基于系统布置规划(SLP)法的繁华城区内地铁车站施工场地布置研究

周佳庆 施成华,2 陈 刚 李 磊

(1.中南大学土木工程学院， 410075， 长沙； 2.高速铁路建造技术国家工程实验室， 410075， 长沙； 3.中交一公局集团有限公司， 100024， 北京∥第一作者， 硕士研究生)

繁华城区内地铁车站的施工场地一般较为狭窄，施工过程中各施工作业区易互相干扰，进而影响项目的施工进度。如何科学合理地对施工场地进行布置成为施工管理的关键。地铁车站的施工场地大多依据项目组织者的经验进行布置，部分布局可以进一步优化。

在理论研究方面，很多学者在施工场地布置方面做了大量的工作，但多数研究集中于水利、水电工程与BIM(建筑信息模型)技术。文献[1]将运筹学中解决非线性规划问题的模式搜索法应用到水利工程中，统筹考虑运行费用与建造费用时得到最优方案。文献[2]提出了点状分布的评价指标，系统分析了理论方法和优化程序，将经验知识和模糊性分析有效合并，提供了一种新颖的设施布置方案。文献[3-5]应用BIM对场地布置方案进行优化。文献[6-7]将系统布置法应用到了房屋建设和大型活动场地布置中。但是，对于繁华城区复杂条件下狭小施工场地布置方面的研究较少。本文基于SLP(Systematic Layout Planning，系统布置规划)法，重点关注繁华城区内的地铁车站施工场地布置。在各作业单位综合关系进行定量分析的基础上进行方案设计，构建了多目标寻优的评价模型，并对方案进行评价，形成繁华城区内地铁车站较为系统的施工场地布置方法及评价标准。

1 地铁车站施工场地的布置原则

地铁车站的施工场地集多个施工作业区于一体，场地布置时需要兼顾各因素对场地布置的影响，应根据以下场地布置原则对施工场地进行合理规划布置。

1) 充分利用既有场地面积，使场地布置紧凑、协调；

2) 所有临时的建筑设施要确保绝对安全，生活区、办公区尽量与生产区隔离；

3) 尽量使用场地内的既有资源，尽量减少设备的拆卸和二次迁移；

4) 及时进行场地布局调整，以满足施工需要；

5) 施工作业区之间尽可能减少交叉作业的相互干扰，以保证施工的安全和质量。

2 基于SLP法的地铁车站施工场地布置

2.1 SLP法简述

SLP法由著名规划专家Richard.Muther提出，是一种逻辑性强、条理清楚的布置设计方法，最早应用于工厂布置。目前该方法已被引入建筑工程领域，但多用于房屋建筑工程的施工场地规划，尚未与繁华城区内的地铁车站施工进行结合。

2.2 基于SLP法的地铁车站施工场地布置流程

采用SLP法对地铁车站施工场地进行规划设计，主要包括分析、设计、评价三个阶段。其中：分析阶段对各施工作业区的物流关系及非物流关系的密切程度进行分析，以确定考虑物流和非物流因素的综合关系，并根据综合关系的强弱，确定各作业单位的相对位置关系；设计阶段结合车站场地的实际情况，综合考虑限制条件及修正因素，利用综合关系进行方案设计；评价阶段利用本文提出的数学模型及双目标函数对方案进行评价，择选出最优方案。基于SLP法的地铁车站施工场地布置流程图如图1所示。

图1 基于SLP法的地铁车站施工场地布置流程

2.3 施工场地物流关系与非物流关系分析

在对狭长的地铁车站进行施工场地平面布置时，各作业单位的物流关系分析和非物流关系分析是其中的核心工作，关乎着施工进度、运输成本和管理效率。对物流关系进行分析时，将不同作业单位的物流搬运强度分为A、E、I、O、U 五个等级，分别代表绝对重要、特别重要、重要、一般、不重要，并分别取值为4、3、2、1、0，用以对物流强度的减小程度进行量化。

