第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
经济综合实力在不断增强的同时，建筑产业也在改变现状，逐步加大信息化管理水平[1]。据中国统计年鉴相关数据可知：到 2020 年底，我国建筑业总产值大约72996 亿元，建筑业总产值持续递增，是国民经济中具有支撑地位的产业。如图 1-1 所示：
图 1-1 2016-2020 年建筑业增加值及其增速
塔吊作为重要的施工设备，是完成吊运钢筋、模板等整个建筑所需材料的必备机械，如何快速选择和合理布置已成为施工现场布置中的重要难题。为了达到减少资金消耗和安全风险的目的，同时还便于施工效率及现场的安全管理水平得到提高，必须通过科学、便捷方法使高成本设备加以利用和管理。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 BIM+智能优化算法国内外研究现状
现代建筑形状独特、施工工艺要求高，靠单一又传统的技术难以解决技术难题。随着智能算法的出现，使复杂的问题变得简单化，它的应用领域极其广泛。因此，越来越多的科研人员借二者优势做了很多创新研究。
2006 年，Aiello G[5]提出了遗传搜索算法和 Electre 结合应用来解决问题。
2013 年，Isikdag U[6]提出一种新的面向建筑信息模型的建模方法，定义了一种新的基于 BIM 的室内导航模型（BO-IDM）
2014 年，Nan L 与 Becerik-Gerber B 以及 Krishnamachari B[7]等人制定了一个安全的疏散系统，集成了 BIM 技术和 EASBL 算法，这不仅缩短了救援人员找到获救人员时间，而且还提供了基于周围环境条件救援和疏散计划。同年，Astour H[8]等人在论文中，总结了前辈使用计算机技术进行建筑工地规划的成就，并讨论了将BIM 应用于建筑工地布局的必要性。Faghihi V[9]等人把施工进度表生成器算法与BIM 结合以构建三维模型，优化了施工成本问题。
2015 年，Wang J[10]等人将 BIM 与 firefly 算法相结合，从实用、经济、安全的角度对塔吊布局规划进行了改进。
2016 年，Marzouk M 和 Abubakr A[11]在塔吊的规划中，将 BIM 和遗传算法相结合，基于 BIM 模型并应用碰撞检测技术，开发了 4D 平面来验证起重机的位置。
2019 年，Kim,T H[12]等人对当前 Scan-to BIM 任务实现 As-Build BIM 存在的问题进行综述，并提出如何改进。随后，Liu J L[13]等人采用 3 种改进的群智能算法(SI)对无人作战飞机(UCAV)进行最优路径规划。
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第 2 章 塔吊位置规划研究理论与方法
2.1 施工现场管理主要问题
2.1.1 施工现场及塔吊布置问题
如今伴随着建筑业大力发展，施工现场的可利用空间大小会对建筑活动顺利的进行产生严重的影响。施工场地可利用空间变得尤其紧缺，所以有必要找到施工现场存在的问题，将空间资源在开始施工之前得到较为合理的布置安排，对提高建筑质量安全性，减少施工成本、降低安全风险有重要意义。因此，施工现场需要深度考虑这些存在的问题对施工现场的影响，才有利于实现施工现场管理的高效性。
为了提高施工现场安全管理的水平，必须要清楚其中存在的问题。总结以往施工现场经验，存在的问题主要有：
（1）施工现场设施布置比较集中，不仅要满足表面上看起来整齐规范，而且需要充分考虑材料供应区各种材料之间的堆放联系。如果施工现场塔吊与钢筋成品堆放区、木材和脚手架堆放区都比较远，这不仅会降低塔吊吊运过程的使用效率，使施工过程中需求区材料供应不方便，还增加了吊运时间同时增加施工成本。
（2）现场施工作业时，不能忽略现场安全影响因素，施工现场特别需要注意塔吊布置问题。如果塔吊布置在现场生活区附近，对现场施工人员来说有很大安全隐患。所以施工现场塔吊的布置，应充分考虑安全性，使塔吊布置尽量远离施工人员生活密集区。
（3）施工现场场地范围有限，钢筋、模板等废料堆放区如果占用大量现场面积，造成废料堆放占用面积过大，影响有效施工场地使用率，并且在施工过程带来运输的不便。为了能够使施工活动顺利进行，通常情况可以减少废料堆放区集中堆放面积，增加废料堆放区数量，优化施工场地使用。
（4）施工现场空间规划受限，以往的施工现场布置按照管理人员的经验及统计情况对施工现场进行空间规划。现阶段随着建筑行业发展，建筑体量增大，楼层增加及相应的楼层功能区数量增多，管理人员的经验统计往往不能满足施工需要，如果按照传统经验规划，通常造成空间规划不合理、空间浪费等情况，会产生诸多不便因素，造成额外的施工成本消耗。
