基于優(yōu)化理論的公路箱式涵洞工廠化施工場站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)研究

□傅程輝 李少波 李 盼 馬志雪

公路裝配式箱涵施工的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是工廠化預(yù)制、現(xiàn)場安裝，其核心內(nèi)容就是工廠化預(yù)制質(zhì)量的好壞、工程進(jìn)度保證、運(yùn)輸安全與高效這三大要素，如何做好場站建設(shè)就十分重要。因此，為保證箱式涵洞構(gòu)件工廠化快速、高效與高質(zhì)量施工，需要解決場站建設(shè)中的場站選址、場站布局、設(shè)備配置等問題，從現(xiàn)代化工程管理理念出發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)公路建設(shè)發(fā)展理念人本化、項(xiàng)目管理專業(yè)化、工程施工標(biāo)準(zhǔn)化、管理手段信息化和日常管理精細(xì)化，更好地從提升工程質(zhì)量、安全管理水平，樹立行業(yè)文明施工形象，充分展示場站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化，也就是從功能、配置方面入手，體現(xiàn)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化施工的需要。裝配式箱涵的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，主要涉及鋼筋加工、場內(nèi)運(yùn)輸、混凝土澆筑、構(gòu)件養(yǎng)生、構(gòu)件運(yùn)輸、構(gòu)件存放、構(gòu)件吊裝出場等多個(gè)環(huán)節(jié)，其標(biāo)準(zhǔn)化場站建設(shè)同樣需要推行集約化管理，包括場站選址、場站規(guī)模、場站功能設(shè)置、場站配套、機(jī)械化程度、綜合管理等各個(gè)方面，即從原材料到成品全過程開展集約化施工，充分發(fā)揮裝配式箱涵的工廠化優(yōu)勢。

一、場站建設(shè)的基本思路

通常的選址問題會(huì)出現(xiàn)在其他公共建筑或城市規(guī)劃中，而箱式涵洞構(gòu)件預(yù)制場地的選址，是屬于公路基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中的臨時(shí)設(shè)施，與一般選址問題既有區(qū)別又有聯(lián)系，因此可以根據(jù)公路常用的選址問題的一般原則進(jìn)行簡單篩選，然后再依據(jù)其自身的約束和特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化選址方案。

(一)選址中常見的問題。在進(jìn)行建筑位置的選址時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑的性質(zhì)，綜合多方因素，考慮全面，找尋最為適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)。如果談到公共建筑方面現(xiàn)在的選擇問題，應(yīng)當(dāng)著重注意，工廠、區(qū)域、中心和場館，以及倉庫等地點(diǎn)的選擇，這些地方的選址與本文所研究的中心內(nèi)容有所不同，文章研究的中心內(nèi)容是箱式涵洞構(gòu)件預(yù)制場地選址，工廠等區(qū)域的選址與其有著相似之處。

1.工廠地點(diǎn)選擇出現(xiàn)的問題。工廠所處的地方需要研究當(dāng)?shù)氐木C合情況，包括城市的整體相關(guān)規(guī)劃，當(dāng)?shù)剌p工業(yè)、重工業(yè)以及其他產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，同時(shí)也要考慮到人民群眾以及環(huán)境方面的問題。首當(dāng)其沖的是工業(yè)企業(yè)所選擇的地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是符合國家工業(yè)部級標(biāo)準(zhǔn)的，并且能夠結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況，實(shí)現(xiàn)工業(yè)布局的整體規(guī)劃。通常來講，工廠地點(diǎn)的選擇首先要考慮的就是材料方面的運(yùn)輸因素，這就是要求著企業(yè)在生產(chǎn)的過程中，其材料的準(zhǔn)備必須是充足的，材料的運(yùn)輸必須跟得上企業(yè)生產(chǎn)的速度，因此也就要著重考慮，全面考察地點(diǎn)的交通情況，對地點(diǎn)的交通工具有著全面的了解，對當(dāng)?shù)氐牡匦蔚貏萦幸粋€(gè)具體的掌握。

