基于SD的碾压混凝土坝施工资源配置策略研究

黄建文，刘凯丽，姜海龙，李朝全，袁 华，张光飞

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2.三峡大学水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北宜昌443002；3.中国葛洲坝集团股份有限公司向家坝施工局，四川宜宾644000；4.中国长江三峡集团公司白鹤滩工程建设部，四川凉山615400)

碾压混凝土坝施工过程中影响因素多，边界条件复杂，其进度控制成为工程施工的难点。有效的资源配置对工程进度控制起到重要作用，因此研究资源配置对工程进度的影响有着重要意义[1]。

目前项目管理中资源配置问题多分为资源负载、资源约束下项目调度以及资源分配平衡问题[2]。对于资源负载和资源约束下项目调度已有较为成熟的理论和方法，罗荣桂等[3]利用关键链技术优化柔性资源受限项目的项目工期；李俊亭等[4]将资源调度算法和网络搭接关系结合解决资源冲突问题；丁雪枫等[5]结合遗传算法与禁忌搜索提出资源约束项目调度的混合优化求解策略。贾艳等[6]提出启发式算法求解可替代资源约束下的项目调度问题。而资源分配平衡问题，多采用多目标优化[7]、云计算[8]等方法，仿真过程中未充分考虑资源分配影响因素间的动态反馈关系，难以全面反映工程的施工特性[9]。

碾压混凝土坝施工时形成动态反馈系统，自我校正的正负反馈作用影响着施工系统运行[10]。本文利用系统动力学(SD， System Dynamics)和挣值法，在分析碾压混凝土坝特性的基础上，建立劳动力、物料、机械、资金和挣值参数的子系统。通过调整资金和骨料计划周转天数来实现不同资源配置策略模型仿真，分析不同资源配置策略对工程进度的影响。运用进度绩效指数SPI(Schedule Performance Index)和费用绩效指数CPI(Cost Performance Index)为工程整体资源配置效果提供辅助依据[11]。

1 碾压混凝土坝动态反馈分析

1.1 模型假定条件

(1)假定1。项目施工时内外部环境稳定，不考虑施工场地、宏观经济形势等不确定因素，且劳动力的生产率稳定不变。

(2)假定2。混凝土拌和、运输系统良好。以振动碾为混凝土浇筑所需机械代表，以混凝土为物料代表进行仿真研究。

(3)假定3。工程施工不考虑加班因素，本文模型中单位“天”指每日正常工作8 h。

1.2 因果关系分析

碾压混凝土坝的实际施工强度由资源的可用性和工序的可操作性决定。资源的可用性由劳动力、混凝土、振动碾和资金数量体现。通过引入基于劳动力的施工强度、基于混凝土的施工强度、基于振动碾的施工强度来表示劳动力、混凝土、振动碾的数量对实际施工强度的影响，三者通过有限的资金相互制约，共同决定了大坝的施工速度。工序的可操作性由碾压混凝土坝的仓面大小以及混凝土浇筑养护时间决定，这两者也决定了大坝施工能达到的最快速度，即基于工序的施工强度[12]。

通过基于劳动力的施工强度、基于混凝土的施工强度、基于振动碾的施工强度和基于工序的施工强度来确定实际施工强度和实际完成工作量。而实际施工强度又与混凝土数量成负反馈回路。实际完成工程量通过影响施工进度偏差来控制劳动力和振动碾的数量。因果关系如图1所示。

图1 碾压混凝土坝资源配置因果关系

2 碾压混凝土坝SD模型构建

碾压混凝土坝资源配置系统动力学模型包括劳动力、混凝土、振动碾、资金以及挣值指标5个子系统，如图2所示。

模型中，劳动力子系统描述当前劳动力的数量以及施工进度偏差、计划施工强度对劳动力的反馈作用。混凝土子系统反映计划骨料数量以及混凝土的获取和消耗情况。振动碾子系统说明混凝土施工所需振动碾数量和振动碾对施工进度的影响。资金子系统阐述资金的计划、获取、使用过程以及资金对劳动力、混凝土、振动碾3个子系统的约束作用。挣值指标子系统利用SPI和CPI指标评价整个系统的进度、成本绩效和资源配置效果。5个子系统通过资金的流动成为整体，构成正负反馈回路。在模型的变量表达式设计中，实际施工强度由基于工序的施工强度与基于资源的施工强度的较小值决定，反映了实际施工强度受到资源数量和混凝土浇筑仓面大小、养护时间的共同约束。基于资源的施工强度取基于劳动力的施工强度、基于混凝土的施工强度、基于振动碾的施工强度三者的最小值，体现的是劳动力、混凝土、振动碾之间的匹配度以及资源的充足程度。模型中部分主要变量函数关系如表1所示。

