基于價值工程的排污深隧工程方案比選

畢文玲BI Wen-ling；王文艷WANG Wen-yan；王容WANG Rong；崔紫銘CUI Zi-ming

（①湖北省招標股份有限公司，武漢 430000；②湖北誠康未來工程咨詢有限公司，武漢 430000；③中工武大誠信工程顧問（湖北）有限公司，武漢 430200；④華中科技大學土木與水利工程學院，武漢 430074）

0 引言

近年來，武漢市迅速發展，水體污染的現象越來越嚴重。武漢市中水污染的主要原因是仍保留合流制的排水系統，這導致武漢市污水處理能力不足，缺乏完善的排污系統，由此促使排水系統溢流污染和區域內澇問題格外突出。工程項目決策階段對于工程成本造價的影響遠遠超過后期設計與施工，筆者認為可以將價值工程應用于排污深隧的決策階段進行方案比選與優化，可有效降低成本、提高功能價值，避免概算超估算，預算超概算，結算超預算的情況。

1 排污深隧工程概述

1.1 研究背景

城市排水系統是必不可少的設施系統，它的作用是收集生活、工業產生的污水和降水地表徑流并集中運送至污水處理廠，避免污水積累危害城市及居民健康，既可以保護環境又可以改善居民生活、促進城市發展，進而保證城市生產正常運行、人民健康和正常生活不受干擾[1]。（圖1、圖2）

圖1 我國排水系統情況示意圖

圖2 武漢市排水系統情況示意圖

然而隨著武漢市的快速發展，污水總排放量也在增長，原有的合流制排水系統已經無法滿足人們的需求，區域性內澇和溢流污染問題愈發頻繁。深層隧道排水系統相比于合流制具有節約土地資源、提高排水管網系統截流倍數、解決初雨污染、為污水處理廠的運行提供更加靈活的方案選擇等優勢，可以有效解決溢流污染問題，全方位提高全流域排水標準。（圖3、圖4）

圖3 合流制排水系統

圖4 排污深隧系統

1.2 目的與意義

武漢市的排水系統相較于發達國家城市發展明顯落后，當雨水量過大時，一旦排水系統無法及時排除則會引起區域性內澇，與此同時內澇積水和地表徑流會將排水管道中積累的污染物帶入積水中，引起溢流污染，嚴重破壞城市水環境和居住環境[2]。

采用排污深隧系統取代傳統的合流制，修建深層隧道排放污水可以基本消除溢流污染，相比于合流制可以減少占用土地面積、提高截流倍數、減少初雨污染、減少地面施工對周邊環境的影響、靈活調度污水處理廠運行，有效提高全流域排水標準，符合武漢現狀及未來發展方向，有利于輔助推動城市建設。

1.3 國內外建設現狀

1.3.1 國外排污深隧建設現狀（表1）

表1 國外代表性深隧工程介紹[3]

1.3.2 國內排污深隧建設現狀（表2）

表2 國內代表性深隧工程介紹[3]

2 排污深隧結構組成及特點

2.1 排污深隧結構組成

排污深隧系統主要結構包括深隧管道、入流豎井、排水泵組、通風設備和排泥設施五大部分[4]。

①深隧管道可細分為一級管道至三級管道。淺層排水管道內的污水先由三級管道收集集中，后經過二級管道輸送至一級深層管道中。一級管道埋深大于30米，為主干隧道，可避開城市已有水電管網；排污深隧系統一級管道直徑跨度較大，幾米至十幾米都較為常見，能夠為排水系統提供額外的調度空間，用于運輸調節儲蓄城市中強弱降水徑流或收集到的污水。

②排污深隧系統通過豎井收集雨水或污水，并將污水從淺層排水系統運輸到深層排水系統。豎井內部會采用渦旋下落、跌水等消能措施引導水流大幅度下落，避免水流將較大的重力勢能轉化為內能進而損害管道。工作人員進行維護修復工作時也是通過豎井進入管道的。