2.區(qū)域中心地點(diǎn)選擇存在的問題。區(qū)域中心首先要考慮的交通因素，應(yīng)當(dāng)是把中心放到交通區(qū)塊的主干路，放在較高級別的道路附近，讓整個(gè)運(yùn)輸過程的通暢性得以保證。其次區(qū)域中心的人力需求是較大的，所以應(yīng)當(dāng)考慮到周圍的人力資源以及其他方面的設(shè)施與設(shè)備，要著重注意設(shè)備獲取的便捷性。最后，就是區(qū)域中心的具體效益，獲取經(jīng)濟(jì)利益才是區(qū)域中心的主要作用，也是在主干道路生存的基礎(chǔ)條件，要將服務(wù)與配送二者全都考慮進(jìn)去，滿足市場的具體需求。

3.倉庫地點(diǎn)選擇需要考慮的問題。倉庫主要承擔(dān)著儲(chǔ)存的具體職責(zé)，并不肩負(fù)著盈利的責(zé)任，它的作用就是資料的運(yùn)轉(zhuǎn)站以及儲(chǔ)存庫。也就是說倉庫的選址需要考慮儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)膯栴}，最主要的就是要考慮到儲(chǔ)存問題，綜合地方的具體水文條件狀況，尋找合適的地址。

(二)箱式涵洞的場站選址。場站選址的方法與上面選址的方法基本相似，但是箱式涵洞的施工要求、投資情況、運(yùn)輸情況以及工期的長短都與其它的選址不同，所以在場站選址時(shí)還是有一定區(qū)別的。在考慮各方面因素時(shí)，還需要針對實(shí)際情況而言。各種情況下場站選址的基本要求是一致的。即可根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)范圍與場站之間的相對位置進(jìn)行分類，主要分為以下三類：引道及其附近、三集中項(xiàng)目部、合適的項(xiàng)目所建設(shè)范圍的中心樁號(hào)附近，但應(yīng)在待建路基范圍之外并不影響施工。

1.引道及其附近。引道及其附近所使用的場站是最為廣泛的一種，并且這種場站一是具有較小的影響作用，可以避免對周邊的環(huán)境造成傷害。二是可以根據(jù)其周圍的地質(zhì)以及地形的實(shí)際情況進(jìn)行施工，這種場站的靈活性比較大。三是這種場站的要求低，一般的環(huán)境都能夠滿足這種場站的建成。在一般情況下，位置會(huì)放在適合挖方區(qū)的路側(cè)引道上。并且場站內(nèi)的設(shè)計(jì)還需要根據(jù)之前預(yù)測的計(jì)劃進(jìn)行分析和思考，控制好場站內(nèi)的物品數(shù)量、設(shè)備需求以及尺寸情況。在場地中多使用龍門吊運(yùn)輸，所以還需要結(jié)合龍門吊的實(shí)際情況，準(zhǔn)備預(yù)制區(qū)以及構(gòu)件存放區(qū)，這樣方便鋼筋骨架、設(shè)備進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.路基外。如果在場站當(dāng)中就地建設(shè)梁場地被施工條件或者其他情況所束縛，這時(shí)就可以采用另外一種方式：路基外。這種方式可以替代引到內(nèi)的場站，并且同樣也采用龍門吊的方式進(jìn)行搬運(yùn)儲(chǔ)存。

3.合適的項(xiàng)目所建設(shè)范圍的中心樁號(hào)附近。如果在路基施工的旁邊域引道有平坡或者有大于24米的寬長路基時(shí)，這時(shí)候選擇路基上預(yù)制梁場，會(huì)是比較好的選擇。雖然這種場地的布置與其他的都基本相似，但他仍然存在著自己的缺點(diǎn)。這種方法的占地面積廣，在后續(xù)施工的過程當(dāng)中會(huì)造成阻礙。

二、場站優(yōu)化理論

上文對場站選址問題作了一般闡釋，場站建設(shè)還涉及到另一個(gè)問題，即場站布局的優(yōu)化問題，實(shí)際上，場站建設(shè)可采用基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的理論對其進(jìn)行優(yōu)化。

一般情況下，可根據(jù)裝配式箱型涵洞預(yù)制構(gòu)件的種類、生產(chǎn)數(shù)量、項(xiàng)目總體施工進(jìn)度計(jì)劃等各種因素，分成n區(qū)間進(jìn)行實(shí)施，所以跟隨著項(xiàng)目的總體進(jìn)展可以將場站生產(chǎn)進(jìn)行分類。n區(qū)間開展生產(chǎn)，可以根據(jù)項(xiàng)目箱式涵洞的實(shí)際情況去判斷所需要的構(gòu)件數(shù)量。但在有時(shí)候也是可以選用粗略的計(jì)算構(gòu)建數(shù)量，利用施工進(jìn)度計(jì)劃確定。把不同區(qū)間預(yù)制梁場地的生產(chǎn)能量發(fā)揮到最大，并且還需要滿足較小的投資就能滿足設(shè)施設(shè)備的要求，需要考慮的基本問題。

