基于价值工程的排污深隧工程方案比选

2022-02-21毕文玲BIWenling王文艳WANGWenyan王容WANGRong崔紫铭CUIZiming

价值工程 2022年6期

毕文玲BI Wen-ling；王文艳WANG Wen-yan；王容WANG Rong；崔紫铭CUI Zi-ming

（①湖北省招标股份有限公司，武汉 430000；②湖北诚康未来工程咨询有限公司，武汉 430000；③中工武大诚信工程顾问（湖北）有限公司，武汉 430200；④华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074）

0 引言

近年来，武汉市迅速发展，水体污染的现象越来越严重。武汉市中水污染的主要原因是仍保留合流制的排水系统，这导致武汉市污水处理能力不足，缺乏完善的排污系统，由此促使排水系统溢流污染和区域内涝问题格外突出。工程项目决策阶段对于工程成本造价的影响远远超过后期设计与施工，笔者认为可以将价值工程应用于排污深隧的决策阶段进行方案比选与优化，可有效降低成本、提高功能价值，避免概算超估算，预算超概算，结算超预算的情况。

1 排污深隧工程概述

1.1 研究背景

城市排水系统是必不可少的设施系统，它的作用是收集生活、工业产生的污水和降水地表径流并集中运送至污水处理厂，避免污水积累危害城市及居民健康，既可以保护环境又可以改善居民生活、促进城市发展，进而保证城市生产正常运行、人民健康和正常生活不受干扰[1]。（图1、图2）

图1 我国排水系统情况示意图

图2 武汉市排水系统情况示意图

然而随着武汉市的快速发展，污水总排放量也在增长，原有的合流制排水系统已经无法满足人们的需求，区域性内涝和溢流污染问题愈发频繁。深层隧道排水系统相比于合流制具有节约土地资源、提高排水管网系统截流倍数、解决初雨污染、为污水处理厂的运行提供更加灵活的方案选择等优势，可以有效解决溢流污染问题，全方位提高全流域排水标准。（图3、图4）

图3 合流制排水系统

图4 排污深隧系统

1.2 目的与意义

武汉市的排水系统相较于发达国家城市发展明显落后，当雨水量过大时，一旦排水系统无法及时排除则会引起区域性内涝，与此同时内涝积水和地表径流会将排水管道中积累的污染物带入积水中，引起溢流污染，严重破坏城市水环境和居住环境[2]。

采用排污深隧系统取代传统的合流制，修建深层隧道排放污水可以基本消除溢流污染，相比于合流制可以减少占用土地面积、提高截流倍数、减少初雨污染、减少地面施工对周边环境的影响、灵活调度污水处理厂运行，有效提高全流域排水标准，符合武汉现状及未来发展方向，有利于辅助推动城市建设。

1.3 国内外建设现状

1.3.1 国外排污深隧建设现状（表1）

表1 国外代表性深隧工程介绍[3]

1.3.2 国内排污深隧建设现状（表2）

表2 国内代表性深隧工程介绍[3]

2 排污深隧结构组成及特点

2.1 排污深隧结构组成

排污深隧系统主要结构包括深隧管道、入流竖井、排水泵组、通风设备和排泥设施五大部分[4]。

①深隧管道可细分为一级管道至三级管道。浅层排水管道内的污水先由三级管道收集集中，后经过二级管道输送至一级深层管道中。一级管道埋深大于30米，为主干隧道，可避开城市已有水电管网；排污深隧系统一级管道直径跨度较大，几米至十几米都较为常见，能够为排水系统提供额外的调度空间，用于运输调节储蓄城市中强弱降水径流或收集到的污水。

②排污深隧系统通过竖井收集雨水或污水，并将污水从浅层排水系统运输到深层排水系统。竖井内部会采用涡旋下落、跌水等消能措施引导水流大幅度下落，避免水流将较大的重力势能转化为内能进而损害管道。工作人员进行维护修复工作时也是通过竖井进入管道的。

③排水泵组负责将排污深隧管道内的水提升至地面的污水处理厂之中，也可用于排污深隧中不同蓄水区域之间调度的工作。

④通风设施主要用于针对强降水等情况，避免大量雨水流入时形成有压气腔，占据隧道内水流空间，减少输送水量，影响水流输送，因此需要设置通风孔口排出多余气体。

⑤排污深隧系统管道埋深较大，水流在较深地层中易携带固体颗粒物，导致淤泥沉积堵塞管道，占据大量的管道蓄水空间，需布置有效检查、清淤措施定期清除管道内沉积的淤泥。

2.2 排污深隧的特点

排污深隧将调蓄输送污水的工作转移至地下，可大量节约土地资源，同时由于深层隧道的建设可大幅提高排水管网排放污水的能力，因此提高了排水管网系统截流倍数，可灵活调度污水处理厂运行。排污深隧有效解决污水溢流问题，实现了初期雨水处理、控制面源污染，预防暴雨天气的溢流污染与城市内涝。

由于排污深隧工程位于地下空间深层，且工程量较大，因此初期工程费用投资较大，适用于建筑密度较大，拆迁困难地区。同时由于埋深较深的问题，运行时的提升泵站耗电较多，导致运行成本高，清理维护成本较高。

3 排污深隧成本构成

排污深隧工程成本从费用种类可分为直接费、间接费和税金。其中直接费由直接工程费和措施费构成，间接费由规费、企业管理费构成，税金包括营业税、营业增值税等，详细构成见图5[5]。