③排水泵組負責將排污深隧管道內的水提升至地面的污水處理廠之中，也可用于排污深隧中不同蓄水區域之間調度的工作。

④通風設施主要用于針對強降水等情況，避免大量雨水流入時形成有壓氣腔，占據隧道內水流空間，減少輸送水量，影響水流輸送，因此需要設置通風孔口排出多余氣體。

⑤排污深隧系統管道埋深較大，水流在較深地層中易攜帶固體顆粒物，導致淤泥沉積堵塞管道，占據大量的管道蓄水空間，需布置有效檢查、清淤措施定期清除管道內沉積的淤泥。

2.2 排污深隧的特點

排污深隧將調蓄輸送污水的工作轉移至地下，可大量節約土地資源，同時由于深層隧道的建設可大幅提高排水管網排放污水的能力，因此提高了排水管網系統截流倍數，可靈活調度污水處理廠運行。排污深隧有效解決污水溢流問題，實現了初期雨水處理、控制面源污染，預防暴雨天氣的溢流污染與城市內澇。

由于排污深隧工程位于地下空間深層，且工程量較大，因此初期工程費用投資較大，適用于建筑密度較大，拆遷困難地區。同時由于埋深較深的問題，運行時的提升泵站耗電較多，導致運行成本高，清理維護成本較高。

3 排污深隧成本構成

排污深隧工程成本從費用種類可分為直接費、間接費和稅金。其中直接費由直接工程費和措施費構成，間接費由規費、企業管理費構成，稅金包括營業稅、營業增值稅等，詳細構成見圖5[5]。

圖5 排污深隧施工成本圖

從施工器械和措施的角度可分為管片費用、二次襯砌費用、盾構機費用、掘進設備費用、其他工程設備費用、廢土處理費用、掘進勞務費、豎井建造費用、進出洞防護費用等，各項費用具體占比見表3[6]。

表3 排污深隧成本費用構成

綜上所述我們可以看出排污深隧工程量大，使用設備多，成本構成復雜，結合國內已建的排污深隧工程成本，可知此類工程預算一般在15-30億不等，因此此類工程造價普遍較高，對于預算的控制、方案的比選優化就尤為重要。

4 價值工程在排污深隧中的應用

4.1 價值工程的理論基礎

4.1.1 價值工程定義

價值工程（Value Engineering，簡稱VE）是一種經濟方面的管理方法，價值工程力求盡可能的降低產品成本，實現產品的核心功能，以此提高產品價值，進而提高企業效益。價值工程的關系式為：

其中V表示價值系數，是指產品本身的效益，F表示功能，是指產品的使用價值，C表示成本，包括制造所需的成本和使用所需的成本。綜上可知，產品的價值是對產品功能與成本的綜合反映，價值工程的核心是提高目標的價值，即提高目標功能，降低目標成本[7]。

4.1.2 價值工程工作程序

價值工程的程序可分為四個階段，具體步驟與內容及所對應的核心問題見表4。

表4 價值工程工作程序[7]

4.1.3 價值工程的分析方法

排污深隧工程規模較大，內容較為復雜，在進行價值工程的工作時不能對所有的環節、工序等進行分析，要使價值工程的研究有針對性，能夠達到預期的效果，必須有重點有順序的選取目標對象，以下介紹價值工程選取目標對象的常用方法。

①經驗分析法。經驗分析法即利用有豐富價值工程實踐經驗人員的直觀理解，綜合考量多種影響因素，區分主次輕重，主觀判斷確定價值工程的目標。這種方法簡單易于操作，可全面的考量分析問題，但這種方法缺乏定量分析，準確程度不高[7]。

②百分比法。百分比法是一種定量分析的方法。它是通過定量分析每個產品或方案的若干個技術經濟指標所占的比例，并考察每個產品或方案的指標百分比的綜合性比率來選擇對象的方法。

