基于动态布置法的地铁车站施工场地规划布置研究

汲红旗，周佳庆，李磊，施成华，雷涛

基于动态布置法的地铁车站施工场地规划布置研究

汲红旗1，周佳庆2，李磊1，施成华2，雷涛1

(1. 中交一公局集团有限公司，北京 100024；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

城市地铁施工场地狭窄且占用时间长，在施工过程中对场地进行动态调整可有效节约土地资源。为避免施工场地动态调节时仅凭经验布置而产生的弊端，提出了一种DSLP动态场地布置法，该方法在传统SLP系统布置法基础上，进行施工阶段划分，确定场地可移动类型。根据各阶段不同作业区之间的综合关系进行方案设计，按照物料搬运成本、施工管理强度以及二次搬运指标进行方案评价，确定阶段相对最优方案，最终将各阶段方案进行串联形成整个施工过程动态规划布置。并将该方法及评价体系应用于长沙轨道交通6号线朝阳村站，大大减小了施工过程中的占地面积，为现场的场地布置提供了有效的指导。

施工场地；场地布置；动态规划；SLP(系统布置法)；评价指标

施工场地的布置是一个动态的系统工程[1]，需要兼顾施工方案、施工进度以及各种临近设施进行综合考虑。随着项目的推进，初始的施工场地肯定会越来越不适应施工发展的需要，良好的场地布置可以加快施工进度，提高管理效率，降低生产成本，从而达到良性循环的目的。而且在寸土寸金的繁华城区，长期占用施工土地资源也会增加项目成本，对周边居民及商业活动造成严重影响。所以如何有效地优化场地布置，减小占地面积，是项目施工过程中的关键一环，不容忽视。传统的场地布置仅凭施工组织者的经验进行规划[2]，存在一定的局限性，很多关于场地布置的研究也多集中于厂房设备[3−4]和水利水电领域[5−6]。在静态场地布置中，SLP系统布置法是应用最为广泛的一种设计方法[7−9]，而近几年兴起的BIM技术也逐渐被应用于施工场地的规划中[10−12]。但针对场地的动态规划布置，目前只有少数学者对此进行了研究，其中多以BIM技术为主。宋兴蓓[13]利用4D-BIM技术，建立动态布局模型的目标函数，并将每个设施的位置视为决策变量，使用遗传算法对其优化。王廷魁等[14]基于BIM模型及原理，构建更加完善的评估指标体系，进一步利用灰色关联度理论对不同阶段的布置方案进行评价，组合成为施工场地动态布置整体方案。邱兰[15]提出基于BIM技术的场地动态布置研究框架与实现技术，介绍了通过BIM-4D模型和优化手段来实现施工场地动态布置的方法。Le等[16]基于BIM建立多目标动态临时建筑场地布局设计框架，该框架采用了系统布局规划(SLP)和数学建模相结合的方式。此外，也有一些学者将数学算法与场地布置相结合，Al等[17]提出了一种基于设施间安全接近度的网格系统布局模型，并使用Site Blocks算法编写，在考虑可用性、重叠、设置、拆除、禁止区域和搬迁约束的情况下，建立一个二元整数线性规划模型来优化场地布局。Cheng等[18]在4D-BIM基础上应用共生搜索算法推导出优化的施工场地材料布置方案。通过对研究现状分析，目前针对地铁车站施工场地动态布置还存在很大的不足，而且繁琐复杂。本文在现有的研究基础上建立一种地铁车站施工场地动态规划体系。将整个施工过程划分为几个主要阶段，以物料搬运成本、现场管理强度以及场地二次搬迁费用作为评价指标。并针对不同阶段不同临建场地的变化对场地进行预先调整，避免后期大规模的搬迁浪费。最终将相对最优的布置方案进行串联组合，实现场地的动态布置。

1 研究方法

1.1 施工阶段划分

整个地铁车站施工建设过程中场地布置是动态变化的，所以将施工过程划分为主要的几个施工阶段，确定在不同施工阶段下可能出现的临建场地，并将临建场地划分为可移动与固定2种。固定场地由于其重要性以及搬运难度大，在整个施工过程一般不发生二次搬迁；可移动场地在占用关键设施区域或能够充分提高后期施工管理以及节约材料运输成本、提高运输效率时，可在下一阶段进行优化搬迁。其原理如图1所示。

