(xiàn)場(chǎng)，在施工過程中，會(huì)發(fā)生諸如設(shè)備故障、材料短缺、施工進(jìn)度規(guī)劃變化、人員缺席等多種不確定事件，因此，必須對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的布局作出動(dòng)態(tài)的調(diào)整，這也增加了對(duì)施工過程的精準(zhǔn)控制的難度。李生采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的布局方式，以最小的代價(jià)減少布局目標(biāo)的偏差，以最小的能耗為目標(biāo)，采用多目標(biāo)尋優(yōu)算法，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的增量數(shù)據(jù)與虛擬工地、實(shí)體工地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成最優(yōu)布局方案，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地二次布局。然而，微小的場(chǎng)地變動(dòng)并不會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)地布局的合理，而頻繁的場(chǎng)地二次布局又會(huì)導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的資源浪費(fèi)，同時(shí)還會(huì)使建筑生產(chǎn)的費(fèi)用大大提高，因此，為了節(jié)省資金，工程管理者通常都會(huì)按照施工階段的劃分或重大不確定事件的發(fā)生來對(duì)工地進(jìn)行布局。

3.施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)對(duì)施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置優(yōu)化，構(gòu)建施工場(chǎng)地布置問題數(shù)學(xué)模型。模型的輸入包括可用場(chǎng)地空間、臨時(shí)設(shè)施的種類、尺寸估算以及施工活動(dòng)的具體持續(xù)時(shí)間。為便于計(jì)算，本項(xiàng)目擬將其外形近似看成由一條或幾條長(zhǎng)方形組成，并基于建筑信息模型獲取其空間尺度L×W，并以此為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。臨時(shí)設(shè)施的長(zhǎng)度、寬度應(yīng)根據(jù)后勤、設(shè)備要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件而定。建筑生產(chǎn)設(shè)備按其實(shí)際存儲(chǔ)情況可分為固定設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備和處理設(shè)備。存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)保證有充足的倉(cāng)儲(chǔ)空間，使得材料不受自然氣候和其他自然因素的影響，并能方便地取得和存放材料。儲(chǔ)存設(shè)備中的材料儲(chǔ)備量是由材料的消耗以及兩個(gè)連續(xù)交貨的時(shí)間決定的，其計(jì)算公式為：

式中：Ac代表存儲(chǔ)設(shè)施的尺寸大小，C 代表常數(shù)，取值大于1，代表每個(gè)存儲(chǔ)單元所占用的區(qū)域以及所需要的空間。R代表材料消耗峰值速率，T 代表一段相鄰的材料之間的間隔。

在加工設(shè)施當(dāng)中，機(jī)械設(shè)備的數(shù)量通常是由單位實(shí)際處理材料量決定，因此其計(jì)算公式為：

式中：Ap代表加工設(shè)施的尺寸大小，K 代表常數(shù)，取值大于1，具體取值根據(jù)工藝的特定因素，考慮作業(yè)變動(dòng)及安全作業(yè)的因素設(shè)置。S 代表施工階段加工速率峰值，V 代表每一臺(tái)機(jī)械設(shè)備的加固速率。

假設(shè)某一臨時(shí)設(shè)施面積為A，其形狀為矩形，用L 代表矩形長(zhǎng)度，W 代表矩形寬度，則臨時(shí)設(shè)施面積的大小可通過下述公式計(jì)算得出：

式中：Lmin代表臨時(shí)設(shè)施長(zhǎng)度最小值，Wmin代表臨時(shí)設(shè)施長(zhǎng)度最大值，α 和β 代表常數(shù)，對(duì)于任意一個(gè)α 值，都有與其相對(duì)應(yīng)的β 值，且α 和β 的取值均大于或等于0。

在建筑裝卸作業(yè)中，由于障礙物較多，難以按照一條直線進(jìn)行作業(yè)，因此，曼哈頓距離將障礙物納入其中，能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算出各個(gè)暫居點(diǎn)間的運(yùn)輸距離。假設(shè)在兩個(gè)設(shè)施之間存在障礙物，則可以按照下述四種路徑實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。

搬運(yùn)路徑為：A →①→②→③→④→B。A 設(shè)施與B設(shè)施之間的曼哈頓距離可以通過下述公式計(jì)算得出：

式中：Dij代表A 設(shè)施與B 設(shè)施之間的曼哈頓距離，MOD 代表修正障礙距離，（xA，yA）代表設(shè)施A 的位置坐標(biāo)，（xB，yB）代表設(shè)施B 的位置坐標(biāo)。

