基于系統(tǒng)動力學(xué)的地鐵盾構(gòu)施工的工程項(xiàng)目期控制模型研究

基于系統(tǒng)動力學(xué)的地鐵盾構(gòu)施工的工程項(xiàng)目期控制模型研究

0基于系統(tǒng)動力學(xué)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制的優(yōu)化模型施工時(shí)間控制是對施工速度和施工進(jìn)度的全面控制。地鐵盾構(gòu)施工能否成功,關(guān)鍵在于工期的控制優(yōu)化。影響盾構(gòu)施工的因素錯綜復(fù)雜,不僅包括盾構(gòu)機(jī)的總推力、土艙壓力、刀盤扭矩等機(jī)械因素,也包括盾構(gòu)操作人員的專業(yè)素養(yǎng)及作業(yè)班組組織模式、管理方法等人為因素。加之TBM具有同時(shí)、連續(xù)、集中的施工特點(diǎn),以及施工條件的不確定性,所以建立一個(gè)工期控制優(yōu)化的模型將是一個(gè)綜合的、復(fù)雜的、動態(tài)的過程。國內(nèi)外眾多學(xué)者對盾構(gòu)的性能優(yōu)配進(jìn)行了大量的研究工作,并取得了一定的研究成果。陶冶等運(yùn)用SPSS軟件對盾構(gòu)掘進(jìn)效率的參數(shù)影響因素進(jìn)行分析,討論了各個(gè)參數(shù)變化的敏感程度,并找出了影響盾構(gòu)施工效率的關(guān)鍵因素,提出了盾構(gòu)施工工程中掘進(jìn)參數(shù)控制的合理建議本文擬采用系統(tǒng)動力學(xué)進(jìn)行研究。系統(tǒng)動力學(xué)可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬,用于研究定性與定量的相關(guān)問題。它所建立的模型對于數(shù)據(jù)精度的要求不是很高,因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)動力學(xué)模型只要所運(yùn)用的因果關(guān)系是正確的,即使最終代入該模型的參數(shù)是近似值,通常也可以運(yùn)行出符合實(shí)際的結(jié)果。而地鐵盾構(gòu)施工過程中所記錄的數(shù)據(jù)往往是不精確的,系統(tǒng)動力學(xué)正好可以彌補(bǔ)這個(gè)數(shù)據(jù)的微小偏差,所以用系統(tǒng)動力學(xué)來研究地鐵盾構(gòu)施工工期的控制是非常合理且科學(xué)的。1研究模型1.1基于模型的方法系統(tǒng)動力學(xué)主要模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,經(jīng)常用于分析結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的系統(tǒng),建模過程能夠直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)查分析,并對模型進(jìn)行不斷完善。模型其實(shí)就是一個(gè)工具,可以進(jìn)行學(xué)習(xí),也可以對做出的決策進(jìn)行分析。SD的建模過程見表1。1.2關(guān)注特定的問題在建模的過程中,影響其系統(tǒng)發(fā)展的因素很多,但是要讓一個(gè)模型有用,必須關(guān)注特定的問題而非試圖詳細(xì)反映整個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)清晰的目標(biāo)是成功建模最重要的因素,一個(gè)為特定目標(biāo)而建立的模型會相對簡潔清楚,因?yàn)橹涣腥肷婕白罱K目標(biāo)的相關(guān)因素。要想明確地鐵盾構(gòu)工期控制模型的邊界,首先應(yīng)該分析影響該模型的因素。1.2.1對tbm作業(yè)人員的影響在地鐵項(xiàng)目的建設(shè)過程中,不同崗位人員的管理水平、操作水平、所受培訓(xùn)的程度等都會影響項(xiàng)目的工期。具體可分為以下幾點(diǎn):(1)盾構(gòu)操作人員。在盾構(gòu)的掘進(jìn)過程中,操作人員的操作熟練程度、工作的時(shí)間及受教育水平等都會對TBM的工期造成一定的影響。(2)盾構(gòu)技能管理者。在TBM運(yùn)作過程中,技術(shù)人員解決技術(shù)問題的能力、技術(shù)專業(yè)能力、學(xué)習(xí)能力等也會影響工程項(xiàng)目工期。(3)管理人員。在工程項(xiàng)目管理過程中,管理人員的管理水平、處理突發(fā)事件的能力、協(xié)調(diào)能力及被信服的程度等同樣會影響工程項(xiàng)目的整體管理水平。1.2.2影響工程項(xiàng)目質(zhì)量、強(qiáng)度及抗震能力的因素在項(xiàng)目施工過程中,材料也在很大程度上影響著項(xiàng)目的進(jìn)度。材料的供應(yīng)與采購、材料的質(zhì)量(支撐材料的質(zhì)量、裝置結(jié)構(gòu)的質(zhì)量)、材料的保管等都將影響工程項(xiàng)目的質(zhì)量、強(qiáng)度及抗震能力,從而影響工期。