市政工程管線綜合優(yōu)化研究

趙世華

（超勝工程項目管理有限責任公司，山東 濟南）

引言

隨著城市化進程的加速，市政工程管線建設也日益重要。由于不同類型管線通常由不同的部門管理，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和協(xié)調(diào)，經(jīng)常導致資源的浪費和城市環(huán)境的破壞[1]。因此，對市政工程管線進行綜合優(yōu)化研究顯得尤為重要。

當前，市政工程管線建設面臨的主要問題包括以下幾個方面：(1) 管線規(guī)劃不統(tǒng)一：由于各部門的規(guī)劃和管理標準不同，管線建設的協(xié)調(diào)性較差，經(jīng)常出現(xiàn)交叉、重疊等現(xiàn)象，導致資源的浪費和安全隱患；(2) 管線建設周期長：傳統(tǒng)的管線建設方式需要耗費大量的人力和物力，建設周期長，對城市交通和居民生活造成較大影響；(3) 管線維護困難：由于管線的復雜性和多樣性，一旦出現(xiàn)問題，維護和檢修困難，往往需要停水、停電等長時間的操作，影響居民的正常生活。針對上述問題，進行對市政工程管線綜合優(yōu)化設計研究。

1 工程簡介

本文研究是針對一個工業(yè)園區(qū)內(nèi)的市政管道系統(tǒng)的總體規(guī)劃。在此基礎上，提出了一種基于城市軌道交通的城市道路交通系統(tǒng)總體規(guī)劃方案。內(nèi)容包括各專業(yè)市政管道布局以及有關設施、結構的布局。在管線綜合規(guī)劃過程中，需要考慮各專業(yè)管線的空間關系，確保它們之間的安全距離和施工要求[2]。此外，還需要考慮各專業(yè)管線之間的協(xié)調(diào)問題，確保它們在布局上合理、美觀，并且符合城市規(guī)劃和相關法規(guī)要求。在該工程項目中，市政工程管線綜合規(guī)劃主要分為管線綜合規(guī)劃流程設計和空間布局兩方面。

在搜集原始數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，本項目所處區(qū)域為新發(fā)展工業(yè)區(qū)，土地以農(nóng)田為主，并有部分倉儲性土地。市政管道數(shù)據(jù)的獲得，一般是通過當?shù)氐墓こ虣n案進行[3]。但是，有些數(shù)據(jù)年代太過久遠，保存的信息并不完備，因此，只有通過實地測繪的方法才能獲得。對采集到的資料進行了規(guī)范化的分類，為以后的信息化建設打下了基礎。表1 中記錄了該項目現(xiàn)狀通信管線信息。

表1 項目現(xiàn)狀管線信息記錄表

在滿足下述規(guī)劃原則的基礎上，對管線綜合優(yōu)化：要根據(jù)實際情況，對天津市區(qū)及濱海新區(qū)已有基礎設施進行科學合理的規(guī)劃，并將其與中心城市及濱海新區(qū)的城市基礎設施相結合。從而提升了基礎設施的安全、穩(wěn)定、可靠。在此基礎上，提出了“適度超前”、“協(xié)調(diào)發(fā)展”、“分期建設”、“保護環(huán)境”、“減少占地”等基本原則。在規(guī)劃建設中，要注重對生態(tài)環(huán)境的主動保護，遵循“基礎建設先行”、“以市場為導向”的理念[4]。最后，要有一套統(tǒng)一的城市規(guī)劃與管理辦法。

2 市政工程管線綜合優(yōu)化目標函數(shù)建立

城市管道系統(tǒng)的綜合優(yōu)化問題，其核心是要找到最優(yōu)目標和最優(yōu)約束的關系，并將其用數(shù)學模型表達出來。管道綜合規(guī)劃中有多種約束，它們的重要性不等，且有不同的維數(shù)。若將全部約束都納入其中，則所構造的目標函數(shù)將變得十分復雜，而且在實際中的適用性將大大降低。為此，人們往往選取重要的、較強的約束，而忽視某些較弱的約束，以簡化過程，凸顯核心問題[5]。在構造目標函數(shù)時，將綜合目標分解為單個目標，并采用對應的解法進行求解。

為使管道綜合規(guī)劃結果具有技術上的可行性和經(jīng)濟性上的合理性，應從以下兩個方面進行優(yōu)化。首先，根據(jù)規(guī)范對管道的使用功能以及規(guī)范中對覆蓋層及間距的規(guī)定，從平面布置的角度出發(fā)，以最短的管道布設長度為目標，即求解最短路徑問題[6]。其次，在縱向上，為減少土方工程，管道總埋深盡可能小，并盡可能地將管道設置在人行道及綠化帶下，避免機動車道。

綜上，首先完成對最短路徑優(yōu)化目標數(shù)學模型的構建：

式中：Z1代表最短路徑優(yōu)化目標數(shù)學模型，aij代表管線（i，j）權值系數(shù)，lijs代表從節(jié)點i 到節(jié)點j 的第s 類型管線的長度。為確保上述數(shù)學模型成立，需要設置相應的約束條件：首先，第t 種類型的管線與第s 種類型的管線水平間隔距離應當控制在規(guī)范要求管線之間應保持的水平最小間距與道路紅線距離之間[7]。其次，對于aij的取值可結合節(jié)點i 到節(jié)點j 之間是否存在管線得出，即當節(jié)點i 到節(jié)點j 之間存在管線時，aij的取值為1；不存在，aij的取值為0。

