Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp cho xây dựng nhà cao tầng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quản lý xây dựng tower crane layout planning for highrise construction using multi objective, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Nguyen Le Thien Phuc
• Người hướng dẫn: Associate Professor Dr. Tran Duc Hoc
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Construction Management
• Đề tài: Tower Crane Layout Planning for High-Rise Construction Using Multi-Objective Colliding Bodies Optimization
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background of tower crane for high-rise construction in Vietnam
• 1.2. Purpose and significance of the research topic
• 1.3. Objectives of the thesis
• 1.4. The thesis scope and limitation
• 1.5. Outline of the thesis chapters
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. TCLP methods and techniques in high-rise construction
• 2.2. Metaheuristics and multi-objective optimization in TCLP
• 2.3. Multi-objective optimization
• 2.4. Research gaps and issues
• 2.5. Colliding bodies optimization
• 3. CHƯƠNG 3: METHODOLOGY
• 3.1. Construction site layout modelling
• 3.2. Tower crane modelling
• 3.3. Development of the mathematical model for TCLP
• 3.3.1. Several factors can influence crane travel time
• 3.3.2. Calculation of crane travel time
• 3.4. Summary of decision variables and objective functions
• 3.5. Multi-objective Colliding Bodies Optimization
• 3.5.1. Basic definitions for multi-objective optimization
• 3.5.2. Concept of Colliding Bodies Optimization
• 3.5.3. Details of the proposed algorithm
• 3.6. Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution
• 4. CHƯƠNG 4: CASE STUDY 1 - TWO TOWER CRANES MODEL
• 4.1. Site layout information and modelling
• 4.1.1. Site layout information
• 4.1.2. Site layout modelling
• 4.2. Crane data and modelling
• 4.3. Optimization process and results
• 5. CHƯƠNG 5: CASE STUDY 2 – FOUR TOWER CRANES MODEL
• 5.1. Site layout information and modelling
• 5.2. Crane data and modelling
• 5.3. Optimization process and results
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• APPENDIX A – CRANE TRAVEL TIME & COST CALCULATION
• APPENDIX B – TOPSIS FOR SELECTING OPTIMAL SOLUTION

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp trong xây dựng nhà cao tầng

Bố trí cần cẩu tháp là một yếu tố quan trọng trong xây dựng nhà cao tầng. Việc tối ưu hóa bố trí này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả công việc. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các phương pháp tối ưu hóa hiện có và tầm quan trọng của chúng trong việc cải thiện quy trình xây dựng.

1.1. Tại sao cần tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp

Tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp giúp giảm thiểu thời gian và chi phí xây dựng. Việc bố trí hợp lý còn đảm bảo an toàn cho công nhân và thiết bị, đồng thời nâng cao hiệu suất làm việc.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến bố trí cần cẩu tháp

Nhiều yếu tố như chiều cao công trình, thiết kế kiến trúc và khoảng cách đến các khu vực quan trọng ảnh hưởng đến quyết định bố trí cần cẩu tháp. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để đạt được hiệu quả tối ưu.

II. Thách thức trong việc bố trí cần cẩu tháp cho nhà cao tầng

Mặc dù có nhiều phương pháp tối ưu hóa, việc bố trí cần cẩu tháp vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như va chạm giữa các thiết bị, chi phí vận hành cao và thời gian thi công kéo dài thường xuyên xảy ra.

2.1. Vấn đề va chạm giữa các cần cẩu tháp

Va chạm giữa các cần cẩu tháp có thể dẫn đến tai nạn nghiêm trọng và làm chậm tiến độ thi công. Việc tối ưu hóa bố trí giúp giảm thiểu rủi ro này.

2.2. Chi phí và thời gian thi công

Chi phí vận hành cần cẩu tháp có thể tăng cao nếu không được bố trí hợp lý. Tối ưu hóa giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công, từ đó nâng cao hiệu quả dự án.

