基于SD的碾壓混凝土壩施工資源配置策略研究

黃建文，劉凱麗，姜海龍，李朝全，袁 華，張光飛

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002；2.三峽大學(xué)水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002；3.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司向家壩施工局，四川宜賓644000；4.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司白鶴灘工程建設(shè)部，四川涼山615400)

碾壓混凝土壩施工過程中影響因素多，邊界條件復(fù)雜，其進(jìn)度控制成為工程施工的難點(diǎn)。有效的資源配置對(duì)工程進(jìn)度控制起到重要作用，因此研究資源配置對(duì)工程進(jìn)度的影響有著重要意義[1]。

目前項(xiàng)目管理中資源配置問題多分為資源負(fù)載、資源約束下項(xiàng)目調(diào)度以及資源分配平衡問題[2]。對(duì)于資源負(fù)載和資源約束下項(xiàng)目調(diào)度已有較為成熟的理論和方法，羅榮桂等[3]利用關(guān)鍵鏈技術(shù)優(yōu)化柔性資源受限項(xiàng)目的項(xiàng)目工期；李俊亭等[4]將資源調(diào)度算法和網(wǎng)絡(luò)搭接關(guān)系結(jié)合解決資源沖突問題；丁雪楓等[5]結(jié)合遺傳算法與禁忌搜索提出資源約束項(xiàng)目調(diào)度的混合優(yōu)化求解策略。賈艷等[6]提出啟發(fā)式算法求解可替代資源約束下的項(xiàng)目調(diào)度問題。而資源分配平衡問題，多采用多目標(biāo)優(yōu)化[7]、云計(jì)算[8]等方法，仿真過程中未充分考慮資源分配影響因素間的動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系，難以全面反映工程的施工特性[9]。

碾壓混凝土壩施工時(shí)形成動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)，自我校正的正負(fù)反饋?zhàn)饔糜绊懼┕は到y(tǒng)運(yùn)行[10]。本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD， System Dynamics)和掙值法，在分析碾壓混凝土壩特性的基礎(chǔ)上，建立勞動(dòng)力、物料、機(jī)械、資金和掙值參數(shù)的子系統(tǒng)。通過調(diào)整資金和骨料計(jì)劃周轉(zhuǎn)天數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同資源配置策略模型仿真，分析不同資源配置策略對(duì)工程進(jìn)度的影響。運(yùn)用進(jìn)度績(jī)效指數(shù)SPI(Schedule Performance Index)和費(fèi)用績(jī)效指數(shù)CPI(Cost Performance Index)為工程整體資源配置效果提供輔助依據(jù)[11]。

1 碾壓混凝土壩動(dòng)態(tài)反饋分析

1.1 模型假定條件

(1)假定1。項(xiàng)目施工時(shí)內(nèi)外部環(huán)境穩(wěn)定，不考慮施工場(chǎng)地、宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)等不確定因素，且勞動(dòng)力的生產(chǎn)率穩(wěn)定不變。

(2)假定2?；炷涟韬?、運(yùn)輸系統(tǒng)良好。以振動(dòng)碾為混凝土澆筑所需機(jī)械代表，以混凝土為物料代表進(jìn)行仿真研究。

(3)假定3。工程施工不考慮加班因素，本文模型中單位“天”指每日正常工作8 h。

1.2 因果關(guān)系分析

碾壓混凝土壩的實(shí)際施工強(qiáng)度由資源的可用性和工序的可操作性決定。資源的可用性由勞動(dòng)力、混凝土、振動(dòng)碾和資金數(shù)量體現(xiàn)。通過引入基于勞動(dòng)力的施工強(qiáng)度、基于混凝土的施工強(qiáng)度、基于振動(dòng)碾的施工強(qiáng)度來表示勞動(dòng)力、混凝土、振動(dòng)碾的數(shù)量對(duì)實(shí)際施工強(qiáng)度的影響，三者通過有限的資金相互制約，共同決定了大壩的施工速度。工序的可操作性由碾壓混凝土壩的倉(cāng)面大小以及混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)時(shí)間決定，這兩者也決定了大壩施工能達(dá)到的最快速度，即基于工序的施工強(qiáng)度[12]。