作业单位非物流关系分析也称为关联关系分析，同样是施工场地布置时需要考虑的重要影响因素。关联关系分析考虑的主要是地铁车站施工人员在各施工作业区之间往返的密切程度，信息在各作业单位的传递频率，各作业单位的组织管理关系，环境和安全因素等。不同的施工场地、作业单位之间的关联关系影响因素是不同的，将各作业单位按关联关系的密切程度分为A、E、I、O、U、X 六个级别，分别代表绝对重要、一般重要、重要、一般、不重要、不要靠近，并分别取值为4、3、2、1、0、-1，用以对其影响强度的依次减弱进行量化。根据地铁车站的施工特点，在进行关联关系分析时，本文考虑的主要影响因素如表1所示。

表1 关联关系影响因素表

2.4 综合关系分析

在物流关系分析与关联关系分析的基础上确定各作业区之间的综合关系。将各作业区之间的物流强度与非物流强度根据等级进行量化，数值采用加权的方式进行处理。综合关系的量化数值Tij的计算公式为：

Ti,j=aMi,j+bNi,j

(1)

式中：

i，j——施工作业单位；

Mi，j——i与j之间物流强度的量化数值；

Ni，j——i与j之间关联关系的量化数值；

a，b——权重系数。

繁华城区地铁车站的施工场地狭小，在分析时更侧重于物流强度，因而取a=0.7，b=0.3。将Ti，j进行分级，即根据其数值大小归入A、E、I、O、U、X的相应等级中，进而得到各作业单位的综合关系。

2.5 位置关系确定

在这个步骤中暂且不考虑施工平面布置中各作业单位的实际面积以及几何形状，仅从各作业单位的综合关系出发安排各作业单位的位置，关系密切的作业单位直接距离近，关系等级低的相对较远。按照综合关系等级为A的作业区必须相邻、综合关系等级为E的作业区至少对角相接、其他等级兼顾考虑的原则，先绘制出各作业单位的无面积拼块图，再根据无面积拼块图完成位置相关图，从而进行地铁车站施工场地的初步设计。各作业单位间密切程度的表达方式如表2所示。

表2 作业单位间密切程度的表达方式

但是，由于实际的地铁车站施工场地的形状大多不规则，位置关系图中各作业区的位置并不是最终的场地布置方案，需要在位置相关图的基础上进行方案的初步设计。最终方案还需要通过构建评价模型，对初步设计的方案进行评价，并进行方案比选方可确定。

2.6 评价模型的建立

2.6.1 构建数学模型

在实际的地铁车站施工场地布置过程中，各作业单位的形状以及施工场地的形状大多都是不规则的，各作业区的面积也各不相同。因而建立模型前需要对各作业单位以及场地进行合理的假设，主要包括：① 将施工现场与各作业单位简化为矩形结构；② 已知各作业单位的横向、纵向距离以及整个空间布局的长和宽。

在此假设基础上将施工场地的平面布置转化为约束条件下的多目标寻优问题。场地布置评价模型如图2所示。

2.6.2 建立目标函数

在数学模型假设基础上建立以各作业单位物料搬运成本耗费程度(C1)最小、非物流关系密切程度(F1)最大的双目标函数，计算公式为：

(2)

(3)

注：x轴为施工场地的长度方向；y轴为施工场地的宽度方向；L为施工场地总长度；W为施工场地总宽度；i，j，k为场地内作业单位的编号；li为作业单位i的长度；wi为作业单位i的宽度；dx,ij为i，j间沿x轴方向的最小间距；dy,ij为i，j间沿y轴方向的最小间距；la，k为k作业单位与整个场地短边界距离；wa,k为k作业单位与整个场地长边界距离；xk为k作业单位中心距y轴的距离；yk为k作业单位中心距x轴的距离。

式中：

ωi——分配系数；

ai,j——作业单位i、j间的物流关系系数；

bi,j——作业单位i、j间的非物流关系系数；

di,j——作业单位i的中心与j的中心的距离；

ti,j——di,j与场地最大距离的比值,场地最大距离取图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的规则取值；ti,j的值由di,j决定，取值范围为[0，1]。

2.7 确定场地布置的最终方案

在得到地铁车站场地设计的备选方案后，需要对不同的方案进行比选。以本文提出的双目标函数作为评价标准，对不同方案的物流强度指标与综合管理指标进行量化。依据量化后的指标值可以清楚地分析出各方案的优势与弊端，从而结合现场情况确定最优方案。

