鐵路施工組織進度輔助設計系統的實現

張金蒼

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 概述

鐵路項目具有建設周期長、投入大、線狀分布的特點。一般大線長度從數百千米到一千多千米，投入資金從幾百億元到上千億元人民幣，建設周期3～5年，其主要工程有車站、路基、橋梁、隧道、鋪軌及站后工程。由于以上特點，分期、分批投入資金和各種資源具有天然的條件。由于貼現率的因素，第一年投入和第三年投入的資金是不等的，比如年利率為5%，初期資金為100億元，則末期資金為

依公式:F=P×(1+i)n，得:F=100×(1+0.05)3=115.763億元

可見，相隔3年的100億元投資，其差距就有15.763億元。如果1個上千億元的項目，施工組織進度設計合理與否，可能會造成數十億元乃至更多的差距。由此可知施工組織進度設計在建設項目中的重要性。國內外對這一問題都有研究，對投資分布的模型已有定論，即投資曲線隨時間呈正態分布最為合理，這一點在學術界和業界的看法比較統一。那么如何才能使投資呈正態分布呢?經調研了解，國內有一些大學、科研機構就該課題進行了大量的研究，提出了神經網絡、專家系統等模型，試圖從理論上解決這一問題，但在實際應用中，由于受施工經驗、環境、復雜度等方面的限制，真正能夠運用到實際項目中的成果還很少，大都還在探索和實驗之中。在施工組織進度輔助設計系統的設計過程中，項目組通過總結設計和施工經驗，并分析了大量的實例，利用數學模型與實踐經驗相結合的方法，實現了使投資曲線延工期基本呈正態分布的計算，并實際應用到鐵路項目的設計中，為該課題的研究探索了一個新的解決思路。

2 系統流程

該系統因需要在CAD中繪制施工組織進度圖，因而選擇在AutoACD環境下，使用VC++及ObjectARX開發，并用ACCESS桌面數據庫進行數據信息的存儲。系統的處理總體流程如圖1所示，其中最為核心的部分是工期進度分析計算。

圖1 系統處理流程

3 系統設計

本系統是以數據收集、數據計算處理為主，繪制圖形為輔的工程輔助設計系統，以下以系統設計中最為關鍵的工期進度分析計算為主線進行介紹。

3.1 基礎信息收集處理

該系統的基礎信息包括項目屬性(名稱、里程、標準等)、橋梁(里程、長度、孔跨式樣等)、隧道(里程、長度、工期等)、路基工程信息、施工準備信息、站后配套工程、道床鋪設信息等。這些信息有的是上游專業提供的，系統提供數據導入的方法，以加快輸入速度。有的需要手工輸入，系統提供輸入及編輯界面。數據收集之后，需要進行一些預處理，比如里程與長度檢算、里程轉換、斷鏈計算等。

3.2 工程單元劃分

要進行分階段、分批投入資金，必須對工程進行合理的單元劃分。在鐵路建設項目中，宏觀上把工程劃分為橋梁、隧道、路基、鋪設等。其中橋隧屬于自然工點。路基工程根據施工標段劃分為15～20 km的段落，設計人員可以根據實際情況加以調整。鋪軌工程根據鋪軌基地進行劃分。站后配套工程則不進行詳細劃分。

3.3 工程單元的工期及投資計算

每個工程單元的工期及投資計算，是總投資正態分布的基礎。本系統從宏觀上把整個工程分為工程單元，并假設每個工程單元的投資隨工期呈均勻分布，以簡化計算的復雜度。由于大型工點一般單獨預算，因此這種假設對整個工程來說是合理的。計算工程單元的工期及投資，既需要利用專業的工程經濟知識分析計算其造價、勞動力，還需要近期施工項目的經驗知識，對計算的工程單元工期和投資進行適當調整，以更加符合實際情況。