(一)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。動(dòng)態(tài)規(guī)劃如果從字面的意思來看，就是根據(jù)實(shí)施的具體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)化，但實(shí)際上動(dòng)態(tài)規(guī)劃是一種數(shù)學(xué)方面的具體解決方法。這種方法的創(chuàng)造人是美國的一位數(shù)學(xué)家，在20世紀(jì)50年代提出的。而動(dòng)態(tài)規(guī)劃的具體規(guī)劃方法也是通過復(fù)雜向簡單的轉(zhuǎn)化將問題進(jìn)行徹底的解決，將多種問題拆分為單一的問題，并且根據(jù)問題的區(qū)間的具體點(diǎn)以及外在條件運(yùn)用相關(guān)的公式進(jìn)行最后的結(jié)算，最終的結(jié)果也就是最優(yōu)解。貝爾曼法則的具體定義就是將模型的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向離散，并且以離散為根本定義衍生出4種具體類型。而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，則會(huì)涉及到具體類型中的其中一種，可以借助單一的模型，并且選取小單元的數(shù)學(xué)優(yōu)化解決整體的問題，實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的優(yōu)化升級。動(dòng)態(tài)規(guī)劃主要包含著區(qū)間功能等方面的因素，區(qū)間的具體定義是指，把復(fù)雜的問題進(jìn)行分解，分解成一節(jié)一節(jié)的相關(guān)區(qū)間，按照區(qū)間的具體順序加以解決。功能主要是對問題的解決過程有一個(gè)具體的表述，具體呈現(xiàn)著每一節(jié)的主要表現(xiàn)，一般具有的功能是較多的，并且是繁瑣復(fù)雜的。功能它不是與其他因素相互聯(lián)系的，它蘊(yùn)含著單一的氣息，具體而言也就是，區(qū)間功能不受前后過程的相關(guān)影響。而決策則是，在具體過程中，人類憑借自己的主觀意識(shí)作出的最后決定。這就意味著決策變量的具體表述可以稱作決策變量。最后對策略的具體定義是指按照某種因素，將其進(jìn)行相關(guān)的排列，其各種因子的排列組成最后的集合。

則Sk+1滿足方程：

S(k+1)=Tk(sk,uk(sk))

則指標(biāo)區(qū)間函數(shù)記為vk(sk,uk)用來衡量所實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)劣的數(shù)量指標(biāo)成為過程指標(biāo)函數(shù)，記為Vk,n，表示的是第 k 個(gè)子過程的一個(gè)策略pkn(sk)所產(chǎn)生的價(jià)值量。對應(yīng)最優(yōu)策略的最優(yōu)效果的過程指標(biāo)函數(shù)成為最優(yōu)函數(shù)，記為fk(sk)。

動(dòng)態(tài)優(yōu)化理論的基本方程是建立在k與k+1之間的一個(gè)遞推關(guān)系，一般可表示為：

fk(sk)=opt{vk(sk,uk(sk))+fk+1(sk+1)}k=n,n-1,…,1

邊界條件為：fn+1(sn+1)=0

求解方程的基本思想為：先建立基本方程和合理的邊界條件，然后從生產(chǎn)過程的全局出發(fā)確定當(dāng)前區(qū)間的決策，并把每個(gè)順序下做出的決策組成最優(yōu)策略且以此為依據(jù)確定最優(yōu)線路。

(二)箱式涵洞的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃的模型建立。根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，sk為功能變量，表示第k個(gè)區(qū)間結(jié)束時(shí)的庫存量；xk為決策變量，表示第k區(qū)間內(nèi)的生產(chǎn)量。

顯然，其功能轉(zhuǎn)移方程為：

fk(sk)=xk+sk-ek

最優(yōu)值函數(shù)fk(sk)表示從第1區(qū)間初始庫存量為0至第k區(qū)間末庫存量為

其中因?yàn)轭A(yù)制梁場地在每個(gè)節(jié)段的生產(chǎn)上限值為vk，而且，第k-1區(qū)間內(nèi)的庫存量是一定大于等于零，即

