综合管廊与地铁协同共建方案优选方法

孙 川，唐梦芸，卢 明，苗雷强，刘云鹏

（1.石家庄城投建设开发有限公司，河北 石家庄 050000；2.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050000，E-mail：863834476@qq.com；3.石家庄市综合管廊及地下空间工程技术创新中心，河北 石家庄 050000；4.河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北 石家庄 050000）

近年来，我国工业化、城市化进程不断推进，在地下综合管廊、城市轨道交通和城市综合体建设的带动下，城市地下空间的开发利用进入快速发展阶段。目前国内城市地下空间的利用也逐步由原始的“单点建设、单一功能、单独运转”模式向“统一规划、多功能集成、规模化建设”的模式转化[1]。

价值工程运用于工程建设项目中已存在不少案例，Youssef Medhat 等[2]将价值工程应用于AI-Khums市的学校模型，使得最重要项目节省幅度在20%~30%之间，从而降低了整个项目的成本。Atabay Şenay[3]提出了一种如何选择基于价值的可持续的材料方法，并作为案例研究，选择了一种使用LEED标准可作为建筑外围护结构材料的产品，用于为可持续绿色建筑提供认证。秦宝来等[4]依据价值工程的基本原理，通过系统分析铁路规划设计方案的功能属性和成本要素，建立铁路设计方案的功能指标系统和成本指标系统，形成铁路方案价值指标体系，并运用于实际工程案例。但由于目前针对城市综合管廊与地铁合建项目可参考经验较少，设计方案选取往往根据专家经验，对方案进行定性判断，当投入使用时往往存在功能与成本投入不匹配或功能投入过剩的问题[5]。因此，基于价值工程理念建立适合城市地下综合管廊协同地铁共建方案优选方法，力求在方案成本与功能之间达到一种平衡，对地下空间可持续发展具有重要意义。

本文基于价值工程理念，在运用协同理念建立综合管廊协同地铁共建工程功能指标的基础上，采用多比例系数法对子功能指标评分的基础上综合考虑各子功能指标对整个功能系统的组合权重大小，再结合各方案成本系数计算各方案价值系数，从而实现对各个方案进行量化分析，从中选取最优方案。

1 功能分析指标体系

本文研究的是基于价值工程理念的综合管廊与地铁协同共建布局方法，更多的是一种协同模式的研究运用。价值工程理念本身追求的目标就是事物价值与成本的一种协同，力求在项目价值的实现过程中，能实现较少的成本。对于独立的管廊和地铁项目来说，有各自的功能满足要求，但对于合建项目来说，需要合建方案能同时满足管廊与地铁的最佳使用功能。针对协同理论，各个子系统之间通过交流、协调、共同协作形成一个有效的集体效应，各子系统之间就能产生1+1>2 的整体协同效应[6]。协同理论对建立综合管廊及地铁共建功能分析指标体系具有较高的适切性，在建立功能分析指标模式的过程中，对某一方案的评价需要两者功能系数同时达到最大化。具体思路如图1 所示。

图1 基于改进功能分析—价值工程理念的综合管廊协同地铁建设方案优选思路图

对综合管廊协同地铁建设方案进行功能指标分析是将价值工程理论中功能系统部分进行定性描述，将功能进行分类整理及系统化分析，按照功能分析步骤，通过查阅资料、实地调研、咨询专家的方法，从功能重要程度出发，可以将功能分类为基本功能、辅助功能与一般功能。其次，对功能分类进行定义，基本功能即所选方案需满足管廊与地铁承载对象（管线、乘客）的需要，体现方案的安全性及适用性；辅助功能即在满足基本功能的同时，仍需要考虑建设周期、与周边景观及规划协调性等，体现方案的经济性、合理性；辅助功能体现在建设项目的舒适性。