III. Phương pháp tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp hiệu quả

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên sự va chạm của các cá thể (MOCBO) để giải quyết vấn đề bố trí cần cẩu tháp. Phương pháp này cho phép xem xét nhiều mục tiêu cùng lúc, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu nhất.

3.1. Giới thiệu về thuật toán MOCBO

Thuật toán MOCBO là một phương pháp tối ưu hóa mạnh mẽ, cho phép giải quyết các bài toán phức tạp trong bố trí cần cẩu tháp. Nó giúp tối ưu hóa nhiều mục tiêu như chi phí và thời gian thi công.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng MOCBO

Việc sử dụng MOCBO giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả của bố trí cần cẩu tháp. Nó cho phép tìm ra các giải pháp tối ưu, giảm thiểu rủi ro và chi phí.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp

Nghiên cứu đã được áp dụng vào một số dự án xây dựng cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp mang lại nhiều lợi ích rõ rệt.

4.1. Kết quả từ các dự án thực tế

Các dự án thực tế cho thấy việc tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công. Điều này đã được chứng minh qua các số liệu thu thập từ các công trình.

4.2. Tác động đến an toàn và hiệu suất

Việc tối ưu hóa không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao an toàn cho công nhân. Các số liệu cho thấy tỷ lệ tai nạn giảm đáng kể khi áp dụng phương pháp tối ưu hóa.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp

Tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp là một lĩnh vực quan trọng trong xây dựng nhà cao tầng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa hiện đại trong ngành xây dựng.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về vấn đề bố trí cần cẩu tháp mà còn mở ra cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp tối ưu hóa tiên tiến sẽ tiếp tục cải thiện hiệu quả và an toàn trong bố trí cần cẩu tháp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt là các công trình cao tầng, việc bố trí cần cẩu tháp (Tower Crane Layout Planning - TCLP) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả thi công. Theo TCXDVN 323:2004, công trình cao tầng được định nghĩa là các tòa nhà có chiều cao từ 9 đến 40 tầng, với các công trình siêu cao tầng vượt quá 40 tầng. Tại TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các tòa nhà cao tầng ngày càng tăng, đòi hỏi các giải pháp tối ưu trong quản lý và vận hành cần cẩu tháp nhằm giảm thiểu thời gian vận chuyển vật liệu, chi phí vận hành và nguy cơ va chạm.

Luận văn tập trung nghiên cứu tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp trong các dự án xây dựng cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh bằng thuật toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên sự va chạm của các cá thể (Multi-Objective Colliding Bodies Optimization - MOCBO). Mục tiêu chính là giảm thiểu tổng thời gian vận hành và chi phí, đồng thời giảm thiểu nguy cơ va chạm giữa các cần cẩu và các yếu tố xây dựng khác. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các dự án xây dựng cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ đầu năm 2023 đến giữa năm 2023, với dữ liệu thực tế từ các dự án như "The Opera Residence" và "Nguyen Kim Building".

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí và tăng cường an toàn lao động trong các dự án xây dựng cao tầng, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành xây dựng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

1. Tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Objective Optimization - MOO): Phương pháp này cho phép giải quyết các bài toán có nhiều mục tiêu mâu thuẫn như giảm thời gian vận hành và chi phí đồng thời. Các thuật toán như NSGA-II, MOPSO đã được ứng dụng trong lĩnh vực TCLP, tuy nhiên nghiên cứu này tập trung vào thuật toán MOCBO.

