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铁路连续梁不同施工工艺的工期成本对比分析

范文

张梦顾伟红

摘要：针对铁路连续梁现浇施工不同工艺的工期、成本问题展开研究，运用系统动力学软件VENSIM建立连续梁施工工期、成本分析的系统动力学模型。首先分析影响连续梁施工工期、成本的主要变量及其之间的逻辑关系和数学关系，并绘制出模型的存量流量图;然后结合银西线控制工程灵武西特大桥优化方案实例，仿真模拟其支架现浇法与悬臂浇筑法的工期、成本偏差。模拟结果显示支架现浇施工工艺在工期上较悬臂浇筑有较大优势，但是会增加施工成本。研究同时也验证了系统动力学方法在连相关工艺对比中的适用性。

Abstract： This paper studies the construction period and cost of different processes of continuous beam cast-in-place construction. The system dynamics model VENSIM is used to establish the system dynamics model of construction period and cost analysis of continuous beam. Firstly， the main variables affecting the construction period and cost as well as the logical relationship and mathematical relationship between them of continuous beam are analyzed， and the stock flow chart of the model is drawn. Then， combining with the optimization scheme of Lingwuxi Bridge of Yinxi Line control project， the construction period and cost deviation of the cast-in-place method and the cantilever casting method is simulated. The simulation results show that the cast-in-place construction technology has a greater advantage over the cantilever casting in the construction period， but it will increase the construction cost. The study also validated the applicability of the system dynamics method in the comparison of related processes.

關键词：桥梁工程;工期偏差;成本偏差;系统动力学;连续梁现浇施工

Key words： bridge engineering;construction period deviation;cost deviation;system dynamics;continuous beam cast-in-place construction

中图分类号：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）14-0037-03

0 ?引言

铁路是我国综合交通运输体系的骨干，近年来一直处于高速发展建设期。按照我国铁路《中长期铁路网规划》，2025年后铁路网规模将达到17.5万公里，需新建铁路网5.4万公里[1]，与现有运行里程相等，铁路新建项目任务重、时间紧。一些特大桥梁工程往往是新建线的控制性工程，如何加快桥梁施工的进度，缩短施工工期是桥梁施工管理的重要目标[2]。

本文以灵武西特大桥主跨177.5m的单箱单室连续梁现浇施工为依托案例，从工期和成本两个方面进行施工工艺的对比分析。研究内容由四部分组成：首先介绍研究方法与思路;其次建立了连续梁现浇施工工艺的工期成本分析系统动力学模型，并对该模型进行了有效性检验;第三步结合实例进行仿真模拟;最后得出结论并提出决策。论文的研究和结论可为连续梁施工工艺决策提供数据参考。

1 ?研究方法

系统动力学是由麻省理工学院的Forrester教授在1956年创立的一门学科，以反馈控制理论作基础，应用计算机仿真技术实现对现实生活中较为复杂的、动态的系统问题的模拟研究[3]。连续梁现浇施工的工期、成本研究本身就是涉及多道工序及众多影响因素的复杂系统，系统动力学对此问题的应用具有良好的适用性，近年来系统动力学在工程项目工期-成本管理领域的应用研究也是日渐广泛[4-5]。系统动力学的建模通常遵循确定边界、模型描述（存量流量图）、模型检验、系统分析等几个步骤[6]，本文同样按照此程序构建连续梁现浇施工工艺的工期-成本优化系统动力学模型。

2 ?连续梁现浇工艺工期成本对比分析的系统动力学模型

2.1 模型边界及假设

在建立施工工艺对比模型时，本着必要和简约原则确定模型边界：在建立模型此时先不考虑返工和损耗的影响;成本方面只计算人工费、材料费和机械使用费组成的直接工程费定额水平基价;为了分析各工序的成本组成并准确对比分析两种施工工艺差异，各工序的成本计算以2017年《铁路工程预算定额》[7]为准，也不计实际价差（宏观影响因素）。工期按照2018年《铁路工程施工组织设计规范》[8]对工程进度进行施工组织设计安排。

为了方便建立该研究模型，提出以下假设：连续梁施工现场均满足悬臂浇筑和支架现浇的条件;施工过程中现场条件对两种施工方法的满足度一致，即除了因施工方法不同带来的工期、成本变化外，其余影响可忽略，并且现场可保证两方案施工过程流畅。

2.2 系统动力学模型的存量流量图

从施工工艺的工期、成本两个方面切入，模型系统研究的主要变量是工期偏差和成本偏差，工期偏差是指计划工期与实际工期的差值：以悬臂浇筑的施工工期为计划工期，以支架现浇法的工期为实际工期，实际工期与单位时间实际工程量成比例关系。成本偏差同样是指计划成本与已完工程实际成本的差值：以悬臂浇筑的施工成本为计划成本;实际成本是指支架现浇的施工成本。

确定系统元素及其因果联系以后，需要构建存量流量图明确变量间量化关系以使因果关系图所表示的模型能在计算机上运行，进而可以模拟两种不同现浇施工方案的工期、成本对比情况。本文运用VENSIM软件绘制存量流量图，如图1所示。

