基于BIM 的装配式建筑并行施工作业空间冲突识别研究

程国富

1.装配式建筑施工作业空间自动生成模型分析

1.1 实体空间的占用需求分析

在传统建筑施工中，一般出现的工作空间冲突都是人和活动物体间的冲突，比如施工人员、吊车和装卸车等等。所以在分析空间冲突时只注重人和活动物体之间出现的冲突。但是针对装配式建筑施工时，其所牵扯的多为以下三类要素，即施工人员、施工机械、预制部件[1-2]。在建筑的施工现场中施工人员和施工机械以及预制部件都需要占用空间，而其则被称作实体空间（ES），空间的占用完全由其自身的尺寸所决定。在施工场地内的施工人员和施工机械需要进行移动，在实体空间中呈现动态的变化；而预制部件完成安装后则不需要移动，为固定实体空间[3-4]。

1.2 工作空间的占用需求分析

为完成施工，现场的施工机械和施工人员所占据使用的空间为工作空间（WS）。一般来讲，工作空间大能够保障施工的效率，而空间受限制时则容易影响施工，更有可能导致安全事故的发生[5-6]。所以，依据安全与效率的目标可以把工作空间划分为安全工作空间（SWS）及效率工作空间（EWS）。

对于装配式的建筑施工，其现场多围绕预制部件进行操作，而其中最为典型的操作主要是预制部件的起吊运输及安装固定和支护[7-8]。依据施工时不同交互空间占用的实际需求，将空间生成的方法分成表平面和环绕的扩展两种，具体如图1 显示。表平面扩展主要使用在现场施工人员在预制件的单侧施工，依据工作的需求把工作面依X，Y，Z 方向进行相应的扩展，将扩展的参数标记为αx，αy，αz；对预制构件开展围绕施工的现场则运用环绕扩展，其依据扩展的系数β扩展。现实中依据该工程的实际状况由建筑项目的管理人员予以设定。

图1 工作空间的扩展类型

图2 起吊和运输操作空间的扩展

2.装配式建筑施工作业的空间冲突

2.1 空间冲突的产生

在装配式建筑施工过程中，处于同一施工的空间被两种施工占用则会产生工作空间的冲突。造成冲突的主要原因是对空间资源未能有效分配，其严重影响工程的顺利施工，并存在安全隐患[9-10]。再者，当两组施工人员在操作中的空间占用出现轻微的重叠，但未对正常的施工产生影响，通过综合的考虑，在适当的情况下允许此空间冲突存在。所以，在实际对空间冲突进行判断时的严重性非常关键。

2.2 冲突类型

依据不同的要素占用空间可将空间划分为以下三种，即实体空间（ES）、效率工作空间（EWS）以及安全工作空间（SWS）。一般情况下，其存在关系为：实体安全工作效率工作的空间。依据实际各类空间的占用，其冲突类型如图3显示为三类。

图3 三种空间冲突

2.3 空间冲突严重性量化评估标准

在装配式建筑施工过程中，如果出现两个工作空间冲突，进而说明两个工作空间在时间与空间的维度中产生了干涉的情况，而冲突的时间越长则产生较大的冲突空间，进而导致空间冲突越来越严重。所以，对于冲突严重性进行评测时可依据时间与空间的维度，通过设定Vi为施工活动i需要占用的空间体积，Vj为施工活动j 需要占用的空间体积，t（ts，tf）为施工活动工期，ts和tf分别代表活动开始与结束的时间，进而Vi，Vj工作空间的冲突量化指标如表1所示。

表1 钢结构构件重量表

对空间冲突表现出的严重性进行判断时，不仅要对两个空间重叠的时间与大小进行评价，还必须对空间类型进行有效的判断，不同的类型空间所表现出的冲突严重性具有较大的差别。另外，还应当融合冲突类型的调节因子h，其能修正空间冲突的严重性评价的结果。

经过综合量化指标，现场的两个施工活动时空冲突的严重程度，可以根据冲突严重性指数得出Iij，具体为公式（1）：

公式中；h—表示空间冲突类型的修正因子；

kj,ki∈［0,10］——表示相关施工作业的权重调节因子。

3.重视生产模式转变，实现提质增效。要重视分公司生产能力和生产效率的提升，要通过对资源的整合，新设备的投入，新工艺的推广，新工装的开发利用，提升在下料、切割、压型、焊接、组拼和喷涂等工序的机械化、自动化水平，突破生产能力瓶颈，提高全员劳动生产率。要根据地域差异，产品类别，制定合理的工费限价，严格按照单工号加工费用预算和用户实际过磅重量“双控”办法结算工费，工费总额经审批后限额发放，严控人工成本。要通过对结构件部件就近委托外加工和订购模式，充分利用社会资源，提供满足公司标准化设计要求的结构件成品或半成品；要积极探索在施工现场进行周转材料维修、改造的途径和方法，降低运营成本。

为利于辨别冲突严重性则设立θ1与θ2两个阈值，并有效地划分时空的冲突程度，即严重、中等以及轻度三种。θ1与θ2则依据实际需求取值。

3.装配施工作业空间的冲突识别分析

3.1 冲突识别方法

建筑信息模型（BIM）已经在建筑行业得到大量的应用，其能够准确的集成建筑项目各项的信息，例如结构、电气设备、施工进度等等，构建3D 空间的仿真模型能够对建筑项目达到可视化和数字化的管理。并且该技术通过利用计算机可以对施工空间的资源占用进行自动分析，有效地对作业间的空间冲突进行识别。

