本发明涉及建筑施工，特别涉及一种群塔选型及平面布置方法。
背景技术：
1、塔式起重机（简称塔吊）是建筑施工中不可或缺的吊装设备，尤其是在高层建筑和大型工程项目中。塔吊的合理选型和布置直接影响到施工效率和工程成本。传统的塔吊布置方法往往依赖于经验和简单的几何布局方法，施工效率不高，成本偏高，难以在复杂的施工环境中实现最优布局。随着建筑工程规模的扩大和复杂性的增加，如何在保证施工安全和效率的前提下，优化群塔的选型和平面布置，从而降低起吊成本，成为当前建筑工程施工技术领域的重要研究课题。其中群塔是指两台或两台以上的塔吊在同一施工地点工作，并且有共同覆盖的区域。
2、目前在建筑工程项目的前期规划阶段，常用的塔吊布置方法主要包括经验法和几何法。经验法依赖于工程师的经验和直觉，虽然简单快捷，但缺乏科学依据，容易出现多次返工修改，导致人力和时间成本的浪费。几何法通过简单的几何计算确定塔吊位置，适用于简单的施工场地，但在复杂环境中效果不佳。同时，几何法也需要先依赖经验进行群塔的初步选型，难以找到最优的群塔选型和平面布置方案。此外，现有方法普遍无法快速精准评估塔吊选型和布置对起吊成本的影响，难以实现真正的成本优化。
技术实现思路
1、本发明的目的是，提供一种群塔选型及平面布置方法，以解决如何在保证施工安全和效率的前提下，优化群塔的选型和平面布置，从而降低起吊成本的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种群塔选型及平面布置方法，包括：
3、步骤1：建立塔吊型号参数库；
4、步骤2：解析塔吊施工平面图；
5、步骤3：确定塔吊塔身中心的平面位置边界范围；
6、步骤4：设立群塔平面布置约束条件和优化目标；
7、步骤5：采用改进的遗传算法确定群塔选型及初步平面布置；
8、步骤6：采用梯度下降法优化平面布置。
9、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在所述步骤1中，建立塔吊型号参数库的方法为：收集可供租赁使用的附着式塔吊型号，记录各塔吊型号的起重臂长和租金，则塔吊型号可表示为，在此基础上整合建立塔吊型号参数库。
10、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在所述步骤2中，解析塔吊施工平面图的方法包括：
11、步骤2.1：解析塔吊施工平面图，获取塔吊施工平面图中建筑红线、施工道路、附属设施和拟建建筑的图形轮廓线参数信息；
12、步骤2.2：以建筑红线左下角顶点为坐标原点(0,0)，建立平面直角坐标系；
13、步骤2.3：在平面直角坐标系中，设定矩形区域，该矩形区域在横轴x轴上的范围取建筑红线在横轴x轴上的投影范围，在纵轴y轴上的范围取建筑红线在纵轴y轴上的投影范围,则矩形区域表示为；对矩形区域进行网格划分，按预定间距将该矩形区域划分为多个矩形网格，标注矩形网格的各顶点并对各顶点进行编号。
14、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在所述步骤3中，确定塔吊塔身中心的平面位置边界范围的方法包括：
15、步骤3.1：根据步骤2中解析得到的施工平面图的图形信息，建立塔吊施工平面图中建筑红线、施工道路、附属设施和拟建建筑的图形轮廓线函数 f；
16、步骤3.2：在塔吊施工平面图中沿着建筑红线、施工道路、附属设施和拟建建筑的图形轮廓线的法线方向扩展水平安全距离，得到塔吊塔身中心的平面位置边界轮廓线函数，由此确定建筑红线内塔吊塔身中心的平面位置边界范围为；
17、步骤3.3：筛选步骤2中划分的矩形网格的各顶点，取平面坐标在边界范围中的部分顶点，形成塔吊塔身中心的可选点位集合。
18、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在所述步骤4中，设立群塔平面布置约束条件和优化目标的方法包括：
19、步骤4.1：设立群塔平面布置时的约束条件，包括：
20、步骤4.1.1：根据公式（1）验算确定任一塔吊起重臂端部与相邻塔吊塔身中心的水平距离满足规范要求；
21、 （1）；
22、式中，是塔吊和塔吊塔身中心的水平距离；,和,分别是塔吊和塔吊塔身中心的横纵坐标值；,分别是塔吊和塔吊的起重臂长；是规范要求的塔吊起重臂端部与相邻塔吊塔身中心的水平安全距离；
