周佳慶 施成華,2 陳 剛 李 磊

(1.中南大學土木工程學院， 410075， 長沙； 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室， 410075， 長沙； 3.中交一公局集團有限公司， 100024， 北京∥第一作者， 碩士研究生)

繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車站的施工場地一般較為狹窄，施工過程中各施工作業(yè)區(qū)易互相干擾，進而影響項目的施工進度。如何科學合理地對施工場地進行布置成為施工管理的關(guān)鍵。地鐵車站的施工場地大多依據(jù)項目組織者的經(jīng)驗進行布置，部分布局可以進一步優(yōu)化。

在理論研究方面，很多學者在施工場地布置方面做了大量的工作，但多數(shù)研究集中于水利、水電工程與BIM(建筑信息模型)技術(shù)。文獻[1]將運籌學中解決非線性規(guī)劃問題的模式搜索法應(yīng)用到水利工程中，統(tǒng)籌考慮運行費用與建造費用時得到最優(yōu)方案。文獻[2]提出了點狀分布的評價指標，系統(tǒng)分析了理論方法和優(yōu)化程序，將經(jīng)驗知識和模糊性分析有效合并，提供了一種新穎的設(shè)施布置方案。文獻[3-5]應(yīng)用BIM對場地布置方案進行優(yōu)化。文獻[6-7]將系統(tǒng)布置法應(yīng)用到了房屋建設(shè)和大型活動場地布置中。但是，對于繁華城區(qū)復(fù)雜條件下狹小施工場地布置方面的研究較少。本文基于SLP(Systematic Layout Planning，系統(tǒng)布置規(guī)劃)法，重點關(guān)注繁華城區(qū)內(nèi)的地鐵車站施工場地布置。在各作業(yè)單位綜合關(guān)系進行定量分析的基礎(chǔ)上進行方案設(shè)計，構(gòu)建了多目標尋優(yōu)的評價模型，并對方案進行評價，形成繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車站較為系統(tǒng)的施工場地布置方法及評價標準。

1 地鐵車站施工場地的布置原則

地鐵車站的施工場地集多個施工作業(yè)區(qū)于一體，場地布置時需要兼顧各因素對場地布置的影響，應(yīng)根據(jù)以下場地布置原則對施工場地進行合理規(guī)劃布置。

1) 充分利用既有場地面積，使場地布置緊湊、協(xié)調(diào)；

2) 所有臨時的建筑設(shè)施要確保絕對安全，生活區(qū)、辦公區(qū)盡量與生產(chǎn)區(qū)隔離；

3) 盡量使用場地內(nèi)的既有資源，盡量減少設(shè)備的拆卸和二次遷移；

4) 及時進行場地布局調(diào)整，以滿足施工需要；

5) 施工作業(yè)區(qū)之間盡可能減少交叉作業(yè)的相互干擾，以保證施工的安全和質(zhì)量。

2 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置

2.1 SLP法簡述

SLP法由著名規(guī)劃專家Richard.Muther提出，是一種邏輯性強、條理清楚的布置設(shè)計方法，最早應(yīng)用于工廠布置。目前該方法已被引入建筑工程領(lǐng)域，但多用于房屋建筑工程的施工場地規(guī)劃，尚未與繁華城區(qū)內(nèi)的地鐵車站施工進行結(jié)合。

2.2 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置流程

采用SLP法對地鐵車站施工場地進行規(guī)劃設(shè)計，主要包括分析、設(shè)計、評價三個階段。其中：分析階段對各施工作業(yè)區(qū)的物流關(guān)系及非物流關(guān)系的密切程度進行分析，以確定考慮物流和非物流因素的綜合關(guān)系，并根據(jù)綜合關(guān)系的強弱，確定各作業(yè)單位的相對位置關(guān)系；設(shè)計階段結(jié)合車站場地的實際情況，綜合考慮限制條件及修正因素，利用綜合關(guān)系進行方案設(shè)計；評價階段利用本文提出的數(shù)學模型及雙目標函數(shù)對方案進行評價，擇選出最優(yōu)方案?；赟LP法的地鐵車站施工場地布置流程圖如圖1所示。

