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研究生:陳新春
研究生(外文):Hsin-Chun Chen
論文名稱:營造廠鋼筋採購與裁切計畫之最佳化
論文名稱(外文):Optimization of Rebar Procurement And Cutting Plan For Construction Firms
指導教授:謝孟勳謝孟勳引用關係
指導教授(外文):Machine Hsie
口試委員:葉怡成蕭文達
口試日期:2016-07-13
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:土木工程學系所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:鋼筋裁切線性及整數規劃最佳化鋼筋損耗
外文關鍵詞:Steel cuttingLinear programming and Integer programmingOptimizationReinforcement wastage
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鋼筋在營建工程材料成本佔有相當高的比例權重,但現今營造廠對於提供鋼筋材料的管理,目前尚無一套良好及有效的鋼筋管理模式,常於工程完工結算時因缺乏良善管理導致鋼筋超耗造成虧損,探究其主要問題,普遍存在管理人員對於鋼筋損耗量產生之原因,無徹底詳盡瞭解進而改善管控之外,欠缺完善且實用的鋼筋裁切最佳化計算工具來輔助降低鋼筋裁切損耗並防止錯誤裁切更是主要原因之一,而實務上對於大型工程鋼筋需求量大往往需求鋼筋尺寸種類多而複雜,鋼筋裁切組合變數超越了人工演算的極限,無從得知鋼筋裁切組合是否為最佳化之解,而造成鋼筋損耗量難以管控。多年前雖已有利用Microsoft office之Excel試算表工具規劃求解作為演算工具之重大發展,但受限仍須搭配人工組合與excel solver受限僅能求解200個以內變數問題,需將揀料單上之種類予以簡化,以排序優先權處理及分段處理模式等方法,來降低有效裁切組合數目,讓鋼筋組合數(決策變數)盡量減少或分批多次求解,造成營造廠實務上難以廣泛使用。
本研究利用Python語言開發一套變數可達到10萬級的裁切組合自動化系統,建立限制式及目標函數以線性及整數規劃建模,輔以 LP_Solver 計算求解最佳化,並將鋼筋單價納入參數求解經濟上最佳化裁切,自動產出最佳裁切組合訂料單,提供營造廠於鋼筋訂料時最佳輔助工具。本研究系統以實際工程案例需求鋼筋尺寸種類經測試驗證,除在輸入輸出介面操作淺顯易懂外,演算速度極快,裁切組合變數足夠符合工程實務上使用,求解出最低鋼筋損耗率之最佳化鋼筋訂料裁切組合表,提供工地裁切使用,解決長久以來無法突破困境,日後於實務應用上可大量減少人工時間並減少人為錯誤之發生,建立一套標準之鋼筋訂料及管理程序模式,以提升節省鋼筋材料之管理技術及績效。


Reinforcement occupies quite a higher rate of construction material cost. However, construction companies nowadays do not master in the complete and efficient reinforcement management which lead to a deficit made by over consumption without perfect management during the billing of completion. Furthermore, not only managers’ not comprehending, improving and controlling the reasons which result in reinforcement wastage but also the lack of complete, practical and optimizing stock- cutting calculating devices to reduce the cutting wastage and prevent error cutting are the main causes. Moreover, in practice, because of the enormous demand of reinforcement, various and complicated sizes and the variable of cutting combination which exceeds the limit of manual calculation, we have hazy ideas whether the combination is the peak or not which brings about the difficult controlling problems of reinforcement wastage. Several years ago, though we’ve made good use of Excel of Microsoft Office as the up-to-the-date calculating tool, this technique is still not in wide use by reinforcement companies due to the manual combination and Excel solver which can solve 200 or less variables. We have to simplify the species on picking list, give them the dealing priority and take advantage of segmentation processing mode …etc. to decrease valid numbers of cutting combinations and reduce or solve the decision variables in batches.
This study utilizes Python to develop the automatic system whose variables are up to 100 thousand to establish restriction, object function, linear programming and integer programming modeling assisted with LP_Solver to get the optimization. Besides, it brings the unit price of reinforcement into parameter to obtain the optimizing cutting, and carries out the best order accumulation of cutting combination in order to be construction companies’ optimal accessory appliances.
This study takes the required sizes and species of reinforcement in practical cases to test the validity. We find that the calculating speed is at the top speed and the input- output operation interface is free of ambiguity. Also, the variables of cutting combination accord with the usage of processing of engineering. We may get the best cutting combination with the lowest attrition rate of reinforcement to offer job sites which breaches the bottleneck for a long time ago. To everyone’s relief, we will reduce the hand time greatly and human errors in the near future. In this way, we can set a stander of reinforcement order and administration program to improve the technique and performance of sparing reinforcement.


