虚拟动态管理方法在公路工程施工中的应用研究

孟晓静， 张小平， 王冠一， 段晓晨

（石家庄铁道大学经济管理学院，河北石家庄 050043）



虚拟动态管理方法在公路工程施工中的应用研究

孟晓静， 张小平， 王冠一， 段晓晨

（石家庄铁道大学经济管理学院，河北石家庄 050043）

摘 要：以石家庄石环辅道工程施工管理为例，尝试运用集成的工程施工虚拟动态管理技术对公路工程施工全过程进行计算机三维立体可视化动态优化管理。施工前，根据施工工序的特点和大量的数据资料，运用虚拟技术、网络计划技术、CS理论等建立公路工程施工虚拟静态管理系统；施工过程中，运用已获价值理论（EVM）、PDCA循环重点控制工程施工中的关键显著性项目，建立工程施工虚拟动态优化管理系统；应用计算机虚拟动态管理软件实现对施工过程的实时控制，使管理者全面掌握施工信息，大大提升公路工程施工管理的效率。

关键词：虚拟技术；已获价值理论；公路工程施工；虚拟动态管理

本文信息：孟晓静，张小平，王冠一，等.虚拟动态管理方法在公路工程施工中的应用研究［J］.石家庄铁道大学学报：社会科学版，2016，10（1）：50－56.

公路工程施工涉及桥梁工程、道路工程、管网综合、绿化、照明、交安等多工种、多专业工程，协同、平行、立体交叉作业多，容易受各种因素的干扰，使得施工及项目管理具有复杂系统的特点。目前公路工程施工管理的科学化、信息化和规范化程度还不高，各种数据、信息基本是以图表、报表等纸质或二维软件作为媒介展现出来，这样就很难把施工项目的具体位置与实际的工程直观的联系起来。公路工程项目从最初的图纸设计、工程施工再到竣工验收、运行管理，每个环节都会牵扯到各种各样的数据，而对工程良好的管理需要各个管理层及时掌握和综合运用这些不断变化的数据，既能对公路工程的施工过程发挥重要作用，也能为正在发展的公路工程网络信息化管理打下良好的基础。

本文拟以石家庄石环辅道工程建设为研究对象，通过运用虚拟动态等管理技术进行研究，对工程施工工期、成本、质量、安全、环保等进行虚拟动态优化管理技术的综合系统研究，实现施工管理的科学化、信息化和规范化，从而有效地提升项目施工管理的效率、效益和水平。

一、公路工程施工虚拟动态管理技术简介

公路工程施工虚拟动态管理技术是指将虚拟现实技术和全面动态优化管理技术方法集成应用，综合运用虚拟技术VR（virtual Reality）［1－2］、BP神经网络、灰色关联理论，显著性理论CS （Cost－significant）［3－4］、已获价值理论EVM［5－7］、网络计划技术等虚拟优化技术对施工全过程进行计算机三维立体可视化虚拟动态施工管理。使项目的管理者能够对项目的进展情况进行可视化监控，及时对工程目标的完成情况进行总结，针对施工管理产生的问题提出解决对策并对下一阶段要进行的工作提出预控措施，如此循环往复从而大大提升公路工程施工管理效率和水平。具体模型建立过程为：

（一）建立公路工程施工虚拟静态目标管理系统

在工程施工前，依据工程施工中各个工序的特点，结合大量技术、管理方面的数据资料，建立施工中各工序静态优化管理系统。

（1）确定工期、成本、质量、安全和环保目标控制体系。由项目骨干力量，根据该工程的数据资料制定五控总目标和分目标体系。

工期的目标确定及优化主要是运用网络计划技术的计划阶段来对工期进行计划，计算出计划工期，找出关键线路。首先，确定工作计划中所涉及的全部工作，列出各个工作间的先后顺序和相互关系。其次，估计每项工作在正常情况下所需的时间。在缺乏企业施工定额，并拥有大量以往类似公路工程施工资料数据基础上，运用BPNN模型估算各工序的工作时间消耗；在拥有少量以往类似公路工程施工资料数据基础上，运用GM （1，1）模型等［8－9］非线性数学方法估算各工序的工作时间消耗。最后，依据工作间相互关系绘制网络图，并将计算出的各个工序时间与日历天数相结合，找出关键路线，确定工期目标。