③ABC分析法。ABC分析法屬于重點分析法。它把所有的研究對象劃分成ABC三類，其中10-20%種的構件成本占70-80%、此類產品作為A類；20%種類的構件成本占20%左右，此類產品作為B類；剩余的構件作為C類。通過此類的整理劃分可以準確找到關鍵的少數構件，進而提高價值工程的效用。

4.2 價值工程的數學模型

本文將價值工程應用于排污深隧工程的方案比選與優化中，定量分析比較各個方案，總共分為三個步驟[8]。

①評定各方案的技術得分與經濟得分。

采用加權評分法對每個方案進行技術上和經濟上的評分。每個方案對各項技術性評價符合程度評分的權數和即為該方案的技術評分，同理每個方案對各項經濟性評價符合程度評分的權數和即為該方案的經濟評分。

②計算各方案的技術指數與經濟指數[8]。

技術指數計算公式為：

經濟指數計算公式為：

其中Tli為第i個方案的技術指數，TSi為第i個方案的技術評分，Eli為第i個方案的經濟指數，Ci為第i個方案的工程造價，C0為工程造價限值，i為方案序號，m為方案個數。

③計算各個方案幾何平均值，進行比較擇優并提出優化方向[8]。

幾何平均值最大的方案即為最優方案，幾何平均值計算公式為：

其中Ki為第i個方案的幾何平均值。

4.3 工程案例分析

對于方案的選擇評價，要從該方案的技術性、經濟性、社會性三個方面綜合考量，進而推選出更為合理優秀的方案。由于社會性因素較難量化，因此應用價值工程法時一般只計算經濟性和技術性的指標，而對方案的社會性只做定性分析，綜合權衡技術指標和經濟指標，從各個方案中擇優。

現對某排污深隧的設計方案進行選優，設計人員根據建設現場狀況及相關建設要求提供了四個設計方案，這四個方案由于其線路選擇不同導致其線路長度、埋深和內徑不同，同時各個方案的設計排水能力、運行消耗、清理清污難度也有差別。其中A方案管道支線較多、各項指標能力均較為優秀，同時其計劃修建的地下水庫極大的加強了其排水能力，也間接提高了它的造價。B方案在A方案的基礎上通過修改線路、取消地下水庫等措施降低了其排水能力和預算。C方案的設計則是較多從經濟效益的角度考慮，因此其排水能力并不優異，剛滿足此工程的設計要求。D方案是在C方案的基礎上以付出部分經濟效益為代價加強其排水能力。價值工程組根據收集的資料與相關調查情況設置了排水排污能力、運行消耗、清理難度、耐久性、規劃合理性、技術難度、施工進度等指標進行評教比選。排污深隧工程量大，設計施工難度較高，因此造價限定在22億。

①評定各方案的技術得分與經濟得分。（表5）

表5 指標重要權數和方案技術評分表

②計算各方案的技術指數與經濟指數。（表6、表7）

表6 技術指數表

表7 經濟指數表

③計算各方案的幾何平均值。（表8）

表8 幾何平均值表

由上述計算結果可知，雖然A方案的技術指數最高，但由于其預算金額超過了限定值導致其經濟指數為0，因此A方案不符合實際要求。在剩余方案中C方案的技術指數最低，但是其預算金額低于其他方案，使其經濟指數遠超其余方案，因此綜合技術指標和經濟指標共同評價各個方案C方案最平衡，也是最優方案，后續的方案優化可以從提高成本優化技術，進而提高方案的功能。綜上所述，在排污深隧的方案比選優化中，應用價值工程理論評選出最優方案并給出方案進一步優化的方向是可行的。

5 結語

城市擴張，人口膨脹必然導致排水系統負荷過大，建造排污深隧系統可以基本消除溢流污染及城市內澇問題，有利于輔助推動城市建設，將價值工程應用于排污深隧的決策階段進行方案比選與優化，可有效降低成本提高收益，增強使用功能，進一步發揮排污深隧的優勢，規避淡化其劣勢。