市政工程管線綜合優化研究

趙世華

（超勝工程項目管理有限責任公司，山東 濟南）

引言

隨著城市化進程的加速，市政工程管線建設也日益重要。由于不同類型管線通常由不同的部門管理，缺乏統一的規劃和協調，經常導致資源的浪費和城市環境的破壞[1]。因此，對市政工程管線進行綜合優化研究顯得尤為重要。

當前，市政工程管線建設面臨的主要問題包括以下幾個方面：(1) 管線規劃不統一：由于各部門的規劃和管理標準不同，管線建設的協調性較差，經常出現交叉、重疊等現象，導致資源的浪費和安全隱患；(2) 管線建設周期長：傳統的管線建設方式需要耗費大量的人力和物力，建設周期長，對城市交通和居民生活造成較大影響；(3) 管線維護困難：由于管線的復雜性和多樣性，一旦出現問題，維護和檢修困難，往往需要停水、停電等長時間的操作，影響居民的正常生活。針對上述問題，進行對市政工程管線綜合優化設計研究。

1 工程簡介

本文研究是針對一個工業園區內的市政管道系統的總體規劃。在此基礎上，提出了一種基于城市軌道交通的城市道路交通系統總體規劃方案。內容包括各專業市政管道布局以及有關設施、結構的布局。在管線綜合規劃過程中，需要考慮各專業管線的空間關系，確保它們之間的安全距離和施工要求[2]。此外，還需要考慮各專業管線之間的協調問題，確保它們在布局上合理、美觀，并且符合城市規劃和相關法規要求。在該工程項目中，市政工程管線綜合規劃主要分為管線綜合規劃流程設計和空間布局兩方面。

在搜集原始數據時發現，本項目所處區域為新發展工業區，土地以農田為主，并有部分倉儲性土地。市政管道數據的獲得，一般是通過當地的工程檔案進行[3]。但是，有些數據年代太過久遠，保存的信息并不完備，因此，只有通過實地測繪的方法才能獲得。對采集到的資料進行了規范化的分類，為以后的信息化建設打下了基礎。表1 中記錄了該項目現狀通信管線信息。

表1 項目現狀管線信息記錄表

在滿足下述規劃原則的基礎上，對管線綜合優化：要根據實際情況，對天津市區及濱海新區已有基礎設施進行科學合理的規劃，并將其與中心城市及濱海新區的城市基礎設施相結合。從而提升了基礎設施的安全、穩定、可靠。在此基礎上，提出了“適度超前”、“協調發展”、“分期建設”、“保護環境”、“減少占地”等基本原則。在規劃建設中，要注重對生態環境的主動保護，遵循“基礎建設先行”、“以市場為導向”的理念[4]。最后，要有一套統一的城市規劃與管理辦法。

2 市政工程管線綜合優化目標函數建立

城市管道系統的綜合優化問題，其核心是要找到最優目標和最優約束的關系，并將其用數學模型表達出來。管道綜合規劃中有多種約束，它們的重要性不等，且有不同的維數。若將全部約束都納入其中，則所構造的目標函數將變得十分復雜，而且在實際中的適用性將大大降低。為此，人們往往選取重要的、較強的約束，而忽視某些較弱的約束，以簡化過程，凸顯核心問題[5]。在構造目標函數時，將綜合目標分解為單個目標，并采用對應的解法進行求解。

為使管道綜合規劃結果具有技術上的可行性和經濟性上的合理性，應從以下兩個方面進行優化。首先，根據規范對管道的使用功能以及規范中對覆蓋層及間距的規定，從平面布置的角度出發，以最短的管道布設長度為目標，即求解最短路徑問題[6]。其次，在縱向上，為減少土方工程，管道總埋深盡可能小，并盡可能地將管道設置在人行道及綠化帶下，避免機動車道。

綜上，首先完成對最短路徑優化目標數學模型的構建：

式中：Z1代表最短路徑優化目標數學模型，aij代表管線（i，j）權值系數，lijs代表從節點i 到節點j 的第s 類型管線的長度。為確保上述數學模型成立，需要設置相應的約束條件：首先，第t 種類型的管線與第s 種類型的管線水平間隔距離應當控制在規范要求管線之間應保持的水平最小間距與道路紅線距離之間[7]。其次，對于aij的取值可結合節點i 到節點j 之間是否存在管線得出，即當節點i 到節點j 之間存在管線時，aij的取值為1；不存在，aij的取值為0。

管線的豎向布置要達到兩個目的。首先，在滿足最低覆蓋層高度的條件下，市政管道埋設深度應盡量淺；這種方法的好處是可以減少土方工程，降低成本，降低建造困難，并且可以降低以后的維修和保養費用[8]。其次，在保證最小水平間距的前提下，管道應盡可能地布置在非機動車道下方，且最遠處的兩根管道之間的距離應盡量接近。最小深度與最小距離組成了豎向布局問題的目標函數：