(a) 施工阶段；(b) 临建设施

1.2 SLP系统布置法

传统的SLP(Systematic Layout Planning)系统布置由美国著名规划专家Richard.Muther在1961年提出，最早应用于工厂布置，将物流强度分析与作业单位之间关联关系密切程度相结合，是一种条理性极强的布置方法，使得设施布置由定性阶段发展到了定量阶段[19]。在地铁车站场地布置时，不同作业单位之间的密切程度是不同的，所以如果单纯的以经验判断不同作业单位之间的密切关系是不可取的。而系统布置法将各作业区之间的物流强度和非物流强度进行分析，以A,E,I,O,U和X代表各作业单位之间的密切程度，分别对应绝对重要、特别重要、重要、一般、不重要、不希望，以4，3，2，1，0和−1值进行量化。最后利用S=∙M+∙N对2方面数值进行加权处理，其中M代表物流关系强度量化数值，N代表非物流关系强度量化数值，和代表加权系数，将计算得出的S值进行强度分级，得到地铁车站各作业单位之间的综合密切关系。综合关系确定后，即可按照密切程度强的2区域距离近，密切程度弱的2区域距离相对较远的原则进行场地布置。

1.3 DSLP场地布置法

为实现地铁车站施工场地的动态布置，提出一种动态的场地布置法(Dynamic Site Layout Planning )。其规划流程如图2所示。

动态规划流程图中的限制条件为，在不同的施工阶段固定区域不发生移动，新出现的作业区域与需要进行二次移动的场地在下一阶段进行优化分析，结合图1其动态规划模型如图3所示。

图2 地铁车站施工场地动态规划流程图

图3 动态规划模型

该方法综合以上2个步骤，预先将施工阶段进行划分，确定可移动和固定区域。对于可移动区域的优化布置，以传统的系统布置法作为基础，分析各区域之间的综合关系，在提出的几种布置方案后，利用物流搬运效率、施工管理强度、二次搬运成本三大指标对方案进行评价，得到相对最优方案，最终将各阶段优化方案进行串联即得到整个施工阶段的相对最优场地布置。指标计算如下：

式中：为分配系数，，为作业单位编号，a，b为2作业单位之间的相关系数；1，2，3分别代表物流搬运效率、施工管理强度和二次搬运成本；a，b根据作业单位综合关系取值，=4，=3，=2，=1，=0，=−1；d为运输距离；t，q为单位,之间的接近程度，其值由d决定，取值范围为[0,1]。

1.4 评价指标决策

当初步方案设计完毕，需要利用提出的评价指标对阶段方案进行评价，而场地布置是一个系统工程，指标之间具有关联性，优化布置使一个指标更优时势必会使其他指标受到影响，不可能达到绝对最优状态。因而评价指标并不一定会在同一方案中达到最优，所以需要提出一种指标评价方法来寻找相对最优指标组合。

本研究中以各方案中最优评价指标(01，02和03)为基准，计算各指标下不同方案的指标系数。其中物流搬运成本(1)与二次搬运成本(3)的指标值越小越有利，管理强度指标(2)越大越有利，所以提出指标评价系数计算公式(4)，评价指标系数值越大代表指标值组合越有利。

其中：代表评价系数；1代表管理系数所占比重，2代表成本系数所占比重；F1，F2和F3分别代表方案的物料搬运成本指标、管理强度指标和二次搬运成本指标。

1.5 规划布置约束条件

在地铁车站施工场地规划布置中存在一定的约束条件，几种约束如图4所示。

1) 施工作业单位不超过场地界限；

2) 任意两作业区不出现交叉重叠；

3) 施工作业区之间应满足最小间距要求；

4) 施工作业区之间间距不宜过大，浪费空间；

5) 特殊区域内不得有其他施工作业区侵占；

6) 既定区域内的施工作业区不应超过该范围。

图4 施工场地布置约束条件示意图

2 工程实例应用

2.1 工程概况

本文以长沙轨道交通6号线朝阳村站为例，朝阳村站全长305.6 m，标准段宽为21.4 m，西端明挖顺作段147.8 m，东端盖挖逆作段157.8 m。车站南侧与融圣国际距离仅3 m，与北侧下穿隧道距离仅4.8 m，且施工期间无法实现交通封堵，整个施工场地狭长，场地布置困难。车站主要施工区域有办公区、明挖施工区、施工便道、钢筋堆放区、其他材料堆放区、洗车槽、沉淀池、门卫室、盖挖出土孔和渣土堆放区。施工场地平面图如图5所示。

