基于BIM4D的预制施工装配和吊装方法、系统、设备和介质

基于bim4d的预制施工装配和吊装方法、系统、设备和介质
技术领域
1.本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及基于bim4d的预制施工装配和吊装方法、系统、设备和介质。


背景技术：

2.为了提高建筑和施工(b&c)的生产率和质量，预制件在b&c行业中的应用越来越多。预制构件可在专业工厂制造并交付至施工现场。预制施工在很大程度上依赖起重机来组装梁、柱、墙等建筑构件。建筑物单个预制构件的装配计划是一个基本问题，但尚未得到解决。大多数现有的研究处理调度优化在施工中只考虑整个项目进度表。尽管bim4d概念以其内置的宏观时间表而闻名，但它通常显示特定时期内某些分组建筑构件组装的时间框架。一旦建筑构件按照其装配顺序确定，则对组中每个构件的吊装路径进行规划。过去的研究工作通常单独或独立地处理这两个问题。事实上，分组预制构件的装配顺序可能会影响组中单个构件吊装路径的可行性和质量。有时，不正确的装配顺序可能会导致起重机无法完成起重和装配任务。
3.因此，如何提供一种效率高的施工装配和吊装方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了基于bim4d的预制施工装配和吊装方法、系统、设备和介质，旨在解决现有建筑行业中预制构件装配任务效率低的问题。
5.第一方面，本技术提供了基于bim4d的预制施工装配和吊装方法，该方法包括：
6.根据预制构件的装配特性，构建装配特性惩罚值函数；
7.根据装配特性惩罚值函数，构建总惩罚值函数；
8.利用bim4d模型对预制构件进行标记，制定装配方案；
9.利用总惩罚值函数对装配方案进行验证，将总惩罚值最小的装配方案作为最终方案。
10.一种实施方式中，阈值构件的装配特性包括：构件重量、构件占用空间、构件的布局干扰和构件的提升路径干扰，所述根据预制构件的装配特性，构建装配特性函数，包括：
11.根据预制构件的构件重量、构件占用空间、构件的布局干扰和构件的提升路径干扰，分别构建对应的装配特性惩罚值函数。
12.一种实施方式中，利用bim4d模型对预制构件进行标记，包括：
13.利用bim4d模型为每个构件分配构件id，并标记每个构件所属的子组。
14.第二方面，本技术还提供了一种基于bim4d的预制施工装配和吊装系统，包括：
15.惩罚值函数构建单元，用于根据预制构件的装配特性，构建装配特性惩罚值函数；
16.总惩罚值函数构建单元，用于根据装配特性惩罚值函数，构建总惩罚值函数；
17.方案制定单元，用于利用bim4d模型对预制构件进行标记，制定装配方案；
18.方案验证单元，用于利用总惩罚值函数对装配方案进行验证，将总惩罚值最小的装配方案作为最终方案。
19.第三方面，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如第一方面中任一项所述的基于bim4d的预制施工装配和吊装方法。
20.第四方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使所述处理器执行如第一方面中任一项所述的基于bim4d的预制施工装配和吊装方法。
21.本技术提出的基于bim4d的预制施工装配和吊装方法、系统、设备和介质，通过优化单个预制构件的吊装和装配顺序，借助路径规划器确定无碰撞最佳路径，提出了路径重新规划的创新方法，以应对动态环境和约束。
附图说明
22.为了更清楚的说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面的描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
23.图1为本技术实施例提供的一种基于bim4d的预制施工装配和吊装方法流程图；
24.图2为本技术实施例提供的构件布局干扰示意图；
25.图3为本技术实施例提供的bim格式的六层住宅建筑示意图；
26.图4为本技术实施例提供的bim模型中楼层的调度数据示意图；
27.图5为本技术实施例提供的从bim模型中提取的一层的墙元件示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.参见图1实施例所示一种基于bim4d的预制施工装配和吊装方法流程图，包括：
30.s101、根据预制构件的装配特性，构建装配特性惩罚值函数。
31.在一实施例中，预制构件的装配特性包括：构件重量、构件占用空间、构件的布局干扰和构件的提升路径干扰。
32.根据预制构件的各种物理特性，以及预制构件组中构件的位置和提升路径，基于这些元件的物理和空间特性，确定了下列四个主要方面，它们影响装配序列的质量，因此是优化搜索的重要属性：
