基于优化理论的公路箱式涵洞工厂化施工场站标准化建设研究

□傅程辉 李少波 李 盼 马志雪

公路装配式箱涵施工的一个显著特点就是工厂化预制、现场安装，其核心内容就是工厂化预制质量的好坏、工程进度保证、运输安全与高效这三大要素，如何做好场站建设就十分重要。因此，为保证箱式涵洞构件工厂化快速、高效与高质量施工，需要解决场站建设中的场站选址、场站布局、设备配置等问题，从现代化工程管理理念出发，进一步推动公路建设发展理念人本化、项目管理专业化、工程施工标准化、管理手段信息化和日常管理精细化，更好地从提升工程质量、安全管理水平，树立行业文明施工形象，充分展示场站建设的标准化，也就是从功能、配置方面入手，体现现代标准化施工的需要。装配式箱涵的标准化建设，主要涉及钢筋加工、场内运输、混凝土浇筑、构件养生、构件运输、构件存放、构件吊装出场等多个环节，其标准化场站建设同样需要推行集约化管理，包括场站选址、场站规模、场站功能设置、场站配套、机械化程度、综合管理等各个方面，即从原材料到成品全过程开展集约化施工，充分发挥装配式箱涵的工厂化优势。

一、场站建设的基本思路

通常的选址问题会出现在其他公共建筑或城市规划中，而箱式涵洞构件预制场地的选址，是属于公路基础设施在建设过程中的临时设施，与一般选址问题既有区别又有联系，因此可以根据公路常用的选址问题的一般原则进行简单筛选，然后再依据其自身的约束和特点进一步优化选址方案。

(一)选址中常见的问题。在进行建筑位置的选址时，应当根据建筑的性质，综合多方因素，考虑全面，找寻最为适当的地点。如果谈到公共建筑方面现在的选择问题，应当着重注意，工厂、区域、中心和场馆，以及仓库等地点的选择，这些地方的选址与本文所研究的中心内容有所不同，文章研究的中心内容是箱式涵洞构件预制场地选址，工厂等区域的选址与其有着相似之处。

1.工厂地点选择出现的问题。工厂所处的地方需要研究当地的综合情况，包括城市的整体相关规划，当地轻工业、重工业以及其他产业结构的构成，同时也要考虑到人民群众以及环境方面的问题。首当其冲的是工业企业所选择的地点应当是符合国家工业部级标准的，并且能够结合当地的具体情况，实现工业布局的整体规划。通常来讲，工厂地点的选择首先要考虑的就是材料方面的运输因素，这就是要求着企业在生产的过程中，其材料的准备必须是充足的，材料的运输必须跟得上企业生产的速度，因此也就要着重考虑，全面考察地点的交通情况，对地点的交通工具有着全面的了解，对当地的地形地势有一个具体的掌握。

2.区域中心地点选择存在的问题。区域中心首先要考虑的交通因素，应当是把中心放到交通区块的主干路，放在较高级别的道路附近，让整个运输过程的通畅性得以保证。其次区域中心的人力需求是较大的，所以应当考虑到周围的人力资源以及其他方面的设施与设备，要着重注意设备获取的便捷性。最后，就是区域中心的具体效益，获取经济利益才是区域中心的主要作用，也是在主干道路生存的基础条件，要将服务与配送二者全都考虑进去，满足市场的具体需求。

3.仓库地点选择需要考虑的问题。仓库主要承担着储存的具体职责，并不肩负着盈利的责任，它的作用就是资料的运转站以及储存库。也就是说仓库的选址需要考虑储存与运输的问题，最主要的就是要考虑到储存问题，综合地方的具体水文条件状况，寻找合适的地址。

(二)箱式涵洞的场站选址。场站选址的方法与上面选址的方法基本相似，但是箱式涵洞的施工要求、投资情况、运输情况以及工期的长短都与其它的选址不同，所以在场站选址时还是有一定区别的。在考虑各方面因素时，还需要针对实际情况而言。各种情况下场站选址的基本要求是一致的。即可根据项目建设范围与场站之间的相对位置进行分类，主要分为以下三类：引道及其附近、三集中项目部、合适的项目所建设范围的中心桩号附近，但应在待建路基范围之外并不影响施工。

1.引道及其附近。引道及其附近所使用的场站是最为广泛的一种，并且这种场站一是具有较小的影响作用，可以避免对周边的环境造成伤害。二是可以根据其周围的地质以及地形的实际情况进行施工，这种场站的灵活性比较大。三是这种场站的要求低，一般的环境都能够满足这种场站的建成。在一般情况下，位置会放在适合挖方区的路侧引道上。并且场站内的设计还需要根据之前预测的计划进行分析和思考，控制好场站内的物品数量、设备需求以及尺寸情况。在场地中多使用龙门吊运输，所以还需要结合龙门吊的实际情况，准备预制区以及构件存放区，这样方便钢筋骨架、设备进行运转。

