有軌電車扣配件式軌道結構鋪設工期仿真

劉俊，狄怡霏，董成周，王衛東

有軌電車扣配件式軌道結構鋪設工期仿真

劉俊1, 3，狄怡霏2，董成周2，王衛東1, 3

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵十四局集團 第五工程公司，山東 濟寧 272117；3. 中南大學 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

有軌電車作為一種新型公交，以其節能環保、綠化鋪裝等特點在國內的發展十分迅速。結合BIM技術以及蒙特卡洛方法，對有軌電車扣配件式軌道結構鋪設進行施工階段工期仿真及施工管理信息化研究，以期促進BIM技術在有軌電車方面中的應用。研究結果表明：以蒙特卡洛方法模擬確定的各工序持續時間及總工期概率分布，可為控制總工期、編制施工組織設計提供依據；利用Revit建立附加工期信息的軌道結構模型，可以形象展示施工過程，為調整工程進度、解決施工難點提供依據；基于BIM的施工管理信息化系統可以促進工程信息集成和共享，推動BIM在有軌電車工程中的應用。

有軌電車；軌道結構；工程進度；BIM；蒙特卡洛

隨著城市建設的快速發展以及在低碳經濟下對城市交通景觀的要求，有軌電車的發展與建設迎來了重要的時期。有軌電車建設工程具有規模大，建設周期長，施工空間狹窄，工期緊，相關專業多等特點[1]。所以，在項目開工建設前要編制合理有序的施工進度表，使施工資源得到合理配備，在最大程度上減少工程的成本。BIM不僅可以實現三維建模，還可加入時間形成4D模型，加入成本形成5D模型，對項目進行全面管理。引入BIM技術后可以實現項目全生命周期管理，減少施工錯誤，節約工程管理成本，加快施工的進度。基于BIM的工程信息管理方式，將建設工程管理全過程中的工程相關文檔、照片、圖紙等過程資料進行集中管理，使工程項目系統內部的資源實現協調一致，形成項目信息管理的信息流網絡[2]。當前，BIM在軌道交通中的應用較廣泛，但大多數是針對特定的工程內容。由于有軌電車建設項目的復雜性、專業性強，依據BIM模型進行設計和施工的方法還不夠成熟，在建設工程全生命周期中應用BIM的突出作用尚需進一步的開發提高[3-4]。成都市有軌電車的無砟軌道整體道床結構型式分4種：1) 扣配件型式； 2) 預制軌道板型式；3) 承軌槽型式；4) 現澆鋼槽型式。本文應用蒙特卡洛的方法和BIM技術對有軌電車扣配件式軌道結構鋪設進度進行仿真研究，研究整體結構框架如圖1。依照扣配件式軌道結構的施工組織設計，確定每道工序。在施工現場，以50 m長度的軌道鋪設為一個單元，首先調查每道工序的持續時間，取多組樣本數據，擬合每道工序持續時間的概率分布函數和對應的參數。然后，根據施工網絡計劃圖，以蒙特卡洛對每道工序持續時間進行100萬次的試驗模擬，得到有軌電車扣配件式軌道結構鋪設總工期的概率分布。最后，建立扣配件式軌道結構BIM模型，直觀展現仿真模擬結果，提高工程管理效率。

1 有軌電車扣配件式軌道結構鋪設工作分解

基于WBS將研究對象進行工作分解，明確各工作之間前后邏輯關系。

圖1 研究框架

有軌電車扣配件式軌道結構的施工步驟多，需要制定細致的施工組織計劃，逐層逐步地對施工過程進行工作分解，保證軌道結構建設滿足規范要求。在詳細調研成都有軌電車扣配件式軌道結構的鋪設現場后，本文基于WBS法將扣配件式軌道結構鋪設流程分解成了11道工序，如圖2。