σk=min(xk+ek,pk)

三、場站臺(tái)座數(shù)

(一)項(xiàng)目。351國道龍游橫山至開化華埠段工程是浙江省迄今為止一次性立項(xiàng)、一次性建設(shè)、一次性通車的最長國道，該項(xiàng)目預(yù)制箱式涵洞總米數(shù)為4,800米，箱式涵洞預(yù)制計(jì)劃工期12個(gè)月，根據(jù)施工安排，箱式涵洞擬采用預(yù)制裝配式箱涵工廠化施工工藝，其結(jié)構(gòu)形式主要包括箱涵門形構(gòu)件：4×2.5M，4×3M，4×3A，4×4A，4×4.5M，箱涵一字形構(gòu)件：6×4M，6×4A，6×5L，6×5M，6×5.5L,6×5.5H共11種規(guī)格。該項(xiàng)目部從工程建設(shè)的全局出發(fā)，建立三集中場站，設(shè)置在主線K52+900-K53+500段之間，該處總占地面積為65畝；整個(gè)場地按幾大塊布置：一是箱式涵洞預(yù)制場；二是小構(gòu)預(yù)制中心；三是箱式涵洞預(yù)制中心；四是拌合站；五是項(xiàng)目部試驗(yàn)室；六是員工宿舍。場地建設(shè)體現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)約用地、節(jié)省投資、環(huán)保節(jié)能、合理實(shí)用的原則。

(二)求解過程。首先確定預(yù)制構(gòu)件需要的峰值：

l=ceiling(l,1)

可以看出，s5=smax,故預(yù)制梁場地的生產(chǎn)能力按照前5天確定。即：

其次再確定最小周轉(zhuǎn)天數(shù)及剩余天數(shù)(前提為工藝天數(shù)為5天)：

顯然，剩余天數(shù)為：

剩余天數(shù)內(nèi)的產(chǎn)量為：

所以有V5=q,原前5個(gè)區(qū)間的生產(chǎn)能力為：

V5=(c5-1)q+v5=(67-1)q+q≤1624

四、場站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

場站建設(shè)的好壞將直接影響到預(yù)制構(gòu)件半成品的質(zhì)量、產(chǎn)量及安全文明施工的順利程度，因此，場站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)非常重要。根據(jù)上節(jié)的理論分析，課題組依托本依托項(xiàng)目開展標(biāo)準(zhǔn)場站建設(shè)的研究與制訂，并按理論測得的54個(gè)臺(tái)座，最大日預(yù)制片數(shù)為12個(gè)節(jié)段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化布局。

為加強(qiáng)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化場站建設(shè)，就需要重點(diǎn)要落實(shí)貫徹執(zhí)行國家、行業(yè)規(guī)范和業(yè)主管理要求，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃及控制措施，使場站滿足工程施工進(jìn)度要求，實(shí)施時(shí)應(yīng)認(rèn)真做好策劃方案、施工技術(shù)方案、預(yù)控措施，并確保現(xiàn)場安全、質(zhì)量可控。

(一)規(guī)劃布區(qū)優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)建立工廠化的模式和布局，分為砂石料存放、混凝土拌和、預(yù)制、養(yǎng)生、模具清洗、預(yù)制構(gòu)件成品臨時(shí)存放、工地辦公區(qū)等多個(gè)功能模塊。為避免雨天帶來的影響，還需要建立場內(nèi)的工棚面積至少1,000m2，高度要求到達(dá)6m以上。

(二)場站平整與硬化。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)目標(biāo)，場內(nèi)硬化需要采用嚴(yán)格要求的C20混凝土，并且要求厚度至少達(dá)到10cm。排水系統(tǒng)要求根據(jù)地形建立良好的排水情況，并且周圍都有排水溝，排水的坡度至少為0.5%，在場地外側(cè)還需要建設(shè)沉砂井和污水過濾池，并且設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)牌禁止排放生活污水以及生產(chǎn)廢水。