在施工組織管理中，一般把工程按照不同的專業(yè)進(jìn)行細(xì)分，把不同的部分分為十個(gè)部分。為提高施工階段的臨時(shí)設(shè)施的流通費(fèi)用及親密度，按照施工階段對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工場(chǎng)地的合理使用。但是，在實(shí)際的布局中，臨時(shí)設(shè)施的搬運(yùn)將導(dǎo)致大量的人力資源消耗，頻繁的材料裝卸還會(huì)導(dǎo)致材料損耗和成本上升。所以，按照建筑分部工程的時(shí)間分布、工程量的大小、資源消耗的比重，把施工階段分為三個(gè)階段，即基礎(chǔ)與基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)工程和裝修工程。圖4 為施工場(chǎng)地布置優(yōu)化示意圖。

圖4 施工場(chǎng)地布置優(yōu)化示意圖

由于基礎(chǔ)及基礎(chǔ)工程的復(fù)雜和隱蔽，所以在布局工程中不能設(shè)置臨時(shí)設(shè)施，所以在布局工程中要分別加以考慮。主體結(jié)構(gòu)工程施工量大、交叉作業(yè)多、工序復(fù)雜，因此，在布局過程中，要將場(chǎng)地充分利用起來，并與施工過程相結(jié)合。在進(jìn)行室內(nèi)裝修時(shí)，要確保建筑平面整齊，并將易受污染的物料與其他物料、器材等隔離存放。

根據(jù)項(xiàng)目的不同階段，對(duì)臨時(shí)設(shè)施的需求各不相同，但也有部分臨時(shí)設(shè)施只適用于特殊的施工階段，其他時(shí)間則根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為此，本項(xiàng)目將考慮各施工階段對(duì)臨時(shí)設(shè)施空間位置變化的要求，建立基于三個(gè)主要施工階段的臨時(shí)設(shè)施空間布局動(dòng)態(tài)建模方法。要想建立一個(gè)動(dòng)態(tài)的施工場(chǎng)地布局模式，就必須要建立起一個(gè)建筑項(xiàng)目和一個(gè)臨時(shí)設(shè)施的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，按照施工組織計(jì)劃和施工進(jìn)度，獲得臨時(shí)設(shè)施的類型和尺寸。最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行最優(yōu)的布置。

4.實(shí)例應(yīng)用

對(duì)于上述提出的布置方案，將其應(yīng)用到真實(shí)的施工場(chǎng)地當(dāng)中，完成對(duì)場(chǎng)地的動(dòng)態(tài)布置。真實(shí)施工場(chǎng)地為某高層住宅項(xiàng)目群建設(shè)施工場(chǎng)地，臨街建筑高度為76.52m，地上建筑面積為18560.24m2，地下建筑面積為625.32m2，抗震設(shè)防烈度為8 度，建筑物層數(shù)為26 層，地下一層，地上25 層。根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)建設(shè)工程的三個(gè)階段，即基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)工程和裝飾裝修工程三個(gè)階段進(jìn)行合理的規(guī)劃。在已劃分的建筑階段內(nèi)，無需進(jìn)行大規(guī)模的拆除或新的臨時(shí)設(shè)備。考慮到施工場(chǎng)地中影響場(chǎng)地布置的因素主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度計(jì)劃的推進(jìn)，因此對(duì)比迭代取下和目標(biāo)函數(shù)可以確定布置方案的有效性。圖5 為初始化布置和應(yīng)用上述數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的布置結(jié)果圖。

圖5 初始化布置（a）和數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)布置（b）結(jié)果圖

通過對(duì)比圖5 中兩種布置結(jié)果可以看出，初始化布置與數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的布置迭代曲線均收斂，相應(yīng)方案達(dá)到了施工階段的最佳狀態(tài)，能夠提供在相應(yīng)階段最合適的施工場(chǎng)地布置方案。

5.結(jié)論

數(shù)字孿生技術(shù)在施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)施工過程的全面模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)控和資源配置優(yōu)化。這將有助于提高施工效率、降低成本、減少安全事故。未來，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，其在施工場(chǎng)地動(dòng)態(tài)布置中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。期待更多的研究和實(shí)踐能夠推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展，為工程建設(shè)帶來更多的創(chuàng)新和價(jià)值。