2 有軌電車扣配件式軌道結構鋪設工法的網絡計劃圖

2.1 雙代號時標網絡計劃圖

橫道圖及網絡計劃圖是2種常用的工程進度計劃表示方法。其中，橫道圖是傳統方法，簡單且應用范圍較廣，但對于大型工程，不能清晰表達各工序之間內在邏輯關系，也不能夠明確整個進度計劃的關鍵工作和路徑。雙代號時標網絡計劃圖具備橫道圖和網絡計劃圖的優勢，一方面可以完整、清晰反映各工序間內在邏輯關系，另一方面又可以明確顯示進度計劃。本文采用雙代號時標網絡計劃圖表示施工網絡計劃。

圖2 扣配件式軌道結構鋪設施工流程

2.2 計劃評審技術

對各工序之間邏輯關系和工序持續時間的研究，總體上經過了由確定到不確定2個過程。關鍵線路法(CPM)，各工序彼此之間邏輯關系和工序持續時間都認為是確定的，即各工序持續時間是常量[5?6]，工程總工期是關鍵路徑中所有關鍵工序持續時間的總和。但是在工程施工中，各工序持續時間受各種人為、氣象等因素的影響，并非常量，而是在一個時間范圍內變動，使工程建設的關鍵線路發生變化，導致應用關鍵線路法計算的總工期不能準確反映實際狀況。計劃評審技術(PERT)假定各工序之間的邏輯關系確定但持續時間不確定，它假設各工序持續時間滿足一種概率分布，采用三點估算法計算期望值作為各工序持續時間，以此反映工序持續時間的“不確定性”[7?9]。

本文以計劃評審技術為基礎，以蒙特卡洛模擬的試驗方式，對工程進度進行概率統計分析，各工序持續時間期望值采用現場收集數據的均值。

2.3 扣配件式軌道結構鋪設網絡計劃圖

在工地現場確定的人員、機械、材料等條件下，對每道工序收集24組持續時間數據，確定工序持續時間的可能范圍(如表1)繪制雙代號時標網絡計劃圖(如圖3)。

表1 工作明細

圖3 軌道鋪設工程雙代號時標網絡計劃圖

3 蒙特卡洛模擬軌道結構鋪設工期

蒙特卡洛方法，又稱隨機抽樣方法，以大量試驗數據為基礎，確定目標變量值的一種數值計算方法[10?13]。本文根據施工現場的收集數據，擬合各工序持續時間的概率分布類型和相關參數，利用蒙特卡洛方法并結合PERT進行試驗模擬，得到50 m長度單元的扣配件式軌道結構鋪設總工期概率分布(圖4)。

3.1 工序持續時間的數學分布

工序持續時間往往與現場工程資源配備(機械、人工、材料等)相關，軌道鋪設要求的材料和機械配備基本相同，50 m長度單元的軌道鋪設，配備人員：1) 測量放線人員配備：測量畫點2人，放模板定位線2人；2) 軌排組裝人員配備：散軌枕、扣件安裝8人；3) 精調支架安裝人員配備：支架安裝6人；4) 軌道粗調人員配備：軌道粗調4人；5) 道床鋼筋綁扎人員配備：綁扎鋼筋8人，焊接鋼筋3人；6) 伸縮縫施工人員配備：泡沫板安裝2人；7) 模板安裝人員配備：模板運輸2人，支架鉆口2人，安裝模板4人；8) 軌道精調人員配備：操作全站儀1人，操作精調小車2人，軌道精調配合4人； 9) 混凝土澆筑人員配備：混凝土罐車駕駛員1人，泵車駕駛員1人，泵車指揮員1人，混凝土澆筑2人，平鋪混凝土4人，混凝土收面6人，地面清洗2人；10) 混凝土養生人員配備：鋪設土工布2人，澆水養護2人；11) 拆模人員配備：支架拆除4人，模板拆除4人。

對各工序持續時間的24組樣本數據進行概率分布擬合，確定11道工序持續時間概率分布如表2，主要是Beta分布、均勻分布、負二項分布等，相較常用的概率分布函數擬合工程數據精度提高[14?15]。