圖1 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置流程

2.3 施工場地物流關(guān)系與非物流關(guān)系分析

在對狹長的地鐵車站進行施工場地平面布置時，各作業(yè)單位的物流關(guān)系分析和非物流關(guān)系分析是其中的核心工作，關(guān)乎著施工進度、運輸成本和管理效率。對物流關(guān)系進行分析時，將不同作業(yè)單位的物流搬運強度分為A、E、I、O、U 五個等級，分別代表絕對重要、特別重要、重要、一般、不重要，并分別取值為4、3、2、1、0，用以對物流強度的減小程度進行量化。

作業(yè)單位非物流關(guān)系分析也稱為關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，同樣是施工場地布置時需要考慮的重要影響因素。關(guān)聯(lián)關(guān)系分析考慮的主要是地鐵車站施工人員在各施工作業(yè)區(qū)之間往返的密切程度，信息在各作業(yè)單位的傳遞頻率，各作業(yè)單位的組織管理關(guān)系，環(huán)境和安全因素等。不同的施工場地、作業(yè)單位之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系影響因素是不同的，將各作業(yè)單位按關(guān)聯(lián)關(guān)系的密切程度分為A、E、I、O、U、X 六個級別，分別代表絕對重要、一般重要、重要、一般、不重要、不要靠近，并分別取值為4、3、2、1、0、-1，用以對其影響強度的依次減弱進行量化。根據(jù)地鐵車站的施工特點，在進行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析時，本文考慮的主要影響因素如表1所示。

表1 關(guān)聯(lián)關(guān)系影響因素表

2.4 綜合關(guān)系分析

在物流關(guān)系分析與關(guān)聯(lián)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上確定各作業(yè)區(qū)之間的綜合關(guān)系。將各作業(yè)區(qū)之間的物流強度與非物流強度根據(jù)等級進行量化，數(shù)值采用加權(quán)的方式進行處理。綜合關(guān)系的量化數(shù)值Tij的計算公式為：

Ti,j=aMi,j+bNi,j

(1)

式中：

i，j——施工作業(yè)單位；

Mi，j——i與j之間物流強度的量化數(shù)值；

Ni，j——i與j之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的量化數(shù)值；

a，b——權(quán)重系數(shù)。

繁華城區(qū)地鐵車站的施工場地狹小，在分析時更側(cè)重于物流強度，因而取a=0.7，b=0.3。將Ti，j進行分級，即根據(jù)其數(shù)值大小歸入A、E、I、O、U、X的相應(yīng)等級中，進而得到各作業(yè)單位的綜合關(guān)系。

2.5 位置關(guān)系確定

在這個步驟中暫且不考慮施工平面布置中各作業(yè)單位的實際面積以及幾何形狀，僅從各作業(yè)單位的綜合關(guān)系出發(fā)安排各作業(yè)單位的位置，關(guān)系密切的作業(yè)單位直接距離近，關(guān)系等級低的相對較遠。按照綜合關(guān)系等級為A的作業(yè)區(qū)必須相鄰、綜合關(guān)系等級為E的作業(yè)區(qū)至少對角相接、其他等級兼顧考慮的原則，先繪制出各作業(yè)單位的無面積拼塊圖，再根據(jù)無面積拼塊圖完成位置相關(guān)圖，從而進行地鐵車站施工場地的初步設(shè)計。各作業(yè)單位間密切程度的表達方式如表2所示。

表2 作業(yè)單位間密切程度的表達方式

但是，由于實際的地鐵車站施工場地的形狀大多不規(guī)則，位置關(guān)系圖中各作業(yè)區(qū)的位置并不是最終的場地布置方案，需要在位置相關(guān)圖的基礎(chǔ)上進行方案的初步設(shè)計。最終方案還需要通過構(gòu)建評價模型，對初步設(shè)計的方案進行評價，并進行方案比選方可確定。

