基于系統布置規劃(SLP)法的繁華城區內地鐵車站施工場地布置研究

周佳慶 施成華,2 陳 剛 李 磊

(1.中南大學土木工程學院， 410075， 長沙； 2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室， 410075， 長沙； 3.中交一公局集團有限公司， 100024， 北京∥第一作者， 碩士研究生)

繁華城區內地鐵車站的施工場地一般較為狹窄，施工過程中各施工作業區易互相干擾，進而影響項目的施工進度。如何科學合理地對施工場地進行布置成為施工管理的關鍵。地鐵車站的施工場地大多依據項目組織者的經驗進行布置，部分布局可以進一步優化。

在理論研究方面，很多學者在施工場地布置方面做了大量的工作，但多數研究集中于水利、水電工程與BIM(建筑信息模型)技術。文獻[1]將運籌學中解決非線性規劃問題的模式搜索法應用到水利工程中，統籌考慮運行費用與建造費用時得到最優方案。文獻[2]提出了點狀分布的評價指標，系統分析了理論方法和優化程序，將經驗知識和模糊性分析有效合并，提供了一種新穎的設施布置方案。文獻[3-5]應用BIM對場地布置方案進行優化。文獻[6-7]將系統布置法應用到了房屋建設和大型活動場地布置中。但是，對于繁華城區復雜條件下狹小施工場地布置方面的研究較少。本文基于SLP(Systematic Layout Planning，系統布置規劃)法，重點關注繁華城區內的地鐵車站施工場地布置。在各作業單位綜合關系進行定量分析的基礎上進行方案設計，構建了多目標尋優的評價模型，并對方案進行評價，形成繁華城區內地鐵車站較為系統的施工場地布置方法及評價標準。

1 地鐵車站施工場地的布置原則

地鐵車站的施工場地集多個施工作業區于一體，場地布置時需要兼顧各因素對場地布置的影響，應根據以下場地布置原則對施工場地進行合理規劃布置。

1) 充分利用既有場地面積，使場地布置緊湊、協調；

2) 所有臨時的建筑設施要確保絕對安全，生活區、辦公區盡量與生產區隔離；

3) 盡量使用場地內的既有資源，盡量減少設備的拆卸和二次遷移；

4) 及時進行場地布局調整，以滿足施工需要；

5) 施工作業區之間盡可能減少交叉作業的相互干擾，以保證施工的安全和質量。

2 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置

2.1 SLP法簡述

SLP法由著名規劃專家Richard.Muther提出，是一種邏輯性強、條理清楚的布置設計方法，最早應用于工廠布置。目前該方法已被引入建筑工程領域，但多用于房屋建筑工程的施工場地規劃，尚未與繁華城區內的地鐵車站施工進行結合。

2.2 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置流程

采用SLP法對地鐵車站施工場地進行規劃設計，主要包括分析、設計、評價三個階段。其中：分析階段對各施工作業區的物流關系及非物流關系的密切程度進行分析，以確定考慮物流和非物流因素的綜合關系，并根據綜合關系的強弱，確定各作業單位的相對位置關系；設計階段結合車站場地的實際情況，綜合考慮限制條件及修正因素，利用綜合關系進行方案設計；評價階段利用本文提出的數學模型及雙目標函數對方案進行評價，擇選出最優方案。基于SLP法的地鐵車站施工場地布置流程圖如圖1所示。

圖1 基于SLP法的地鐵車站施工場地布置流程

2.3 施工場地物流關系與非物流關系分析

在對狹長的地鐵車站進行施工場地平面布置時，各作業單位的物流關系分析和非物流關系分析是其中的核心工作，關乎著施工進度、運輸成本和管理效率。對物流關系進行分析時，將不同作業單位的物流搬運強度分為A、E、I、O、U 五個等級，分別代表絕對重要、特別重要、重要、一般、不重要，并分別取值為4、3、2、1、0，用以對物流強度的減小程度進行量化。

