有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)工期仿真

劉俊，狄怡霏，董成周，王衛(wèi)東

有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)工期仿真

劉俊1, 3，狄怡霏2，董成周2，王衛(wèi)東1, 3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 中鐵十四局集團(tuán) 第五工程公司，山東 濟(jì)寧 272117；3. 中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

有軌電車作為一種新型公交，以其節(jié)能環(huán)保、綠化鋪裝等特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展十分迅速。結(jié)合BIM技術(shù)以及蒙特卡洛方法，對(duì)有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)進(jìn)行施工階段工期仿真及施工管理信息化研究，以期促進(jìn)BIM技術(shù)在有軌電車方面中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明：以蒙特卡洛方法模擬確定的各工序持續(xù)時(shí)間及總工期概率分布，可為控制總工期、編制施工組織設(shè)計(jì)提供依據(jù)；利用Revit建立附加工期信息的軌道結(jié)構(gòu)模型，可以形象展示施工過(guò)程，為調(diào)整工程進(jìn)度、解決施工難點(diǎn)提供依據(jù)；基于BIM的施工管理信息化系統(tǒng)可以促進(jìn)工程信息集成和共享，推動(dòng)BIM在有軌電車工程中的應(yīng)用。

有軌電車；軌道結(jié)構(gòu)；工程進(jìn)度；BIM；蒙特卡洛

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展以及在低碳經(jīng)濟(jì)下對(duì)城市交通景觀的要求，有軌電車的發(fā)展與建設(shè)迎來(lái)了重要的時(shí)期。有軌電車建設(shè)工程具有規(guī)模大，建設(shè)周期長(zhǎng)，施工空間狹窄，工期緊，相關(guān)專業(yè)多等特點(diǎn)[1]。所以，在項(xiàng)目開工建設(shè)前要編制合理有序的施工進(jìn)度表，使施工資源得到合理配備，在最大程度上減少工程的成本。BIM不僅可以實(shí)現(xiàn)三維建模，還可加入時(shí)間形成4D模型，加入成本形成5D模型，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面管理。引入BIM技術(shù)后可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期管理，減少施工錯(cuò)誤，節(jié)約工程管理成本，加快施工的進(jìn)度?；贐IM的工程信息管理方式，將建設(shè)工程管理全過(guò)程中的工程相關(guān)文檔、照片、圖紙等過(guò)程資料進(jìn)行集中管理，使工程項(xiàng)目系統(tǒng)內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致，形成項(xiàng)目信息管理的信息流網(wǎng)絡(luò)[2]。當(dāng)前，BIM在軌道交通中的應(yīng)用較廣泛，但大多數(shù)是針對(duì)特定的工程內(nèi)容。由于有軌電車建設(shè)項(xiàng)目的復(fù)雜性、專業(yè)性強(qiáng)，依據(jù)BIM模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的方法還不夠成熟，在建設(shè)工程全生命周期中應(yīng)用BIM的突出作用尚需進(jìn)一步的開發(fā)提高[3-4]。成都市有軌電車的無(wú)砟軌道整體道床結(jié)構(gòu)型式分4種：1) 扣配件型式； 2) 預(yù)制軌道板型式；3) 承軌槽型式；4) 現(xiàn)澆鋼槽型式。本文應(yīng)用蒙特卡洛的方法和BIM技術(shù)對(duì)有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)進(jìn)度進(jìn)行仿真研究，研究整體結(jié)構(gòu)框架如圖1。依照扣配件式軌道結(jié)構(gòu)的施工組織設(shè)計(jì)，確定每道工序。在施工現(xiàn)場(chǎng)，以50 m長(zhǎng)度的軌道鋪設(shè)為一個(gè)單元，首先調(diào)查每道工序的持續(xù)時(shí)間，取多組樣本數(shù)據(jù)，擬合每道工序持續(xù)時(shí)間的概率分布函數(shù)和對(duì)應(yīng)的參數(shù)。然后，根據(jù)施工網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，以蒙特卡洛對(duì)每道工序持續(xù)時(shí)間進(jìn)行100萬(wàn)次的試驗(yàn)?zāi)M，得到有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)總工期的概率分布。最后，建立扣配件式軌道結(jié)構(gòu)BIM模型，直觀展現(xiàn)仿真模擬結(jié)果，提高工程管理效率。

1 有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)工作分解

基于WBS將研究對(duì)象進(jìn)行工作分解，明確各工作之間前后邏輯關(guān)系。

圖1 研究框架

有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)的施工步驟多，需要制定細(xì)致的施工組織計(jì)劃，逐層逐步地對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行工作分解，保證軌道結(jié)構(gòu)建設(shè)滿足規(guī)范要求。在詳細(xì)調(diào)研成都有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)后，本文基于WBS法將扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)流程分解成了11道工序，如圖2。

2 有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)工法的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖

2.1 雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖

橫道圖及網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖是2種常用的工程進(jìn)度計(jì)劃表示方法。其中，橫道圖是傳統(tǒng)方法，簡(jiǎn)單且應(yīng)用范圍較廣，但對(duì)于大型工程，不能清晰表達(dá)各工序之間內(nèi)在邏輯關(guān)系，也不能夠明確整個(gè)進(jìn)度計(jì)劃的關(guān)鍵工作和路徑。雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖具備橫道圖和網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖的優(yōu)勢(shì)，一方面可以完整、清晰反映各工序間內(nèi)在邏輯關(guān)系，另一方面又可以明確顯示進(jìn)度計(jì)劃。本文采用雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖表示施工網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。

圖2 扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)施工流程

2.2 計(jì)劃評(píng)審技術(shù)

對(duì)各工序之間邏輯關(guān)系和工序持續(xù)時(shí)間的研究，總體上經(jīng)過(guò)了由確定到不確定2個(gè)過(guò)程。關(guān)鍵線路法(CPM)，各工序彼此之間邏輯關(guān)系和工序持續(xù)時(shí)間都認(rèn)為是確定的，即各工序持續(xù)時(shí)間是常量[5?6]，工程總工期是關(guān)鍵路徑中所有關(guān)鍵工序持續(xù)時(shí)間的總和。但是在工程施工中，各工序持續(xù)時(shí)間受各種人為、氣象等因素的影響，并非常量，而是在一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)變動(dòng)，使工程建設(shè)的關(guān)鍵線路發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)用關(guān)鍵線路法計(jì)算的總工期不能準(zhǔn)確反映實(shí)際狀況。計(jì)劃評(píng)審技術(shù)(PERT)假定各工序之間的邏輯關(guān)系確定但持續(xù)時(shí)間不確定，它假設(shè)各工序持續(xù)時(shí)間滿足一種概率分布，采用三點(diǎn)估算法計(jì)算期望值作為各工序持續(xù)時(shí)間，以此反映工序持續(xù)時(shí)間的“不確定性”[7?9]。

本文以計(jì)劃評(píng)審技術(shù)為基礎(chǔ)，以蒙特卡洛模擬的試驗(yàn)方式，對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，各工序持續(xù)時(shí)間期望值采用現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)的均值。

2.3 扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖

在工地現(xiàn)場(chǎng)確定的人員、機(jī)械、材料等條件下，對(duì)每道工序收集24組持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，確定工序持續(xù)時(shí)間的可能范圍(如表1)繪制雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖(如圖3)。

表1 工作明細(xì)

圖3 軌道鋪設(shè)工程雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖

3 蒙特卡洛模擬軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)工期

蒙特卡洛方法，又稱隨機(jī)抽樣方法，以大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定目標(biāo)變量值的一種數(shù)值計(jì)算方法[10?13]。本文根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的收集數(shù)據(jù)，擬合各工序持續(xù)時(shí)間的概率分布類型和相關(guān)參數(shù)，利用蒙特卡洛方法并結(jié)合PERT進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，得到50 m長(zhǎng)度單元的扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)總工期概率分布(圖4)。

3.1 工序持續(xù)時(shí)間的數(shù)學(xué)分布

工序持續(xù)時(shí)間往往與現(xiàn)場(chǎng)工程資源配備(機(jī)械、人工、材料等)相關(guān)，軌道鋪設(shè)要求的材料和機(jī)械配備基本相同，50 m長(zhǎng)度單元的軌道鋪設(shè)，配備人員：1) 測(cè)量放線人員配備：測(cè)量畫點(diǎn)2人，放模板定位線2人；2) 軌排組裝人員配備：散軌枕、扣件安裝8人；3) 精調(diào)支架安裝人員配備：支架安裝6人；4) 軌道粗調(diào)人員配備：軌道粗調(diào)4人；5) 道床鋼筋綁扎人員配備：綁扎鋼筋8人，焊接鋼筋3人；6) 伸縮縫施工人員配備：泡沫板安裝2人；7) 模板安裝人員配備：模板運(yùn)輸2人，支架鉆口2人，安裝模板4人；8) 軌道精調(diào)人員配備：操作全站儀1人，操作精調(diào)小車2人，軌道精調(diào)配合4人； 9) 混凝土澆筑人員配備：混凝土罐車駕駛員1人，泵車駕駛員1人，泵車指揮員1人，混凝土澆筑2人，平鋪混凝土4人，混凝土收面6人，地面清洗2人；10) 混凝土養(yǎng)生人員配備：鋪設(shè)土工布2人，澆水養(yǎng)護(hù)2人；11) 拆模人員配備：支架拆除4人，模板拆除4人。

對(duì)各工序持續(xù)時(shí)間的24組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布擬合，確定11道工序持續(xù)時(shí)間概率分布如表2，主要是Beta分布、均勻分布、負(fù)二項(xiàng)分布等，相較常用的概率分布函數(shù)擬合工程數(shù)據(jù)精度提高[14?15]。