图5 排污深隧施工成本图

从施工器械和措施的角度可分为管片费用、二次衬砌费用、盾构机费用、掘进设备费用、其他工程设备费用、废土处理费用、掘进劳务费、竖井建造费用、进出洞防护费用等，各项费用具体占比见表3[6]。

表3 排污深隧成本费用构成

综上所述我们可以看出排污深隧工程量大，使用设备多，成本构成复杂，结合国内已建的排污深隧工程成本，可知此类工程预算一般在15-30亿不等，因此此类工程造价普遍较高，对于预算的控制、方案的比选优化就尤为重要。

4 价值工程在排污深隧中的应用

4.1 价值工程的理论基础

4.1.1 价值工程定义

价值工程（Value Engineering，简称VE）是一种经济方面的管理方法，价值工程力求尽可能的降低产品成本，实现产品的核心功能，以此提高产品价值，进而提高企业效益。价值工程的关系式为：

其中V表示价值系数，是指产品本身的效益，F表示功能，是指产品的使用价值，C表示成本，包括制造所需的成本和使用所需的成本。综上可知，产品的价值是对产品功能与成本的综合反映，价值工程的核心是提高目标的价值，即提高目标功能，降低目标成本[7]。

4.1.2 价值工程工作程序

价值工程的程序可分为四个阶段，具体步骤与内容及所对应的核心问题见表4。

表4 价值工程工作程序[7]

4.1.3 价值工程的分析方法

排污深隧工程规模较大，内容较为复杂，在进行价值工程的工作时不能对所有的环节、工序等进行分析，要使价值工程的研究有针对性，能够达到预期的效果，必须有重点有顺序的选取目标对象，以下介绍价值工程选取目标对象的常用方法。

①经验分析法。经验分析法即利用有丰富价值工程实践经验人员的直观理解，综合考量多种影响因素，区分主次轻重，主观判断确定价值工程的目标。这种方法简单易于操作，可全面的考量分析问题，但这种方法缺乏定量分析，准确程度不高[7]。

②百分比法。百分比法是一种定量分析的方法。它是通过定量分析每个产品或方案的若干个技术经济指标所占的比例，并考察每个产品或方案的指标百分比的综合性比率来选择对象的方法。

③ABC分析法。ABC分析法属于重点分析法。它把所有的研究对象划分成ABC三类，其中10-20%种的构件成本占70-80%、此类产品作为A类；20%种类的构件成本占20%左右，此类产品作为B类；剩余的构件作为C类。通过此类的整理划分可以准确找到关键的少数构件，进而提高价值工程的效用。

4.2 价值工程的数学模型

本文将价值工程应用于排污深隧工程的方案比选与优化中，定量分析比较各个方案，总共分为三个步骤[8]。

①评定各方案的技术得分与经济得分。

采用加权评分法对每个方案进行技术上和经济上的评分。每个方案对各项技术性评价符合程度评分的权数和即为该方案的技术评分，同理每个方案对各项经济性评价符合程度评分的权数和即为该方案的经济评分。

②计算各方案的技术指数与经济指数[8]。

技术指数计算公式为：

经济指数计算公式为：

其中Tli为第i个方案的技术指数，TSi为第i个方案的技术评分，Eli为第i个方案的经济指数，Ci为第i个方案的工程造价，C0为工程造价限值，i为方案序号，m为方案个数。

③计算各个方案几何平均值，进行比较择优并提出优化方向[8]。

几何平均值最大的方案即为最优方案，几何平均值计算公式为：

其中Ki为第i个方案的几何平均值。

4.3 工程案例分析

对于方案的选择评价，要从该方案的技术性、经济性、社会性三个方面综合考量，进而推选出更为合理优秀的方案。由于社会性因素较难量化，因此应用价值工程法时一般只计算经济性和技术性的指标，而对方案的社会性只做定性分析，综合权衡技术指标和经济指标，从各个方案中择优。

现对某排污深隧的设计方案进行选优，设计人员根据建设现场状况及相关建设要求提供了四个设计方案，这四个方案由于其线路选择不同导致其线路长度、埋深和内径不同，同时各个方案的设计排水能力、运行消耗、清理清污难度也有差别。其中A方案管道支线较多、各项指标能力均较为优秀，同时其计划修建的地下水库极大的加强了其排水能力，也间接提高了它的造价。B方案在A方案的基础上通过修改线路、取消地下水库等措施降低了其排水能力和预算。C方案的设计则是较多从经济效益的角度考虑，因此其排水能力并不优异，刚满足此工程的设计要求。D方案是在C方案的基础上以付出部分经济效益为代价加强其排水能力。价值工程组根据收集的资料与相关调查情况设置了排水排污能力、运行消耗、清理难度、耐久性、规划合理性、技术难度、施工进度等指标进行评教比选。排污深隧工程量大，设计施工难度较高，因此造价限定在22亿。

①评定各方案的技术得分与经济得分。（表5）

表5 指标重要权数和方案技术评分表

②计算各方案的技术指数与经济指数。（表6、表7）

表6 技术指数表

表7 经济指数表

③计算各方案的几何平均值。（表8）

表8 几何平均值表

由上述计算结果可知，虽然A方案的技术指数最高，但由于其预算金额超过了限定值导致其经济指数为0，因此A方案不符合实际要求。在剩余方案中C方案的技术指数最低，但是其预算金额低于其他方案，使其经济指数远超其余方案，因此综合技术指标和经济指标共同评价各个方案C方案最平衡，也是最优方案，后续的方案优化可以从提高成本优化技术，进而提高方案的功能。综上所述，在排污深隧的方案比选优化中，应用价值工程理论评选出最优方案并给出方案进一步优化的方向是可行的。