鐵路連續梁不同施工工藝的工期成本對比分析

張夢 顧偉紅

摘要：針對鐵路連續梁現澆施工不同工藝的工期、成本問題展開研究，運用系統動力學軟件VENSIM建立連續梁施工工期、成本分析的系統動力學模型。首先分析影響連續梁施工工期、成本的主要變量及其之間的邏輯關系和數學關系，并繪制出模型的存量流量圖;然后結合銀西線控制工程靈武西特大橋優化方案實例，仿真模擬其支架現澆法與懸臂澆筑法的工期、成本偏差。模擬結果顯示支架現澆施工工藝在工期上較懸臂澆筑有較大優勢，但是會增加施工成本。研究同時也驗證了系統動力學方法在連相關工藝對比中的適用性。

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.

關鍵詞：橋梁工程;工期偏差;成本偏差;系統動力學;連續梁現澆施工

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

中圖分類號：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）14-0037-03

0 ?引言

鐵路是我國綜合交通運輸體系的骨干，近年來一直處于高速發展建設期。按照我國鐵路《中長期鐵路網規劃》，2025年后鐵路網規模將達到17.5萬公里，需新建鐵路網5.4萬公里[1]，與現有運行里程相等，鐵路新建項目任務重、時間緊。一些特大橋梁工程往往是新建線的控制性工程，如何加快橋梁施工的進度，縮短施工工期是橋梁施工管理的重要目標[2]。

本文以靈武西特大橋主跨177.5m的單箱單室連續梁現澆施工為依托案例，從工期和成本兩個方面進行施工工藝的對比分析。研究內容由四部分組成：首先介紹研究方法與思路;其次建立了連續梁現澆施工工藝的工期成本分析系統動力學模型，并對該模型進行了有效性檢驗;第三步結合實例進行仿真模擬;最后得出結論并提出決策。論文的研究和結論可為連續梁施工工藝決策提供數據參考。

1 ?研究方法

系統動力學是由麻省理工學院的Forrester教授在1956年創立的一門學科，以反饋控制理論作基礎，應用計算機仿真技術實現對現實生活中較為復雜的、動態的系統問題的模擬研究[3]。連續梁現澆施工的工期、成本研究本身就是涉及多道工序及眾多影響因素的復雜系統，系統動力學對此問題的應用具有良好的適用性，近年來系統動力學在工程項目工期-成本管理領域的應用研究也是日漸廣泛[4-5]。系統動力學的建模通常遵循確定邊界、模型描述（存量流量圖）、模型檢驗、系統分析等幾個步驟[6]，本文同樣按照此程序構建連續梁現澆施工工藝的工期-成本優化系統動力學模型。

2 ?連續梁現澆工藝工期成本對比分析的系統動力學模型

2.1 模型邊界及假設

在建立施工工藝對比模型時，本著必要和簡約原則確定模型邊界：在建立模型此時先不考慮返工和損耗的影響;成本方面只計算人工費、材料費和機械使用費組成的直接工程費定額水平基價;為了分析各工序的成本組成并準確對比分析兩種施工工藝差異，各工序的成本計算以2017年《鐵路工程預算定額》[7]為準，也不計實際價差（宏觀影響因素）。工期按照2018年《鐵路工程施工組織設計規范》[8]對工程進度進行施工組織設計安排。

為了方便建立該研究模型，提出以下假設：連續梁施工現場均滿足懸臂澆筑和支架現澆的條件;施工過程中現場條件對兩種施工方法的滿足度一致，即除了因施工方法不同帶來的工期、成本變化外，其余影響可忽略，并且現場可保證兩方案施工過程流暢。

2.2 系統動力學模型的存量流量圖

從施工工藝的工期、成本兩個方面切入，模型系統研究的主要變量是工期偏差和成本偏差， 工期偏差是指計劃工期與實際工期的差值：以懸臂澆筑的施工工期為計劃工期，以支架現澆法的工期為實際工期，實際工期與單位時間實際工程量成比例關系。成本偏差同樣是指計劃成本與已完工程實際成本的差值：以懸臂澆筑的施工成本為計劃成本;實際成本是指支架現澆的施工成本。

確定系統元素及其因果聯系以后，需要構建存量流量圖明確變量間量化關系以使因果關系圖所表示的模型能在計算機上運行，進而可以模擬兩種不同現澆施工方案的工期、成本對比情況。本文運用VENSIM軟件繪制存量流量圖，如圖1所示。