存量流量图明确了影响因素的变量类型，并根据量化模型的需要及变量之间的逻辑关系添加了一些辅助变量，如总工程量与剩余工程量。

3 ?模型研究分析

3.1 案例数据

本文依托银西线灵武西特大桥主跨177.5m长的单室单箱连续梁现浇工程案例对项目采用支架现浇和悬臂浇筑两种施工工艺施工进行成本、工期对比，该工程主要工程量如表1所示。

通过查询2017年《铁路桥涵工程预算定额》得知，表1中的工程量可归于连续箱梁混凝土、普通钢筋、粗钢筋、预应力钢绞线、挂篮的安拆和脚手架搭设与拆除等子目中計算。

考虑以上工序涉及的工程量的单位并不一致，为了使模型保证量纲的一致性，现统一计算单位为长度米。本文依据2018年《铁路工程施工组织设计规范》工期指标对悬臂浇筑与支架现浇的工期进行施工组织设计安排，为简化计算，用每一道工序《规范》进度指标中所用时间占总工期的比例作为换算每一道工序的工程量占总长度177.5m的比例，如式（1）所示：

该工序长度=该工序时间/总时间×总长度（1）

然后结合工序的长度与工序实际消耗的时间可以计算出单位时间实际工程量如式（2）所示，其中，工序实际消耗时间数据来源于案例实地调查数据。

单位时间完成的实际工程量=该工序长度/该工序实际消耗时间 ? ? ? ?（2）

另结合查定额计算得出的每道工序费用，与工序长度相除得出单位工程费用，见式（3）所示：

单位工程费用=该工序总费用/该工序长度（3）

根据公式计算，列出分项工程子目的成本，具体数据如表2所示。

3.2 模型方程建立及检验

计划工期及计划成本以悬臂法施工组织提供数据。结合存量流量图及表2数据，建立模型方程，主要变量的方程式如下：

（01）人工费= INTEG （单位时间人工费，0）

Units：元

（02）剩余工程量=IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=总工程量，总工程量-实际已完成工程量，0）

Units： m

（03）单位时间人工费=IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=28.5，单位时间实际工程量*18662.2，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=55.5，单位时间实际工程量*12966.5，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=83.5，单位时间实际工程量*2021.62，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=121.5，单位时间实际工程量*4314，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=177.5，单位时间实际工程量*8099.56，0）））））

Units：元/Day

（04）单位时间实际工程量=IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=28.5，1.9，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=55.5，1.93，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=83.5，1.87，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=121.5，1.9，IF THEN ELSE（实际已完成工程量<=177.5，1.87，0）））））

Units： m/Day

Units： Day

（05）实际成本=人工费+机械使用费+材料费

Units：元

（06）工期偏差=计划工期-实际工期

Units： Day

（07）总工程量=177.5

Units： m

（08）成本偏差=计划成本-实际成本

Units：元

（09）计划工期=151

Units： Day

（10）计划成本=5276000

Units：元

以上方程式是与支架现浇工艺对应对的方程式，模型的开始时间为0，终止时间为160，步距为1天。

3.3 模拟结果和分析

①对支架现浇与悬臂浇筑工期偏差进行模拟预测结果见图2，该图显示：支架现浇法下工期偏差在第94天达到最小值并持平，比悬臂浇筑法的计划工期节约了57天，在工期上支架现浇法较悬臂浇筑法有优势。

②对支架现浇与悬臂浇筑工期偏差进行模拟预测结果见图3，该图显示：悬臂浇筑法下成本偏差在第151天达到最小值并持平，为零，与原计划成本相等，说明相关参数的设计符合实际情况;支架现浇法下成本偏差在第94天達到最小值并持平，为负数，说明该施工方法的施工成本比悬臂浇筑法的施工成本高，约100万元。

4 ?结语

①本文遵循系统动力学的建模步骤：提出假设、确定边界明确模型的主要变量;根据两个主要变量分析了变量之间的因果关系;依据变量间的逻辑关系绘制存量流量图，并书写方程式量化变量的关系，验证了系统动力学在桥梁施工工艺比选中的适用性。②模拟结果显示支架现浇法相较于悬臂浇筑法在工期上有较大优势，较悬臂法工期缩短了38%;成本上支架现浇成本比悬臂浇筑成本高出将近100万元，较悬臂法增长了19%。本文方法和数据可作为施工工艺选择的参考，在实际施工中应结合实际情况、工期及成本要求来选择施工工艺。

参考文献：

[1]国家发展改革委，交通运输部，中国铁路总公司.中长期铁路网规划[EB/OL].2016.

[2]滕炳杰.挂篮悬浇与大节段支架现浇方案对比分析[J].铁道工程学报，2010（6）：55-58.

[3]张波，袁永根.系统思考和系统动力学的理论与实践：科学决策的思想、方法和工具[M].北京：中国环境科学出版社，2010.

[4]刘景矿，阳文杰.基于系统动力学的建设工程成本-进度控制研究[J].施工技术，2016，45（12）：95-99，128.

[5]常金贵.基于系统动力学的建设项目工期控制模型研究[J].西安建筑科技大学学报，2015，47（1）：147-154.

[6]钟永光，贾晓菁，钱颖.系统动力学[M].北京：科学出版社，2009：20-21.

[7]国家铁路局.TZJ2002-2017，铁路工程预算定额[S].北京：中国铁道出版社，2018：347-446.

[8] 中国铁路总公司.Q/CR9004-2018，铁路工程施工组织设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017：128-129.

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