23、步骤4.1.2：将任一拟建建筑的建筑平面被塔吊起重范围完整覆盖；
24、步骤4.2：设立群塔平面布置的优化目标，包括：
25、步骤4.2.1：根据公式（2）确定所有塔吊的租赁费用之和；
26、 （2）；
27、式中，是所有塔吊的总租赁费用；是群塔平面布置方案中塔吊型号的种数；是塔吊型号为的塔吊数量；是塔吊型号为的租金；
28、步骤4.2.2：根据公式（3）和公式（4）确定群塔交叉作业面积比
29、 （3）；
30、 （4）；
31、式中，是群塔平面布置方案中总的塔吊数量；是群塔交叉作业面积比；是塔吊和塔吊的交叉作业面积；是塔吊的作业面积；
32、步骤4.2.3：综合考虑两个优化目标，得到群塔平面布置的目标函数为公式（5）；
33、 （5）；
34、式中，是群塔平面布置的目标函数。
35、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在所述步骤5中，采用改进的遗传算法确定群塔选型及初步平面布置的方法包括：
36、步骤5.1：使用二进制编码法对单个群塔平面布置方案进行编码，其中编码采用公式（6）；
37、 （6）；
38、式中，是单个群塔平面布置方案个体；、分别是第一种和第n种塔吊型号的编号的二进制表示；、分别是塔吊型号为、的塔吊数量的二进制表示；、分别是塔吊型号为的第一台和第台塔吊塔身中心所在点位的编号的二进制表示；、分别是塔吊型号为的第一台和第台塔吊塔身中心所在点位的编号的二进制表示；
39、步骤5.2:初始化种群，预设种群的初始个体数为，利用随机数生成各个个体，并过滤不符合步骤3.3和步骤4.1的个体，直至达到初始个体数；根据公式（7）建立评价个体适应度的适应度函数；
40、 （7）；
41、式中，是个体的适应度值，是个体的目标函数值；
42、按照适应度函数，计算种群中每个个体的适应度；
43、步骤5.3：选择适应度值前10%的优秀个体，针对每个个体进行局部搜索优化，小幅度调整个体中的塔吊型号、数量或位置，过滤无效个体及不符合步骤3.3和步骤4.1的个体，产生个体的邻域个体集合；
44、步骤5.4：针对每个个体，计算集合中每个邻域个体的适应度值，取其中适应度值最高且高于原个体适应度值的邻域个体，将其替换掉原本的个体；
45、步骤5.5：保留替换后的优秀个体，直接进入下一代；
46、步骤5.6：采用轮盘赌选择作为选择算子，使每个个体进入下一代的概率等于它的适应度值与整个种群中所有个体适应度值之和的比例，从中选择适应度较好的个体进入下一代；
47、步骤5.7：采用多点交叉作为交叉算子，在塔吊型号编号、对应塔吊型号塔吊数量和各台塔吊的塔身中心所在点位的编号的二进制编码末尾分别设置交叉点，再在个体间进行基因交换，产生新的个体，并过滤无效个体及不符合步骤3.3和步骤4.1的个体；
48、步骤5.8：采用基本位变异作为变异算子，对个体上任意一处按一定变异概率做变异运算，产生新的个体，并过滤无效个体及不符合步骤3.3和步骤4.1的个体；
49、步骤5.9：将步骤5.3至5.8产生的新个体聚合，组成新的种群；
50、步骤5.10：重复步骤5.2至5.9，直到出现个体达到适应度阈值，将该个体作为项目的群塔选型及初步平面布置方案。
51、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在步骤6中，采用梯度下降法优化平面布置的方法包括：
52、步骤6.1：对步骤5.7输出的群塔平面布置方案个体，塔吊型号和对应塔吊数量已确定，对各台塔吊的塔身中心进一步迭代细化，首先根据公式（8）将该个体按新的形式进行表示；
53、（8）；
54、式中，是个体的新表示；、分别是第一种和第n种塔吊型号的编号；、分别是塔吊型号为、的塔吊数量；、和、分别是初始状态中塔吊型号为的第一台和第台塔吊塔身中心所在点位的横纵坐标；、和、分别是初始状态中塔吊型号为的第一台和第台塔吊塔身中心所在点位的横纵坐标；
55、步骤6.2：进行梯度下降迭代更新，以逐步优化各台塔吊的平面布置；根据已确定的塔吊型号和对应塔吊数量修正原本的目标函数，得到新的目标函数为公式（9）；
56、 （9）；
57、式中，是新的目标函数，是群塔交叉作业面积比；
58、假设当前是第次迭代，对于每一台塔吊，计算新的目标函数关于坐标的梯度，得到目标函数在该点的偏导数为；