2.6 評價模型的建立

2.6.1 構(gòu)建數(shù)學模型

在實際的地鐵車站施工場地布置過程中，各作業(yè)單位的形狀以及施工場地的形狀大多都是不規(guī)則的，各作業(yè)區(qū)的面積也各不相同。因而建立模型前需要對各作業(yè)單位以及場地進行合理的假設(shè)，主要包括：① 將施工現(xiàn)場與各作業(yè)單位簡化為矩形結(jié)構(gòu)；② 已知各作業(yè)單位的橫向、縱向距離以及整個空間布局的長和寬。

在此假設(shè)基礎(chǔ)上將施工場地的平面布置轉(zhuǎn)化為約束條件下的多目標尋優(yōu)問題。場地布置評價模型如圖2所示。

2.6.2 建立目標函數(shù)

在數(shù)學模型假設(shè)基礎(chǔ)上建立以各作業(yè)單位物料搬運成本耗費程度(C1)最小、非物流關(guān)系密切程度(F1)最大的雙目標函數(shù)，計算公式為：

(2)

(3)

注：x軸為施工場地的長度方向；y軸為施工場地的寬度方向；L為施工場地總長度；W為施工場地總寬度；i，j，k為場地內(nèi)作業(yè)單位的編號；li為作業(yè)單位i的長度；wi為作業(yè)單位i的寬度；dx,ij為i，j間沿x軸方向的最小間距；dy,ij為i，j間沿y軸方向的最小間距；la，k為k作業(yè)單位與整個場地短邊界距離；wa,k為k作業(yè)單位與整個場地長邊界距離；xk為k作業(yè)單位中心距y軸的距離；yk為k作業(yè)單位中心距x軸的距離。

式中：

ωi——分配系數(shù)；

ai,j——作業(yè)單位i、j間的物流關(guān)系系數(shù)；

bi,j——作業(yè)單位i、j間的非物流關(guān)系系數(shù)；

di,j——作業(yè)單位i的中心與j的中心的距離；

ti,j——di,j與場地最大距離的比值,場地最大距離取圖2中L和W的最大值。

式(2)、(3)中，ai,j和bi,j按照A=4、E=3、I=2、O=1、U=0、X=-1的規(guī)則取值；ti,j的值由di,j決定，取值范圍為[0，1]。

2.7 確定場地布置的最終方案

在得到地鐵車站場地設(shè)計的備選方案后，需要對不同的方案進行比選。以本文提出的雙目標函數(shù)作為評價標準，對不同方案的物流強度指標與綜合管理指標進行量化。依據(jù)量化后的指標值可以清楚地分析出各方案的優(yōu)勢與弊端，從而結(jié)合現(xiàn)場情況確定最優(yōu)方案。

3 工程案例應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以長沙地鐵6號線朝陽村站為案例作進一步的分析研究。該站位于長沙市雨花區(qū)，沿人民中路東西向布置。人民中路為城市主干道，交通量大，路況復(fù)雜。車站周邊建筑主要有融圣國際、朝陽村小學、友阿百貨等，并毗鄰人民路立交隧道。朝陽村站全長305.6 m，標準段寬為21.4 m，采用蓋挖逆作與明挖順作相結(jié)合的形式施工，施工場地狹長。施工現(xiàn)場的主要區(qū)域包括辦公區(qū)、明挖施工區(qū)、施工便道、鋼筋加工和存放區(qū)、其他材料堆放區(qū)、洗車槽、沉淀池、門衛(wèi)室、蓋挖出土孔和渣土堆放區(qū)等。為保證狹窄場地下各施工作業(yè)區(qū)的正常施工，本著加快施工進度、降低工程費用、便于施工管理的目的，該項目在車站蓋挖頂板施作完畢后的土方開挖階段進行了施工場地規(guī)劃。