(三)場站的標(biāo)準(zhǔn)化配置。一方面，場地建設(shè)前施工單位應(yīng)將裝配式箱涵構(gòu)件預(yù)制場布置方案進(jìn)行研究，細(xì)化預(yù)制、養(yǎng)生過程的各環(huán)節(jié)，并對方案反復(fù)研究與優(yōu)化，形成了計(jì)劃方案中所需要的各種類型的設(shè)備設(shè)施，以及安排設(shè)施的占地情況。并且在實(shí)施建設(shè)的過程當(dāng)中，需要采用封閉式管理，在場地內(nèi)安排好相應(yīng)的生活區(qū)以及辦公區(qū)，以幫助封閉式管理內(nèi)的正常生活。并且在場站當(dāng)中的施工材料的占地區(qū)與生活區(qū)合理擺放，保證生活當(dāng)中的質(zhì)量。整個(gè)施工的過程可以做到文明安全。

按照“工廠化、集約化、專業(yè)化”的規(guī)劃與建設(shè)要求進(jìn)行預(yù)制場建設(shè)，若個(gè)別受地形、運(yùn)輸條件限制時(shí)其規(guī)?？蛇m當(dāng)減小，但鋼筋骨架定位胎膜、自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)等設(shè)施仍應(yīng)滿足施工生產(chǎn)要求。

五、衢州351國道PPP箱式涵洞場站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化

衢州市衢江區(qū)351國道PPP施工項(xiàng)目的裝配式箱涵標(biāo)準(zhǔn)化場站建設(shè)。項(xiàng)目部根據(jù)項(xiàng)目總體規(guī)劃及本工程裝配式箱涵數(shù)量，出于集中化管理，節(jié)省功耗，經(jīng)濟(jì)合理的考慮，建立了裝配式箱涵預(yù)制中心，負(fù)責(zé)加工裝配式箱型涵洞預(yù)制構(gòu)件。

該項(xiàng)目根據(jù)招投標(biāo)文件、施工圖紙相關(guān)要求以及對提高工程質(zhì)量、保障安全作業(yè)、力求降低成本、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的要求，將裝配式構(gòu)件預(yù)制中心選址在全線的中部，并在道路施工范圍右側(cè)，長180m，寬40m，合計(jì)面積7,200m2。

該項(xiàng)目在場站布置時(shí)，以充分考慮位置、布局與功能的要求，在位置上充分考慮永臨結(jié)合，并與路線的橋涵與小型構(gòu)造物相結(jié)合，與場內(nèi)、外交通運(yùn)輸相協(xié)調(diào)，并充分考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)，主要的建設(shè)思路包括以下幾點(diǎn)：一是預(yù)制梁場建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化。建設(shè)過程當(dāng)中要考慮實(shí)際情況，并且要保證質(zhì)量的原則。二是在梁場作業(yè)時(shí)注重細(xì)節(jié)，需要保證梁場現(xiàn)場整潔、材料堆放整齊，做到鋼筋擺放橫平豎直、整齊有序，過程中堅(jiān)持規(guī)章制度，施工外觀整齊，方便施工。三是保證工廠化的生產(chǎn)，使得過程管理更加清晰，保障施工當(dāng)中的品質(zhì)。四是場站設(shè)置包括：預(yù)制區(qū)、存梁區(qū)、鋼筋加工區(qū)、民工學(xué)校、辦公區(qū)、倉庫、停車區(qū)等功能區(qū)。

六、結(jié)語

場站選址問題可以借鑒整體規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，環(huán)保因素等因素通盤考慮，從施工條件、投資力度、運(yùn)輸條件和工期等因素進(jìn)行綜合分析。調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，雖然各項(xiàng)目在場站選址需要考慮的因素存在差異，但是綜合各種因素而言，各種情況下場站選址的基本要求是一致的，也即可根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)范圍與場站之間的相對位置進(jìn)行分類，即從引道及其附近、路基范圍外、寬路基(B大于24米以上情境)合理選址，可以達(dá)到較好的效果。

場站的布局與優(yōu)化是場站建設(shè)的另一個(gè)重要方面，本課題通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃的理論對其進(jìn)行優(yōu)化，一方面驗(yàn)證了課題依托項(xiàng)目在場站建設(shè)的合理性，也為類似場站建設(shè)提供了理論依據(jù)。

場站建設(shè)的好壞將直接影響到預(yù)制構(gòu)件半成品的質(zhì)量、產(chǎn)量及安全文明施工的順利程度，也將影響公司的整體影響，因此，場站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)非常重要。場站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)需要充分考慮選址、布局及其它如運(yùn)輸、用電、施工安全等要求。