3 工程案例仿真分析

3.1 模型参数设置以及模型检验

某水电站工程采用碾压混凝土坝施工，坝顶高程1 303.00 m，共划分31个坝段。以该大坝C2标段为仿真试验对象，其碾压混凝土工程量为116.4万m3，总造价为40 319.1万元，计划工期1 200 d。应用Vensim软件进行模型仿真，设置仿真周期为1 200 d，步长1 d。以基础方案current1进行模拟，设置基础方案计划资金周转天数为90 d，计划骨料周转天数为6 d，仿真结果见图3，结果显示,

图2 碾压混凝土坝资源配置模型

表1 部分主要变量函数关系

工程在计划工期1 200 d内顺利完工。考虑资金、物料等资源获取延迟因素后模拟的实际施工强度与工程计划施工强度存在一定偏差，但其趋势基本一致，说明模型稳定。基础方案current1模拟出的与计划施工强度匹配的劳动力和机械数量见图4，所需振动碾最大数量为8台，所需劳动力最大数量为65人。

图3 Current 1模型仿真结果

图4 计划施工强度匹配资源数量

3.2 资源配置策略研究

在实际施工过程中，劳动力和振动碾因其重复利用的特点，可以根据施工进度偏差进行自我反馈调整，因此本文资源配置的调控对象为资金和物料，即在基础方案Current 1的基础上，调整计划资金周转天数和计划骨料周转天数，设计出5种资源配置方案，研究不同的资源配置策略对施工进度产生的影响，具体仿真模拟方案设置参数如表2所示。

表2 资源配置策略研究方案设计 %

仿真结果如图5所示。从图5可以看出：

(1)当资源配置方案为Current 2时，由于该方案的资金、物料投入水平较低，导致实际施工强度不能满足计划施工强度的需求，从而产生较大的进度偏差(工期延误)，致使工程不能按期完工。物料的不足也使得与计划施工强度匹配的劳动力出现窝工现象，振动碾出现闲置现象。

(2)当资源的配置方案为Current 3时，资源的配置高于计划施工强度需要。充足的资金和物料使工程提前120 d完工，但由于劳动力和振动碾的数量受到施工场地大小的限制，资金的持续增加并不能使劳动力和振动碾的数量持续增加，工程也无法进一步缩短工期。资源过量后进度绩效指数和费用绩效指数见图6，CPI小于1，说明工程成本过高，并不经济。方案Current 4仿真结果与Current 2相似，实际施工强度受到物料不足的制约，实际完成工程量未达到计划工程量，增加的资金因为物料的不匹配也成为闲置资金，造成资金时间价值的损失。

(3)Current 5资源配置策略在实际施工中无法实现，尽管计划骨料周转天数增多，但资金的不足使该计划无法实现，项目停滞无法施工。说明资金决定着劳动力、骨料、振动碾的获取状况，资金是项目最基础的资源。

4 结 语

图5 模型仿真结果

图6 Current 3进度、费用绩效指数

本文结合碾压混凝土坝施工资源间多反馈、非线性的动态特点，运用系统动力学和挣值理论构建资源配置模型，对不同资源配置策略进行定量分析，用挣值指标来评估资源配置的整体效果，得出如下结论：资金和物料的不足会直接产生较大的进度偏差，而足量的资金和物料尽管能在一定程度上保证施工进度，但工程成本过高，并不经济。足量的资金如果不能体现在劳动力和机械数量上，则会造成劳动力、物料和机械数量上的不匹配，无法对进度控制起到实质作用，此时过量的资金也会造成资金时间价值的损失。