基于系統(tǒng)布置規(guī)劃(SLP)法的繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置研究

周佳慶 施成華,2 陳 剛 李 磊

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 410075， 長(zhǎng)沙； 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 410075， 長(zhǎng)沙； 3.中交一公局集團(tuán)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(chē)站的施工場(chǎng)地一般較為狹窄，施工過(guò)程中各施工作業(yè)區(qū)易互相干擾，進(jìn)而影響項(xiàng)目的施工進(jìn)度。如何科學(xué)合理地對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行布置成為施工管理的關(guān)鍵。地鐵車(chē)站的施工場(chǎng)地大多依據(jù)項(xiàng)目組織者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置，部分布局可以進(jìn)一步優(yōu)化。

在理論研究方面，很多學(xué)者在施工場(chǎng)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(xiàn)[1]將運(yùn)籌學(xué)中解決非線性規(guī)劃問(wèn)題的模式搜索法應(yīng)用到水利工程中，統(tǒng)籌考慮運(yùn)行費(fèi)用與建造費(fèi)用時(shí)得到最優(yōu)方案。文獻(xiàn)[2]提出了點(diǎn)狀分布的評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)分析了理論方法和優(yōu)化程序，將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)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(xiàn)[3-5]應(yīng)用BIM對(duì)場(chǎng)地布置方案進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[6-7]將系統(tǒng)布置法應(yīng)用到了房屋建設(shè)和大型活動(dòng)場(chǎng)地布置中。但是，對(duì)于繁華城區(qū)復(fù)雜條件下狹小施工場(chǎng)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(diǎn)關(guān)注繁華城區(qū)內(nèi)的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置。在各作業(yè)單位綜合關(guān)系進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，構(gòu)建了多目標(biāo)尋優(yōu)的評(píng)價(jià)模型，并對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車(chē)站較為系統(tǒng)的施工場(chǎng)地布置方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地的布置原則

地鐵車(chē)站的施工場(chǎng)地集多個(gè)施工作業(yè)區(qū)于一體，場(chǎng)地布置時(shí)需要兼顧各因素對(duì)場(chǎng)地布置的影響，應(yīng)根據(jù)以下場(chǎng)地布置原則對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行合理規(guī)劃布置。

1) 充分利用既有場(chǎng)地面積，使場(chǎng)地布置緊湊、協(xié)調(diào)；

2) 所有臨時(shí)的建筑設(shè)施要確保絕對(duì)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(chǎng)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(shí)進(jìn)行場(chǎng)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(chē)站施工場(chǎng)地布置

2.1 SLP法簡(jiǎn)述

SLP法由著名規(guī)劃專(zhuān)家Richard.Muther提出，是一種邏輯性強(qiáng)、條理清楚的布置設(shè)計(jì)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(chǎng)地規(guī)劃，尚未與繁華城區(qū)內(nèi)的地鐵車(chē)站施工進(jìn)行結(jié)合。

2.2 基于SLP法的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置流程

采用SLP法對(duì)地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，主要包括分析、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)三個(gè)階段。其中：分析階段對(duì)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(jìn)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(qiáng)弱，確定各作業(yè)單位的相對(duì)位置關(guān)系；設(shè)計(jì)階段結(jié)合車(chē)站場(chǎng)地的實(shí)際情況，綜合考慮限制條件及修正因素，利用綜合關(guān)系進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；評(píng)價(jià)階段利用本文提出的數(shù)學(xué)模型及雙目標(biāo)函數(shù)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，擇選出最優(yōu)方案。基于SLP法的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置流程圖如圖1所示。

圖1 基于SLP法的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置流程

2.3 施工場(chǎng)地物流關(guān)系與非物流關(guān)系分析

在對(duì)狹長(zhǎng)的地鐵車(chē)站進(jìn)行施工場(chǎng)地平面布置時(shí)，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(jìn)度、運(yùn)輸成本和管理效率。對(duì)物流關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，將不同作業(yè)單位的物流搬運(yùn)強(qiáng)度分為A、E、I、O、U 五個(gè)等級(jí)，分別代表絕對(duì)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(duì)物流強(qiáng)度的減小程度進(jìn)行量化。