3.2 虚拟空间碰撞检测算法

当前使用较为广泛的是包围盒层次法，其主要是把不规则的物体占用空间进行相应的扩展成凸面体。所以，对于装配式的建筑施工工作空间能够进行扩展成规则的立方体，进而方便后续碰撞的相应检测。而以包围盒为基础的碰撞检测算法主要有轴向和有向的包围盒算法。

3.3 4D 作业空间冲突识别的混合算法

3.3.1 以包围盒为基础的3D 空间占用模型

把装配式建筑的预制部件占用空间利用凸立方体的形式予以表示，还能够把针对预制部件工作的空间进行相应的扩展成与之对应的立方体空间。运用3D空间的占用模型来对建筑的预制部件和施工工作区域进行表示，进而能够高效地将3D 空间的占用模型自动生成，这样便于对占用需求空间的实际冲突进行检测，提高计算的工作效率。

预制部件与其空间占用全部运用混合轴向包围盒和有向包围盒表示，然后运用立方体的顶点和面及边构建包围盒空间的模型，具体如公式（2）：

公式中：P—表示立方体顶点集合；S—表示立方体表平面集合；L—表示立方体边的集合；

而其3D 的空间坐标如公式（3～5）：

公式中：Pm—表示立方体的第m个顶 点，m=1，2，3…8；g（Pm，Pn，Pk，Ph）—表示4 个顶点坐标平面的方程；m，n，k，h—表示对应此平面的4 个顶点；lmn—表示立方体的1 条边，其空间f（Pm，Pn）由空间中的点Pm，Pn构成。

3.3.2 3D 作业空间生成的算法

通过BIM 技术直接构建建筑的3D空间模型，然后经WBS 分解建筑工程为多级的子作业，子作业则占用对应的实体与工作的空间。其中工作的空间根据工程管理人员依据操作需要，对空间进行扩展参数的设置，例如［(αx，αy，αz)，β，（d，l）（r，γ）］。最后再与实体空间进行结合得出包围盒模型V。

3.3.3 进度空间的占用模型

而对于装配式建筑的施工作业对空间占用的实际需求来讲，其存在一定的可更新性，所以不能只重视对工作业空间的占用，还应当考虑叠加施工作业进度的相关信息，即将时间维度融合到3D作业空间的模型，建立4D 作业的空间占用模型，具体如公式（6）：

公式中：ts—表示相关施工作业的开始时间；tf—表示相关施工作业的结束时间。

3.4 作业空间冲突识别的混合算法

通常在实践中，大部分建筑的结构规则呈现作业空间为轴向立方体，可以使用混合轴向包围盒碰撞检测的算法来对作业的空间是否冲突进行检测判断。而有一部分建筑具有非轴向的预制构配件存在，所以需要使用有向包围盒碰撞检验的算法。但由于混合轴向包围盒的检测算法非常的简单便捷，所以在对作业空间的冲突进行识别时可以运用混合轴向包围盒的检测算法计算。本文则把混合轴向包围盒与有向包围盒进行混合，针对待识别的空间占用模型Vi及Vj利用判断施工的时间和位置坐的标开展冲突识别算法优化。

4.基于BIM 的作业空间冲突识别实现分析

通过使用Navisworks 软件来对装配式建筑项目WBS 分解和4D 进度计划编制，再运用Navisworks SDK 工具包对工作空间加以生成，然后对实际作业的空间冲突进行相应的检验。图5 显示为技术架构图。

图5 冲突识别架构设计

针对装配建筑吊装的作业施工进度开展分析，首先利用Navisworks 对项目文件进行读取，主要为楼体地理的空间与WBS 相关信息。然后再开启时空冲突的检测插件，最后读取WBS 信息，并查找及保存并行的全部工序。

在施工作业的空间生成模块中，依据不同的施工交互方式进行对操作空间实际的需求判断，最后再对工作空间扩展方式和系数进行设定。实验时把在关键位置的施工工序上的施工活动权重全部设成2，而其他则为1。

当对操作空间进行批量的生成之后，利用空间冲突的检测模块检测出全部有时空冲突的并行工序，然后再对冲突的严重性进行计算。本文把θ1与θ2分别设置1 和10，即轻度的冲突为I∈［0，1］，中等的冲突为I∈［1，10］，严重的冲突为I ≥10。

最后通过软件的实验分析表明，上述提出的算法，即作业空间自动生成法，能够将施工作业的空间模型较好地展现出来，与此同时，对于空间冲突的检测也能完全准确地识别出来。但该算法和检测冲突的流程只对工期重叠进行了检测，减少了计算量，而运用混合轴向包围盒与有向包围盒为基础的碰撞检测算法，能够较大的减少检测计算的难度，并且工作的效率高，以后可以在装配式建筑工程项目中实践运用。

5.结论

本文通过上述对装配式建筑并行施工时作业空间的冲突进行深入的分析，对作业空间的冲突原因和类型予以明确，并提出混合轴向包围盒与有向包围盒融合的冲突识别算法，经过应用表明其效果较为准确，能够有效地识别空间冲突，由此优化后续的施工。