基于價值工程理論的懸澆連續(xù)梁0#塊支架方案比選研究

馮 川, 彭海濤, 鄒德強, 王 松, 冉軍林

(中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，受制于高山、峽谷等地形因素，高墩大跨徑的懸澆連續(xù)梁、斜拉橋越來越多，掛籃懸臂施工法由此得到了大力推廣，而其中0#塊的施工尤為關(guān)鍵[1]。懸澆連續(xù)梁，特別是利用掛籃施工的0#塊施工方法較多，施工工藝成熟，因此在方案擬定時除了要考慮外部環(huán)境因素外，還要考慮內(nèi)部因素，不同的施工方法有著不同的適用范圍，如何選擇施工簡單快捷、經(jīng)濟合理的方法成為順利施工的關(guān)鍵[2]。

1947年，美國通用電氣公司采購部門工程師Miles創(chuàng)立的價值工程理論，在當(dāng)時是一門新興的科學(xué)管理技術(shù)。該理論以產(chǎn)品功能分析為核心，對產(chǎn)品的成本和功能兩個指標(biāo)進行了深入研究，旨在以最低成本實現(xiàn)產(chǎn)品功能。在美國，價值工程主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，已成為控制項目成本的常用手段。1955年日本引進了價值工程理論，10 a后，日本成立價值工程師協(xié)會(SJVE)，在多個領(lǐng)域廣泛推廣價值工程。價值工程的原則是以最低的周期成本實現(xiàn)研究對象的基本功能，再采用層次分析法對研究對象的基本功能進行定量評價，能有效避免方案評價的模糊性[3]。

鐘寶清[3]以廣東某房屋建筑項目為依托，應(yīng)用價值工程理論進行樁基礎(chǔ)設(shè)計方案優(yōu)選；郭寶龍[4]以昆明市某房屋建筑地下車庫項目為載體，采用價值工程原理比選車庫基坑支護設(shè)計方案；羅曉瑜等[5]以廈蓉線貴州境內(nèi)多座橋梁為背景，運用價值工程方法優(yōu)選山區(qū)高墩T梁橋橋墩設(shè)計方案；曾繁響[6]運用價值工程進行混凝土梁橋設(shè)計方案比選研究，李彩霞等[7]運用價值工程研究了立交橋滿堂支架施工風(fēng)險評估。傳統(tǒng)支架工程大多從技術(shù)層面著手或者僅定性比選支架工程方案，文獻[7]僅對立交橋滿堂支架施工風(fēng)險評估進行了研究。因此，運用價值工程原理進行不同墩高0#塊支架設(shè)計方案的優(yōu)選很有必要。

1 項目背景

某懸澆連續(xù)梁橋，主橋跨徑布置為：(55+91+91+55)m。主梁根部梁高5.5 m，跨中及邊跨直線段梁高均為2.3 m，主梁采用單箱雙室截面，箱梁頂板寬16.5 m，底寬11.5 m，兩側(cè)翼緣板懸臂長2.5 m，懸臂板端部厚0.2 m，根部厚0.55m。箱室內(nèi)頂板厚0.25 m。0#節(jié)段長度為11m，共424.45 m3砼。主橋各墩高如表1所示。

表1 主橋墩高墩號橋墩高度/m4#165#286#20

本橋梁跨越山谷而建，不受河流影響，墩高較低，滿堂支架方案、鋼管立柱支架方案、型鋼托架方案均可作為0#塊支架備選方案。本文以6#墩20m墩高為例，分析比選不同墩高0#塊支架最優(yōu)方案。

2 0#塊支架方案

本項目0#塊支架擬采用滿堂支架方案、鋼管立柱支架方案、型鋼托架方案，進行同深度構(gòu)造設(shè)計，其有限元分析計算結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.1 支架方案設(shè)計

1)盤扣式滿堂支架方案從上到下布置形式為：鋼模板→I14工字鋼小分配梁→盤扣支架→20cm C30砼墊層。盤扣支架立桿截面尺寸 60.3mm×3.2 mm，材質(zhì)Q355，順橋向間距60cm，橫橋向間距60、90 cm，標(biāo)準(zhǔn)步距150 cm，水平桿截面尺寸48.3 mm×2.5 mm，材質(zhì)Q235，豎向斜桿截面尺寸38 mm×2.5 mm，材質(zhì)Q195。型鋼總重137.7 t。盤扣支架方案如圖1所示。

圖1 盤扣支架方案(單位：cm)