作業(yè)單位非物流關(guān)系分析也稱(chēng)為關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，同樣是施工場(chǎng)地布置時(shí)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(chē)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(chǎng)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(gè)級(jí)別，分別代表絕對(duì)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(duì)其影響強(qiáng)度的依次減弱進(jìn)行量化。根據(jù)地鐵車(chē)站的施工特點(diǎn)，在進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析時(shí)，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(qiáng)度與非物流強(qiáng)度根據(jù)等級(jí)進(jìn)行量化，數(shù)值采用加權(quán)的方式進(jìn)行處理。綜合關(guān)系的量化數(shù)值Tij的計(jì)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(qiáng)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(chē)站的施工場(chǎng)地狹小，在分析時(shí)更側(cè)重于物流強(qiáng)度，因而取a=0.7，b=0.3。將Ti，j進(jìn)行分級(jí)，即根據(jù)其數(shù)值大小歸入A、E、I、O、U、X的相應(yīng)等級(jí)中，進(jìn)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(gè)步驟中暫且不考慮施工平面布置中各作業(yè)單位的實(shí)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(jí)低的相對(duì)較遠(yuǎn)。按照綜合關(guān)系等級(jí)為A的作業(yè)區(qū)必須相鄰、綜合關(guān)系等級(jí)為E的作業(yè)區(qū)至少對(duì)角相接、其他等級(jí)兼顧考慮的原則，先繪制出各作業(yè)單位的無(wú)面積拼塊圖，再根據(jù)無(wú)面積拼塊圖完成位置相關(guān)圖，從而進(jìn)行地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地的初步設(shè)計(jì)。各作業(yè)單位間密切程度的表達(dá)方式如表2所示。

表2 作業(yè)單位間密切程度的表達(dá)方式

但是，由于實(shí)際的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)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(chǎng)地布置方案，需要在位置相關(guān)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案的初步設(shè)計(jì)。最終方案還需要通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)初步設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行方案比選方可確定。

2.6 評(píng)價(jià)模型的建立

2.6.1 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

在實(shí)際的地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置過(guò)程中，各作業(yè)單位的形狀以及施工場(chǎng)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(duì)各作業(yè)單位以及場(chǎng)地進(jìn)行合理的假設(shè)，主要包括：① 將施工現(xiàn)場(chǎng)與各作業(yè)單位簡(jiǎn)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(gè)空間布局的長(zhǎng)和寬。

在此假設(shè)基礎(chǔ)上將施工場(chǎng)地的平面布置轉(zhuǎn)化為約束條件下的多目標(biāo)尋優(yōu)問(wèn)題。場(chǎng)地布置評(píng)價(jià)模型如圖2所示。

2.6.2 建立目標(biāo)函數(shù)

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

(2)

(3)

注：x軸為施工場(chǎng)地的長(zhǎng)度方向；y軸為施工場(chǎng)地的寬度方向；L為施工場(chǎng)地總長(zhǎng)度；W為施工場(chǎng)地總寬度；i，j，k為場(chǎng)地內(nèi)作業(yè)單位的編號(hào)；li為作業(yè)單位i的長(zhǎng)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(gè)場(chǎng)地短邊界距離；wa,k為k作業(yè)單位與整個(gè)場(chǎng)地長(zhǎng)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(chǎng)地最大距離的比值,場(chǎng)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(chǎng)地布置的最終方案