3.2 施工場地方案設(shè)計

3.2.1 物流與非物流相關(guān)性分析

主要依據(jù)作業(yè)單位間的物料搬運強度對物流強度進行分析時，各作業(yè)單位間的物流強度如圖3所示。

圖3 朝陽村站施工場地的物流強度相關(guān)圖

關(guān)聯(lián)關(guān)系分析時，主要對辦公區(qū)、明挖施工區(qū)、腳手架與鋼支撐堆放區(qū)、鋼筋加工與存放區(qū)、其他材料堆放區(qū)、蓋挖出土口與渣土堆放區(qū)等進行布置。而洗車槽、沉淀池、門衛(wèi)室等區(qū)域的位置相對容易確定，配電箱、移動廁所等區(qū)域在這些關(guān)鍵位置確定后其位置也相對容易確定，因而這些區(qū)域不納入關(guān)聯(lián)關(guān)系主要影響因素范疇。該站施工場地的非物流強度相關(guān)圖如圖4所示。

注：分式的分母代表表1中的影響因素序號。

3.2.2 綜合關(guān)系分析

對朝陽村站施工場地各作業(yè)單位的物流關(guān)系與非物流關(guān)系進行分析后確定其綜合關(guān)系。將字母所代表的強度進行量化，從而實現(xiàn)物流強度、非物流強度的加權(quán)量化處理。按式(1)進行計算，得到各施工作業(yè)區(qū)間的綜合關(guān)系如圖5所示。

圖5 朝陽村站施工場地的綜合關(guān)系圖

3.2.3 位置關(guān)系確定

在圖5的基礎(chǔ)上，結(jié)合表2的表達方式，在暫不考慮各作業(yè)區(qū)與施工場地的實際形狀與面積情況下，得到朝陽村站施工場地位置相關(guān)圖，如圖6所示。圖6可凸顯各作業(yè)單位距離的相對遠近。

注:①～⑦為施工的作業(yè)單位；各單位間線條的含義見表2。

3.2.4 施工場地布置方案設(shè)計

通過位置相關(guān)圖可以大致看出各作業(yè)單位的密切程度，基于綜合關(guān)系強的作業(yè)單位距離近、綜合關(guān)系弱的作業(yè)單位相對較遠的原則，結(jié)合位置相關(guān)圖，對朝陽村站施工場地各作業(yè)區(qū)之間的相對位置進行初步設(shè)計。擬定的三個設(shè)計方案如圖7所示。

3.3 施工場地布置方案評價

應(yīng)用數(shù)學模型，以式(2)、式(3)雙目標函數(shù)作為評價指標，對朝陽村站初步確定的三個施工場地布置方案進行評價，其結(jié)果如表3所示。

表3 施工場地布置方案的目標函數(shù)值

本文采用的雙目標函數(shù)為物流搬運強度和施工管理強度，目標函數(shù)值為無量綱的相對值。其中：C1的值越小，代表物料運輸成本越小，運輸速度

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三

越快；F1值越大，代表場地管理越方便，越便于施工組織者對整個項目進行管理。

在上述的三個初始布置方案中，從C1角度進行分析，方案三的運輸強度最小、運輸速度最快；從F1角度進行分析，方案二管理的程度最優(yōu)。在考慮管理目標值相差不大的前提下，以節(jié)約運輸成本為依據(jù)，確定采用方案三作為該施工場地的最優(yōu)布置方案。

4 結(jié)語

本文采用SLP法對施工場地進行規(guī)劃，基于各功能區(qū)之間的相關(guān)性提出了場地布置的可行性方案，建立各作業(yè)單位物料搬運成本耗費程度最小、非物流關(guān)系密切程度最大的雙目標函數(shù)，對各備選方案進行評價，形成系統(tǒng)的施工場地布置方法與評價標準。通過對長沙地鐵6號線朝陽村站的案例設(shè)計可得出結(jié)論，本文提出的繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車站施工場地布置的方法和評價標準可為類似車站的施工組織提供參考。