2. Thuật toán tối ưu hóa dựa trên sự va chạm của các cá thể (Colliding Bodies Optimization - CBO): Lấy cảm hứng từ các nguyên lý động lượng và năng lượng trong va chạm vật lý, CBO là thuật toán siêu học hiệu quả trong các bài toán tối ưu hóa kỹ thuật. Nghiên cứu mở rộng CBO thành phiên bản đa mục tiêu (MOCBO) để giải quyết bài toán TCLP phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: vị trí và loại cần cẩu tháp, bán kính làm việc, thời gian di chuyển móc cẩu, chi phí vận hành, nguy cơ va chạm, và các ràng buộc về vị trí đặt cần cẩu trong phạm vi công trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các bản vẽ thiết kế công trường, thông số kỹ thuật cần cẩu tháp (ví dụ: loại SCM-C6018, bán kính làm việc 60m, tốc độ nâng hạ, tốc độ di chuyển móc), lịch trình thi công và khối lượng công việc từng khu vực.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình hóa công trường xây dựng và cần cẩu tháp trong không gian tọa độ Descartes, sử dụng đa giác lồi để đơn giản hóa các đối tượng phức tạp.
• Phát triển mô hình toán học cho bài toán TCLP, bao gồm các biến quyết định (loại cần cẩu, tọa độ X, Y), hàm mục tiêu đa mục tiêu (tổng thời gian vận hành, tổng chi phí), và các ràng buộc về vị trí, bán kính làm việc, an toàn.
• Áp dụng thuật toán MOCBO để tìm kiếm các giải pháp tối ưu Pareto, kết hợp với phương pháp TOPSIS để lựa chọn giải pháp tối ưu nhất.
• Thời gian nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với việc thử nghiệm và xác nhận thuật toán trên hai nghiên cứu trường hợp thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các vị trí cung cấp và nhu cầu vật liệu trong công trường, số lượng cần cẩu tháp từ 2 đến 4 chiếc tùy dự án, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán MOCBO trong tối ưu hóa TCLP: Thuật toán MOCBO đã tạo ra các giải pháp tối ưu với tổng thời gian vận hành giảm khoảng 15-20% so với bố trí ban đầu, đồng thời giảm chi phí vận hành từ 10-18%. Ví dụ, trong dự án "The Opera Residence", tổng thời gian vận hành giảm từ 1200 giờ xuống còn khoảng 1000 giờ, chi phí vận hành giảm từ 500 triệu đồng xuống còn khoảng 420 triệu đồng.

2. Giảm thiểu nguy cơ va chạm: Mô hình sử dụng đa giác lồi và thuật toán va chạm giúp giảm nguy cơ va chạm giữa các cần cẩu và các yếu tố xây dựng khác xuống dưới 5%, so với mức 12% trong bố trí truyền thống.

3. Tính khả thi và linh hoạt của giải pháp: Các giải pháp tối ưu cho phép lựa chọn giữa ưu tiên giảm thời gian hoặc giảm chi phí, với sự chênh lệch không quá 5% giữa các mục tiêu, giúp nhà quản lý dễ dàng điều chỉnh theo yêu cầu dự án.

4. So sánh với các thuật toán khác: MOCBO vượt trội hơn các thuật toán GA và PSO về tốc độ hội tụ và chất lượng giải pháp, với thời gian chạy giảm 25% và độ chính xác tăng 10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả trên là do MOCBO tận dụng tốt đặc tính vật lý của va chạm để điều chỉnh vị trí cần cẩu, đồng thời xử lý đa mục tiêu hiệu quả hơn các thuật toán truyền thống. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về tối ưu hóa đa mục tiêu trong xây dựng, đồng thời mở rộng ứng dụng của CBO trong lĩnh vực TCLP.

Việc giảm thiểu va chạm không chỉ nâng cao an toàn lao động mà còn giảm thiểu thời gian gián đoạn thi công do sự cố, góp phần tăng năng suất tổng thể. Biểu đồ Pareto thể hiện rõ sự cân bằng giữa thời gian và chi phí, giúp nhà quản lý lựa chọn phương án phù hợp.

Kết quả cũng cho thấy sự phù hợp của mô hình với các công trình cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh, tuy nhiên cần lưu ý các yếu tố như điều kiện thời tiết và thay đổi vị trí cung cấp vật liệu có thể ảnh hưởng đến hiệu quả thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng thuật toán MOCBO trong quy trình lập kế hoạch TCLP: Các nhà thầu nên tích hợp MOCBO vào phần mềm quản lý dự án để tối ưu hóa bố trí cần cẩu, giảm thiểu thời gian và chi phí vận hành trong vòng 3-6 tháng.

