基于大系统理论的复杂地形土方调配优化研究

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:91
论文字数:38244 论文编号:sb2021042614054835314 日期:2021-05-11 来源:硕博论文网
笔者对本次土方调配方案进行综合评价,建立了土方调配综合评价体系,以土方调配的成本管控、进度控制、安全措施、环境保护四方面作为评估指标。通过邀请专家打分的方式对该方案进行评分并根据专家所给出的分数建立评判矩阵。最后运用模糊层次分析法对该方案进行了整体评价。评价结果表明该土方调配方案在这四方面的控制都取得了不错的效果。进一步说明了大系统理论在山地复杂条件下对土方调配工程的应用可行性。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
近些年来,随着中国经济的讯速发展和社会生产力的显著提高,城市化进程不断地加快,在大力推进城市建设的过程中同时也产生了一系列的矛盾和问题,例如城市可利用土地严重匮乏,乡镇人口向城市地区的大规模迁移导致城市人口过密,因此一些学校、工厂之类的建筑物需要搬迁至郊区以缓解城市拥挤的局面。而在大多数的工程建设中都存在有土方工程,其中土方调配更是土方工程的核心工作。土石方调配是指在工程施工过程中,为了将原始地形形成能够满足使用需求的建筑物(如堆石坝、路基、基坑、防空洞、山体隧道等),对常态下的土方、石方所进行的挖掘、回填、弃置、以及运输等一系列操作的总称[1]然而在我国大多数工程建设中,项目管理人员在进行土方调配方案的编制过程中往往按照过去的经验来制定,这样会对工程的工期和成本造成极大影响。例如云南某水电站项目在对土石方进行开挖时,由于项目管理人员未对实际地形进行考察,仅凭过去的经验进行土方调配方案编制,最后导致实际土方开挖量比计划开挖量增加 40%,从而对该项目成本造成极大损失并严重影响工期。某公司开发的大型住宅小区项目开工后,由于地形复杂,土壤种类较多,管理人员在进行土方施工方案编制时未对以上因素进行考虑,最后导致施工现场进度缓慢,施工成本也大幅度超过了预算。
综上所述,土方调配方案在编制过程中要因地制宜,不同的项目其土方工程的特点也不同。目前国内对山地复杂地形的土方调配优化研究较少,如何对山地复杂地形进行土方调配优化,对于建设项目的成本和工期有着重要的作用。
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1.2 国内外研究现状
土方调配研究的关键点在于优化建模,随着众多学者的深入研究,多种土方调配模型涌现出来。根据调配问题的不同工程特点和背景以及不同的理论基础,可以分为线性规划模型、动态规划模型、多目标规划模型等土石方调配优化模型[3]。建立这些模型时通常以土方工程的施工计划和施工条件作为约束条件,以土方调配量作为决策变量来寻求土方调配系统成本最低的调配方案。
1.2.1 国外研究现状
Mayer 和 Stark(1981)提出并构建了土方调配的线性规划数学模型,并且根据土方累积图的不足,将模型进行了较大的改进。例如,土方调配方案的运距与运输费用不成比例的问题、土方调配区域土壤物理特性质不同的问题[4]。
Mohamad(2007)等通过对工程挖方区和弃方区的容量模糊性进行充分考虑,并在影响填方单价和开挖单价的因素模糊性的基础上,提出一种与道路工程相符合的模糊线性土方调配规划模型[5]。
Kim.S.K.(2013)提出土方调配效益的四项影响因素:工程概况、施工机械特点、场地环境、管理团队。并根据此四因素建立了土方调配自动化系统。该模型可根据现场情况自动编制施工机械的生产计划,并在施工过程中进行无缝对接的协同工作方法。此外,Kim.S.K 教授等人还提出一种自动工作识别和调度的方法,可进行土方智能部署,资源自动分配,对土方施工的效率有显著的提高[6]。
Se-In Hwang(2014)提出一种采用遗传算法求解土方规划模型,并通过开发软件以矢量图的形式来选择最优路径,然后将优化的路径数据和可能的组合输入至土方调配规划模型中,并用遗传算法去求解该模型,最后得到一个可行的时间表用于现场管理人员以更高的效率来管理土方作业[7]。
R.L. Burdett(2014)等对大规模土方调配的规划进行了深入研究,开发了一种“块理论”方法,其原理是通过动态计算运输路线来考虑不断变化的地形,连续采用最短路径算法来计算每次运输成本,然后将这些成本汇总以得到更精确的得到运输成本[8]。
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第 2 章 相关理论基础