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2.2 塔吊的选型
施工现场编制塔吊施工方案首先要进行的是塔吊选型，根据施工组织设计工期要求及现场实际情况，进行塔吊种类的选择及施工，选型时应满足以下条件：
（1）主要参数必须符合施工需要；
塔吊选型参数依据：工作幅度、起升高度、起升速度、起升重量。
（2）综合考虑、择优选用；
2.2.1 工作幅度
塔吊工作幅度受塔吊臂长的影响，臂长大说明工作幅度大，塔吊覆盖半径为以塔吊中心点至塔吊吊运距离最远的某一点，塔吊臂工作幅度一般为 40m-50m，覆盖半径区域内形成塔吊覆盖面。例如 50 型号的塔吊，塔吊臂长 50m，小车吊运最远点运行半径为 50m。塔吊覆盖面是塔吊臂长半径绕塔吊中心点旋转一周构成的圆形调运范围，覆盖面与现场供应区与需求区的划分有关。
施工现场塔吊布置尽可能全部覆盖拟建建筑物，为了施工方便、缩短工期和控制成本，还要保证现场供应区内的材料堆场（钢筋、模板、木方、钢构件）及部分材料加工场地在覆盖面内。
2.2.2 起升高度
塔吊起升高度是吊钩从起吊点到最高点运行的垂直距离，为保证吊运安全，此距离应该大于拟建物的总高度及附加高度。附加高度是拟建物顶端到塔吊臂之间距离，附加高度包括 h1、h2，如图 2-1 所示塔吊起升高度。
图 2-1 塔吊起升高度图
第 3 章 基于 BIM 的塔吊布置方案设计.............................33
3.1 工程案例.............................33
3.1.1 工程概况.............................33
3.1.2 工程特点.............................33
第 4 章 基于粒子群算法的塔吊布置方案计算............................42
4.1 数学模型建立............................42
4.1.1 问题分析............................42
4.1.2 目标函数............................42
第 5 章 BIM 技术在现场安全管理中的应用....................55
5.1 施工空间冲突分析....................55
5.2 施工现场平面布置优化....................55
第 5 章 BIM 技术在现场安全管理中的应用
5.1 施工空间冲突分析
建筑工地的建设是在一系列的活动下进行的，要想保证这些活动以安全高效的方式进行，就必须有一定的空间供其使用。这种空间占用不一定就是固定的，施工阶段的改变，空间分布也不尽相同。空间冲突一旦发生，除影响施工进度外还可能发生伤亡事件。在此选择塔吊吊运过程中空间冲突进行重点分析。
本工程 B 座主体为钢结构，大量钢构件需要从供应区进行起吊，尤其在进行复杂区域大型钢梁、钢柱吊装时，从起吊点到安装区域之间，稍有不慎可能发生倾斜、脱钩坠物等现象，存在较大的安全风险，如图 5-1 为设备空间占用图。利用空间冲突分析施工技术可以为空间管理提供可视化的表达，并且为施工过程中的安全区域划分提供了依据[，有助于避免发生物体坠落、机械交叉冲突等事件[50]。
图 5-1 设备空间占用图
结论与展望
结论
本文通过总结施工现场塔吊布置及使用问题，可知应用 BIM 技术与智能算法结合解决塔吊布置及使用中的问题是非常必要的，将二者结合应用也是一个新的研究方向。因此，提出了 BIM 和智能算法综合应用方案，并将其应用于实际案例当中，证明了方案的可行性与适用性。主要成果如下：
（1）分析了塔吊布置及使用中存在的问题，总结了 BIM 技术应用于塔吊布置与安全管理中的优势，借此提出了 BIM 和智能算法综合应用方案，为今后的 BIM技术的发展提供新的研究方向。
（2）结合具体实际工程，说明本文塔吊布置方案设计及计算过程是可行性。充分利用 BIM 技术具备的可视化和参数化的特性，将塔吊布置规划过程中所需要的数据与信息从 BIM 模型中提取出来，建立使塔吊运行成本最小为目标的数学模型并利用 Matlab 粒子群算法求解塔吊的布置规划问题，可为其他工程塔吊布置方法提供借鉴。
（3）证实了 BIM 技术与粒子群算法综合应用优势，将二者的优势特点融合使用，可以更好地解决工程中的实际问题，节省了人力资源，使管理人员对现场塔吊的安全管理更加方便。
（4）充分表述出塔吊布置方案的合理性。利用 BIM 技术，从施工空间冲突分析、施工现场平面布置优化，塔吊施工过程可视化管理、安全技术交底及教育培训三方面进行阐述，表明塔吊安全管控实施策略，达到了将塔吊布置方案应用于现场的目的，也提高了现场安全管理效率。
参考文献（略）