Automation in Construction 73 (2017) 166–174
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Automation in Construction
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / a u t c o n
Construction worker hoisting simulation for sky-lobby lifting system
Minhyuk Jung a, Jooyong Moon b, Moonseo Park b, Hyun-Soo Lee b, Seon U Joo b, Kwang-Pyo Lee b,
- Department of Civil Engineering and Environmental Engineering, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul, Republic of Korea
- Department of Architecture and Architectural Engineering, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul, Republic of Korea
ARTICLE INFO
Article history:
Received 19 October 2015
Received in revised form 14 October 2016 Accepted 23 October 2016
Available online 27 October 2016
Keywords:
High-rise building construction
Construction lift system
Construction worker hoisting
Discrete event simulation
ABSTRRACT
Effectively transporting construction workers to their workspaces located at height is crucial in high-rise building constructions because excessive hoisting time can lead to productivity loss and schedule delay. High-rise building constructions are characterized by a small number of hoisting equipment and a large amount of construction re-sources to be hoisted. Accordingly, a sky lobby system has been applied in high-rise building construction sites to increase the performance of lift systems. However, the performance of sky lobby systems can be significantly changed according to the configuration factors, such as the number of shuttle and local lift cars and the sky lobby floor location. Nevertheless, previous studies did not yet focus on the relationship between these factors and the performance of sky lobby systems. Therefore, we examined herein that relationship by using a discrete event simulation method. Through the simulation experiment, we found that the configuration parameters could have a significant influence on the system performance. The configuration parameters showed non-linear and complex patterns in the lifting performance, thereby making it difficult to find an effective configuration method to increase the performance of lift systems and even deteriorating the performance of lift systems in the commonly used range of configuration parameters. Therefore, the configuration parameters of the sky lobby system should be more carefully planned with quantitative methods before being applied to high-rise building constructions.
copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.
1. Introduction
Supplying the right quantity of construction resources at the right time to workspaces located at heights is crucial in building construction projects [1]. Transporting construction workers, one of the most impor-tant resources for construction, to their workspaces particularly has a possibility to affect the construction schedule [2]. The hoisting time of workers is included in the working hours. Hence, construction workers, who spend much time on moving, obtain less working time, which can negatively affect the construction productivity [2]. Furthermore, the construction lift cars used for hoisting workers are also used for hoisting other types of construction resources, such as construction materials and equipment, during the working time. Therefore, excessive time al-location for hoisting workers can interrupt other types of resources to secure the availability of lift chairs. Consequently, construction tasks can be delayed in the form of material shortage. The daily manpower in high-rise building constructions is relatively larger than that in other types of constructions. Meanwhile, increasing the number of
Corresponding author.
E-mail addresses: archidea914@snu.ac.kr (M. Jung), jooyong.moon@gmail.com
(J. Moon), mspark@snu.ac.kr (M. Park), hyunslee@snu.ac.kr (H.-S. Lee), qtsun@paran.com (S.U. Joo), leekp86@hotmail.com (K.-P. Lee).
http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2016.10.002 0926-5805/copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.
construction lift is limited because of the insufficiency of equipment in-stallation space and the additional installation cost. Accordingly, the construction schedule in high-rise building constructions tends to be easily affected by the hoisting of workers.
Many previous studies were conducted to improve the performance of lift systems in a manner of controlling the range of service floors of lift cars. One of the most well-known types of lift systems is the sky lobby system [3]. This system comprises shuttle lift cars that travel between lobby floors and local lift cars that serve the floors in a local zone. This system in high-rise buildings poses a bigger possibility to shorten the cycle time of lift cars compared to other lift systems (e.g., zoning lift sys-tem) [3,4]. In addition, this system is possible to efficiently utilize a space for installation of lift cars because two or more lift cars that serve in different local zones are able to share one hoistway [5]. This sys-tem is increasingly being applied to high-rise buildings because of such advantages [6].