(1)橋梁工程的計算，大中型橋及特大橋需要單獨計算，根據孔跨、橋高等因素計算得到。小橋涵工程由于數量多，與路基結合緊密，因此把小橋涵工程統一和路基工程一并處理，并按照數量調整相應路基工程的工期及投資即可。

(2)隧道工程的計算，所有的隧道工期由隧道專業根據隧道長度、圍巖級別、施工方式、掘進指標等計算得來，在此直接采用隧道專業提供的數據。

(3)路基、鋪軌、車站、站后配套等工程，在不同區域都有相應的指標和經驗值，由設計人員合理設置。

3.4 工程約束條件

在明確了工程單元劃分、工程單元的工期及投資計算之后，由于施工條件及總工期等因素的約束，還需要設定一些約束條件，才能滿足實際施工中以合理的工序方便工程施工。

(1)控制工程約束，一條鐵路建設項目的總工期，都是由控制工程限制的，因此要首先安排控制工程，即選擇工程單元中工期最長的首先安排開工。其他工程則按照工期長的優先的原則安排開工日期。

(2)相鄰工程約束，比如兩座相距很近的橋或隧道，為方便施工，需要采用順搭的方式處理，即一座施工完成后再開始另一座的施工。

(3)分段約束，根據施工經驗，合理劃分段落，以方便標段劃分和施工組織。

(4)施工先后順序約束，比如相鄰的橋梁和隧道，考慮施工的便利性，可能需要先安排橋施工，為隧道施工創造運輸便利。

3.5 計算過程

完成上述基本信息收集、工程單元的處理、約束條件設置之后，就是本系統設計的關鍵部分，即投資隨工期呈正態分布的計算。工程單元經過前面的數據處理后，這個問題已經轉化為確定每個工程單元的開工日期了。確定了工程單元的開工日期，就可以根據工期確定竣工日期。由于鋪軌、通信信號等站后工程具有段落長，工期短的特點，因此在總工期和總投資中扣除相應的數量用于這些工程，而不參與正態分布的計算。以下分步介紹具體計算方法。

(1)確定總投資與總工期形成的面域

式中，μ為理論平均數;σ2為理論方差。

σ、μ為可變參數，一般情況下，σ=總工期/6，μ=總工期/2。以總工期為x軸，投資為y軸，建立投資數學模型，如圖2所示，圖中陰影的面積為總投資。

(2)工程單元處理

把每個工程單元的工期看作長，投資看作面積，計算出寬，這樣就形成一個個長方形，所有工程單元形成的長方形面積之和等于圖2中的陰影面積。

圖2 理論投資正態圖

(3)正態化計算及布置

依據3.4規定的各種約束條件，從控制工期的工程單元開始，采用模糊判斷的方式，逐個把工程單元的長方形放入圖2陰影面域中，結果如圖3所示。

圖3 實際投資正態圖

把工程單元代表的長方形匹配到總面域中，是一個復雜的推理、判斷的過程，本軟件根據約束條件，逐步試探的方式，通過大量的運算，把所有工程單元比較合理地匹配到總面域中。每個小長方形的起點就是開工日期，終點就是竣工日期。通過這一數學模型，得到的工程投資隨工期自然呈正態分布，滿足投入分布最優的要求。

3.6 CAD繪圖

通過上述一系列的計算和處理，每個工程單元的所有參數已經確定，剩余的工作就是繪制CAD圖形。繪制時以里程為X軸，以工期為Y軸，使用規范的圖形符號繪制。設計者可以根據需要，使用軟件提供的編輯工具，對圖中的工程單元的開工日期進行適當的調整，以更加符合工程實際。

4 結語

施工組織進度設計在鐵路項目的預可研、可研、初步設計等階段非常重要，是系統性的因素，設計合理與否影響全局。該系統緊扣施工組織進度的設計需求，采用數學模型及經驗推理的方法，把復雜、棘手的問題簡單化，使之容易應用到生產實踐中。本系統在多條鐵路項目中得到應用，從使用的效果看，施工組織進度設計更加優化，達到了設計要求。

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