式中：Z2代表管線豎向空間布置最小剖面優化目標數學模型，S 代表最大面積約定范圍。為滿足上述模型成立，設置以下約束條件：

式中：int（Ft）代表第t 個類型管線所占空間區域面積；int（Fs）代表第s 個類型管線所占空間區域面積；Φ 代表不干涉。在建立了數學模型之后，接下來就是選取適當的求解方法。Matlab 是求解最優化問題的常用工具。Matlab 擁有三十多個工具包，其中的優化工具包可以對各種優化問題進行求解，為解決工程實際問題提供了便利的解決方案。

3 管線綜合交叉口豎向優化設計

在完成對市政工程管線綜合優化目標函數的構建后，結合上述工程的實際情況，對管線綜合交叉口進行豎向優化設計。根據交叉口的規劃要求和地形條件，確定交叉口的設計高程。在滿足排水要求的前提下，盡量使交叉口的標高與周圍道路相協調。根據交叉口的交通流量和車行速度，調整交叉口的橫坡。通常情況下，橫坡可以設置為1.5%左右，以滿足車輛的排水要求和行駛舒適性。在進行交叉口的豎向設計時，需要考慮各個方向的道路高程和橫坡變化情況。通過合理調整交叉口的設計高程和橫坡，可以優化交叉口的排水系統、提高車輛的行駛安全性和舒適性。在進行交叉口豎向優化設計時，還需要考慮管線的設計和施工要求。例如，需要考慮管線的埋深、間距、施工工藝等因素，以確保管線的安全性和穩定性。利用計算機輔助設計軟件進行交叉口豎向優化設計，可以提高設計的效率和準確性。通過輸入地形數據、交通流量、設計要求等參數，可以自動生成交叉口的豎向設計圖。在綜合考慮上述要求的基礎上，結合最小埋深法，進行管線綜合較差口豎向優化設計。首先需要確定管線交叉點的性質，如果是重力流管道和重力流管道的交匯處，那么在管道相交處，根據自流管線的水力學計算結果，確定了管線交叉部位的標高，見圖1。

圖1 重力流管線交叉設計圖

判定兩個管道的垂直間隔距離，公式為：

式中：Z1代表污水管交叉點位置上的底部標高，Z2代表雨水管交叉點位置上的底部標高，D1代表交叉點位置上的任意管線管徑，d 代表最小垂直凈距。若上述公式（4）成立，則可將Z1和Z2視為管線底部標高。若不成立，則需要重新計算管段水力。

對于非重力流管線交叉設計見圖2。

圖2 非重力流管線交叉設計圖

對于圖2 中所示的非重力流管線交叉形式，其下層管線的管底標高可通過下述公式計算得出：

式中：（F上，F下）代表管底標高，dij代表第i 個節點到第j 個節點的最小垂直凈距，D下代表下層管線管徑。對于非重力流管線與重力流管線的交叉設計見圖3。

圖3 非重力流管線與重力流管線的交叉設計圖

兩個管道之間的距離為：

式中，L 代表兩個管線之間的距離，H 代表道路控制點的設計標高，Zi代表重力流管線管底標高，M 代表最小覆土深度和埋設深度最大值比較中的較大的值，Df代表非重力流交叉點的管徑，Dz代表重力流交叉點的管徑。對最小埋深法進行三維效果圖設計，見圖4。

圖4 最小埋深法市政工程管線綜合三維效果圖

4 優化效果

為驗證上述管線綜合優化效果，分別從安全性、可靠性、經濟性等方面對其進行評分，評分結果見表2。

表2 市政工程管線綜合優化效果評分

上述評價覆蓋了安全性、可靠性、經濟性、高效性、可擴展性、可維護性、環境適應性和技術創新性，共八個方面。這些指標可以用來全面評估市政工程管線的綜合優化效果，幫助決策者更好地了解和掌握管線的性能和狀況，從而作出更為科學合理的決策。從表中內容可以看出，優化后的市政工程管線綜合得分可以達到90 分以上，能夠充分滿足管線綜合優化實際需求。

5 結論

在一個地區的發展和建設中，城市管道體系的總體規劃是一個非常重要的步驟。在設計方面，這將直接關系到各個專業管道在施工圖設計中的配合難度。在建設過程中，這直接影響到每一根管道的鋪設難度和數量，并對該地區的后續管理工作是否有序進行具有決定性的影響。如何使管線的總體規劃工作有序而科學地進行，是一個值得探討的課題。本文通過上述研究，提出了一種全新的市政工程管線綜合優化方案。通過對其優化設計，使有限城市地下空間得以充分利用，同時也能夠在一定程度上促進管線綜合規劃工作效率的提升。