作業單位非物流關系分析也稱為關聯關系分析，同樣是施工場地布置時需要考慮的重要影響因素。關聯關系分析考慮的主要是地鐵車站施工人員在各施工作業區之間往返的密切程度，信息在各作業單位的傳遞頻率，各作業單位的組織管理關系，環境和安全因素等。不同的施工場地、作業單位之間的關聯關系影響因素是不同的，將各作業單位按關聯關系的密切程度分為A、E、I、O、U、X 六個級別，分別代表絕對重要、一般重要、重要、一般、不重要、不要靠近，并分別取值為4、3、2、1、0、-1，用以對其影響強度的依次減弱進行量化。根據地鐵車站的施工特點，在進行關聯關系分析時，本文考慮的主要影響因素如表1所示。

表1 關聯關系影響因素表

2.4 綜合關系分析

在物流關系分析與關聯關系分析的基礎上確定各作業區之間的綜合關系。將各作業區之間的物流強度與非物流強度根據等級進行量化，數值采用加權的方式進行處理。綜合關系的量化數值Tij的計算公式為：

Ti,j=aMi,j+bNi,j

(1)

式中：

i，j——施工作業單位；

Mi，j——i與j之間物流強度的量化數值；

Ni，j——i與j之間關聯關系的量化數值；

a，b——權重系數。

繁華城區地鐵車站的施工場地狹小，在分析時更側重于物流強度，因而取a=0.7，b=0.3。將Ti，j進行分級，即根據其數值大小歸入A、E、I、O、U、X的相應等級中，進而得到各作業單位的綜合關系。

2.5 位置關系確定

在這個步驟中暫且不考慮施工平面布置中各作業單位的實際面積以及幾何形狀，僅從各作業單位的綜合關系出發安排各作業單位的位置，關系密切的作業單位直接距離近，關系等級低的相對較遠。按照綜合關系等級為A的作業區必須相鄰、綜合關系等級為E的作業區至少對角相接、其他等級兼顧考慮的原則，先繪制出各作業單位的無面積拼塊圖，再根據無面積拼塊圖完成位置相關圖，從而進行地鐵車站施工場地的初步設計。各作業單位間密切程度的表達方式如表2所示。

表2 作業單位間密切程度的表達方式

但是，由于實際的地鐵車站施工場地的形狀大多不規則，位置關系圖中各作業區的位置并不是最終的場地布置方案，需要在位置相關圖的基礎上進行方案的初步設計。最終方案還需要通過構建評價模型，對初步設計的方案進行評價，并進行方案比選方可確定。

2.6 評價模型的建立

2.6.1 構建數學模型

在實際的地鐵車站施工場地布置過程中，各作業單位的形狀以及施工場地的形狀大多都是不規則的，各作業區的面積也各不相同。因而建立模型前需要對各作業單位以及場地進行合理的假設，主要包括：① 將施工現場與各作業單位簡化為矩形結構；② 已知各作業單位的橫向、縱向距離以及整個空間布局的長和寬。

在此假設基礎上將施工場地的平面布置轉化為約束條件下的多目標尋優問題。場地布置評價模型如圖2所示。

2.6.2 建立目標函數

在數學模型假設基礎上建立以各作業單位物料搬運成本耗費程度(C1)最小、非物流關系密切程度(F1)最大的雙目標函數，計算公式為：

(2)

(3)

注：x軸為施工場地的長度方向；y軸為施工場地的寬度方向；L為施工場地總長度；W為施工場地總寬度；i，j，k為場地內作業單位的編號；li為作業單位i的長度；wi為作業單位i的寬度；dx,ij為i，j間沿x軸方向的最小間距；dy,ij為i，j間沿y軸方向的最小間距；la，k為k作業單位與整個場地短邊界距離；wa,k為k作業單位與整個場地長邊界距離；xk為k作業單位中心距y軸的距離；yk為k作業單位中心距x軸的距離。

式中：

ωi——分配系數；

ai,j——作業單位i、j間的物流關系系數；

bi,j——作業單位i、j間的非物流關系系數；

di,j——作業單位i的中心與j的中心的距離；

ti,j——di,j與場地最大距離的比值,場地最大距離取圖2中L和W的最大值。

式(2)、(3)中，ai,j和bi,j按照A=4、E=3、I=2、O=1、U=0、X=-1的規則取值；ti,j的值由di,j決定，取值范圍為[0，1]。

2.7 確定場地布置的最終方案

在得到地鐵車站場地設計的備選方案后，需要對不同的方案進行比選。以本文提出的雙目標函數作為評價標準，對不同方案的物流強度指標與綜合管理指標進行量化。依據量化后的指標值可以清楚地分析出各方案的優勢與弊端，從而結合現場情況確定最優方案。

