摘要:对泵送混凝土施工机械的组合方案进行了评价分析,给出了其优化方案的目标,提出用系统模拟方法,建立混凝土运输系统模型并求解确定泵送混凝土施工机械的优化组合方案。
关键词:系统模拟;泵送混凝土;施工机械;混凝土运输系统;优化组合
中图分类号: TU602 文献标识码: B 文章编号: 1007 - 0834 (2007) 04 - 0045 - 02
混凝土施工方法是混凝土泵、搅拌运输车、搅拌机、振捣机械的综合作业,其技术性强,机械化程度高。 对于这种综合机械化的作业方式,如何合理的配套组合各施工机械,以提高泵送混凝土的生产率及各机械的作业效率,降低混凝土施工成本就成为泵送混凝土所要重点解决的问题。 施工机械合理组合的原则是:以主作业机械为基准,其他从属机械都应以确保主作业机械充分发挥效率为选配标准。 对于泵送混凝土施工,其主作业机械为混凝土泵,其他为从属作业机械。 因此,在混凝土施工方案中首要确定的就是泵机类型及数量。本文尝试通过建立混凝土运输系统的模型,用系统模拟的方法求解不同机械组合下的混凝土生产率及各机械的利用率指标,在此基础上选择出最优方案。
1 泵送混凝土施工机械配套方案的评价及影响因素
泵送混凝土施工机械方案的评价主要包括技术性评价和经济性评价。 在此,提出以下两项评价指标———工期和费用,同时,给出方案最优化的模型。
1. 1 工期及影响因素
T = V /R (1)
式中, T为工期( h) ; V 为混凝土量(m3 ) ; R 为混凝土浇筑速度(m3 /h)。
R = S ×P (2)
式中, S为泵机数量(台) ;户为泵机生产率(ma /h·台)。可见,对于特定工程,其混凝土施工工期主要取决于所用泵机的数量及生产率。 生产率又取决于泵机的型号。 同时,混凝土的供应情况也直接影响施工工期,混凝土的供应情况主要取决于运输车的容量、数量、运输时间,搅拌站的供应能力及出料口个数。 在此需要说明,因为考虑到施工实际情况,振捣、养护对工期的影响在此不做考虑。
1. 2 费用及影响因素
施工费用包括直接费和间接费。 直接费由人工、材料和机械费组成。 对于泵送混凝土施工,根据实际情况,人工费,材料费仅与混凝土量有关。 一般情况下,混凝土搅拌运输车由商品混凝土搅拌站提供,所以,对于特定工程,混凝土施工费主要受泵机费用、布料机等辅助机械费用和间接费的影响。
1. 3 泵送混凝土施工机械配套选择的最优化数学模型
泵送混凝土施工机械配套组合的目标是:在满足工期要求条件下,使施工费用最小。 其数学模型如下:
目标函数
Z = min C = min ( Σki / Tj ×Sj + k0 ×Tj )
约束条件
Tj = (Sj, Pj ,M j , N j ) ≤ T0
M j < M0
N j < N0
式中, ki 为第i类型泵机的施工单价(元/h) ; Sj为方案j的泵机数量(台) ; k0 为间接费单价(元/h) ; Pj 为方案j的泵机生产率(m3 /h·台) ;M j为方案j的搅拌运输车数量(台) ;M 为搅拌站可提供的搅拌运输车数量; Tj 为方案/的工期( h) ; N j为方案j的搅拌站出料口个数; N0 为搅拌站出料口的最大值; T0 为要求的工期( h)。
综上分析,要得到最优的机械组合方案,就是要确定泵机型号、数量,运输车容量、数量及搅拌站出料口个数,使在此机械组合下,既满足工期要求,同时使施工费最低。
2 混凝土运输系统模拟
为了求得最优的机械组合配套方案,建立了混凝土运输系统模型,并用VB语言编制了模拟程序。 通过计算机模拟,求得不同机械配套组合下的泵机生产率、泵机数量及搅拌运输车的数量、利用率及搅拌站出料口个数、搅拌站的利用率等指标,以便通过前述施工机械组合方案的优化模型求得实际系统机械组合的最优解。
2. 1 混凝土运输系统模型
此模型为四级有限源服务系统。 在系统中,假定:
(1)服务规则为等待制,先到先服务。
(2)系统中所有车辆依次接受各级服务,接受服务后,马上进入下一级服务系统,一直持续下去,构成一个闭合循环回路,直到规定时间为止。 其中,对于重车运行系统,需根据具体施工温度等确定其上限。 一旦时间超过此上限,则此车辆不得进入泵送系统,而是立即倒掉,然后进入空车返回系统。
(3)如果将前述倒掉混凝土视为泵送系统的特例,则系统中的车辆在每一循环中所经过的服务机构的次序及数量一定。
(4)装车系统和泵送系统为单队多服务台,其中顾客为搅拌运输车,服务台为搅拌站出料口和混凝土泵;重车运行和空车返回可视为有无穷多个服务台,但需考虑交通阻塞等的影响。 根据历史统计资料,用数理统计方法求得运行时间的分布,对于装车和压送系统的服务时间也同样求得其分布。
2. 2 运输系统模拟方法