1.2.3影響因素分析在地鐵施工項(xiàng)目中,盾構(gòu)機(jī)械是影響工期的最重要的因素,包括機(jī)械本身的各個(gè)機(jī)械參數(shù)及引起盾構(gòu)延誤的一些因素。具體的影響因素分析如下:(1)刀具檢查與更換。(2)掘進(jìn)時(shí)間。管片安裝及機(jī)型的選擇等。(3)地質(zhì)因素。巖石爆裂、涌水現(xiàn)象、危險(xiǎn)巖石的處理等。(4)機(jī)械故障。機(jī)械原因、皮帶輸送機(jī)故障、潤滑系統(tǒng)故障及除塵器故障等。(5)工地的組織延誤因素。停電、出渣遇到阻礙、渣車換道、給排水不及時(shí)等。1.2.4地鐵的組織機(jī)構(gòu)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn),管理因素在工期控制事件中占有很大的比重。地鐵項(xiàng)目屬于勞動密集型項(xiàng)目,管理因素在地鐵施工中發(fā)揮了重要的作用。管理因素具體包括:(1)組織機(jī)構(gòu)。人員的流動性、內(nèi)部的協(xié)調(diào)性及信息的傳達(dá)機(jī)制。(2)建設(shè)單位。處理突發(fā)事件的效率、配合情況、工程款的支付。(3)監(jiān)理單位。專業(yè)水平、人員的配備情況、監(jiān)理經(jīng)驗(yàn)、溝通及協(xié)調(diào)能力等。除了涉及工程本身的一些因素,環(huán)境也是影響地鐵施工的重要因素,包括自然環(huán)境和政治環(huán)境。對于該模型邊界的劃分,結(jié)合實(shí)際情況,主要考慮項(xiàng)目的自身結(jié)構(gòu)因素,將計(jì)劃工期看作外生變量進(jìn)行模型控制,去除環(huán)境等難以量化且變化概率不大的因素,界限劃分見表2。1.3施工合同影響影響因素的差異地鐵盾構(gòu)施工的工期一般比較長,涉及的影響因素復(fù)雜,很難建立一個(gè)與實(shí)際施工過程完全符合的模型,所以應(yīng)該考慮理論與實(shí)際的差異,將一些特殊因素一般化。為了方便建立研究模型的本質(zhì)結(jié)構(gòu),做出以下假設(shè):假設(shè)1:為了保證施工如期進(jìn)行,施工過程中可能用到的材料和輔助的設(shè)施應(yīng)按需到達(dá)施工現(xiàn)場。假設(shè)2:為施工所提供的勘察及設(shè)計(jì)資料無誤,沒有因?yàn)榈刭|(zhì)勘查錯誤引起的工期延誤。假設(shè)3:一切對地鐵盾構(gòu)有影響的外部施工條件相對應(yīng)比較穩(wěn)定,如盾構(gòu)機(jī)類型的選擇以及企業(yè)內(nèi)部的項(xiàng)目管理模式等不會發(fā)生重大改變。2為地鐵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的授權(quán)模型2.1地鐵工程施工過程子系統(tǒng)模型研究TBM施工過程是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)不同的工作性質(zhì),將其分解成很多小的組成部分,施工管理者可以針對這些組成部分對項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度加以控制。施工過程子系統(tǒng)模型研究的就是這些細(xì)小的組成部分在系統(tǒng)中根據(jù)反饋關(guān)系隨時(shí)間累積的過程。由于在施工過程中存在返工、機(jī)械故障等復(fù)雜的反饋系統(tǒng),致使在實(shí)際施工中所要完成的工作量多于計(jì)劃工程量。施工過程子系統(tǒng)是整個(gè)工期控制模型的基礎(chǔ),在盡量多考慮這種復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)的情況下,描述地鐵項(xiàng)目從工程開工到竣工的工程量的變化情況。施工過程子系統(tǒng)以已完成合格工作和已完成工作為存量,反映工程量隨時(shí)間的變化,如圖1所示。2.2新員工入職率的影響人力資源也是影響模型進(jìn)度的重要因素。在工程的進(jìn)行過程中,進(jìn)度的拖延將直接影響進(jìn)度壓力,進(jìn)度壓力又將影響工作強(qiáng)度。在工作強(qiáng)度的影響下,系統(tǒng)可以通過增加新員工來追趕進(jìn)度,所以新員工的入職率將直接影響工程的施工速度。新員工入職后,要想立即作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體完成相應(yīng)的工作,需要對新員工做必要的培訓(xùn)。與此同時(shí),內(nèi)部員工也可能因?yàn)楦鞣N原因離職,因此同樣需要考慮員工的離職率。進(jìn)度壓力與工作強(qiáng)度的不斷增大也會引發(fā)員工與盾構(gòu)機(jī)械的疲勞度,從而影響工作效率。人員子系統(tǒng)以新增職工人數(shù)為存量,以新入職人數(shù)與離職員工人數(shù)作為輔助變量,以此反映員工人數(shù)對工期的影響,如圖2所示。