运用“显著性成本CS”思想（既占项目总造价80%左右的显著性成本项目在数量上仅占工程总数量的20%左右）和“均值理论”，优化确定工程成本目标。在各工序工期、成本目标优化确定基础上，确定整个项目工期、成本、质量、安全、环保总目标。

（2）确定重点控制工序。通过对项目工期、成本目标的优化，可以确定出该项目的关键显著性工序，即关键路线上的项目和显著性项目。并以此作为整个项目工期成本控制的重点。关键显著性项目既可以保证项目工期的顺利实现又可以保证造价控制的准确性。

（3）建立问题原因和对策数据资料库。在工程施工前由项目管理人员收集已完类似工程的工程数据，对其产生的问题原因和解决对策进行总结和归纳，建立相应的问题原因、对策数据资料库，为施工过程中快速准确地纠正偏差打下坚实的基础，当遇到新的问题时，管理者可以根据新问题制定的新对策不断完善到数据资料库中，这样不断循环以提高项目管理能力，增强竞争力。

（二）建立公路工程施工虚拟动态管理系统

在施工过程中，管理者需要适时统计和收集已完工程数据资料，及时处理施工过程中产生的问题，并对下一阶段施工进行优化安排，对可能出现的问题进行预测，制定相应预控措施，动态地实现对施工过程的控制，尽可能将施工隐患消灭在萌芽状态，以达到保证工期、降低成本、优化管理最佳状态，由此建立工程施工虚拟动态优化管理系统如下：

（1）根据工程的规模、施工工艺的难易程度以及施工单位的管理水平来决定控制周期，制定循环周期，定期对工程进行数据收集。

（2）建立动态施工过程统计分析系统。建立工期成本动态已获价值（EVM）统计系统。该系统主要是通过已获价值理论来监控关键路线上的项目和显著性成本项目并进行PDCA循环控制。及时动态统计已完工程实际成本ACWP、已完工程预算成本BCWP、计划工程预算成本BCWS、进度差SV、造价差CV指标情况，并与静态优化施工技术指标比较，计算节超情况。

用已获价值法进行三大目标的综合分析控制主要有三个基本参数即计划工作量预算费用（BCWS）、已完成工作量的实际费用（ACWP）、已完成工作量的预算成本（BCWP），两个偏差指标即进度偏差（Schedule Variance，SV）、造价偏差（Cost Variance，CV）和两个绩效指标进度绩效指数（Schedule Performance Index，SPI）、造价绩效指数（Cost Performance Index，CPI）［10－11］。已获价值管理可以在项目某一特定时间点上，通过三个指标之间相互对比，得到有关计划实施的进度和费用偏差，判断项目预算和进度计划的执行情况，获取项目三大目标实现情况，因而可以从范围、时间、成本三项目标上评价项目所处的状态。

（3）针对已获价值（EVM）统计系统的数据，重点分析施工过程中工期和成本出现的问题，从问题原因、对策数据资料库中找出解决对策，争取在下一个循环周期内缩小与目标的差距；当所遇问题不包含在数据资料库时，则要及时分析此种新问题产生的原因，制定新对策，并丰富到数据库中，从而为今后的管理工作提供依据。

（4）在施工过程各个阶段，不断循环以上优化程序，使施工管理始终处于工期、成本、质量、劳动组织、资源配备优化状态，并运用计算机虚拟管理技术软件为管理者提供最佳指挥平台，使各种管理优化方案能够在计算机上直观形象显示，为领导正确决策提供先进的决策平台。