2)鋼管立柱方案從上到下布置形式為：鋼模板→I14工字鋼小分配梁→盤扣支架→I16工字鋼小分配梁→I40 a/2 I40 a工字鋼分配梁→2HN600×200型鋼→φ820鋼管立柱；雙支墩間滿鋪I40 a工字鋼。I16工字鋼小分配梁順橋向間距為60 cm；I40 a/2 I40 a橫橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為60cm；2HN600×200型鋼順橋向間距為200 cm； φ820×10鋼管立柱橫橋向間距620 cm，順橋向間距200、534 cm。型鋼總重159.5 t。鋼管立柱方案如圖2所示。

圖2 鋼管立柱支架方案(單位：cm)

3)托架方案從上到下布置形式為：鋼模板→I14工字鋼小分配梁→I25b排架→2HN600×200分配梁→4榀2HN600×200型鋼；雙支墩間滿鋪I40a工字鋼。I14工字鋼小分配梁順橋向間距為30、60 cm；I25b排架橫橋向腹板下間距30 cm，標(biāo)準(zhǔn)間距為86 cm；2HN600×200分配梁順橋向間距160 cm；4榀2HN600×200型鋼托架橫橋向間距為200 cm、550 cm。型鋼總重93.03 t。布置見圖3。

圖3 型鋼托架方案(單位：cm)

2.2 支架方案優(yōu)缺點

3種支架方案優(yōu)缺點定性分析如表2所示。

表2 0#塊支架方案優(yōu)缺點支架方案優(yōu)點缺點盤扣支架安裝拆卸簡單,工期快;安全性高;不需要大型機械設(shè)備需要進行地基處理及設(shè)置排水措施;受地形限制,對地形要求高鋼管支架地基處理面積小;使用構(gòu)件少;施工進度快,經(jīng)濟效果好;結(jié)構(gòu)簡單,受力明確,承載能力強,穩(wěn)定性好地基承載力要求高;需要大型機械設(shè)備配合;現(xiàn)場施焊,有一定安全風(fēng)險,焊縫質(zhì)量難保證型鋼托架無地基處理相關(guān)費用;不受地形、墩高限制;托架剛度大,整體性好,受力明確;結(jié)構(gòu)簡單,用鋼量少預(yù)埋件施工精度難控制;安裝及拆除施工難度大;需要大型機械設(shè)備配合;高空施焊,安全風(fēng)險大,焊縫質(zhì)量難保證

3 基于層次分析法的價值工程分析

3.1 價值工程定義

價值工程，又稱價值管理或價值分析，主要是通過對選定研究對象的功能及成本分析，提高對象的價值，用數(shù)學(xué)比例式表達為：價值系數(shù)=價值化了的功能/壽命周期成本。價值工程中的“價值”就是一種“評價事物有益程度的尺度”。價值高說明該事物的有益程度高、效益大、好處多；價值低則說明有益程度低、效益差、好處少。功能是對象滿足某種需求的一種屬性。功能是使用價值的具體表現(xiàn)形式。成本是指人力、物力和財力資源的耗費。其中，人力資源實際上就是勞動價值的表現(xiàn)形式，物力和財力資源就是使用價值的表現(xiàn)形式，因此價值工程所謂的“成本”實際上就是價值資源(勞動價值或使用價值)的投入量。

在土木工程領(lǐng)域，價值工程被廣泛應(yīng)用于設(shè)計、制造、管理與施工過程，解決方法的形式各異。在實際應(yīng)用中，根據(jù)研究對象的實際情況，具體問題具體分析，但是主要步驟如對象選擇、方案創(chuàng)新、功能整理、功能分析、功能評價等內(nèi)容，是不可缺少的[7]。

因此，在進行0#塊支架工程的價值工程分析計算時，應(yīng)分別計算壽命周期成本及價值系數(shù)。而在進行價值系數(shù)計算時，考慮到需要將對象選擇、方案創(chuàng)新、功能整理、功能分析、功能評價問題等模糊的定性因素定量化，引入層次分析法進行計算。

3.2 支架工程功能定義整理

支架工程主要功能為承重，承重功能可以從以下幾方面評價：①保證支架工程結(jié)構(gòu)的安全和正常使用；②保證0#塊結(jié)構(gòu)的安全和正常使用；③保證周邊環(huán)境的安全和正常使用；④保證0#塊結(jié)構(gòu)施工便利。

定義支架承重功能為A；安全和正常使用為B1，施工便利為B2，對環(huán)境的影響為B3；定義強度C1、剛度C2、穩(wěn)定性C3等作為評價安全和正常使用的因素；定義施工難易程度C4、施工工期C5、施工機械及材料的市場供應(yīng)力C6等作為評價施工便利程度的因素；定義施工對環(huán)境的影響C7、施工結(jié)束后對環(huán)境的影響C8、施工過程引發(fā)次生災(zāi)害的可能性C9等作為評價施工對周邊環(huán)境的因素。