表2 各工序持續(xù)時(shí)間概率分布類型及參數(shù)

3.2 蒙特卡洛模擬

根據(jù)各工序持續(xù)時(shí)間的擬合分布函數(shù)和雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，對(duì)50 m長(zhǎng)度單元的軌道鋪設(shè)過(guò)程，在既準(zhǔn)確模擬又減少模擬耗費(fèi)時(shí)間的條件下，以蒙特卡洛方法仿真模擬100萬(wàn)次，得到100萬(wàn)個(gè)工序持續(xù)時(shí)間和總工期試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明如下：

1) 總工期概率分布如圖4。50 m長(zhǎng)度單元的扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)總工期符合Gamma分布，分布參數(shù)為min=996.9，=215.3，=50.4。

圖4 總工期概率分布

2) 總工期的累計(jì)概率分布模擬結(jié)果如圖5。可見，50 m長(zhǎng)度單元的軌道鋪設(shè)在8.9 d內(nèi)完成的概率是90%。

圖5 總工期累計(jì)概率分布

4 基于BIM的仿真系統(tǒng)

利用Revit建立有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)BIM模型，以工期為時(shí)間軸，根據(jù)雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行4D動(dòng)態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)了有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)進(jìn)度的可視化管理。

4.1 扣配件式軌道結(jié)構(gòu)3D模型

對(duì)應(yīng)有軌電車扣配件式軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)施工流程，建立底座板族、支撐塊族、鋼軌族共3個(gè)主要基礎(chǔ)構(gòu)件的參數(shù)化族，最后將各族組合成扣配件式軌道結(jié)構(gòu)整體模型，如圖6所示。

(a) 底座板族；(b) 支撐塊族；(c) 鋼軌族；(d) 整體三維模型

4.2 4D模型

將經(jīng)過(guò)上述模擬試驗(yàn)確定的各道工序所需要的時(shí)間、軌道鋪設(shè)總工期等信息附加于各構(gòu)件，以工期為時(shí)間軸，依據(jù)雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，模擬工程施工進(jìn)度，可動(dòng)態(tài)展示軌道結(jié)構(gòu)的建設(shè)過(guò)程。

系統(tǒng)(如圖7)可輸入實(shí)際工程進(jìn)度，與計(jì)劃進(jìn)度對(duì)比，能及早的發(fā)現(xiàn)工期滯后問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工人員、工程材料、施工機(jī)械的配比，保證計(jì)劃工期；為合理有序安排工程資源提供一定決策依據(jù)，避免出現(xiàn)工程資源閑置或緊張等問(wèn)題。

建立工程信息管理系統(tǒng)(圖8)，對(duì)施工過(guò)程中的相關(guān)資料進(jìn)行集成和共享，為工程的進(jìn)一步信息化、可視化提供基礎(chǔ)。

圖7 軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)進(jìn)度4D模擬

圖8 工程信息管理系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

1) 在一定的資源配置條件下，每道工序采集24組持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)，分別確定11道工序持續(xù)時(shí)間的概率分布類型及參數(shù)。

2) 用蒙特卡洛方法模擬確定了50 m長(zhǎng)度單元的有軌電車扣配件式軌道鋪設(shè)總工期服從Gamma分布，在8.9 d內(nèi)完成的概率為90%。

3) 建立了工程4D模型和工程信息管理系統(tǒng)，對(duì)合理安排工程進(jìn)度或根據(jù)工程進(jìn)度合理配置工程資源提供了可視化平臺(tái)。

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Period-simulation of tram buckle-type track structure

LIU Jun1, 3, DI Yifei2, DONG Chengzhou2, WANG Weidong1, 3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Fifth Engineering Company, China Railway fourteen Bureau Group, Jining 272117, China;3. Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Trams, as a new type of bus, have developed rapidly in China due to their energy saving, environmental protection and green paving. This paper combined BIM technology and Monte Carlo method to carry out period-simulation in construction and informatization of construction management of tram buckle-type track structure laying in order to promote the application of BIM technology in trams. The research results are as follows: The duration of each process and the probability distribution of the total construction period are determined by Monte Carlo simulation, which provides a basis for controlling the total construction period and preparing the construction organization design; Use Revit to build a track structure model with additional construction time information, which can visually show the construction process, and provide a basis for adjusting the progress of the project and solving construction difficulties; The BIM-based construction management information system can facilitate the integration and sharing of engineering information, and promote the application of BIM in tram projects.

tram; track structure; project progress; BIM; Monte Carlo

[U239]

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3045 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200135

2020?02?21

中鐵十四局有軌電車軌道工程關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)研究項(xiàng)目(YGDC-30)；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(13YJA630091)

王衛(wèi)東(1971?)，男，江西上饒人，教授，博士，從事道路與鐵道工程研究；E?mail：147745@163.com

(編輯 涂鵬)