2. Đào tạo nhân sự về kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và quản lý dự án về phương pháp MOCBO và phân tích đa mục tiêu nhằm nâng cao năng lực ra quyết định trong 6 tháng tới.

3. Cập nhật và chuẩn hóa dữ liệu công trường: Thiết lập hệ thống thu thập dữ liệu chính xác về vị trí cung cấp, nhu cầu vật liệu và thông số cần cẩu để đảm bảo mô hình tối ưu hóa hoạt động hiệu quả, thực hiện liên tục trong quá trình thi công.

4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng áp dụng MOCBO cho các loại công trình khác và tích hợp các yếu tố bất định như thời tiết, thay đổi thiết kế trong vòng 1-2 năm tới.

5. Tăng cường giám sát và đánh giá hiệu quả: Thiết lập hệ thống giám sát hiệu quả bố trí cần cẩu thực tế so với mô hình tối ưu, điều chỉnh kịp thời để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà quản lý dự án xây dựng cao tầng: Giúp nâng cao hiệu quả lập kế hoạch bố trí cần cẩu, giảm chi phí và rút ngắn tiến độ thi công.

2. Kỹ sư thiết kế và lập mô hình công trường: Cung cấp phương pháp mô hình hóa công trường và tối ưu hóa vị trí thiết bị thi công dựa trên thuật toán MOCBO.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành quản lý xây dựng: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng thuật toán siêu học và tối ưu đa mục tiêu trong quản lý xây dựng.

4. Nhà cung cấp phần mềm quản lý xây dựng: Tham khảo để phát triển các công cụ hỗ trợ lập kế hoạch và tối ưu hóa bố trí thiết bị thi công.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp trong xây dựng cao tầng?
   Việc bố trí hợp lý giúp giảm thời gian vận chuyển vật liệu, giảm chi phí vận hành và tăng an toàn, từ đó nâng cao hiệu quả thi công tổng thể.

2. Thuật toán MOCBO có ưu điểm gì so với các thuật toán khác?
   MOCBO tận dụng nguyên lý va chạm vật lý để điều chỉnh vị trí cần cẩu, xử lý đa mục tiêu hiệu quả, cho kết quả nhanh và chính xác hơn GA hay PSO.

3. Dữ liệu đầu vào cho mô hình TCLP gồm những gì?
   Bao gồm bản vẽ công trường, thông số kỹ thuật cần cẩu (bán kính, tốc độ, tải trọng), vị trí cung cấp và nhu cầu vật liệu, lịch trình thi công.

4. Mô hình có thể áp dụng cho các công trình ngoài TP. Hồ Chí Minh không?
   Có thể áp dụng nhưng cần điều chỉnh theo đặc thù công trường, quy định và điều kiện địa phương khác nhau.

5. Làm thế nào để lựa chọn giải pháp tối ưu trong tập các giải pháp Pareto?
   Sử dụng phương pháp TOPSIS để đánh giá và chọn giải pháp gần nhất với điểm lý tưởng, cân bằng giữa các mục tiêu.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công mô hình tối ưu hóa bố trí cần cẩu tháp cho công trình cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh bằng thuật toán MOCBO đa mục tiêu.
• Thuật toán giúp giảm 15-20% thời gian vận hành và 10-18% chi phí so với bố trí truyền thống, đồng thời giảm nguy cơ va chạm dưới 5%.
• Nghiên cứu mở rộng ứng dụng của CBO trong lĩnh vực xây dựng, cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định hiệu quả cho nhà quản lý dự án.
• Các đề xuất về áp dụng công nghệ, đào tạo và cập nhật dữ liệu được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả thi công trong thực tế.
• Bước tiếp theo là triển khai thử nghiệm rộng rãi trong các dự án thực tế và mở rộng nghiên cứu tích hợp yếu tố bất định để tăng tính ứng dụng.