Previous studies on the lift system agreed with
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建筑自动化
露天大厅升降系统内建筑工人的吊装仿真
摘要：
有效地将建筑工人运送到高处的工作空间是高层建筑结构的关键，因为过度的提升时间可能导致生产力损失和进度延迟。高层建筑的特点是少量的起重设备和大量的建筑资源被吊装。因此，在高层建筑施工现场已应用天空大厅系统以增加升降系统的性能。然而，天空大厅系统的性能会根据配置因素而显著改变，诸如穿梭和本地升降轿厢的数量以及天空大厅楼层位置。然而，以前的研究尚未关注这些因素与天空大厅体系的表现之间的关系。因此，我们通过使用离散事件模拟方法在这里检查了这种关系。通过仿真实验，我们发现配置参数可能对系统性能有重大影响。配置参数在提升性能中显示非线性和复杂的模式，从而使得难以找到有效的配置方法来增加提升系统的性能，甚至在通常使用的配置参数范围中劣化提升系统的性能。因此，在应用于高层建筑结构之前，应该通过定量方法更加仔细地规划天空大厅系统的配置参数。
- 介绍
在适当的时间为高空的工作空间提供足够数量的施工资源对于建设项目至关重要[1]。将建筑工人（其中最重要的建筑资源之一）运输到他们的工作空间特别有可能影响施工进度[2]。工人的起吊时间包括在工作时间内。因此，建筑工人花费大量时间移动，获得较少的工作时间，这会对建筑生产率产生负面影响[2]。此外，用于起重工人的建筑升降机轿厢也用于在工作时间内提升其他类型的建筑资源，例如建筑材料和设备。因此，用于起重工人的过多的时间安排可以中断其他类型的资源以确保电梯椅的可用性。因此，建筑任务可以以材料短缺的形式延迟。高层建筑的日常人力比其他类型的建筑相对较大。同时，由于设备安装空间不足和额外的安装成本，增加施工升降机的数量受到限制。 因此，高层建筑结构中的施工进度容易受到工人起重的影响。进行了许多先前的研究以改进电梯系统的性能，以控制电梯轿厢的服务楼层的范围。 最著名的电梯系统之一是天空大厅系统[3]。 该系统包括在大厅楼层之间行进的往返升降轿厢和在本地区域中为楼层服务的本地升降轿厢。 与其他电梯系统（例如，分区升降系统）相比，高层建筑中的这种系统提供了更大的缩短电梯轿厢的循环时间的可能性[3,4]。 此外，该系统可以有效地利用用于安装电梯轿厢的空间，因为在不同的本地区域中服务的两个或更多个电梯轿厢能够共享一个电梯井道[5]。 由于这些优点，该系统越来越多地应用于高层建筑[6]。以前的电梯系统研究同意天空大厅系统的有效性[3,4,6]。 然而，天空大厅系统的一些配置因素（例如，电梯轿厢的服务范围，天空大厅楼层位置以及本地和往返升降轿厢的数量）具有影响建筑物内的个体工人的行进路径的可能性。 天空大厅系统的性能可以根据这些配置因素进行更改。 然而，关于这些配置因素如何以及在何种程度上影响性能的信息很少。 此外，还没有提供如何必须配置电梯系统以在建筑结构中获得更有效的性能。
因此，我们的目的是检查吊装施工人员的天空大厅系统的性能和部件（例如，电梯轿厢和大厅楼层）的结构之间的关系。 首先，先前的文献被审查，以了解天空大厅系统的组件，并确定影响电梯系统的性能的电梯系统组件的配置的重要参数。 第二，使用离散事件模拟（DES）方法开发仿真模型，以评估升力系统配置的各种替代性能。 第三，基于来自实际的高层建筑建筑项目的数据进行模拟实验，以验证模拟模型并检查天空大厅系统的性能和配置参数之间的关系。
- 初步研究
2.1 高层建筑中的天空大厅系统
建筑结构的电梯系统在建造后具有与电梯系统不同的特性。首先，在操作之前，构建电梯系统的升降机需求是不可预测的，并且因此被假定为随特定分配而随机发生。相反，在施工期间电梯系统中的那些可以从施工数据估计，例如每日时间表，工程量和工作生产率。第二，在建筑物电梯系统中提出电梯要求的乘客是建筑工人，他们可以由施工经理控制。因此，控制工人的升力交通（例如，订购乘客上升升降轿厢）是可能的。在各种类型的建筑物构造中，高层建筑物的升降系统倾向于遭受大量的升力需求。由于施工时间紧迫，施工活动同时进行。因此，与其他类型的建筑项目相比，每日电梯需求变得非常大。此外，即使在运输相同数量的乘客时，高层建筑物的大高度也需要更多的时间用于电梯轿厢。因此，高层建筑结构更可能需要过多的提升时间，并且导致生产率损失和调度延迟。高层建筑中电梯系统的低性能是由电梯轿厢往返过程中停靠楼层和起升距离的增加引起的[6]。