3.3 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)于20世紀(jì)70年代初由美國Saaty教授首先提出，該方法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等多個層次，并在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[7]。分析流程為：構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)→構(gòu)造判斷矩陣(專家調(diào)查法)→求取權(quán)值→一致性判斷→權(quán)重綜合。

3.3.1構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)

采用層次分析法分析問題時，第一步是根據(jù)支架方案構(gòu)建一個有層次的結(jié)構(gòu)模型，此模型通常劃分為最高層或指標(biāo)層、中間層或準(zhǔn)則層和最底層或方案層。最高層是層次分析法解決問題的目的，通常只有一個元素。準(zhǔn)則層是為實現(xiàn)最高層所用的方案、決策、措施等；方案層是選擇解決問題的具體措施、決策方案[8]。

支架工程核心功能為支架承重，確定為指標(biāo)層A；支架工程的安全和正常使用為準(zhǔn)則層B1；支架工程施工便利為準(zhǔn)則層B2；對環(huán)境的影響為準(zhǔn)則層B3。則層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 層次結(jié)構(gòu)

3.3.2構(gòu)建判斷矩陣

合理地選擇判斷指標(biāo)來體現(xiàn)各層次指標(biāo)間的相對重要性，通常采用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為指標(biāo)來構(gòu)建判斷矩陣A=(aij)n×n(見表3)，矩陣中的數(shù)據(jù)通常是以調(diào)查問卷的形式向多名專家調(diào)查最終形成的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣標(biāo)度定義標(biāo)度aij含義1i元素和j元素同樣重要3i元素較j元素稍微重要5i元素較j元素較為重要7i元素較j元素極為重要9i元素較j元素絕對重要2,4,6,8i元素較j元素的重要程度相比在上述相鄰的2個重要性之間1/9,1/8,1/7,…,1/2,1若元素i與元素j的重要性之比為aij,則元素j與元素i的重要性之比aji=1/aij

3.3.3一致性指標(biāo)判斷

1)計算指標(biāo)CI。CI=(λm-1)/(n-1),λm是判斷矩陣的最大特征根。

2)計算比例CR。CR=CI/RI,式中CR<0.1時,認為判斷矩陣中數(shù)據(jù)的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣中的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)修正。

3)查找指標(biāo)RI。平均隨機一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值見表4。

表4 平均隨機一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值n123456789RI000.580.91.121.241.321.411.45

4)分析計算各元素對最高層的最終權(quán)重。

將各判斷矩陣中各個因素針對最高層的相對權(quán)重進行合成。權(quán)重的計算按照從上而下的方法，逐層合成[9]。

3.4權(quán)重向量指標(biāo)W的計算

有關(guān)層次分析法的計算方法通常有4種：算術(shù)平均法、幾何平均法、最小二乘法以及特征向量法，每種計算方法在不同文獻中均有體現(xiàn)，如文獻[4]采用了最小二乘法進行了權(quán)重指標(biāo)的計算；文獻[9]采用了上述4種方法進行了權(quán)重指標(biāo)的計算；文獻[10]采用了特征向量法進行了權(quán)重指標(biāo)的計算，文獻中的數(shù)據(jù)顯示算術(shù)平均法、幾何平均法以及特征向量法的計算結(jié)果很接近，最小二乘法的計算數(shù)據(jù)與其它方法稍有區(qū)別。

計算方法為:①矩陣的元素按行相乘得一新向量;②把新向量的每個分量開n次方;③把所得向量歸一化得權(quán)重向量。

3.4 層次分析法計算結(jié)果

AHP進行功能因素評價，分別計算A-B、B1-C、B2-C、B3-C的指標(biāo)權(quán)重,如表5～8所示。表5中，λmax=3.053 6,CI=1,RI=0.58,CR=CI/RI=0.051 6<0.1;表6中,λmax=3.018 3,CI=0.493 4,RI=0.58,CR=CI/RI=0.017 6<0.1;表7中,λmax=3.009 2,CI=0.310 8,RI=0.58,CR=CI/RI=0.008 8<0.1;表8中,λmax=3.003 7,CI=0.195 8,RI=0.58,CR=CI/RI=0.003 6<0.1。以上結(jié)果均滿足一致性檢驗要求。