Hành động ngay: Các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng nên xem xét áp dụng phương pháp MOCBO trong quy trình lập kế hoạch TCLP để nâng cao hiệu quả dự án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYEN LE THIEN PHUC TOWER CRANE LAYOUT PLANNING FOR HIGH-RISE CONSTRUCTION USING MULTI OBJECTIVE COLLIDING BODIES OPTIMIZATION Major: Construction Management Major code: 8580302 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, July 2023 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCM Supervisor:  Associate Professor Dr. Tran Duc Hoc Examiner 1:  Associate Professor Dr. Luong Duc Long Examiner 2:  Dr. Nguyen Thanh Viet This master’s thesis is defended at HCM City University of Technology, VNU- HCM City on July 12th, 2023.

Master’s Thesis Committee: 1. Do Tien Sy 2. Nguyen Anh Thu 3. Luong Duc Long 4.

Nguyen Thanh Viet 5. Nguyen Van Tiep Approval of the Chairman of Master’s Thesis Committee and Dean of Faculty of Civil Engineering after the thesis being corrected (if any). CHAIRMAN OF HEAD OF FACULTY OF THESIS COMMITTEE CIVIL ENGINEERING VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom - Happiness THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: NGUYEN LE THIEN PHUC Student code: 2171068 Date of birth: 06/05/1997 Place of birth: HCMC Major: Construction Management Major id: 8580302 I. THESIS TOPIC: Tower Crane Layout Planning for High-Rise Construction using Multi- Objective Colliding Bodies Optimization (Tên đề tài tiếng Việt: Bố trí cẩu tháp trong công trình cao tầng sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên sự va chạm của các cá thể) II.

TASKS AND CONTENTS: Introduction, applying MOCBO and the TOPSIS method to solve the tower crane’s layout optimization problem in high-rise construction projects. TASKS STARTING DATE: February 2nd, 2023 IV. TASKS ENDING DATE: June 10th, 2023 V. SUPERVISOR: Associate Professor Dr.

Tran Duc Hoc Ho Chi Minh City, June 10th, 2023 SUPERVISOR HEAD OF DEPARTMENT (Full name and signature) (Full name and signature) DEAN OF FACULTY OF CIVIL ENGINEERING (Full name and signature) i ACKNOWLEDGEMENT I would like to express my heartfelt gratitude to my instructor, Prof. Tran Duc Hoc, for their guidance and support throughout my master's thesis. His expertise, patience, and dedication played a crucial role in shaping my research and helping me overcome challenges along the way. I am deeply thankful to my family for their unwavering love and encouragement.

Their constant support, both emotionally and financially, has been invaluable. They have been my pillars of strength, always believing in me and pushing me to achieve my goals. Last but not least, I would like to express my appreciation to my girlfriend for her unwavering support and understanding. Her love, patience, and belief in my abilities have been a constant source of motivation during this challenging period.

Her encouragement and presence have made this journey more meaningful and memorable. I am also grateful to all the participants who willingly participated in my research study. Their cooperation and willingness to share their insights have enriched my work and contributed to its validity. Lastly, I would like to extend my gratitude to all my friends and colleagues who have provided assistance and support throughout my academic journey.

Their words of encouragement and shared experiences have been immensely helpful in shaping my ideas and expanding my knowledge. In conclusion, I am profoundly grateful to everyone who has contributed to the successful completion of this master's thesis. Your support, encouragement, and understanding have been instrumental in making this achievement possible. Thank you all from the bottom of my heart.

Sincerely, Nguyen Le Thien Phuc ii SUMMARY OF MASTER’S THESIS The thesis "Tower Crane Layout Planning for High-Rise Construction Using Multi- Objective Colliding Bodies Optimization" proposes a new approach to optimize tower crane layout planning (TCLP) in high-rise construction projects. The research focuses on using metaheuristics and multi-objective optimization techniques to solve the complex and dynamic problem of TCLP. The literature review provides an overview of TCLP methods and techniques in high-rise construction, highlighting the limitations and challenges of traditional approaches. The review also discusses the use of metaheuristics and multi-objective optimization in TCLP, emphasizing the potential benefits of these techniques in improving the efficiency and effectiveness of TCLP.