通過基于勞動(dòng)力的施工強(qiáng)度、基于混凝土的施工強(qiáng)度、基于振動(dòng)碾的施工強(qiáng)度和基于工序的施工強(qiáng)度來確定實(shí)際施工強(qiáng)度和實(shí)際完成工作量。而實(shí)際施工強(qiáng)度又與混凝土數(shù)量成負(fù)反饋回路。實(shí)際完成工程量通過影響施工進(jìn)度偏差來控制勞動(dòng)力和振動(dòng)碾的數(shù)量。因果關(guān)系如圖1所示。

圖1 碾壓混凝土壩資源配置因果關(guān)系

2 碾壓混凝土壩SD模型構(gòu)建

碾壓混凝土壩資源配置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型包括勞動(dòng)力、混凝土、振動(dòng)碾、資金以及掙值指標(biāo)5個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示。

模型中，勞動(dòng)力子系統(tǒng)描述當(dāng)前勞動(dòng)力的數(shù)量以及施工進(jìn)度偏差、計(jì)劃施工強(qiáng)度對(duì)勞動(dòng)力的反饋?zhàn)饔谩；炷磷酉到y(tǒng)反映計(jì)劃骨料數(shù)量以及混凝土的獲取和消耗情況。振動(dòng)碾子系統(tǒng)說明混凝土施工所需振動(dòng)碾數(shù)量和振動(dòng)碾對(duì)施工進(jìn)度的影響。資金子系統(tǒng)闡述資金的計(jì)劃、獲取、使用過程以及資金對(duì)勞動(dòng)力、混凝土、振動(dòng)碾3個(gè)子系統(tǒng)的約束作用。掙值指標(biāo)子系統(tǒng)利用SPI和CPI指標(biāo)評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)度、成本績(jī)效和資源配置效果。5個(gè)子系統(tǒng)通過資金的流動(dòng)成為整體，構(gòu)成正負(fù)反饋回路。在模型的變量表達(dá)式設(shè)計(jì)中，實(shí)際施工強(qiáng)度由基于工序的施工強(qiáng)度與基于資源的施工強(qiáng)度的較小值決定，反映了實(shí)際施工強(qiáng)度受到資源數(shù)量和混凝土澆筑倉(cāng)面大小、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的共同約束?；谫Y源的施工強(qiáng)度取基于勞動(dòng)力的施工強(qiáng)度、基于混凝土的施工強(qiáng)度、基于振動(dòng)碾的施工強(qiáng)度三者的最小值，體現(xiàn)的是勞動(dòng)力、混凝土、振動(dòng)碾之間的匹配度以及資源的充足程度。模型中部分主要變量函數(shù)關(guān)系如表1所示。

3 工程案例仿真分析

3.1 模型參數(shù)設(shè)置以及模型檢驗(yàn)

某水電站工程采用碾壓混凝土壩施工，壩頂高程1 303.00 m，共劃分31個(gè)壩段。以該大壩C2標(biāo)段為仿真試驗(yàn)對(duì)象，其碾壓混凝土工程量為116.4萬(wàn)m3，總造價(jià)為40 319.1萬(wàn)元，計(jì)劃工期1 200 d。應(yīng)用Vensim軟件進(jìn)行模型仿真，設(shè)置仿真周期為1 200 d，步長(zhǎng)1 d。以基礎(chǔ)方案current1進(jìn)行模擬，設(shè)置基礎(chǔ)方案計(jì)劃資金周轉(zhuǎn)天數(shù)為90 d，計(jì)劃骨料周轉(zhuǎn)天數(shù)為6 d，仿真結(jié)果見圖3，結(jié)果顯示,

圖2 碾壓混凝土壩資源配置模型

表1 部分主要變量函數(shù)關(guān)系

工程在計(jì)劃工期1 200 d內(nèi)順利完工?？紤]資金、物料等資源獲取延遲因素后模擬的實(shí)際施工強(qiáng)度與工程計(jì)劃施工強(qiáng)度存在一定偏差，但其趨勢(shì)基本一致，說明模型穩(wěn)定?；A(chǔ)方案current1模擬出的與計(jì)劃施工強(qiáng)度匹配的勞動(dòng)力和機(jī)械數(shù)量見圖4，所需振動(dòng)碾最大數(shù)量為8臺(tái)，所需勞動(dòng)力最大數(shù)量為65人。