按照各功能间的逻辑关系，在确定功能分类和功能定义的基础上，绘制功能系统图。通过分别确定管廊及地铁功能指标，运用协同理念将同类功能指标合并，不重要指标剔除，将形成的指标体系设计调查问卷采用专家调查法向行业内30 名专家咨询，最终将管廊及地铁合建项目功能指标分为基本功能、辅助功能、一般功能三大类，其中，安全使用是项目的首要要素，基本功能需要首先保证结构的安全性，其次施工期与运营期的风险可控性，再次载体功能可行性包括管线入廊可行性与管线空间供给情况、乘客换乘便捷性与可承载客流量，最后由于管廊与地下轨道交通（地铁）需要满足人员进入条件，结构的通风性与防水性也是很重要的功能；辅助功能包括所建项目需符合远期规划要求、与周边环境与景观可协调性、工期合理性与工序简易性、人防及紧急疏散功能、结构后期维护频次；一般功能包括项目是否能创造良好的社会效益与经济效益，项目的整体布局（包括平面布局与空间布局）是否合理及施工工序的简易性，具体功能指标体系[7~10]如图2 所示。

图2 综合管廊协同地铁建设功能指标图

2 方案优选模型

基于价值工程理念的综合管廊协同地铁共建方案优选方法，本质上是通过对评价方案的功能系数与成本系数进行量化分析，从而确定方案的价值系数[11]。在实际方案比选中，往往是由一个或者某几个专家通过运用自身经验讨论而决定某一个方案，对专家的主观性依赖较大，而通过计算价值工程系数则可以对评价方案进行量化，从而选出满足使用功能的最合适成本，达到项目使用功能与成本投入的匹配最佳状态。在确定价值工程系数过程中，成本往往是可以量化计算的，而对功能进行量化计算则是本方法优选模型主要解决的问题。

2.1 成立价值工作小组

根据GB/T 8223 中对价值工程基本术语和一般工作程序规定，价值工作小组成员一般在10 人左右。对待选方案功能的分析通过分析各功能指标对整个功能系统所占权重及各方案满足功能评分两方面综合考虑，本质上属于价值分析的一部分。按照价值工程工作小组要求[12]，选取从事地下空间专业，职称高级工程师以上且熟悉价值工程理论的专家10 名作为价值工程评价小组成员，涉及设计、施工、运维、管理等行业，如表1 所示。

表1 评价专家组人员情况介绍表

2.2 功能系统分析

2.2.1 功能指标权重分析

在进行功能指标权重分析时，通常采用AHP法[13]，但由于AHP 法受专家主观因素影响较大，故对各个功能指标权重的分析在运用AHP 法计算主观权重的基础上，再采用熵权法确定客观权重，最后采用乘法集成法计算综合权重作为功能指标最终权重，这在一定程度上可以削弱主观因素对计算结果的影响。

（1）AHP 法确定主观权重。通过对价值工程工作小组专家发放问卷，将各个功能指标对整个功能系统影响权重大小按AHP 法原理构建判断矩阵R=(rij)n×n，判断标准采用Scale[1-9]尺度[14]，并使其通过一致性检验。

（2）熵权法确定客观权重。熵权法通过指标信息熵与信息量成反比的原理求取客观权重。对判断矩阵R进行标准化处理后得到标准矩阵R′，计算熵值与熵权，V即为所求客观权重。

（3）乘法集成法确定综合权重。将AHP 法所求的主观权重与熵权法所求的客观权重两者运用乘法集成法求取综合权重γ。

（4）各子功能系数最终综合权重。将求得的管廊协同地铁共建项目各上位功能及子功能定义综合权重两者相乘，求得各项子功能相对于整个功能系统的最终综合权重。

运用上述计算过程，最终求得基本功能、辅助功能、一般功能各项上位功能权重分别为0.7256、0.2190、0.0544，各项子功能权重结果具体如表2所示。

表2 功能指标权重结果表

2.2.2 功能指标评分

功能指标评分法通常有直接评分法、重要性系数法、0-1 评分法、0-4 评分法及多比例评分法等。0-1、0-4 评分法主观性太强；直接评分法与重要性系数法往往需要各个评价功能指标间需要明显的逻辑可比性，故本文采取多比例评分法进行功能指标评分[15]。通过前文构建的功能评价指标体系，对各个待选方案进行的功能指标评分，进而计算各个待选方案的功能系数，具体步骤如下：

（1）将每个待选方案看成一个独立的个体。

（2）为尽可能体现功能差异性，按照多比例评分法（0，10）、（1，9）、（2，8）、（3，7）、（4，6）、（5，5）这几种比例进行打分的原则，参照表3“待选方案基本功能指标评分表”建立“辅助功能”“一般功能”功能指标评分表，对不同方案的相同功能进行比较评分（表格“*”处）。