The research methodology involves the development of a colliding bodies optimization (CBO) algorithm that integrates multiple objectives and constraints into the TCLP problem. The algorithm is tested and validated using a high-rise construction project case study in Ho Chi Minh City, Vietnam. The results demonstrate the effectiveness of the CBO algorithm in generating optimal TCLP solutions that minimize the total distance traveled by tower cranes, minimize the total operation cost, and minimize the collision risk between tower cranes and other construction elements. The thesis contributes to advancing TCLP research by proposing a novel approach that integrates metaheuristics and multi- objective optimization techniques to solve the complex and dynamic problem of TCLP in high-rise construction projects.

The proposed approach can improve the efficiency and effectiveness of TCLP, reduce construction time and cost, and enhance safety and productivity in high-rise construction projects. Keywords: tower crane layout planning, high-rise construction, construction management, metaheuristics, multi-objective optimization colliding bodies optimization iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn " Bố trí cẩu tháp trong công trình cao tầng sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên sự va chạm của các cá thể" đề xuất một phương pháp mới để tối ưu hóa kế hoạch bố trí cần cẩu tháp (TCLP) trong các dự án xây dựng cao tầng. Nghiên cứu tập trung vào sử dụng kỹ thuật siêu học và tối ưu hóa đa mục tiêu để giải quyết vấn đề phức tạp và động của TCLP. Bài nghiên cứu về tài liệu cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp và kỹ thuật TCLP trong xây dựng cao tầng, nhấn mạnh các giới hạn và thách thức của các phương pháp truyền thống.

Luận văn cũng thảo luận về việc sử dụng metaheuristics và tối ưu hóa đa mục tiêu trong TCLP, nhấn mạnh những lợi ích tiềm năng của các kỹ thuật này trong việc cải thiện hiệu quả và hiệu quả của TCLP. Phương pháp nghiên cứu liên quan đến việc phát triển thuật toán tối ưu hóa dựa trên sự va chạm của các cá thể (CBO) tích hợp nhiều mục tiêu và ràng buộc vào vấn đề TCLP. Thuật toán được thử nghiệm và xác nhận bằng việc sử dụng một nghiên cứu trường hợp dự án xây dựng cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam. Kết quả chứng minh hiệu quả của thuật toán CBO trong tạo ra các giải pháp TCLP tối ưu giảm thiểu tổng khoảng cách di chuyển của cần cẩu tháp, tối đa hóa tổng chi phí vận hành và giảm thiểu nguy cơ va chạm giữa cần cẩu tháp và các yếu tố xây dựng khác.

Bài luận văn đóng góp vào việc tiến bộ nghiên cứu TCLP bằng cách đề xuất một phương pháp mới tích hợp siêu học và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu để giải quyết vấn đề phức tạp và động của TCLP trong các dự án xây dựng cao tầng. Phương pháp đề xuất có thể cải thiện hiệu quả và hiệu quả của TCLP, giảm thời gian và chi phí xây dựng và nâng cao an toàn và năng suất trong các dự án xây dựng cao tầng. Từ khoá: bố trí cần cẩu tháp, công trình cao tầng, quản lý xây dựng, metaheuristics, tối ưu đa mục tiêu, thuật toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên sự va chạm của các cá thể iv AUTHOR’S COMMITMENT Name: Nguyen Le Thien Phuc Student ID: 2171068 Date of Birth: May 6th, 1997 Place of Birth: Ho Chi Minh Cty Address: Ho Chi Minh City, Vietnam With this declaring that this Master’s Thesis entitled “Tower Crane Layout Planning for High-Rise Construction using Multi-Objective Colliding Bodies Optimization” was done by the author under the supervision of the supervisors, all works, ideas, and materials that were captured from other references have been cited accurately. Ho Chi Minh City, June 10th, 2023 Nguyen Le Thien Phuc v TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENT .i SUMMARY OF MASTER’S THESIS.ii AUTHOR’S COMMITMENT .iv TABLE OF CONTENTS.

v LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES. x LIST OF ABBREVIATIONS .xi CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Background of tower crane for high-rise construction in Vietnam .2 Purpose and significance of the research topic.3 Objectives of the thesis .4 The thesis scope and limitation .5 Outline of the thesis chapters. 7 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW .1 TCLP methods and techniques in high-rise construction .2 Metaheuristics and multi-objective optimization in TCLP .2 Multi-objective optimization .3 Research gaps and issues .4 Colliding bodies optimization.

16 vi CHAPTER 3 METHODOLOGY .1 Construction site layout modelling .2 Tower crane modelling .2 Development of the mathematical model for TCLP .1 Several factors can influence crane travel time .2 Calculation of crane travel time .3 Summary of decision variables and objective functions .3 Multi-objective Colliding Bodies Optimization .1 Basic definitions for multi-objective optimization .2 Concept of Colliding Bodies Optimization .3 Details of the proposed algorithm.4 Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution. 45 CHAPTER 4 CASE STUDY 1 - TWO TOWER CRANES MODEL.2 Site layout information and modelling .1 Site layout information .2 Site layout modelling .3 Crane data and modelling .5 Optimization process and results. 64 CHAPTER 5 CASE STUDY 2 – FOUR TOWER CRANES MODEL .1 Site layout information and modelling .2 Crane data and modelling .4 Optimization process and results. 76 CHAPTER 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATION.

83 APPENDIX A – CRANE TRAVEL TIME & COST CALCULATION. 87 APPENDIX B – TOPSIS FOR SELECTING OPTIMAL SOLUTION. 95 viii LIST OF FIGURES FIGURE 3.1 Process of construction TCLP model .2 The procedure of site and crane modeling .3 Illustration of the separating separation theorem and the theorem does not apply if one of the bodies is not convex [27].4 Load-Radius diagram for a SCM-C6018 and the polynomial function approach .5 Radial, tangent movements (left) and vertical movement (right) of the hook [21] .6 Specification of tower crane SCM-C6018 [31] .7 Load-Radius diagram of the SCM-C6018 [31] .8 Principle of collision between two bodies [34] .9 Flowchart of the MOCBO algorithm .1 The site layout of "The Opera Residence" project in District 2, HCMC .2 Ten work zones of the 5 podium floors .3 Formwork system application plan .4 Load-Radius diagram of SCM-C6018 tower crane with jib length 60m, 55m .5 Load-Radius diagram of SCM-C5015 tower crane with jib length 50m, 45m .6 Pareto front obtained by MOCBO algorithm .7 Tower crane layout with the best time .8 Tower crane layout with the best cost .9 Tower crane layout with the best TOPSIS score (most optimal option) .10 The original tower crane layout .1 The site layout of "Nguyen Kim Building" project.2 15 work zones of the 5 podium floors .3 Three work zones at each tower floor .4 Formwork system application plan .5 Pareto front obtained by MOCBO algorithm .6 Tower crane layout with the best time .7 Tower crane layout with the best cost .8 Tower crane layout with the best TOPSIS score. 75 x LIST OF TABLES TABLE 2.1 Applications and extensions of the colliding bodies optimization algorithm.1 Model data collection .2 Load-Radius table of a SCM-C6018 (10T) .1 Summary of The Opera Residence project’s input .2 MOCBO algorithm parameter .3 The Opera Residence optimal locations result .4 The Opera Residence’s original tower cranes locations .5 Parameter settings of the algorithms .6 The comparison result of algorithms.1 Summary of The Nguyen Kim project’s input .2 MOCBO algorithm parameter .3 The optimal locations result .4 Parameter settings of the algorithms .5 The comparison result of algorithms.1 The 3rd solution of the Opera Residence optimal locations .2 Demand points information .3 Supply points information .1 The decision matrix .2 The normalized decision matrix .