整理表5～8各功能指標(biāo)層體系的最終權(quán)重如表9所示。

表5 準(zhǔn)則層指標(biāo)A-B重要性評判結(jié)果指標(biāo)(A)安全和正常使用(B1)施工便利(B2)環(huán)境影響(B3)安全和正常使用(B1)122施工便利(B2)1/212環(huán)境影響(B3)1/21/21權(quán)重0.493 40.310 80.195 8

表6 準(zhǔn)則層B1-C下屬指標(biāo)層重要性評價結(jié)果指標(biāo)(B1)強度(C1)剛度(C2)穩(wěn)定性(C3)強度(C1)132剛度(C2)1/311穩(wěn)定性(C3)1/211權(quán)重0.549 90.209 80.240 2

表7 準(zhǔn)則層B2-C下屬指標(biāo)層重要性評價結(jié)果指標(biāo)(B2)施工難易、風(fēng)險程度(C4)施工工期(C5)施工機械及材料的市場供應(yīng)力(C6)施工難易、風(fēng)險程度(C4)123施工工期(C5)1/212施工機械及材料的市場供應(yīng)力(C6)1/31/21權(quán)重0.539 60.297 00.163 4

表8 準(zhǔn)則層B3-C下屬指標(biāo)層重要性評價結(jié)果指標(biāo)(B2)施工過程對環(huán)境的影響(C7)施工后對環(huán)境的影響(C8)施工引起次生災(zāi)害的可能性(C9)施工過程對環(huán)境的影響(C7)135施工后對環(huán)境的影響(C8)1/312施工引起此生災(zāi)害的可能性(C9)1/51/21權(quán)重0.648 30.229 70.122 0

表9 各功能指標(biāo)層體系的最終權(quán)重計算結(jié)果指標(biāo)層準(zhǔn)則層B安全和正常使用(0.493 4)施工便利(0.310 8)環(huán)境影響(0.195 8)總權(quán)重C10.549 90.271 3C20.209 80.167 7C30.240 20.126 9C40.539 60.118 5C50.297 00.103 5C60.163 40.092 3C70.648 30.050 8C80.229 70.045 0C90.122 00.023 9

由表9及專家對各方案評分表計算得到各方案功能評價系數(shù)，如圖5所示。

圖5 20 m墩高0#塊支架方案功能評價系數(shù)

結(jié)果表明：20 m墩高0#塊支架方案鋼管立柱方案功能評價系數(shù)最大，為0.341。

3.5 成本評價

本項目所需材料考慮周轉(zhuǎn)使用，采用企業(yè)定額，分析主要成本為現(xiàn)場加工及搭設(shè)成本，根據(jù)成本即可計算成本指數(shù)。20 m墩高0#塊支架方案成本系數(shù)計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 20 m墩高0#塊支架方案成本指數(shù)

結(jié)果表明：20 m墩高0#塊支架方案型鋼托架方案成本指數(shù)最大，為0.421。

3.6 支架工程設(shè)計方案的價值工程分析

根據(jù)功能評價系數(shù)及成本指數(shù)，即可計算20 m墩高0#塊支架方案價值系數(shù)，如圖7所示。

圖7 20 m墩高0#塊支架方案價值系數(shù)

結(jié)果表明：20 m墩高0#塊支架方案鋼管立柱方案價值系數(shù)最大，為1.183，表明鋼管立柱方案是最優(yōu)實施方案。

同理，可分析計算8、14、26、32、38、44、50、56 m各墩高支架方案價值系數(shù)，繪制折線圖如圖8所示。

圖8 不同墩高0#塊支架方案價值系數(shù)

4 結(jié)論

本文以某懸澆連續(xù)梁橋0#塊支架方案為依托，在不受河流影響，滿足滿堂支架方案、鋼管立柱支架方案、型鋼托架方案的條件下，應(yīng)用價值工程原理，采用層次分析法對不同墩高0#塊支架設(shè)計方案進行比選，選出最優(yōu)支架方案，可為工程界同仁提供參考。主要結(jié)論有：

1)構(gòu)建了0#塊支架方案參數(shù)的權(quán)重矩陣，經(jīng)過一致性檢驗后滿足計算要求，并給出了指標(biāo)層的總權(quán)重系數(shù)。

2)基于價值工程原理的分析結(jié)果表明，0#支架方案的價值系數(shù)受墩高影響顯著，盤扣支架和鋼管支架的價值系數(shù)隨著墩高增加而減少，而型鋼托架的價值系數(shù)隨著墩的增加而增加；

3)根據(jù)折線圖規(guī)律可以得出：20 m以下墩高0#塊支架采用盤扣方案為最優(yōu)；20～40 m墩高0#塊支架采用鋼管立柱方案為最優(yōu)；超過40 m墩高0#塊支架采用托架方案為最優(yōu)。