59、根据计算得到的偏导数，更新每一台塔吊的塔身中心，具体计算公式（10）为：
60、 （10）；
61、步骤6.3：根据公式（11）计算总的梯度范数；
62、 （11）；
63、式中，是总的梯度范数，是新的目标函数在该点的偏导数；
64、步骤6.4：重复步骤6.2至6.3，在每次迭代后，判断梯度范数是否小于设定的阈值，如果满足条件，则认为梯度下降过程收敛，输出当前各台塔吊的塔身中心，作为最终的群塔平面布置。
65、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在步骤2.2中，以建筑红线的其它顶点代替左下角顶点为坐标原点(0,0)，建立平面直角坐标系。
66、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在步骤2.3中，将该矩形区域划分为多个矩形网格的预定间距为5m。
67、进一步地，本发明提供的群塔选型及平面布置方法，在步骤6.2中，采用学习率，作为每次迭代时塔吊塔身中心横纵坐标更新的步长大小。
68、与现有技术相比，本发明提供的群塔选型及平面布置方法的有益效果如下：
69、1、通过综合考虑建筑红线、拟建建筑及其他相关因素，优化塔吊的选型和数量，最终确定各塔吊塔身中心的平面坐标，优化了塔吊的选型和布置，达到了降低施工成本和提高施工安全性的效果。
70、2、通过解析塔吊施工平面图并设立合理的边界范围进行约束验算，确保了塔吊布置的安全性和合理性，节省了人工反复校核的时间。
71、3、设立多目标优化的目标函数并采用遗传算法进行群塔选型及初步平面布置，可实现快速选型，降低了塔吊总体租赁成本，相较人工选型，有效减少返工次数。
72、4、通过梯度下降法优化塔吊平面布置，显著减少塔吊间交叉作业面积，保障施工安全。
73、5、结合了多目标优化和动态调整机制，旨在通过建立数学模型和优化算法，综合考虑塔吊的选型、平面布置和起吊成本，在快速初步确定群塔平面位置的基础上进一步细化，最终实现群塔布置的全局优化。
74、6、本发明能够降低施工成本，提高施工效率，确保施工安全，能够在满足施工要求的前提下，最大限度地减少塔吊的使用数量和起吊成本，从而为建筑塔吊施工提供一种高效、经济的解决方案。
1.一种群塔选型及平面布置方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在所述步骤1中，建立塔吊型号参数库的方法为：收集可供租赁使用的附着式塔吊型号，记录各塔吊型号的起重臂长和租金，则塔吊型号可表示为，在此基础上整合建立塔吊型号参数库。
3.根据权利要求2所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在所述步骤2中，解析塔吊施工平面图的方法包括：
4.根据权利要求3所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在所述步骤3中，确定塔吊塔身中心的平面位置边界范围的方法包括：
5.根据权利要求4所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在所述步骤4中，设立群塔平面布置约束条件和优化目标的方法包括：
6.根据权利要求5所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在所述步骤5中，采用改进的遗传算法确定群塔选型及初步平面布置的方法包括：
7.根据权利要求6所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在步骤6中，采用梯度下降法优化平面布置的方法包括：
8.根据权利要求7所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在步骤2.2中，以建筑红线的其它顶点代替左下角顶点为坐标原点(0,0)，建立平面直角坐标系。
9.根据权利要求7所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在步骤2.3中，将该矩形区域划分为多个矩形网格的预定间距为5m。
10.根据权利要求7所述的群塔选型及平面布置方法，其特征在于，在步骤6.2中，采用学习率，作为每次迭代时塔吊塔身中心横纵坐标更新的步长大小。
