綜合管廊與地鐵協同共建方案優選方法

孫 川，唐夢蕓，盧 明，苗雷強，劉云鵬

（1.石家莊城投建設開發有限公司，河北 石家莊 050000；2.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050000，E-mail：863834476@qq.com；3.石家莊市綜合管廊及地下空間工程技術創新中心，河北 石家莊 050000；4.河北省建筑工程質量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050000）

近年來，我國工業化、城市化進程不斷推進，在地下綜合管廊、城市軌道交通和城市綜合體建設的帶動下，城市地下空間的開發利用進入快速發展階段。目前國內城市地下空間的利用也逐步由原始的“單點建設、單一功能、單獨運轉”模式向“統一規劃、多功能集成、規?；ㄔO”的模式轉化[1]。

價值工程運用于工程建設項目中已存在不少案例，Youssef Medhat 等[2]將價值工程應用于AI-Khums市的學校模型，使得最重要項目節省幅度在20%~30%之間，從而降低了整個項目的成本。Atabay ?enay[3]提出了一種如何選擇基于價值的可持續的材料方法，并作為案例研究，選擇了一種使用LEED標準可作為建筑外圍護結構材料的產品，用于為可持續綠色建筑提供認證。秦寶來等[4]依據價值工程的基本原理，通過系統分析鐵路規劃設計方案的功能屬性和成本要素，建立鐵路設計方案的功能指標系統和成本指標系統，形成鐵路方案價值指標體系，并運用于實際工程案例。但由于目前針對城市綜合管廊與地鐵合建項目可參考經驗較少，設計方案選取往往根據專家經驗，對方案進行定性判斷，當投入使用時往往存在功能與成本投入不匹配或功能投入過剩的問題[5]。因此，基于價值工程理念建立適合城市地下綜合管廊協同地鐵共建方案優選方法，力求在方案成本與功能之間達到一種平衡，對地下空間可持續發展具有重要意義。

本文基于價值工程理念，在運用協同理念建立綜合管廊協同地鐵共建工程功能指標的基礎上，采用多比例系數法對子功能指標評分的基礎上綜合考慮各子功能指標對整個功能系統的組合權重大小，再結合各方案成本系數計算各方案價值系數，從而實現對各個方案進行量化分析，從中選取最優方案。

1 功能分析指標體系

本文研究的是基于價值工程理念的綜合管廊與地鐵協同共建布局方法，更多的是一種協同模式的研究運用。價值工程理念本身追求的目標就是事物價值與成本的一種協同，力求在項目價值的實現過程中，能實現較少的成本。對于獨立的管廊和地鐵項目來說，有各自的功能滿足要求，但對于合建項目來說，需要合建方案能同時滿足管廊與地鐵的最佳使用功能。針對協同理論，各個子系統之間通過交流、協調、共同協作形成一個有效的集體效應，各子系統之間就能產生1+1>2 的整體協同效應[6]。協同理論對建立綜合管廊及地鐵共建功能分析指標體系具有較高的適切性，在建立功能分析指標模式的過程中，對某一方案的評價需要兩者功能系數同時達到最大化。具體思路如圖1 所示。

圖1 基于改進功能分析—價值工程理念的綜合管廊協同地鐵建設方案優選思路圖

對綜合管廊協同地鐵建設方案進行功能指標分析是將價值工程理論中功能系統部分進行定性描述，將功能進行分類整理及系統化分析，按照功能分析步驟，通過查閱資料、實地調研、咨詢專家的方法，從功能重要程度出發，可以將功能分類為基本功能、輔助功能與一般功能。其次，對功能分類進行定義，基本功能即所選方案需滿足管廊與地鐵承載對象（管線、乘客）的需要，體現方案的安全性及適用性；輔助功能即在滿足基本功能的同時，仍需要考慮建設周期、與周邊景觀及規劃協調性等，體現方案的經濟性、合理性；輔助功能體現在建設項目的舒適性。