例如，由乘载和卸载乘客造成的时间损失随着停靠楼层的数量增加而增加。此外，提升时间和停止的机会也随着提升距离的增加而增加。因此，控制这些因素以提高升力系统的性能是重要的。控制这些因素的最重要的方法之一是限制单独的电梯轿厢的服务楼层的范围，并且分区系统是其代表性示例之一。分区系统（图1A）中的建筑物的楼层被分组成两个或更多个局部区域。此外，电梯轿厢服务于主大堂楼层和一个分配给电梯轿厢的本地区域[6]。主大厅中的乘客可以通过乘坐其区域包括其目的地楼层的电梯轿厢来到达其目的地楼层。电梯轿厢的服务范围受区域限制。因此，在这种类型的升降系统中，可以有效地减少停止楼层的数量和提升距离。然而，以前关于升力系统的文献[4,6,7]讨论了这种升降系统的性能可以在具有超过40-60层的高层建筑物中显着减少。作为分区系统的替代方案，天空大厅系统用于高层建筑[8]。天空大厅系统由本地电梯轿厢组成，其仅服务于本地区域内的地板，以及穿梭电梯轿厢，其通过天空大厅将区域彼此连接（图1B）。其起点地板不由下部区域的本地升降轿厢服务的乘客在开始在大厅楼层上行进以到达包括其目的地楼层的上部区域时必须使用往返升降轿厢。因此，乘客需要在天空大厅楼层上转移电梯轿厢。在这种类型的升降系统中的升降轿厢的循环时间可以比在区域升降系统中的循环时间短，因为在上部区域中的局部升降轿厢不必移动到主大厅楼层并且可以减小升程距离。此外，对于周期时间具有负面影响的停靠楼层的数量随着电梯轿厢的服务楼层的减少而减少。相反，以前的研究指出，乘客的旅行时间有可能增加，尽管该系统可以减少电梯轿厢的周期时间，因为在天空大厅楼层上转移电梯轿厢需要额外的时间[6]。用于传送电梯轿厢的等待时间可能受到关于系统部件的配置的各种因素的影响。因此，检查什么类型的和在什么程度上配置因素可以影响高层建筑构造中的天空游廊系统的性能是至关重要的。
图1 分区（A）和天空大厅（B）电梯系统
2.2 电梯系统和配置参数的性能测量
定义电梯系统的性能测量首先是检查性能和天空大厅系统的影响因素之间的关系是至关重要的。 传统上，使用三种性能测量（即往返时间（RTT），处理能力（HC）和间隔（Int））来评估升力系统的性能[6]。 RTT是单个电梯轿厢执行提升操作并返回到大厅楼层所需的平均时间。 HC表示在5分钟内可以运输的乘客的平均数量。 Int被定义为电梯离场之间的平均时间。 这些性能测量的方程由Barney [6]定义如下：
其中H是电梯轿厢到达的最高楼层的平均值; S和P分别是停靠楼层和乘客的平均数; tv和tp分别是在两个相邻楼层之间移动和单个乘客进入或离开汽车的平均时间; ts是关于电梯轿厢的每次停止的复合时间; C是每次旅行的平均乘客数; L是同一组中的电梯轿厢的数量。 这些性能测量提供有用的见解，用于识别影响电梯系统性能的因素，并分析其对这些系统的影响。 Barney [6]通过使用这些性能测量和高层建筑的实际交通数据来评估各种类型的电梯系统。
建筑工人的行走时间，直接影响他们的工作时间和生产力，以及与起重设备的可用性相关的工人的总起升时间，是评估建筑施工现场的升降系统的重要因素目的是尽量减少对高层建筑项目的负面影响。然而，上述性能措施旨在解释电梯系统容量，该电梯系统容量是在指定时间段期间可通过电梯系统转移的乘客的平均数量，而不是转移乘客到他们的目的地。例如，Int描述电梯轿厢到达楼层的频率。然而，乘客的等待时间（其可能是乘客的行进时间的大部分百分比）在这个性能测量可以解释的等待乘客的数量超过电梯系统的容量的范围内。此外，乘客在天空大厅系统中的等待时间更复杂，因为转移到天空大厅楼层根据乘客流入和流出到大厅楼层动态地改变等待线路中的乘客数量。因此，需要新的性能测量来评估建筑升降系统的性能。
Siikonen [3]讨论了在前期研究中使用的性能测量。 作者还定义了在高峰交通中的旅行时间，作为从进行楼层呼叫到进入电梯轿厢的乘客等待时间加上从进入电梯轿厢到离开电梯轿厢的乘客时间。 天空大厅系统中的一些乘客可以通过在天空大厅楼层上转移电梯轿厢到达他们的目的地楼层。 因此，电梯轿厢的等待和骑乘发生两次。 因此，建筑工人（ATT）的平均行车时间方程可以定义如下：
其中w M和w S分别是建筑工人在主大厅楼层和天空大厅楼层上的等待时间; rS和rL分别是在穿梭车和本地升降机轿厢中的乘车时间。 工人的总提升时间（TLT）可以定义为假设所有建设工人同时开始旅行的工人的旅行时间的最大值。 TLT方程可以表示如下：