2.2 施工阶段划分及作业区类型分析

对朝阳村地铁车站进行施工场地动态规划时，将整个施工过程划分为具有明显施工节点的3个阶段。第1阶段为2018−04−04～2018−07−05，该阶段盖挖段顶板施作完毕，可对下阶段盖挖段场地进行重新规划；第2阶段为2018−07−06～2018− 12−23，该阶段明挖段主体结构和盖挖段负1层结构基本施作完毕，可充分运用明挖段顶板和盖挖段中板空间对下一阶段施工场地进一步优化；第3阶段为2018−12−24～2019−09−30，以加快施工进程、提高施工效率为目的，对施工场地进行布置。

图5 朝阳村站施工场地平面图

在整个施工阶段，主要的施工区域考虑明挖施工区、盖挖施工区、临时渣土堆放区、钢筋堆放区、脚手架及钢支撑堆放区、其他材料堆放区和办公区，而洗车槽、沉淀池、移动厕所、配电箱等较小或固定区域可暂时不进行考虑，施工便道在满足约束条件最小间距时即可保证。对各施工区域的分析如图6所示。

图6 朝阳村站施工场地临建区域分析图

施工第1阶段出现的临建区域有明挖区、盖挖区、办公区、临时渣土区以及钢筋堆放区，第2阶段主要对可移动区域以及新出现的其他材料堆放区、脚手架及钢支撑堆放区进行规划布置，第3阶段依旧对4个区域进行优化分析。

2.3 综合密切程度确定

朝阳村站第1阶段施工时，主要工作是对明挖段西侧S1，S2和S3区域土方进行开挖，盖挖段顶板土方开挖以及顶板施作，该阶段由于要对盖挖段全范围施工，是整个施工过程中围挡面积最大阶段；第2阶段主要对明挖段土方开挖以及结构施作，盖挖段负1层土方开挖以及中板侧墙施作，由于盖挖段顶板已完成，可充分利用盖挖顶板空间从而减小占地面积；第3阶段主要是对明挖段结构的后处理以及盖挖段负2层土方开挖及结构施作，在充分利用明挖顶板区域和盖挖段中板时可进一步节约空间，减小占地面积。在不同的施工阶段，考虑作业区之间搬运物流关系与非物流关系确定的综合密切程度如图7所示，其中A，E，I，O，U和X分别代表绝对重要、特别重要、重要、一般、不重要、不希望。

2.4 阶段方案设计与评价

按照上一阶段得到的各作业单位之间的综合密切关系，进行各阶段的场地布置方案初步设计，并对每阶段初步方案进行评价择优。

2.4.1 第1阶段方案设计与评价

第1施工阶段中，明挖区与盖挖区已经确定，主要对渣土、钢筋堆放区以及办公区进行规划布置。在场地限制条件下，依据综合关系，绘制初步布置方案如图8所示。

(a) 阶段1综合关系图；(b) 阶段2综合关系图；(c) 阶段3综合关系图

(a) 方案1；(b) 方案2；(c) 方案3

由于施工第1阶段不存在场地二次搬迁情况，所以通过式(1)~(2)对物料搬运成本和管理效率进行计算，得到3种方案的运输成本分别为：3.31，3.33，4.32；管理效率强度分别为：12.83，13.08，12.08。朝阳村站中以物流搬运指标为主，类比其他研究并结合朝阳村实际情况，取指标评价系数公式中1，2为0.2，0.8，计算得到3个方案的指标评价系数为−0.603 8，−0.604 8和−0.859 3。方案1的系数值最大，所以方案1中指标组合相对最优，所以确定方案1为第1阶段相对最优布置方案。

2.4.2 第2阶段方案设计与评价

施工第2阶段时，盖挖区顶板已施工完毕，明挖区进行土方开挖以及结构施工，整个区域势必进行重新规划，所以不考虑二次区域搬迁所产生的影响。根据第2阶段各作业单位的综合关系图进行下列初步方案设计，如图9所示。

通过对各区域进行布置，将各场地区域基本布置于盖挖段北侧顶板上，并预留2车道施工便道，南侧围护结构可向基坑内撤回7 m距离，大大减小了占地面积，降低了对周边商厦的影响。3种方案的搬运成本分别为12.045，11.56，11.11；施工管理强度分别为25.285，26.657，26.35。评价指标系数分别为：−0.677 6，−0.632 4，−0.602 3，确定方案3为相对最优布置方案。

(a) 方案1；(b) 方案2；(c) 方案3

2.4.3 第3阶段方案设计与评价

第3阶段施工时，盖挖段中板、明挖段中板已施工完毕，部分施工场地可以由二维平面优化至三维空间。所以朝阳村站在场地布置后期充分考虑了纵向深度带来的优势，只需将综合关系密切的场地移至已完成的结构板处，并与调整前的方案进行对比。结合第3阶段各作业单位的密切程度，确定场地布置如图10所示。