二、案例分析

本文以石环辅道工程方台桥施工项目为研究对象，尝试对方台桥施工全过程开发和应用虚拟动态优化管理方法，以达到不断提升公路建设项目施工管理水平和经济社会效益的目的。

石环公路辅道工程主体分为西、南、东环三个部分，西环、东环辅道按规划实施，南环辅道一次规划，分期建设。工程起点为北环辅道终点，终点为开发区湘江道，与307东互通辅道衔接。多工种、多专业工程相互协同、交叉、平行、立体作业多、干扰大，施工管理复杂、难度大。西环辅道沿石环公路东侧布设，起点位于北环辅道终点，终点位于西良政，全长16.3 km。其中旧路加宽段2.8 km；新建段13.5 km，按规划24 m宽路基建设，双向4车道，主辅路间绿化带10 m。设计标准：城市次干路及三级公路。设计时速为40 km／h，实际采用荷载等级为公路一级，高等级路面。方台大桥为石家庄三环辅道南水北调干渠的一座大桥，全长199 m本桥预应力系统采用体内、体外索相结合的方法，以改善结构的受力状况。桥面铺装10 cm沥青混凝土＋6 cmC50防水混凝土，桥墩采用梁固结，桥台采用GPZ2.0DX支座，纵横向必须平置。

（一）确定工程目标控制体系

运用网络计划技术绘制施工网络图，计算计划工期，找出关键线路；估计每项工作在正常情况下所需的时间。首先以公路工程中桥梁施工的钻孔灌注桩工时消耗为例运用BPNN模型进行估算：①工程特征因素的选取和定量化描述：本模型选取的特征因素为土质类别、桩径大小、钻孔深度、砼坍落度、砼强度、钻机类型，并进行量化；②建立工时消耗估算模型进行预测分析；③进行结果分析，用收敛后的BP网络对数据进行预测，以均值作为最终预测值，并与实际值进行比较。其次，由于本项目中钢箱梁的制作只有少量的历史数据可以借鉴，所以应用GM（1，1）灰色模型进行估算。其他各个工作技术都比较成熟，用定额便可以很好地估计出工作时间。

运用显著性理论和均值理论确定工程成本目标。该桥梁工程用于计算显著性项目成本的总预算成本为2188.3万元，工序数量32，得出工序平均预算成本68.38万元。用各工序预算成本分别除以平均工序预算成本，找出比值大于1的工序，共8项，分别是0＃～4＃钻孔灌注桩、0＃～4＃盖梁施工。将比值大于1的工序的预算成本相加，算出该八项工序占所有施工工序数和工序总预算成本的比值分别为25%和77%，满足CS显著性成本理论，不需要二次平均。

最终确定出的关键显著性工序为：0＃～3＃钻孔灌注桩、0＃～4＃盖梁施工、0＃桩二次开挖、承台施工、0＃承台砼养生及拆模、0＃～3＃桥台施工、3＃桥台盖梁养护、梁体安装、伸缩缝、桥面铺装、防撞护栏。

在各工序工期、成本目标优化确定基础上，确定整个项目工期、成本、质量、安全、环保总目标。

①工期总目标：拟定于2011年1月30日开工，2011年10月30日竣工，总工期9个月。桥梁工程：2011年2月16日至2011年8月30日；路基工程：2011年2月16日至2011年6月10日；附属工程：2011年5月1日至2011年10月10日；竣工清理与验收：2011年10月11日至2011年10月30日。

②成本总目标：不断降低和优化成本，力争实现和达到预算成本目标。

③质量总目标：标段工程交工验收的质量评定：合格；竣工验收的质量评定：优良。

④安全总目标：严格按照GB／T28000职业健康安全管理体系认证的标准和规定执行，坚持“安全第一，预防为主”的方针，狠抓“六不准”在施工中的落实，确保施工安全。无重大责任事故和职工因工重伤或死亡事故。