2.3盾構(gòu)機(jī)參數(shù)化在地鐵的施工過程中,盾構(gòu)施工占很大的比例,盾構(gòu)機(jī)械將在很大程度上影響地鐵的工期。作為一種施工機(jī)械,盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)決定其運(yùn)行的效率,在不同的地質(zhì)情況下,技術(shù)人員通過控制參數(shù)的變化使盾構(gòu)的效率達(dá)到相對好的狀態(tài)。在盾構(gòu)子系統(tǒng)中,以設(shè)計(jì)盾構(gòu)參數(shù)取值作為存量,施工過程中實(shí)際的盾構(gòu)參數(shù)值將以一定的調(diào)整速率接近設(shè)計(jì)值,通過找出相關(guān)的影響因素,選取相應(yīng)的調(diào)整周期,使盾構(gòu)機(jī)在理想狀態(tài)下施工。建立盾構(gòu)子系統(tǒng)如圖3所示。2.4地鐵tbm系統(tǒng)模型上文將地鐵TBM系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng),在對其進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上分別建立了相應(yīng)的工期系統(tǒng)動力學(xué)模型。但是,本文所研究的工期控制只有以地鐵TBM總系統(tǒng)為準(zhǔn),才能更好地體現(xiàn)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系,所以需要對所建立的模型進(jìn)行聯(lián)接和融洽?？紤]到各系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,利用系統(tǒng)動力學(xué)的仿真軟件Vensim,最終建立了地鐵TBM施工工期控制的總模型,如圖4所示。3確認(rèn)證明3.1工程完成后的模型3.1.1選取研究對象本文擬采用成都地鐵1號線工程盾構(gòu)施工為對象進(jìn)行模擬仿真。經(jīng)過研究分析,選定小天竺站—省體育館站為研究對象。該區(qū)段有左右線兩臺加泥式復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作,左線的盾構(gòu)機(jī)比右線的早開工1個(gè)月,所以選取其中的一條主線即可。本文選取左線為主要研究論證對象。左線全長875.364m,工程總量為412000m3.1.2仿真步長的設(shè)定根據(jù)該工程現(xiàn)有數(shù)據(jù),為了方便研究,同時(shí)又能說明問題,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)合案例實(shí)際,對進(jìn)度壓力與工作強(qiáng)度、工作強(qiáng)度與人員培訓(xùn)的比率等難以量化的反饋關(guān)系,用表函數(shù)來表示,將時(shí)間跨度設(shè)定為250d,仿真步長以d為單位。盾構(gòu)機(jī)正常工作時(shí)間以20h工作制為標(biāo)準(zhǔn),每天集中保養(yǎng)4h,待完成工作和計(jì)劃進(jìn)度的初始值為0個(gè)單位。3.2進(jìn)度結(jié)果分析將以上模型設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)代入圖4所示的地鐵TBM工期控制總模型,并利用Vensim軟件模擬TBM施工的實(shí)際運(yùn)行情況。(1)對地鐵TBM施工工期進(jìn)行模擬并分析,模擬結(jié)果見圖5。從圖中可以看出實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃工作的基本趨勢是相同的,證明所建立的模型間的組織關(guān)系是正確的。同時(shí),由于在模型中所涉及的幾個(gè)表函數(shù)中,由于得到的資料有限,不能精確地表示它們之間的比例關(guān)系,致使模型存在一定的偏差。(2)進(jìn)度壓力的模擬結(jié)果分析如圖6所示。從圖6可以看出進(jìn)度壓力的變動情況,大概在92d以后,進(jìn)度壓力值降到0.45以下,此后始終保持在0.3~0.4。(3)盾構(gòu)工作時(shí)間的模擬結(jié)果分析如圖7所示。施工組織設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)盾構(gòu)的工作時(shí)間為20h/d,在前期進(jìn)度壓力的影響下盾構(gòu)的工作時(shí)間比較久,隨著進(jìn)度壓力趨于穩(wěn)定,盾構(gòu)的工作時(shí)間也基本保持在20h/d左右。4地鐵系統(tǒng)動力學(xué)在地鐵盾構(gòu)施工工況的應(yīng)用(1)由于資料及認(rèn)識不足,未能精確表示文章所涉及的表函數(shù)之間的比例關(guān)系,造成模型與實(shí)際的運(yùn)行仍然有一定的偏差,但是兩條曲線相同的走向可以證明將系統(tǒng)動力學(xué)用于盾構(gòu)施工的工期