上述混凝土运输系统属于离散系统,因此采用“最小时钟值”的时间步长法进行模拟。 其基本思想是:在系统中若存在一系列性质不同的事件,其中发生的时刻距模拟钟初始点最近的事件即为“最小时钟值”事件。 以最小时钟值事件的时间为补偿,按时间的进展,一步步地对系统行为进行模拟。 因为是随机模拟,应着重解决随机变量的生成和模拟精度的控制问题。
2. 2. 1 模拟精度的控制
有了正确的模拟模型和程序,并不一定能保证模拟结果可信。 在本系统中,因许多输入变量为随机变量,而输出结果也属于随机变量。 每次模拟运行得到的结果,就是抽样所得的样本值及抽样数据的统计结果,它与总体统计特性间会存在误差。 为保证模拟输出结果的可靠性,需对其进行适当的统计分析与估计。 设N 为运行次数, X为输出变量,可求得N次运行的样本均值、方差、区间估计,以此作为模拟结果[ 1 ]。
2. 2. 2 随机变量的生成
利用计算机提供的伪随机数R, 根据随机变量X 的分布,确定相应的随机变量的产生办法。 本系统涉及的主要为正态分布和负指数分布,具体生成方法如下:
(1)负指数分布的随机变量
利用逆变换法[ 2 ] : X = 1 /λ ×log R
(2)正态分布的随机变量
利用直接变换法[ 3 ] : X = (一2 log R ) 1 /2 ×cos ( 2πR )×σ +V
3 工程实例
某工程的混凝土施工采用泵送混凝土。 可供选择的泵机有以下两种: ①HBTl00,理论排量为100 m3 /h,数量为1台;②SHC57型,理论排量为57 m3 /h,数量为3台。 根据总工期的安排,本工程各施工段混凝土用量小于600 m3 ,浇筑时间控制在10 h～12 h之间,也就是要求浇筑速度为( 50～60)m3 /h。 选择1个搅拌站距现场20 km,供应能力180 m3 /h,运输车容量为6 m3 ,车的可用数量在18台以内。 经统计资料分析,搅拌站的装车时间服从均值为6。 5 min的负指数分布;从搅拌站到现场的重车运行时间服从均值为32 min的正态分布;现场混凝土压送时间服从均值为8 min和12 min的负指数分布;空车返回时间服从均值为28 min的正态分布。 对此工程进行了运输系统的模拟试验,采用终点模似。 模拟开始时,所有搅拌运输车均在搅拌站排队待装,模拟运行100次,各机械利用率方差在0. 01,泵生产率方差在0. 5以内. 如果限定运输车数量为16台, SHC57、HBT100泵机的施工单价分别为35元/h、50元/h,那么最优方案为:两种型号泵机各1台. 其费用经过计算为最小。
4 结语
通过建立混凝土运输系统的模型,用系统模拟的方法求解泵送混凝土施工机械的优化组合方案是切实可行的。
参考文献
[ 1 ]方再根。 计算机模拟和蒙特卡罗方法[M ]。 北京:北京工业出版社, 1988.
[ 2 ]齐东海. 港口工程系统分析方法[M ]. 北京: 人民交通出版社, 1990.
[ 3 ]牟宏远. 商品混凝土生产与泵送混凝土施工[M ]. 北京:中国铁道出版社, 1987.
Research on Optimum Reorgan ization in Pumped Concrete ConstructionMachinery
MA Shuyin, GUO Bing
(Supervisal S tation of B uild Engineering Quality of X inx iang City in Henan Province, X inx iang 453003,China)
Abstract: The essay app raises and analyzes the reorganization scheme of construction machinery for pumped com2 crete and sets up the aim of op timum scheme. It is also advanced that the op timum reorganization scheme of con2 struction machinery for pumped concrete can be determined by using the system simulation method and establishing the model of concrete transporting system. Key words: system simulation; pumped concrete; construction machinery; concrete transporting system;op timum reorganization