表3 待选方案基本功能指标评分表

（3）将表3 各行求和得到“待选方案基本功能指标”得分，然后将各方案基本功能、辅助功能、一般功能求和得到各方案最后功能得分。

2.2.3 功能系数综合分析

在前文求得各个待选方案各项指标评分表基础上，综合考虑各项功能指标最终综合权重，求得各项指标加权后的功能评分即为各个待选方案功能最终得分，将各个待选方案得分值与各待选方案得分之和相除，计算得到功能系数，即为功能系数综合分析结果。

2.3 成本系统分析

价值工程理论中提及的成本并非单独某一时期成本，强调的是整个寿命周期成本。由于综合管廊与地铁合建方案成本包括建设期成本及运营期成本，本文出于以下两点考虑仅考虑建设期费用，一是运营成本按年计算，每年的运营期费用相较于建设期费用来说是比较小的；二是对于任何一个待比选方案的运营期成本相差是不大的。故本文主要考虑各方案建设期成本[16~18]。各方案建设期成本与各方案建设期成本之和的比值为各方案成本系数。

2.4 价值系数计算与判断

根据价值工程理论V=F/C，通过计算功能重要性系数和成本系数的比值，求出价值系数，再根据价值系数大小判断对象的价值。通过判断价值系数与1 间的关系选取合适方案，具体如表4 所示。

表4 价值系数判断方案表

3 工程案例

某城市待建A 项目拟为地下综合管廊与地铁车站合建工程，目前处于方案待选阶段。现存在3个比选方案，方案Ⅰ拟建综合管廊位于车站主体结构上方，与车站主体结构共顶板；方案Ⅱ拟建综合管廊位于车站出入口下方，与车站出入口共底板；方案Ⅲ拟建综合管廊位于车站一侧，与车站主体结构相邻。现需从3 个方案中择优选取最优方案。

3.1 功能系数分析

根据前文求得各个指标功能权重，邀请价值工作专家小组成员10 人运用多比例系数法按前文提及的功能指标评分法对3 个待选方案的各项功能指标分别进行评分，最终将评分结果填入功能指标评价表，求取各方案得分与总方案得分比值，即为各方案功能系数，结果均保留4 位小数，求得方案I、方案Ⅱ、方案Ⅲ各方案功能得分分别为8.1735，10.2574，11.5751，3 个待选方案总得分为30.0060，进而求得方案I 功能系数0.2724、方案Ⅱ功能系数0.3858、方案Ⅲ功能系数0.3418。具体各待选方案功能评价如表5 所示。

3.2 成本系数分析

对3 个待选方案建设期成本进行计算，求得各方案成本分别为0.229 亿元、0.242 亿元、0.258 亿元，3 个方案总成本和为0.729 亿元，故成本系数分别为0.314、0.332、0.354，如表6 所示。

3.3 价值系数分析

根据价值工程理论，求得3 个待选方案价值系数分别为0.8675、1.1620、0.9655。可知方案I 和方案Ⅲ，功能系数与成本系数比值小于1，还存在可优化区间，故3 个方案中方案Ⅱ作为最优方案，拟建综合管廊位于车站出入口下方方案，如表7 所示。

表7 待选方案价值系数计算表

4 结语

本文在运用协同理论“1+1>2”效应的基础上，按照价值工程对功能系统分析步骤，建立城市地下综合管廊协同地铁共建工程功能分析指标，将合建工程功能按功能指标重要性分为“基本功能”“辅助功能”“一般功能”3 项上位功能及其13 项子功能因素。在地下综合管廊协同地铁共建工程功能指标的基础上，通过AHP 法与熵权法进行组合赋权的方式求取各项子功能指标综合权重，在一定程度上削弱了主观因素的影响，进而得出子功能指标对整个功能系统的影响大小与排序。建立了基于改进功能分析-价值工程理念的综合管廊协同地铁建设方案优选方法，该方法对价值工程理念中的功能系统分析进行改进，采用多比例系数法对子功能指标评分的基础上综合考虑各子功能指标对整个功能系统的组合权重大小，再结合各方案成本系数计算各方案价值系数，从而实现对各待选方案进行量化分析，选取最优方案。将基于改进功能分析-价值工程理念的综合管廊协同地铁建设方案优选方法运用于实际工程背景案例方案选取，验证了该方法对同类工程方案比选具有可操作性及推广性。