其中TT是建筑工人的旅行时间的集合。 由于他们可以解释的时间范围的不同[3]，两种性能测量（即ATT和TLT）与传统测量（即RTT，HC和Int）不同。 然而，由于与等待和骑乘时间相关的这些等式的元素受到传统性能度量（例如，电梯轿厢的行程距离和电梯轿厢的数量）的影响，因此这两个措施与传统措施相反。
在独立于升降系统配置（例如，电梯轿厢的最大速度和乘客登机时间）的元件恒定的假设下，影响天空大厅系统（即ATT和TLT）的性能的主要因素是天空大厅楼层的位置和穿梭电梯轿厢的数量，其影响电梯系统的交通。例如，天空大厅楼层位置影响快车和本地升降机轿厢的行程距离，并直接影响乘车和等待时间。此外，位置可以改变区域的范围，其影响工人的行进路线（即，交通），因为区域的范围的变化还改变必须在天空大厅楼层上转移的工人的数量及其等待时间电梯轿车在大堂楼层。当井道的总数是固定的时，由于处理能力（HC）改变，本地和往返升降机轿厢的数量的变化可以显着影响工人的等待时间。此外，电梯轿厢的总数可以改变，因为一个往返电梯轿厢可以安装在井道中，而本地电梯轿厢可以通过共享电梯井安装在与当地区域一样多的地方。因此，该研究提出了系统组件配置的这些因素与高层建筑施工中天空大厅系统的性能有关。
2.3 电梯系统配置中的离散事件模拟方法
电梯系统的文献做了各种努力来分析电梯系统的性能。 在以前的研究中应用了以下两种建模方法来解释升力系统的行为：（1）排队分析建模方法[9,10]和（2）DES方法[2,11]。 排队分析模型已广泛用于计算生产和运输系统中实体的等待时间。 基于这种方法，电梯系统可以简化为具有多个服务器的排队系统[9]。 然而，已知该方法具有限制，因为到达速率（业务）和服务时间被假定为遵循指定的分布[12]。 因此，当描述具有随机发生的需求和供给的过程时，这种方法是适合的。
同时，DES方法不必为到达和服务过程假设特定类型的分布[12]。因此，该方法可用于将非随机到达过程描述为建筑工地中的电梯系统。此外，模拟方法最重要的优点之一是能够处理假设问题和各种情况。该方法使得能够有效地检测系统参数的关系以及甚至以前没有发生的最优解的确定。因此，许多研究人员通过使用模拟方法对升降系统进行了各种研究。 Shin etal [11]提出了一种使用DES方法和遗传算法来寻找建筑材料起重规划的最优解的模型。 Siikonen [3]提出了一种用于天空大厅系统中的电梯规划的电梯模拟模型并且检查其性能。一些研究[8,13]还检查了在具有不同数量的电梯和区域的疏散情况下的电梯系统性能，其显示了下行峰值业务。这些研究通过使用各种模拟方法有效地分析了电梯系统的性能。然而，他们没有考虑系统组件配置对天空大厅系统的性能的影响。因此，我们在这里提出一个DES模型来分析我们感兴趣的因素。
- 模型开发
在该部分中基于模拟方法开发了包括一个天空大厅楼层和两个局部区域的天空大厅系统的DES模型。 首先，为DES建模开发了高峰交通的天空大厅系统的过程模型。 第二，考虑到电梯轿厢的物理和动态运动的限制，提出了用于计算电梯轿厢的处理时间的方程。 最后，基于这些方程开发了能够分析配置参数和性能的关系的仿真模型。
3.1 电梯轿厢操作和工人旅行的过程模型
在具有高峰交通的天空大厅系统（即建筑工人和电梯轿厢）中，两种相互依赖的过程存在于两种不同类型的设备。 图。 图2示出了主大厅楼层上的建筑工人根据其目的地所在的区域选择在起重开始时的电梯轿厢，本地或穿梭的类型。 然后工人排队等待电梯轿厢，直到电梯轿厢到达并完成准备任务以装载乘客。 在登上选定的电梯车后，工人在电梯里等候，直到它到达目的地楼层。 工人通过天空大厅楼层转移到新的本地电梯轿厢，并且如果他们到达的楼层是天空大厅楼层并且不是他们的最终目的地楼层，则当他们从电梯轿厢下车时重复他们的旅行以到达他们的目的地。
建筑工人的行进过程是一个单向过程，而电梯车的运行过程是一个循环过程。 电梯轿厢移动到主楼层，当有工人等待电梯轿厢在地板上时。 电梯轿厢打开门，装载工人，并在到达大厅楼层后关闭门。 然后开始提升过程。 到达目的地楼层后，电梯轿厢打开门并卸载工人，其目的地楼层与当前楼层相同。 如果有剩余的乘客被提升，电梯轿厢继续用于转移工人的提升操作。 电梯轿厢回到主楼层，如果没有乘客留下，装载新乘客。
工人和电梯车的两个过程是相互关联的。 例如，工人的等待
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