33.(i)构件重量——通常情况下，构件重量越重，需要装配得越早。这是因为较重的元件在技术上需要更大的努力和更长的时间来提升和安装。因此，为了减少由于预装元件的存在而偏离其最佳提升路径，首先组装最重的元件会方便又高效。
34.(ii)构件占用空间——占用空间是指bim模型中预制构件占用的基础区域。一个图元占用的基础面积越大，应越早进行装配。通常，尺寸较大的元件需要在其提升路径上进行更多的步骤和改动来预装元件。因此，基础面积最大的元件需要最早安装。
35.(iii)元件的布局干扰——布局干扰是指已安装的元件对新元件组件的干扰。在序列调度优化中，易装配性是主要考虑因素之一。在本技术中，根据从bim模型获取的三维平面图确定装配的容易程度。
36.(iv)元件的提升路径干扰——规划目标元件的提升路径时，避免与序列中的前面元件发生碰撞至关重要。因此，起重机将遵循的路径是顺序计划中的一个重要因素。其目的是以一种最小化起重机不必要绕行的方式对元件进行排序，并且不会与先前安装的元件发生碰撞。
37.在一实施例中，根据预制构件的装配特性，构建装配特性惩罚值函数，包括：
38.根据构件重量、构件占用空间、构件的布局干扰和构件的提升路径干扰，分别构建对应的装配特性惩罚值函数。
39.构件装配特性的单个惩罚值，即重量、占用空间、布局干扰和提升路径干扰，分别由p
weight
、 p
space
、p
layout
和p
path
表示，惩罚值表示装配预制构件的相对难度，因此都是无量纲的。
40.在一实施例中，构件重量的装配特性函数的构建具体包括：
41.通常，一个元件的重量越大，其装配时间就要越早。一旦违反此规则，将指定一个惩罚值。矩阵(a)用于存储所有可能的惩罚值。如果第i个元件(具有重量i)在第j个元件(具有重量j)之前组装，则其元件a
ij
持有惩罚值。等式(2)显示了计算惩罚值a
ij
的函数。 (p
weight
)j表示序列中第j个元件的惩罚值。将装配顺序中所有元件的惩罚值p
weight
相加得出总重量惩罚∑p
weight
该序列的重量，如式(3)所示。
[0042][0043][0044]
其中，n是要组装的元件数量。
[0045]
在一实施例中，构件占用空间的装配特性函数的构建具体包括：
[0046]
通常，图元占用的基础面积越大，应越早进行装配。一旦违反此规则，将指定一个惩罚值。矩阵(b)用于存储所有此类惩罚值。如果第i个元件(基面积为spacei)在第j个元件 (基面积为spacei)之前组装，则其元件b
ij
将持有惩罚值。等式(4)显示了计算惩罚值b
ij
的函数。(p
space
)j表示序列中第j个元件的惩罚值。通过将装配序列中所有元件的惩罚值p
space
相加，得到总空间惩罚获得该序列的∑p
space
，如等式(5)所示。
[0047][0048][0049]
其中，n是要组装的元件数量。
[0050]
参见图2实施例所示的构件布局干扰示意图；
[0051]
在一实施例中，构件布局干扰的装配特性函数的构建具体包括：
[0052]
装配顺序调度的关键因素之一是装配的易用性。本技术定义了尽可能不应违反的逻辑条件，以避免任何装配困难。图2显示了布局干扰的六种情况。一旦元件违反了这些条件中的任何一个，就会为其分配一个惩罚值。
[0053]
i)图2(a)表示出了目标元件被装箱在元件
①
和
②
之间，其中
①
属于当前子组而元件
②
属于先前组合的子组的。由于前一组已完全组装，因此需要检查组装难度的唯一条件是
①
是否在目标元件之前。这种情况的逻辑条件是
“①”
.
[0054]
(ii)图2(b)所示的情况与图2(a)的情况类似，具有多个壁(
①
,
②
,
③
,和)属于当前子组以及墙
④
属于先前组合的子组。此处的逻辑条件为
“①
或
②
或
③”
.
[0055]
(iii)图2(c)显示目标元件由两个元件夹紧
①
和
②
.如果两者都有
①
和
②
在目标元件之前，然后分配一个惩罚值。这种情况的逻辑条件是
“①
和
②”
.
[0056]
(iv)在图2(d)所示的情况下，如果
①
和
③
或者两者都有
②
和
④
在目标元件之前,目标元件存在装配困难，并分配了惩罚值。这种情况的逻辑条件为“(
①
和
③
)或(
②
和
④
)”.
[0057]
(v)在图2(e)所示的情况下，多个墙(
①
,
②
,
③
和)属于当前子组，以及墙(
④
,
⑤
和
⑥
)属于以前组合的子组。如果
②
或者两者都有，如
①
和
③
在目标元件之前,会分配一个惩罚值。这里的逻辑条件是“(
①
和
③
)或
②”
.
[0058]
(vi)在图2(f)所示的情况下，如果
①
和
②
或
③
中任何一个预先放弃目标元件然后分配一个罚分。这种情况的逻辑条件是“(
②
或
③
)和
①”
.