表2 各工序持續時間概率分布類型及參數

3.2 蒙特卡洛模擬

根據各工序持續時間的擬合分布函數和雙代號時標網絡計劃圖，對50 m長度單元的軌道鋪設過程，在既準確模擬又減少模擬耗費時間的條件下，以蒙特卡洛方法仿真模擬100萬次，得到100萬個工序持續時間和總工期試驗結果，說明如下：

1) 總工期概率分布如圖4。50 m長度單元的扣配件式軌道結構鋪設總工期符合Gamma分布，分布參數為min=996.9，=215.3，=50.4。

圖4 總工期概率分布

2) 總工期的累計概率分布模擬結果如圖5?？梢姡?0 m長度單元的軌道鋪設在8.9 d內完成的概率是90%。

圖5 總工期累計概率分布

4 基于BIM的仿真系統

利用Revit建立有軌電車扣配件式軌道結構BIM模型，以工期為時間軸，根據雙代號時標網絡計劃圖，對軌道結構鋪設過程進行4D動態展示，實現了有軌電車扣配件式軌道結構鋪設進度的可視化管理。

4.1 扣配件式軌道結構3D模型

對應有軌電車扣配件式軌道結構鋪設施工流程，建立底座板族、支撐塊族、鋼軌族共3個主要基礎構件的參數化族，最后將各族組合成扣配件式軌道結構整體模型，如圖6所示。

(a) 底座板族；(b) 支撐塊族；(c) 鋼軌族；(d) 整體三維模型

4.2 4D模型

將經過上述模擬試驗確定的各道工序所需要的時間、軌道鋪設總工期等信息附加于各構件，以工期為時間軸，依據雙代號時標網絡計劃圖，模擬工程施工進度，可動態展示軌道結構的建設過程。

系統(如圖7)可輸入實際工程進度，與計劃進度對比，能及早的發現工期滯后問題，及時調整現場施工人員、工程材料、施工機械的配比，保證計劃工期；為合理有序安排工程資源提供一定決策依據，避免出現工程資源閑置或緊張等問題。

建立工程信息管理系統(圖8)，對施工過程中的相關資料進行集成和共享，為工程的進一步信息化、可視化提供基礎。

圖7 軌道結構鋪設進度4D模擬

圖8 工程信息管理系統界面

5 結論

1) 在一定的資源配置條件下，每道工序采集24組持續時間數據，分別確定11道工序持續時間的概率分布類型及參數。

2) 用蒙特卡洛方法模擬確定了50 m長度單元的有軌電車扣配件式軌道鋪設總工期服從Gamma分布，在8.9 d內完成的概率為90%。

3) 建立了工程4D模型和工程信息管理系統，對合理安排工程進度或根據工程進度合理配置工程資源提供了可視化平臺。

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Period-simulation of tram buckle-type track structure

LIU Jun1, 3, DI Yifei2, DONG Chengzhou2, WANG Weidong1, 3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Fifth Engineering Company, China Railway fourteen Bureau Group, Jining 272117, China;3. Key Laboratory of Engineering Structures of Heavy Haul Railway of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Trams, as a new type of bus, have developed rapidly in China due to their energy saving, environmental protection and green paving. This paper combined BIM technology and Monte Carlo method to carry out period-simulation in construction and informatization of construction management of tram buckle-type track structure laying in order to promote the application of BIM technology in trams. The research results are as follows: The duration of each process and the probability distribution of the total construction period are determined by Monte Carlo simulation, which provides a basis for controlling the total construction period and preparing the construction organization design; Use Revit to build a track structure model with additional construction time information, which can visually show the construction process, and provide a basis for adjusting the progress of the project and solving construction difficulties; The BIM-based construction management information system can facilitate the integration and sharing of engineering information, and promote the application of BIM in tram projects.

tram; track structure; project progress; BIM; Monte Carlo

[U239]

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3045 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200135

2020?02?21

中鐵十四局有軌電車軌道工程關鍵技術開發研究項目(YGDC-30)；教育部人文社會科學研究項目(13YJA630091)

王衛東(1971?)，男，江西上饒人，教授，博士，從事道路與鐵道工程研究；E?mail：147745@163.com

(編輯 涂鵬)