⑤环保总目标：整个工程施工将全面运行ISO14000环境保护体系标准，严格按照《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水土保持法》和河北省环保局的有关环保要求，积极维护当地自然环境，最大限度地减少施工对自然环境的破坏，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段，防止水土流失，杜绝环境污染，争创文明施工标准化工地，以期得到最优化的结果—争创施工环保目标：优良。

（二）建立石环工程虚拟动态优化管理模型

根据该工程的特点和施工工艺，将其控制周期定为7天。由于各个控制周期的数据收集和统计分析方法基本一致，选择其中两个控制时点和一个控制周期为例来说明对工程项目动态优化管理的过程。本项目的检查点为5月17日，根据此时工程施工过程的数据资料计算EVM得基本参数，计划成本BCWS、实际施工成本ACWP、已获价值BCWP。建立已获价值统计表，计算相应的偏差指标和绩效指标，进行成本—进度评价分析。当指标值大于1的时候，说明处于节省的状态，应该总结好的经验；在0.95～1之间，应该在继续进行项目的同时找出产生偏差的原因，制定对策，进行控制争取在下一个周期减少偏差；小于0.95，必须引起高度重视，进行重点分析，必要时可以适当调整局部目标以保证总体目标的顺利实现。

根据计算结果，截止到5月17日，该工程的进度拖后，成本超支。绩效指标在允许的偏差范围之内，因此在继续进行项目的同时应找出偏差原因，制定对策，进行控制争取在下一个周期减少偏差。

依次循环优化控制。这个周期循环的过程是一个螺旋式地改进提高过程，所以从项目一开始便进行这种循环是至关重要的。之后收集方台桥5月24日的数据并建立已获价值统计表和指标计算表，计算结果显示，通过采取一系列的对策，使得所控制的项目进度偏差有了明显的缩小，成本偏差确有所增大，但是进度偏差缩小的幅度比成本增大的幅度大，这说明整个项目是向着一种好的趋势发展，在今后的控制过程中可以制定一些切实的对策来保证进度进一步缩小，同时要积极寻求降低成本的对策，由于有些成本损失是不可逆的，所以在制定成本对策时应该注重加强技术和管理方面的对策，从而达到解决成本的目的。

在进行项目成本分析时，可以预测项目未来完工成本EAC。EAC＝BAC／CPI。其中，BAC为项目的总预算成本，当CPI小于1的时候由上述公式可以看出，项目按照目前的效率继续进行一定会超出总预算成本，在应用此指标的时候，我们也可以给出其与BAC的关系，例如BAC＜EAC＜1.05BAC，说明必须引起重视，找出原因，制定对策，进行控制；当EAC＞1.05BAC，说明必须引起高度重视，找出原因，制定对策，必要时可以调整成本计划，使其符合项目的发展，对于该指标的计算在此不在赘述。

（三）虚拟动态管理软件的应用过程

在施工循环过程中，及时将每个循环各工序的动态管理情况通过虚拟动态管理软件系统的施工动态管理信息表反馈给项目管理者。

应用计算机动态管理软件对该工程的整体效果、主要构造（单根开口钢箱梁、4根钢箱梁的组焊、0～3号桥墩台以及桥面铺设）和施工过程进行虚拟动态演示（如图1，图2所示）。

图1 桥梁虚拟演示

图2 桥梁虚拟演示

在施工过程虚拟演示过程中，计算机动态管理软件以网页链接的形式弹出相应的施工过程控制表。如表1、表2、表3所示，以便及时动态掌控施工各工序进度和成本情况。表1中表格为软件中显示表，表2、表3为软件中计算表。