管線的豎向布置要達到兩個目的。首先，在滿足最低覆蓋層高度的條件下，市政管道埋設深度應盡量淺；這種方法的好處是可以減少土方工程，降低成本，降低建造困難，并且可以降低以后的維修和保養(yǎng)費用[8]。其次，在保證最小水平間距的前提下，管道應盡可能地布置在非機動車道下方，且最遠處的兩根管道之間的距離應盡量接近。最小深度與最小距離組成了豎向布局問題的目標函數(shù)：

式中：Z2代表管線豎向空間布置最小剖面優(yōu)化目標數(shù)學模型，S 代表最大面積約定范圍。為滿足上述模型成立，設置以下約束條件：

式中：int（Ft）代表第t 個類型管線所占空間區(qū)域面積；int（Fs）代表第s 個類型管線所占空間區(qū)域面積；Φ 代表不干涉。在建立了數(shù)學模型之后，接下來就是選取適當?shù)那蠼夥椒?。Matlab 是求解最優(yōu)化問題的常用工具。Matlab 擁有三十多個工具包，其中的優(yōu)化工具包可以對各種優(yōu)化問題進行求解，為解決工程實際問題提供了便利的解決方案。

3 管線綜合交叉口豎向優(yōu)化設計

在完成對市政工程管線綜合優(yōu)化目標函數(shù)的構建后，結合上述工程的實際情況，對管線綜合交叉口進行豎向優(yōu)化設計。根據(jù)交叉口的規(guī)劃要求和地形條件，確定交叉口的設計高程。在滿足排水要求的前提下，盡量使交叉口的標高與周圍道路相協(xié)調(diào)。根據(jù)交叉口的交通流量和車行速度，調(diào)整交叉口的橫坡。通常情況下，橫坡可以設置為1.5%左右，以滿足車輛的排水要求和行駛舒適性。在進行交叉口的豎向設計時，需要考慮各個方向的道路高程和橫坡變化情況。通過合理調(diào)整交叉口的設計高程和橫坡，可以優(yōu)化交叉口的排水系統(tǒng)、提高車輛的行駛安全性和舒適性。在進行交叉口豎向優(yōu)化設計時，還需要考慮管線的設計和施工要求。例如，需要考慮管線的埋深、間距、施工工藝等因素，以確保管線的安全性和穩(wěn)定性。利用計算機輔助設計軟件進行交叉口豎向優(yōu)化設計，可以提高設計的效率和準確性。通過輸入地形數(shù)據(jù)、交通流量、設計要求等參數(shù)，可以自動生成交叉口的豎向設計圖。在綜合考慮上述要求的基礎上，結合最小埋深法，進行管線綜合較差口豎向優(yōu)化設計。首先需要確定管線交叉點的性質(zhì)，如果是重力流管道和重力流管道的交匯處，那么在管道相交處，根據(jù)自流管線的水力學計算結果，確定了管線交叉部位的標高，見圖1。

圖1 重力流管線交叉設計圖

判定兩個管道的垂直間隔距離，公式為：

式中：Z1代表污水管交叉點位置上的底部標高，Z2代表雨水管交叉點位置上的底部標高，D1代表交叉點位置上的任意管線管徑，d 代表最小垂直凈距。若上述公式（4）成立，則可將Z1和Z2視為管線底部標高。若不成立，則需要重新計算管段水力。

對于非重力流管線交叉設計見圖2。

圖2 非重力流管線交叉設計圖

對于圖2 中所示的非重力流管線交叉形式，其下層管線的管底標高可通過下述公式計算得出：

式中：（F上，F(xiàn)下）代表管底標高，dij代表第i 個節(jié)點到第j 個節(jié)點的最小垂直凈距，D下代表下層管線管徑。對于非重力流管線與重力流管線的交叉設計見圖3。

圖3 非重力流管線與重力流管線的交叉設計圖

兩個管道之間的距離為：

式中，L 代表兩個管線之間的距離，H 代表道路控制點的設計標高，Zi代表重力流管線管底標高，M 代表最小覆土深度和埋設深度最大值比較中的較大的值，Df代表非重力流交叉點的管徑，Dz代表重力流交叉點的管徑。對最小埋深法進行三維效果圖設計，見圖4。

圖4 最小埋深法市政工程管線綜合三維效果圖

4 優(yōu)化效果

為驗證上述管線綜合優(yōu)化效果，分別從安全性、可靠性、經(jīng)濟性等方面對其進行評分，評分結果見表2。

表2 市政工程管線綜合優(yōu)化效果評分

上述評價覆蓋了安全性、可靠性、經(jīng)濟性、高效性、可擴展性、可維護性、環(huán)境適應性和技術創(chuàng)新性，共八個方面。這些指標可以用來全面評估市政工程管線的綜合優(yōu)化效果，幫助決策者更好地了解和掌握管線的性能和狀況，從而作出更為科學合理的決策。從表中內(nèi)容可以看出，優(yōu)化后的市政工程管線綜合得分可以達到90 分以上，能夠充分滿足管線綜合優(yōu)化實際需求。

5 結論

在一個地區(qū)的發(fā)展和建設中，城市管道體系的總體規(guī)劃是一個非常重要的步驟。在設計方面，這將直接關系到各個專業(yè)管道在施工圖設計中的配合難度。在建設過程中，這直接影響到每一根管道的鋪設難度和數(shù)量，并對該地區(qū)的后續(xù)管理工作是否有序進行具有決定性的影響。如何使管線的總體規(guī)劃工作有序而科學地進行，是一個值得探討的課題。本文通過上述研究，提出了一種全新的市政工程管線綜合優(yōu)化方案。通過對其優(yōu)化設計，使有限城市地下空間得以充分利用，同時也能夠在一定程度上促進管線綜合規(guī)劃工作效率的提升。