2.路基外。如果在场站当中就地建设梁场地被施工条件或者其他情况所束缚，这时就可以采用另外一种方式：路基外。这种方式可以替代引到内的场站，并且同样也采用龙门吊的方式进行搬运储存。

3.合适的项目所建设范围的中心桩号附近。如果在路基施工的旁边域引道有平坡或者有大于24米的宽长路基时，这时候选择路基上预制梁场，会是比较好的选择。虽然这种场地的布置与其他的都基本相似，但他仍然存在着自己的缺点。这种方法的占地面积广，在后续施工的过程当中会造成阻碍。

二、场站优化理论

上文对场站选址问题作了一般阐释，场站建设还涉及到另一个问题，即场站布局的优化问题，实际上，场站建设可采用基于动态规划的理论对其进行优化。

一般情况下，可根据装配式箱型涵洞预制构件的种类、生产数量、项目总体施工进度计划等各种因素，分成n区间进行实施，所以跟随着项目的总体进展可以将场站生产进行分类。n区间开展生产，可以根据项目箱式涵洞的实际情况去判断所需要的构件数量。但在有时候也是可以选用粗略的计算构建数量，利用施工进度计划确定。把不同区间预制梁场地的生产能量发挥到最大，并且还需要满足较小的投资就能满足设施设备的要求，需要考虑的基本问题。

(一)动态规划法。动态规划如果从字面的意思来看，就是根据实施的具体情况进行实时规化，但实际上动态规划是一种数学方面的具体解决方法。这种方法的创造人是美国的一位数学家，在20世纪50年代提出的。而动态规划的具体规划方法也是通过复杂向简单的转化将问题进行彻底的解决，将多种问题拆分为单一的问题，并且根据问题的区间的具体点以及外在条件运用相关的公式进行最后的结算，最终的结果也就是最优解。贝尔曼法则的具体定义就是将模型的动态转向离散，并且以离散为根本定义衍生出4种具体类型。而在实际的生产过程中，则会涉及到具体类型中的其中一种，可以借助单一的模型，并且选取小单元的数学优化解决整体的问题，实现最终目标的优化升级。动态规划主要包含着区间功能等方面的因素，区间的具体定义是指，把复杂的问题进行分解，分解成一节一节的相关区间，按照区间的具体顺序加以解决。功能主要是对问题的解决过程有一个具体的表述，具体呈现着每一节的主要表现，一般具有的功能是较多的，并且是繁琐复杂的。功能它不是与其他因素相互联系的，它蕴含着单一的气息，具体而言也就是，区间功能不受前后过程的相关影响。而决策则是，在具体过程中，人类凭借自己的主观意识作出的最后决定。这就意味着决策变量的具体表述可以称作决策变量。最后对策略的具体定义是指按照某种因素，将其进行相关的排列，其各种因子的排列组成最后的集合。

则Sk+1满足方程：

S(k+1)=Tk(sk,uk(sk))

则指标区间函数记为vk(sk,uk)用来衡量所实现过程优劣的数量指标成为过程指标函数，记为Vk,n，表示的是第 k 个子过程的一个策略pkn(sk)所产生的价值量。对应最优策略的最优效果的过程指标函数成为最优函数，记为fk(sk)。

动态优化理论的基本方程是建立在k与k+1之间的一个递推关系，一般可表示为：

fk(sk)=opt{vk(sk,uk(sk))+fk+1(sk+1)}k=n,n-1,…,1

边界条件为：fn+1(sn+1)=0

求解方程的基本思想为：先建立基本方程和合理的边界条件，然后从生产过程的全局出发确定当前区间的决策，并把每个顺序下做出的决策组成最优策略且以此为依据确定最优线路。

(二)箱式涵洞的预制构件生产计划动态规划的模型建立。根据上述理论基础，sk为功能变量，表示第k个区间结束时的库存量；xk为决策变量，表示第k区间内的生产量。

显然，其功能转移方程为：

fk(sk)=xk+sk-ek

最优值函数fk(sk)表示从第1区间初始库存量为0至第k区间末库存量为

其中因为预制梁场地在每个节段的生产上限值为vk，而且，第k-1区间内的库存量是一定大于等于零，即

σk=min(xk+ek,pk)

三、场站台座数

(一)项目。351国道龙游横山至开化华埠段工程是浙江省迄今为止一次性立项、一次性建设、一次性通车的最长国道，该项目预制箱式涵洞总米数为4,800米，箱式涵洞预制计划工期12个月，根据施工安排，箱式涵洞拟采用预制装配式箱涵工厂化施工工艺，其结构形式主要包括箱涵门形构件：4×2.5M，4×3M，4×3A，4×4A，4×4.5M，箱涵一字形构件：6×4M，6×4A，6×5L，6×5M，6×5.5L,6×5.5H共11种规格。该项目部从工程建设的全局出发，建立三集中场站，设置在主线K52+900-K53+500段之间，该处总占地面积为65亩；整个场地按几大块布置：一是箱式涵洞预制场；二是小构预制中心；三是箱式涵洞预制中心；四是拌合站；五是项目部试验室；六是员工宿舍。场地建设体现符合标准、节约用地、节省投资、环保节能、合理实用的原则。