存量流量圖明確了影響因素的變量類型，并根據量化模型的需要及變量之間的邏輯關系添加了一些輔助變量，如總工程量與剩余工程量。

3 ?模型研究分析

3.1 案例數據

本文依托銀西線靈武西特大橋主跨177.5m長的單室單箱連續梁現澆工程案例對項目采用支架現澆和懸臂澆筑兩種施工工藝施工進行成本、工期對比，該工程主要工程量如表1所示。

通過查詢2017年《鐵路橋涵工程預算定額》得知，表1中的工程量可歸于連續箱梁混凝土、普通鋼筋、粗鋼筋、預應力鋼絞線、掛籃的安拆和腳手架搭設與拆除等子目中計算。

考慮以上工序涉及的工程量的單位并不一致，為了使模型保證量綱的一致性，現統一計算單位為長度米。本文依據2018年《鐵路工程施工組織設計規范》工期指標對懸臂澆筑與支架現澆的工期進行施工組織設計安排，為簡化計算，用每一道工序《規范》進度指標中所用時間占總工期的比例作為換算每一道工序的工程量占總長度177.5m的比例，如式（1）所示：

該工序長度=該工序時間/總時間×總長度（1）

然后結合工序的長度與工序實際消耗的時間可以計算出單位時間實際工程量如式（2）所示，其中，工序實際消耗時間數據來源于案例實地調查數據。

單位時間完成的實際工程量=該工序長度/該工序實際消耗時間 ? ? ? ?（2）

另結合查定額計算得出的每道工序費用，與工序長度相除得出單位工程費用，見式（3）所示：

單位工程費用=該工序總費用/該工序長度 （3）

根據公式計算，列出分項工程子目的成本，具體數據如表2所示。

3.2 模型方程建立及檢驗

計劃工期及計劃成本以懸臂法施工組織提供數據。結合存量流量圖及表2數據，建立模型方程，主要變量的方程式如下：

（01）人工費= INTEG （單位時間人工費，0）

Units： 元

（02）剩余工程量=IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=總工程量，總工程量-實際已完成工程量，0）

Units： m

（03）單位時間人工費=IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=28.5，單位時間實際工程量*18662.2，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=55.5，單位時間實際工程量*12966.5，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=83.5，單位時間實際工程量*2021.62，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=121.5，單位時間實際工程量*4314，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=177.5，單位時間實際工程量*8099.56，0）））））

Units：元/Day

（04）單位時間實際工程量=IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=28.5，1.9，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=55.5，1.93，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=83.5，1.87，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=121.5，1.9，IF THEN ELSE（實際已完成工程量<=177.5，1.87，0）））））

Units： m/Day

Units： Day

（05）實際成本=人工費+機械使用費+材料費

Units： 元

（06）工期偏差=計劃工期-實際工期

Units： Day

（07）總工程量=177.5

Units： m

（08）成本偏差=計劃成本-實際成本

Units： 元

（09）計劃工期=151

Units： Day

（10）計劃成本=5276000

Units： 元

以上方程式是與支架現澆工藝對應對的方程式，模型的開始時間為0，終止時間為160，步距為1天。

3.3 模擬結果和分析

①對支架現澆與懸臂澆筑工期偏差進行模擬預測結果見圖2，該圖顯示：支架現澆法下工期偏差在第94天達到最小值并持平，比懸臂澆筑法的計劃工期節約了57天，在工期上支架現澆法較懸臂澆筑法有優勢。

②對支架現澆與懸臂澆筑工期偏差進行模擬預測結果見圖3，該圖顯示：懸臂澆筑法下成本偏差在第151天達到最小值并持平，為零，與原計劃成本相等，說明相關參數的設計符合實際情況;支架現澆法下成本偏差在第94天達到最小值并持平，為負數，說明該施工方法的施工成本比懸臂澆筑法的施工成本高，約100萬元。

4 ?結語

①本文遵循系統動力學的建模步驟：提出假設、確定邊界明確模型的主要變量;根據兩個主要變量分析了變量之間的因果關系;依據變量間的邏輯關系繪制存量流量圖，并書寫方程式量化變量的關系，驗證了系統動力學在橋梁施工工藝比選中的適用性。②模擬結果顯示支架現澆法相較于懸臂澆筑法在工期上有較大優勢，較懸臂法工期縮短了38%;成本上支架現澆成本比懸臂澆筑成本高出將近100萬元，較懸臂法增長了19%。本文方法和數據可作為施工工藝選擇的參考，在實際施工中應結合實際情況、工期及成本要求來選擇施工工藝。

參考文獻：

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[8] 中國鐵路總公司.Q/CR9004-2018，鐵路工程施工組織設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017：128-129.