[0059]
在当前研究中，根据从bim模型获取的三维平面图检查违规情况。序列中一个元件的惩罚值p
layout
是它违反的布局条件数。例如，如果第j个元件违反了一个布局条件惩罚值 (p
layout
)j＝1。总值(∑p
layout
)通过将该装配序列中所有元件的惩罚值相加，获得序列的布局惩罚值，如等式(6)所示。
[0060][0061]
其中，n是要排序的元件数。
[0062]
在一实施例中，构件路径干扰的装配特性函数的构建具体包括：
[0063]
运行一次规划引擎，以生成发送到序列调度器的路径列表。对于构建块的墙图元子组， calp系统的规划引擎将为每个墙图元生成提升路径。通过这种方式，可保证每个元件可以采取的最佳路径被生成。因此，对于该子组中的所有墙元件，将计算相应的最佳路径。下一步是跟踪每个提升路径，以检查在完全组装的情况下是否存在与所有其他建筑构件的潜在碰撞。通过使用目标图元的边界框沿其规划路径扫掠的体积来执行碰撞检查。与目标元件j发生冲突的元件的id存储在集合sj中。然后，将该集合sj与元件1到j的集合进行比较-在序列中为1，将两个集合中产生的公共元件数指定为装配序列中第j个元件的惩罚值p
path
。例如，如果序列中某个元件的两个集合中有两个元件是公共的，则该元件的p
path
为2。路径干扰导致的总惩罚值(∑p
path
)通过将序列中所有元件的p
path
相加得到，如等式(7)所示。
[0064]
[0065]
其中，n是要组装的元件数量。
[0066]
s102、根据装配特性惩罚值函数，构建总惩罚值函数。
[0067]
总体惩罚函数是优化问题的效用函数，通过取这四个总惩罚值的加权和来定义，如式(1) 所示。
[0068]
p
total
＝k∑p
weight
+λ∑p
space
+μ∑p
layout
+v∑p
path
ꢀꢀ
(1)
[0069]
式中，κ、λ、μ和ν是分配给各个成本的相对权重。
[0070]
s103、利用bim4d模型对预制构件进行标记，制定装配方案。
[0071]
在一实施例中，利用bim4d模型对预制构件进行标记，包括：
[0072]
对每个构件分配构件id，并标记每个构件所属的子组。
[0073]
bim4d模型具有针对不同图元组的建筑平面图。每组元件都有bim4d宏观计划定义的时间范围。图3显示了bim格式的六层住宅建筑示意图。这座大楼是一层一层地建造的。图 4显示了bim模型中楼层的调度数据示意图。宏明细表数据通过将特定楼层划分为组(如公寓和公共区域)并进一步将每个组细分为类(如墙、梁、柱等)来提供顺序。图5显示了从 bim模型中提取的一层的墙元件示意图。宏观计划仅说明子组的开始和结束日期/时间。研究的目的是在一个组或子组中安排墙构件的装配顺序，而此类进度信息不包含在bim4d模型中。
[0074]
bim模型有两个系统参数：“构件id”和“标记”。“构件id”是唯一的7位id，用作 bim模型中每个构件(如墙、梁等)的标识符。“标记”对应于元件所属的子组。例如，图4 中显示的项目“fl6_#06-559_walls”是一个在六楼的“标记”(子组)。从bim模型中提取属于某个“标记”(子组)的所有元件(由“元件id”标识)，以安排元件的安装顺序。
[0075]
本技术考虑了四个方面(重量、占用空间、布局干扰和提升路径干扰)。除了上述“构件 id”和“标记”外，还可以从bim模型中获取墙构件的尺寸和材料等信息。然后可以自动计算和存储某些图元的基准面积和权重。上述方法得出每个元件的重量和占用空间(即基本面积)。对于布局干扰，通过检查各个楼层平面，可以理清每个目标图元的逻辑条件。该算法采用每个元件的字符串输入来分析干扰，处理字符串以确定使用哪个逻辑门，并据此判断是否存在装配困难。
[0076]
路径干扰需要利用calp系统进行计算。在如图3所示的建筑物中，当处理楼层上子组的装配顺序时，从地面到相关标高的楼层被加载到calp系统中。对于工作子组中的每个墙图元，将生成路径，然后将干扰图元作为字符串存储在数组中。提出的优化算法处理这些字符串，然后检查序列中的前面元件，以计算相应的惩罚。
[0077]
s104、利用总惩罚值函数对装配方案进行验证，将惩罚值最小的装配方案作为最终方案。
[0078]
根据总惩罚值函数，构建装配方案的适应度函数：
[0079][0080]
当总惩罚值最小时，即适应度f趋于1时，则表示该装配方案为最优解，则将该方案作为最终方案。
[0081]
传统上，吊装顺序由施工队根据其经验和现场情况确定。经验较少的起重团队可能会在交付构件进行组装之前进行起重试验和错误测试，本技术优化单个预制构件的吊装和装配顺序，借助路径规划器确定无碰撞最佳路径，提出了路径重新规划的创新方法，以应
对动态环境和约束。
[0082]
在一实施例中，本技术还提供了一种基于bim4d的预制施工装配和吊装系统，包括：
[0083]
惩罚值函数构建单元，用于根据预制构件的装配特性，构建装配特性惩罚值函数；
[0084]
总惩罚值函数构建单元，用于根据装配特性惩罚值函数，构建总惩罚值函数；
[0085]
方案制定单元，用于利用bim4d模型对预制构件进行标记，制定装配方案；
[0086]
方案验证单元，用于利用总惩罚值函数对装配方案进行验证，将总惩罚值最小的装配方案作为最终方案。
[0087]
在一实施例中，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述任一实施例所述的基于bim4d的预制施工装配和吊装方法。
[0088]
在一实施例中，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使处理器执行如上述任一实施例所述的基于bim4d的预制施工装配和吊装方法。
[0089]
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。