在得到地鐵車(chē)站場(chǎng)地設(shè)計(jì)的備選方案后，需要對(duì)不同的方案進(jìn)行比選。以本文提出的雙目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同方案的物流強(qiáng)度指標(biāo)與綜合管理指標(biāo)進(jìn)行量化。依據(jù)量化后的指標(biāo)值可以清楚地分析出各方案的優(yōu)勢(shì)與弊端，從而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線朝陽(yáng)村站為案例作進(jìn)一步的分析研究。該站位于長(zhǎng)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(chē)站周邊建筑主要有融圣國(guó)際、朝陽(yáng)村小學(xué)、友阿百貨等，并毗鄰人民路立交隧道。朝陽(yáng)村站全長(zhǎng)305.6 m，標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)地狹長(zhǎng)。施工現(xiàn)場(chǎng)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(chē)槽、沉淀池、門(mén)衛(wèi)室、蓋挖出土孔和渣土堆放區(qū)等。為保證狹窄場(chǎng)地下各施工作業(yè)區(qū)的正常施工，本著加快施工進(jìn)度、降低工程費(fèi)用、便于施工管理的目的，該項(xiàng)目在車(chē)站蓋挖頂板施作完畢后的土方開(kāi)挖階段進(jìn)行了施工場(chǎng)地規(guī)劃。

3.2 施工場(chǎng)地方案設(shè)計(jì)

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(yùn)強(qiáng)度對(duì)物流強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，各作業(yè)單位間的物流強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 朝陽(yáng)村站施工場(chǎng)地的物流強(qiáng)度相關(guān)圖

關(guān)聯(lián)關(guān)系分析時(shí)，主要對(duì)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(jìn)行布置。而洗車(chē)槽、沉淀池、門(mén)衛(wèi)室等區(qū)域的位置相對(duì)容易確定，配電箱、移動(dòng)廁所等區(qū)域在這些關(guān)鍵位置確定后其位置也相對(duì)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(chǎng)地的非物流強(qiáng)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(hào)。

3.2.2 綜合關(guān)系分析

對(duì)朝陽(yáng)村站施工場(chǎng)地各作業(yè)單位的物流關(guān)系與非物流關(guān)系進(jìn)行分析后確定其綜合關(guān)系。將字母所代表的強(qiáng)度進(jìn)行量化，從而實(shí)現(xiàn)物流強(qiáng)度、非物流強(qiáng)度的加權(quán)量化處理。按式(1)進(jìn)行計(jì)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(yáng)村站施工場(chǎng)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(dá)方式，在暫不考慮各作業(yè)區(qū)與施工場(chǎng)地的實(shí)際形狀與面積情況下，得到朝陽(yáng)村站施工場(chǎng)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(duì)遠(yuǎn)近。

注:①～⑦為施工的作業(yè)單位；各單位間線條的含義見(jiàn)表2。

3.2.4 施工場(chǎng)地布置方案設(shè)計(jì)

通過(guò)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(qiáng)的作業(yè)單位距離近、綜合關(guān)系弱的作業(yè)單位相對(duì)較遠(yuǎn)的原則，結(jié)合位置相關(guān)圖，對(duì)朝陽(yáng)村站施工場(chǎng)地各作業(yè)區(qū)之間的相對(duì)位置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。擬定的三個(gè)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

3.3 施工場(chǎng)地布置方案評(píng)價(jià)

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，以式(2)、式(3)雙目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)朝陽(yáng)村站初步確定的三個(gè)施工場(chǎng)地布置方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表3所示。

表3 施工場(chǎng)地布置方案的目標(biāo)函數(shù)值

本文采用的雙目標(biāo)函數(shù)為物流搬運(yùn)強(qiáng)度和施工管理強(qiáng)度，目標(biāo)函數(shù)值為無(wú)量綱的相對(duì)值。其中：C1的值越小，代表物料運(yùn)輸成本越小，運(yùn)輸速度

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三

越快；F1值越大，代表場(chǎng)地管理越方便，越便于施工組織者對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行管理。

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

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用SLP法對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行規(guī)劃，基于各功能區(qū)之間的相關(guān)性提出了場(chǎng)地布置的可行性方案，建立各作業(yè)單位物料搬運(yùn)成本耗費(fèi)程度最小、非物流關(guān)系密切程度最大的雙目標(biāo)函數(shù)，對(duì)各備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成系統(tǒng)的施工場(chǎng)地布置方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線朝陽(yáng)村站的案例設(shè)計(jì)可得出結(jié)論，本文提出的繁華城區(qū)內(nèi)地鐵車(chē)站施工場(chǎng)地布置的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可為類(lèi)似車(chē)站的施工組織提供參考。