(二)求解过程。首先确定预制构件需要的峰值：

l=ceiling(l,1)

可以看出，s5=smax,故预制梁场地的生产能力按照前5天确定。即：

其次再确定最小周转天数及剩余天数(前提为工艺天数为5天)：

显然，剩余天数为：

剩余天数内的产量为：

所以有V5=q,原前5个区间的生产能力为：

V5=(c5-1)q+v5=(67-1)q+q≤1624

四、场站的标准化建设

场站建设的好坏将直接影响到预制构件半成品的质量、产量及安全文明施工的顺利程度，因此，场站的标准化建设非常重要。根据上节的理论分析，课题组依托本依托项目开展标准场站建设的研究与制订，并按理论测得的54个台座，最大日预制片数为12个节段进行标准化布局。

为加强项目的标准化场站建设，就需要重点要落实贯彻执行国家、行业规范和业主管理要求，根据施工进度计划及控制措施，使场站满足工程施工进度要求，实施时应认真做好策划方案、施工技术方案、预控措施，并确保现场安全、质量可控。

(一)规划布区优化及标准化。根据建立工厂化的模式和布局，分为砂石料存放、混凝土拌和、预制、养生、模具清洗、预制构件成品临时存放、工地办公区等多个功能模块。为避免雨天带来的影响，还需要建立场内的工棚面积至少1,000m2，高度要求到达6m以上。

(二)场站平整与硬化。结合标准化的建设目标，场内硬化需要采用严格要求的C20混凝土，并且要求厚度至少达到10cm。排水系统要求根据地形建立良好的排水情况，并且周围都有排水沟，排水的坡度至少为0.5%，在场地外侧还需要建设沉砂井和污水过滤池，并且设置相应的标牌禁止排放生活污水以及生产废水。

(三)场站的标准化配置。一方面，场地建设前施工单位应将装配式箱涵构件预制场布置方案进行研究，细化预制、养生过程的各环节，并对方案反复研究与优化，形成了计划方案中所需要的各种类型的设备设施，以及安排设施的占地情况。并且在实施建设的过程当中，需要采用封闭式管理，在场地内安排好相应的生活区以及办公区，以帮助封闭式管理内的正常生活。并且在场站当中的施工材料的占地区与生活区合理摆放，保证生活当中的质量。整个施工的过程可以做到文明安全。

按照“工厂化、集约化、专业化”的规划与建设要求进行预制场建设，若个别受地形、运输条件限制时其规模可适当减小，但钢筋骨架定位胎膜、自动喷淋养护等设施仍应满足施工生产要求。

五、衢州351国道PPP箱式涵洞场站建设标准化

衢州市衢江区351国道PPP施工项目的装配式箱涵标准化场站建设。项目部根据项目总体规划及本工程装配式箱涵数量，出于集中化管理，节省功耗，经济合理的考虑，建立了装配式箱涵预制中心，负责加工装配式箱型涵洞预制构件。

该项目根据招投标文件、施工图纸相关要求以及对提高工程质量、保障安全作业、力求降低成本、促进环境保护的要求，将装配式构件预制中心选址在全线的中部，并在道路施工范围右侧，长180m，宽40m，合计面积7,200m2。

该项目在场站布置时，以充分考虑位置、布局与功能的要求，在位置上充分考虑永临结合，并与路线的桥涵与小型构造物相结合，与场内、外交通运输相协调，并充分考虑生态环境保护，主要的建设思路包括以下几点：一是预制梁场建设标准化。建设过程当中要考虑实际情况，并且要保证质量的原则。二是在梁场作业时注重细节，需要保证梁场现场整洁、材料堆放整齐，做到钢筋摆放横平竖直、整齐有序，过程中坚持规章制度，施工外观整齐，方便施工。三是保证工厂化的生产，使得过程管理更加清晰，保障施工当中的品质。四是场站设置包括：预制区、存梁区、钢筋加工区、民工学校、办公区、仓库、停车区等功能区。

六、结语

场站选址问题可以借鉴整体规划、产业结构，环保因素等因素通盘考虑，从施工条件、投资力度、运输条件和工期等因素进行综合分析。调查与研究发现，虽然各项目在场站选址需要考虑的因素存在差异，但是综合各种因素而言，各种情况下场站选址的基本要求是一致的，也即可根据项目建设范围与场站之间的相对位置进行分类，即从引道及其附近、路基范围外、宽路基(B大于24米以上情境)合理选址，可以达到较好的效果。

场站的布局与优化是场站建设的另一个重要方面，本课题通过动态规划的理论对其进行优化，一方面验证了课题依托项目在场站建设的合理性，也为类似场站建设提供了理论依据。

场站建设的好坏将直接影响到预制构件半成品的质量、产量及安全文明施工的顺利程度，也将影响公司的整体影响，因此，场站的标准化建设非常重要。场站标准化建设需要充分考虑选址、布局及其它如运输、用电、施工安全等要求。