在阶段2的相对最优方案基础上，对部分区域经过搬迁至结构负1层，场地占地面积可进一步缩短，实现部分交通恢复。经过计算，在阶段3如果延续阶段2的布置方案，其运输成本与管理效率强度分别为：6.80，24.72；优化后的方案运输成本与管理效率强度为：4.732，26.67；二次搬运产生的成本为：1.07，综合比较后，第3阶段的方案布置明显优于第2阶段的相对最优方案，且场地占用进一步减小。

2.5 动态方案确定

在施工第1阶段，确定图8(a)为相对最优方案；施工第2阶段，顶板已施工完毕，明挖区进行土方开挖以及结构施作，可充分利用盖挖区顶板空间，通过分布各作业区域，场地占用有所减小，并确定图9(c)为阶段2相对最优方案。第3阶段充分利用已施工的结构板作为设备、材料占用场地，相比于延续第2阶段的场地布置，虽然在进行调整时产生了场地搬迁费用，但总体上提高了施工效率，降低了运输成本，所以确定第3阶段的相对最优布置为图10。

图10 朝阳村站施工阶段3场地布置方案

3 动态布置方案效果评价

对朝阳村地铁车站进行整个主体结构施工过程的动态场地规划，虽然无法得到绝对最优方案，但在考虑物流成本，管理效率以及二次搬运三大因素情况下，能够得到相对最优方案，将各阶段相对最优方案进行串联，得到整个施工过程的动态场地布置。此外，通过方案设计及分析，在充分运用既有空间的情况下，施工场地逐渐缩小。第1阶段施工工期93 d，施工占地面积10 671 m2；第2阶段施工期170 d，占地面积9 680 m2，较初始场地面积缩减991 m2；第3阶段施工工期281 d，施工占地面积9 083 m2，相比于第2阶段面积继续缩减597 m2。与静态布置相比，动态场地布置大大降低了占地费用，场地面积变化如图11所示。

图11 朝阳村站施工场地面积变化图

4 结论

1) 将SLP系统布置法引入到地铁车站施工场地布置中，在此基础上将施工全过程进行阶段划分，确定各布置区域的可移动类型，并建立考虑不同布置区域的物流搬运成本、施工管理强度以及二次搬运的方案评价模型，从而提出一种动态的施工场地布置方法。该方法利用评价模型确定不同阶段的相对最优方案，最终将各阶段的相对最优方案进行组合串联，实现整个施工过程的方案优化布置。

2) 将提出的地铁车站施工场地动态布置方法应用于长沙轨道交通6号线朝阳村站，并在规划布置过程充分考虑既有场地和已施作的结构板，利用各作业区域的综合关系以及评价指标确定不同阶段的相对最优方案。同时，3个阶段的施工工期分别为：93，170和281 d，占地面积分别为：10 671，9 680和9 083 m2，第2阶段相比于第1阶段减小占地面积991 m2，第3阶段相比于第2阶段减小占地面积597 m2。朝阳村站在动态场地布置规划中摆脱了传统围挡结构“一占到底”的状况，在实现作业区域优化的同时，大大缩减了占地费用，节约了土地资源。

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Study on programming of subway station construction site based on dynamic site layout planning

JI Hongqi1, ZHOU Jiaqing2, LI Lei1, SHI Chenghua2, LEI Tao1

(1. China First Highway Engineering Company Ltd, Beijing 100024, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The construction site of urban subway is narrow and takes up a long time. The dynamic adjustment of the site in the construction process can effectively save land resources. In order to avoid the malpractice of the construction site dynamic adjustment only by experience arrangement, a DSLP dynamic site layout planning was proposed. Based on the traditional SLP system layout method, this method divided the construction stages and determined the movable type of the site. According to the comprehensive relationship between different operation areas in each stage, schemes were designed and evaluated according to the material handling cost, construction management intensity and secondary handling index, so as to determine the relative optimal scheme in each stage. Finally, the scheme in each stage were connected in series to form the dynamic planning layout of the whole construction process. The method and evaluation system were applied to Chaoyang village station of Changsha rail transit line 6, which greatly reduced the construction area and provided effective guidance for site layout.

construction site; site layout; dynamic programming; SLP (systematic layout planning); evaluation index

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190989

TU72

A

1672 − 7029(2020)07 − 1865 − 09

2019−11−09

国家自然科学基金资助项目(51778636)

施成华(1973−)，男，安徽黄山人，教授，博士，从事隧道与地下工程研究；E−mail：csusch@163.com

(编辑 蒋学东)