第一章 緒論
1.1研究背景與動機..1
1.2研究目的..1
1.3研究方法與流程..2
1.3.1業主對於鋼筋損耗量之計價原則..2
1.3.2國內營造廠對於鋼筋管理方式..3
1.3.3鋼筋損耗量影響因子..5
1.4研究範圍及限制..9
第二章 文獻回顧
2.1原料裁切問題及線性規劃理論文獻..10
2.2鋼筋裁切問題探討之相關文獻...12
2.3線性及整數規劃..19
第三章 數學建模
3.1數學建模步驟..28
3.2數學建模..29
3.3裁切組合及最佳化求解程式利用..31
第四章 鋼筋裁切程式開發
4.1鋼筋裁切基本限制...........32
4.2鋼筋組合邏輯(如何自動產生組合) ..32
4.2.1組合邏輯方式1..33
4.2.2組合邏輯方式2..36
4.2.3組合邏輯方式3..38
4.3組合式限制式..41
4.3.1滿足需求尺寸支數,由最大值排列至最小值..41
4.3.2滿足需求尺寸支數,由最小值排列至最大值..42
4.3.3 限制式(三)總合所有裁切組合中產生之各種需求尺寸鋼筋支 數≥ 各種需求尺寸鋼筋支數..43
4.4加入鋼筋訂料價格變數差異..47
4.4.1板料、定尺料差異..47
4.4.2裁切加工差異....47
4.4.3鋼筋材料運費加價..48
4.5導入Python程式自動計算進行整數規劃求解(鋼筋經濟最佳化之 裁切組合) ..49
4.5.1 Python程式撰寫..49
4.5.2如何輸入資料讓電腦自動讀取..50
4.5.3程式執行操作..50
4.5.4程式執行成果輸出...52
第五章 案例驗證與結果分析
5.1 國道3號增設南雲交流道基本資料..53
5.2 國道3號增設南雲交流道工程墩柱基礎鋼筋訂料問題探討..54
5.3程式測試..55
5.4 結果分析..57
5.5 與Excel規劃求解執行差異分析..59
5.6使用效益驗證..65
第六章 結論與建議方案
6.1結論與建議方案..66
6.2後續研究建議..67
參考文獻..68

1.交通部公路局之施工技術規範第03210章鋼筋
2.高速公路局之施工技術規範94111版第03210章鋼筋
3.中華民國國家標準CNS 560 A2006鋼筋混凝土用鋼筋
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6.Dantzig, G. B., Linear Programming and Extensions, Princeton University Press, Princeton, New Jersey. ,(1963).
7.Gilmore, P.C., and Gomory, R.E., “A Linear Programming Approach to theCutting Stock Problem,” Operations Research, Vol. 9, pp. 849–859,(1961).
8.Gilmore, P.C., and Gomory, R.E., “A Linear Programming Approach to the Cutting Stock Problem – Part II,” Operatons Research, Vol. 11, pp. 863–888,(1963).
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10.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「最適鋼筋裁切問題之研究-以擋土牆為例」,第九屆 大地工程學術研討會論文集,(2001)。
11.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「以線性規劃技術作排水箱涵鋼筋裁料最適化之研究」, 第十二屆水利工程研討會,第H65-72頁,(2001)。
12.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「以線性規劃技術作營建鋼筋裁切問題-以T型樑橋工程為例」,第五屆營建工程與管理研究成果聯合
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13.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「以線性規劃作建築工程鋼筋裁切最適化之研究」,第十六屆全國技術及職業教育研討會,工業類、土木建築,第81-90頁,(2001)。
14.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「多供應尺寸營建鋼筋裁切問題之研究-以線性規劃模式」,桃園區技術學院土木工程研討會,第799-809頁,(2001)。
15.楊秉蒼、呂淑鈴、葉怡成,「以線性規劃技術作土木工程鋼筋裁切最適化問題-以箱型樑橋工程為例」,中興工程,(2002)。
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25.簡尚彬,「應用改良式基因演算法求解鋼筋裁切最佳化問題」碩士論文,台灣科技大學營建管理系,(2009.06)。
26.賴德忠,「最佳化型鋼構件裁切之研究」碩士論文,中央大學土木工程研究所,(2010.06)。
27.歐淑民,「以改良粒子群演算法求解鋼筋裁切最佳化問題」碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,(2011.06)。
28.鄭彬辰,「應用裁切最佳化模式建構鋼材決策支援系統之研究」碩士論文,東海大學工業工程與資訊經營學系,(2011.06)。
29.方柏棟,「整數規劃與資料挖掘於最佳裁切方式之應用」碩士論文,東海大學工業工程與資訊經營學系,(2013.06)。
30.廖廷廣,「鋼筋裁切規劃技術於土木工程專案實務驗證之研究」碩士論文,正修科技大學營建工程研究所,(2014.07)。


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