3 工程案例應用

3.1 工程概況

本文以長沙地鐵6號線朝陽村站為案例作進一步的分析研究。該站位于長沙市雨花區，沿人民中路東西向布置。人民中路為城市主干道，交通量大，路況復雜。車站周邊建筑主要有融圣國際、朝陽村小學、友阿百貨等，并毗鄰人民路立交隧道。朝陽村站全長305.6 m，標準段寬為21.4 m，采用蓋挖逆作與明挖順作相結合的形式施工，施工場地狹長。施工現場的主要區域包括辦公區、明挖施工區、施工便道、鋼筋加工和存放區、其他材料堆放區、洗車槽、沉淀池、門衛室、蓋挖出土孔和渣土堆放區等。為保證狹窄場地下各施工作業區的正常施工，本著加快施工進度、降低工程費用、便于施工管理的目的，該項目在車站蓋挖頂板施作完畢后的土方開挖階段進行了施工場地規劃。

3.2 施工場地方案設計

3.2.1 物流與非物流相關性分析

主要依據作業單位間的物料搬運強度對物流強度進行分析時，各作業單位間的物流強度如圖3所示。

圖3 朝陽村站施工場地的物流強度相關圖

關聯關系分析時，主要對辦公區、明挖施工區、腳手架與鋼支撐堆放區、鋼筋加工與存放區、其他材料堆放區、蓋挖出土口與渣土堆放區等進行布置。而洗車槽、沉淀池、門衛室等區域的位置相對容易確定，配電箱、移動廁所等區域在這些關鍵位置確定后其位置也相對容易確定，因而這些區域不納入關聯關系主要影響因素范疇。該站施工場地的非物流強度相關圖如圖4所示。

注：分式的分母代表表1中的影響因素序號。

3.2.2 綜合關系分析

對朝陽村站施工場地各作業單位的物流關系與非物流關系進行分析后確定其綜合關系。將字母所代表的強度進行量化，從而實現物流強度、非物流強度的加權量化處理。按式(1)進行計算，得到各施工作業區間的綜合關系如圖5所示。

圖5 朝陽村站施工場地的綜合關系圖

3.2.3 位置關系確定

在圖5的基礎上，結合表2的表達方式，在暫不考慮各作業區與施工場地的實際形狀與面積情況下，得到朝陽村站施工場地位置相關圖，如圖6所示。圖6可凸顯各作業單位距離的相對遠近。

注:①～⑦為施工的作業單位；各單位間線條的含義見表2。

3.2.4 施工場地布置方案設計

通過位置相關圖可以大致看出各作業單位的密切程度，基于綜合關系強的作業單位距離近、綜合關系弱的作業單位相對較遠的原則，結合位置相關圖，對朝陽村站施工場地各作業區之間的相對位置進行初步設計。擬定的三個設計方案如圖7所示。

3.3 施工場地布置方案評價

應用數學模型，以式(2)、式(3)雙目標函數作為評價指標，對朝陽村站初步確定的三個施工場地布置方案進行評價，其結果如表3所示。

表3 施工場地布置方案的目標函數值

本文采用的雙目標函數為物流搬運強度和施工管理強度，目標函數值為無量綱的相對值。其中：C1的值越小，代表物料運輸成本越小，運輸速度

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三

越快；F1值越大，代表場地管理越方便，越便于施工組織者對整個項目進行管理。

在上述的三個初始布置方案中，從C1角度進行分析，方案三的運輸強度最小、運輸速度最快；從F1角度進行分析，方案二管理的程度最優。在考慮管理目標值相差不大的前提下，以節約運輸成本為依據，確定采用方案三作為該施工場地的最優布置方案。

4 結語

本文采用SLP法對施工場地進行規劃，基于各功能區之間的相關性提出了場地布置的可行性方案，建立各作業單位物料搬運成本耗費程度最小、非物流關系密切程度最大的雙目標函數，對各備選方案進行評價，形成系統的施工場地布置方法與評價標準。通過對長沙地鐵6號線朝陽村站的案例設計可得出結論，本文提出的繁華城區內地鐵車站施工場地布置的方法和評價標準可為類似車站的施工組織提供參考。