2.1 土方调配基本理论
2.1.1 土方调配的定义
土方调配[22]在道路、渠道、堤防、土地平整、城区规划、矿山等工程建设中广泛存在,是工程建设中基本的,也是极为重要的一部分。土方调配是指土方分配工程是指在自然条件下进行系统的土方工程的开发,以进行挖掘,填埋和运输,以便在建筑过程中形成具有特定物理和空间属性的建筑物(基础,水坝,地下洞室,路基,隧道等),是项目建设的基本组成部分。土方调配应考虑项目场地条件、土方施工和工期要求,以及分批和分阶段进行的工程施工。在优化的前提下,应尽可能平衡填方和基坑的开挖量,以免重复开挖和施工。总而言之,土方调配优化的目的是在满足工程工期和质量要求的前提下,对场地内的土方有规划的进行调动,使土方调配工程的总成本最低。
2.1.2 土方调配工程的组成要素
(1)挖方区
挖方区是指根据施工现场土壤或地貌的设计图需要开挖的土方工程的总称。挖方区域可分为两类:一是根据土壤条件和现场设计要求进行的原始土壤的开挖、外运和回填。二是根据场地地形和地形的设计要求进行场地建设。
(2)填方区
填方区是指需要根据施工现场土壤或地貌的设计图纸要求填筑土方区域的总称。填方区域也可以分为两类,其一是先挖再填的工程,其二是直接填筑的工程。
(3)中转区
中转区是指由于土方开挖与填土不是同时进行,用于临时堆放土壤的场所。
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2.2 土方调配线性规划模型介绍及其求解方法
线性规划(Liner Programming,简称 LP)是属于运筹学的范围,主要用于解决线性约束条件下的线性目标函数的极值问题,即在已有资源条件的限制下,用最少的人力和物力来得到最大的经济效益。线性规划广泛应用于工程管理、商业生活、管理科学、军事等领域,是“运筹学”中应用最广泛、理论最成熟的方法[25]。
CharnesA教授[29]在二十世纪六十年代初期对线性规划问题做出了系统的讲解,为后续研究奠定了一定的理论基础。随着对线性规划问题的深入研究,新的算法不断的研究出来,比如对偶单纯性法、灵敏度分析、分解算法等,为求解线性规划问题提供了许多新的方法。在二十世纪七十年代,Stark 和 Nicholls 首次在土方调配中建立了线性规划模型,为土方调配的优化提供了一种新的方法[30]。下面是求解线性规划问题的一般步骤:
(1)确定目标函数
在土方调配工程中,最终目标是土方调配总成本最小,因此目标函数就是总成本。
(2)确定约束条件
由于挖方区和填方区有土方量的限制,因此不能无限制的挖或填,所以此时约束条件为挖土量不得超过其挖方区的总挖方量,填土量不得超过填土区所需的回填量。
(3)求解线性规划模型
求解线性规划问题可用单纯形法和大 M 法来解决,下面对两种方法依次进行介绍。
图 2-1 单纯形法求解流程图
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第 3 章 大系统土方调配优化模型的建立............................... 25
3.1 场地内土方的流向.................................. 25
3.2 土方调配影响成本的因素............................ 26
第 4 章 工程实例............................... 35
4.1 工程简介.............................. 35
4.1.1 工程信息............................... 35
4.1.2 工程地质构造......................... 35
第 5 章 基于模糊层次分析法的土方调配综合评价............................. 47
5.1 土方调配综合评价体系的构建................... 47
5.2 综合评价............................... 49

第 5 章 基于模糊层次分析法的土方调配综合评价

5.1 土方调配综合评价体系的构建
本文采用三层次两阶段的综合评价模型对该土方工程土方调配后进行综合评价。把土方调配的整体效果作为评价模型的目标层,成本管控、进度控制、安全措施、环境保护这四方面则为该模型的系统层。成本管控评价中选择土方开挖单价、运输单价、回填单价作为重要的评价因素。进度控制评价中选取施工机械的合理性选择和调配区域的位置作为重要评价因素。环保评价中选择植被破坏程度、垃圾与粉尘产生量以及噪音污染作为重要评价因素。评价体系如图 5-1 所示。
图 5-1 土方调配评价体系Fig.5-1 Earthwork allocation evaluation system

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结论与展望


随着基础设施建设的大力推行,越来越多的工程建设会处于山区环境,山区环境地势起伏不定,土壤类型多。对于这类复杂地形的土方工程,通过大系统分解协调理论与土方调配优化模型相结合,对以后类似的工程建设有着极大的意义。本文以承德某山地项目为研究对象,主要取得以下研究成果:
(1)分析了土方调配工程中的组成因素以及施工过程中土方的流向,对土方调配的费用组成进行了叙述,并对土方调配过程中各项单价的影响因素进行分析,建立了土方调配单价模型。
(2)运用了无人机倾斜摄影技术与 BIM 软件 Autodesk Revit 相结合的方法,为以后复杂地形进行土方量计算和可视化分析提供了一种新的方法。
(3)将大系统分解协调理论与土方调配规划模型相结合,根据本工程实际情况,采用空间结构分解规则对调配区进行分解,将土方调配中的相关参数引入模型中,建立了土方调配大系统分解协调模型,并运用软件 MATLAB 该模型进行求解,得出本案例的土方调配方案。并根据调配方案对调配区域的划分与施工机械的选择给出了建议。
(4)对本次土方调配方案进行综合评价,建立了土方调配综合评价体系,以土方调配的成本管控、进度控制、安全措施、环境保护四方面作为评估指标。通过邀请专家打分的方式对该方案进行评分并根据专家所给出的分数建立评判矩阵。最后运用模糊层次分析法对该方案进行了整体评价。评价结果表明该土方调配方案在这四方面的控制都取得了不错的效果。进一步说明了大系统理论在山地复杂条件下对土方调配工程的应用可行性。
参考文献(略)


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