圖3 Current 1模型仿真結(jié)果

圖4 計(jì)劃施工強(qiáng)度匹配資源數(shù)量

3.2 資源配置策略研究

在實(shí)際施工過程中，勞動(dòng)力和振動(dòng)碾因其重復(fù)利用的特點(diǎn)，可以根據(jù)施工進(jìn)度偏差進(jìn)行自我反饋調(diào)整，因此本文資源配置的調(diào)控對(duì)象為資金和物料，即在基礎(chǔ)方案Current 1的基礎(chǔ)上，調(diào)整計(jì)劃資金周轉(zhuǎn)天數(shù)和計(jì)劃骨料周轉(zhuǎn)天數(shù)，設(shè)計(jì)出5種資源配置方案，研究不同的資源配置策略對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生的影響，具體仿真模擬方案設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 資源配置策略研究方案設(shè)計(jì) %

仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：

(1)當(dāng)資源配置方案為Current 2時(shí)，由于該方案的資金、物料投入水平較低，導(dǎo)致實(shí)際施工強(qiáng)度不能滿足計(jì)劃施工強(qiáng)度的需求，從而產(chǎn)生較大的進(jìn)度偏差(工期延誤)，致使工程不能按期完工。物料的不足也使得與計(jì)劃施工強(qiáng)度匹配的勞動(dòng)力出現(xiàn)窩工現(xiàn)象，振動(dòng)碾出現(xiàn)閑置現(xiàn)象。

(2)當(dāng)資源的配置方案為Current 3時(shí)，資源的配置高于計(jì)劃施工強(qiáng)度需要。充足的資金和物料使工程提前120 d完工，但由于勞動(dòng)力和振動(dòng)碾的數(shù)量受到施工場(chǎng)地大小的限制，資金的持續(xù)增加并不能使勞動(dòng)力和振動(dòng)碾的數(shù)量持續(xù)增加，工程也無法進(jìn)一步縮短工期。資源過量后進(jìn)度績(jī)效指數(shù)和費(fèi)用績(jī)效指數(shù)見圖6，CPI小于1，說明工程成本過高，并不經(jīng)濟(jì)。方案Current 4仿真結(jié)果與Current 2相似，實(shí)際施工強(qiáng)度受到物料不足的制約，實(shí)際完成工程量未達(dá)到計(jì)劃工程量，增加的資金因?yàn)槲锪系牟黄ヅ湟渤蔀殚e置資金，造成資金時(shí)間價(jià)值的損失。

(3)Current 5資源配置策略在實(shí)際施工中無法實(shí)現(xiàn)，盡管計(jì)劃骨料周轉(zhuǎn)天數(shù)增多，但資金的不足使該計(jì)劃無法實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目停滯無法施工。說明資金決定著勞動(dòng)力、骨料、振動(dòng)碾的獲取狀況，資金是項(xiàng)目最基礎(chǔ)的資源。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖5 模型仿真結(jié)果

圖6 Current 3進(jìn)度、費(fèi)用績(jī)效指數(shù)

本文結(jié)合碾壓混凝土壩施工資源間多反饋、非線性的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和掙值理論構(gòu)建資源配置模型，對(duì)不同資源配置策略進(jìn)行定量分析，用掙值指標(biāo)來評(píng)估資源配置的整體效果，得出如下結(jié)論：資金和物料的不足會(huì)直接產(chǎn)生較大的進(jìn)度偏差，而足量的資金和物料盡管能在一定程度上保證施工進(jìn)度，但工程成本過高，并不經(jīng)濟(jì)。足量的資金如果不能體現(xiàn)在勞動(dòng)力和機(jī)械數(shù)量上，則會(huì)造成勞動(dòng)力、物料和機(jī)械數(shù)量上的不匹配，無法對(duì)進(jìn)度控制起到實(shí)質(zhì)作用，此時(shí)過量的資金也會(huì)造成資金時(shí)間價(jià)值的損失。