表1 “五控”一张表

表2 施工动态管理信息表

三、结论

本文主要探讨了结合虚拟技术和已获价值理论、CS理论、GM（1，1）模型等理论集成的虚拟动态管理技术在公路工程管理中的应用。具体内容为：石环辅道施工虚拟静态管理系统的建立，该系统要求在施工前根据工程的具体情况和合同要求用科学的计算方法建立石环辅道工程“五控”目标，并以方台桥为例，论述在施工前应用BPNN，GM（1，1）等方法建立工程工期、成本目标；石环辅道方台桥施工虚拟动态管理系统的建立是在施工过程中将整个工程的施工信息在计算机上动态地显示出来，并且与静态目标进行对比，使得目标的完成情况一目了然，有利于管理人员对于目标的控制，并且能够对于出现的偏差迅速纠偏，找出对策，从而保证工程在既定的目标下顺利完成；最后对方台桥虚拟动态管理软件进行了简要介绍。

表3 施工动态EV分析表

通过该虚拟动态管理技术在公路工程管理上的应用，可以得到以下结论：

（1）通过BPNN和GM（1，1）的应用可以科学地制定工程的目标，在此基础上应用网络计划技术、CS理论可以挖掘工程的关键显著性工序，对关键显著性工序的控制可以在保证控制精度的同时较少计算的工作量，这对于有大量数据需要计算的工程项目来说具有现实意义。

（2）在实践中应用已获价值理论对工程项目工期、成本进行联合监控是有效的。它能统一以货币量作为衡量工程进度和成本的单位，方便对工程工期和成本进行综合控制。在应用已获价值理论的同时建立问题原因对策数据库可以及时总结施工过程中的经验，提高施工管理水平并且可以减少以后施工中同类问题出现的可能性。

（3）通过对施工过程的虚拟演示和动态管理系统的有效结合可以比较真实的反映现场施工过程和工程整体进展情况，对工程的整体情况有了比较形象和直观的了解，显示出传统管理方式所无法比拟的优越性。

虚拟动态管理技术在工程上的应用虽然有其独特的优越性，但目前也存在其局限性和不足之处。

（1）虚拟动态管理技术的应用需要结合实际工程，而现实中由于类似工程人员不够重视、数据靠经验来记录等因素的限制致使工程实际数据的收集和分析整理有难度。

（2）建立完整和完善的工程数据资源库。已完工程必然产生大量的数据，其中也定会存在很多相似的问题，因此可以建立工程来提高管理水平数据资源库。建立怎样的工程数据库和如何建立数据库是以后可以着重探讨的方向。

（3）关于质量、安全和环保如何虚拟动态优化的问题在本文中并未探讨，在今后的研究中可以探讨其目标定量化问题，从而保证施工过程的安全性，减少施工过程对环境的损害，提高工程的整体效益。

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The Application Research on Virtual Dynamic Management Method in Highway Construction

MENG Xiao－jing1，ZHANG Xiao－ping1，WANG Guan－yi1，DUAN Xiao－chen1
（College of Economics and Management，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China）

Abstract：This thesis takes the construction management of Shihuan auxiliary road for example，attempting to integrate virtual dynamic management method into highway construction to manage the whole construction process of Shihuan auxiliary road，which can be demonstrated virtually by threedimensional software.Before construction，a virtual static management system is developed by applying virtual techniques，network planning technique and theories such as Cost－significant（CS）based on the characteristics of construction procedures and large number of data.During construction，the virtual dynamic management system is constructed using the EVM and PDCA cycle to control key projects of the construction.Through the virtual dynamic management software，real－time control of the construction process can be achieved and the project manager can be comprehensively informed of the construction process hence to enhance greatly the management efficiency of highway construction.

Key words：virtual techniques，earned value management，highway construction，virtual dynamic management

基金项目：河北省高层次人才资助项目（2013429102），河北省交通厅科技计划项目（冀交科教2013559－28），河北省软科学工程建设管理研究基地（冀科教2012567），河北省软科学人文社科重点研究基地（工程建设管理）（冀教201426）

作者简介：孟晓静（1990－），女，硕士研究生，研究方向：工程经济与造价管理。

收稿日期：2015－03－25

文章编号：2095－0365（2016）01－0050－07

中图分类号：F407.9

文献标识码：A

DOI：10.13319／j.cnki.sjztddxxbskb.2016.01.09