3 工程案例应用

3.1 工程概况

本文以长沙地铁6号线朝阳村站为案例作进一步的分析研究。该站位于长沙市雨花区，沿人民中路东西向布置。人民中路为城市主干道，交通量大，路况复杂。车站周边建筑主要有融圣国际、朝阳村小学、友阿百货等，并毗邻人民路立交隧道。朝阳村站全长305.6 m，标准段宽为21.4 m，采用盖挖逆作与明挖顺作相结合的形式施工，施工场地狭长。施工现场的主要区域包括办公区、明挖施工区、施工便道、钢筋加工和存放区、其他材料堆放区、洗车槽、沉淀池、门卫室、盖挖出土孔和渣土堆放区等。为保证狭窄场地下各施工作业区的正常施工，本着加快施工进度、降低工程费用、便于施工管理的目的，该项目在车站盖挖顶板施作完毕后的土方开挖阶段进行了施工场地规划。

3.2 施工场地方案设计

3.2.1 物流与非物流相关性分析

主要依据作业单位间的物料搬运强度对物流强度进行分析时，各作业单位间的物流强度如图3所示。

图3 朝阳村站施工场地的物流强度相关图

关联关系分析时，主要对办公区、明挖施工区、脚手架与钢支撑堆放区、钢筋加工与存放区、其他材料堆放区、盖挖出土口与渣土堆放区等进行布置。而洗车槽、沉淀池、门卫室等区域的位置相对容易确定，配电箱、移动厕所等区域在这些关键位置确定后其位置也相对容易确定，因而这些区域不纳入关联关系主要影响因素范畴。该站施工场地的非物流强度相关图如图4所示。

注：分式的分母代表表1中的影响因素序号。

3.2.2 综合关系分析

对朝阳村站施工场地各作业单位的物流关系与非物流关系进行分析后确定其综合关系。将字母所代表的强度进行量化，从而实现物流强度、非物流强度的加权量化处理。按式(1)进行计算，得到各施工作业区间的综合关系如图5所示。

图5 朝阳村站施工场地的综合关系图

3.2.3 位置关系确定

在图5的基础上，结合表2的表达方式，在暂不考虑各作业区与施工场地的实际形状与面积情况下，得到朝阳村站施工场地位置相关图，如图6所示。图6可凸显各作业单位距离的相对远近。

注:①～⑦为施工的作业单位；各单位间线条的含义见表2。

3.2.4 施工场地布置方案设计

通过位置相关图可以大致看出各作业单位的密切程度，基于综合关系强的作业单位距离近、综合关系弱的作业单位相对较远的原则，结合位置相关图，对朝阳村站施工场地各作业区之间的相对位置进行初步设计。拟定的三个设计方案如图7所示。

3.3 施工场地布置方案评价

应用数学模型，以式(2)、式(3)双目标函数作为评价指标，对朝阳村站初步确定的三个施工场地布置方案进行评价，其结果如表3所示。

表3 施工场地布置方案的目标函数值

本文采用的双目标函数为物流搬运强度和施工管理强度，目标函数值为无量纲的相对值。其中：C1的值越小，代表物料运输成本越小，运输速度

a) 方案一

b) 方案二

c) 方案三

越快；F1值越大，代表场地管理越方便，越便于施工组织者对整个项目进行管理。

在上述的三个初始布置方案中，从C1角度进行分析，方案三的运输强度最小、运输速度最快；从F1角度进行分析，方案二管理的程度最优。在考虑管理目标值相差不大的前提下，以节约运输成本为依据，确定采用方案三作为该施工场地的最优布置方案。

4 结语

本文采用SLP法对施工场地进行规划，基于各功能区之间的相关性提出了场地布置的可行性方案，建立各作业单位物料搬运成本耗费程度最小、非物流关系密切程度最大的双目标函数，对各备选方案进行评价，形成系统的施工场地布置方法与评价标准。通过对长沙地铁6号线朝阳村站的案例设计可得出结论，本文提出的繁华城区内地铁车站施工场地布置的方法和评价标准可为类似车站的施工组织提供参考。