按照各功能間的邏輯關系，在確定功能分類和功能定義的基礎上，繪制功能系統圖。通過分別確定管廊及地鐵功能指標，運用協同理念將同類功能指標合并，不重要指標剔除，將形成的指標體系設計調查問卷采用專家調查法向行業內30 名專家咨詢，最終將管廊及地鐵合建項目功能指標分為基本功能、輔助功能、一般功能三大類，其中，安全使用是項目的首要要素，基本功能需要首先保證結構的安全性，其次施工期與運營期的風險可控性，再次載體功能可行性包括管線入廊可行性與管線空間供給情況、乘客換乘便捷性與可承載客流量，最后由于管廊與地下軌道交通（地鐵）需要滿足人員進入條件，結構的通風性與防水性也是很重要的功能；輔助功能包括所建項目需符合遠期規劃要求、與周邊環境與景觀可協調性、工期合理性與工序簡易性、人防及緊急疏散功能、結構后期維護頻次；一般功能包括項目是否能創造良好的社會效益與經濟效益，項目的整體布局（包括平面布局與空間布局）是否合理及施工工序的簡易性，具體功能指標體系[7~10]如圖2 所示。

圖2 綜合管廊協同地鐵建設功能指標圖

2 方案優選模型

基于價值工程理念的綜合管廊協同地鐵共建方案優選方法，本質上是通過對評價方案的功能系數與成本系數進行量化分析，從而確定方案的價值系數[11]。在實際方案比選中，往往是由一個或者某幾個專家通過運用自身經驗討論而決定某一個方案，對專家的主觀性依賴較大，而通過計算價值工程系數則可以對評價方案進行量化，從而選出滿足使用功能的最合適成本，達到項目使用功能與成本投入的匹配最佳狀態。在確定價值工程系數過程中，成本往往是可以量化計算的，而對功能進行量化計算則是本方法優選模型主要解決的問題。

2.1 成立價值工作小組

根據GB/T 8223 中對價值工程基本術語和一般工作程序規定，價值工作小組成員一般在10 人左右。對待選方案功能的分析通過分析各功能指標對整個功能系統所占權重及各方案滿足功能評分兩方面綜合考慮，本質上屬于價值分析的一部分。按照價值工程工作小組要求[12]，選取從事地下空間專業，職稱高級工程師以上且熟悉價值工程理論的專家10 名作為價值工程評價小組成員，涉及設計、施工、運維、管理等行業，如表1 所示。

表1 評價專家組人員情況介紹表

2.2 功能系統分析

2.2.1 功能指標權重分析

在進行功能指標權重分析時，通常采用AHP法[13]，但由于AHP 法受專家主觀因素影響較大，故對各個功能指標權重的分析在運用AHP 法計算主觀權重的基礎上，再采用熵權法確定客觀權重，最后采用乘法集成法計算綜合權重作為功能指標最終權重，這在一定程度上可以削弱主觀因素對計算結果的影響。

（1）AHP 法確定主觀權重。通過對價值工程工作小組專家發放問卷，將各個功能指標對整個功能系統影響權重大小按AHP 法原理構建判斷矩陣R=(rij)n×n，判斷標準采用Scale[1-9]尺度[14]，并使其通過一致性檢驗。

（2）熵權法確定客觀權重。熵權法通過指標信息熵與信息量成反比的原理求取客觀權重。對判斷矩陣R進行標準化處理后得到標準矩陣R′，計算熵值與熵權，V即為所求客觀權重。

（3）乘法集成法確定綜合權重。將AHP 法所求的主觀權重與熵權法所求的客觀權重兩者運用乘法集成法求取綜合權重γ。

（4）各子功能系數最終綜合權重。將求得的管廊協同地鐵共建項目各上位功能及子功能定義綜合權重兩者相乘，求得各項子功能相對于整個功能系統的最終綜合權重。

運用上述計算過程，最終求得基本功能、輔助功能、一般功能各項上位功能權重分別為0.7256、0.2190、0.0544，各項子功能權重結果具體如表2所示。

表2 功能指標權重結果表

2.2.2 功能指標評分

功能指標評分法通常有直接評分法、重要性系數法、0-1 評分法、0-4 評分法及多比例評分法等。0-1、0-4 評分法主觀性太強；直接評分法與重要性系數法往往需要各個評價功能指標間需要明顯的邏輯可比性，故本文采取多比例評分法進行功能指標評分[15]。通過前文構建的功能評價指標體系，對各個待選方案進行的功能指標評分，進而計算各個待選方案的功能系數，具體步驟如下：

（1）將每個待選方案看成一個獨立的個體。

（2）為盡可能體現功能差異性，按照多比例評分法（0，10）、（1，9）、（2，8）、（3，7）、（4，6）、（5，5）這幾種比例進行打分的原則，參照表3“待選方案基本功能指標評分表”建立“輔助功能”“一般功能”功能指標評分表，對不同方案的相同功能進行比較評分（表格“*”處）。

表3 待選方案基本功能指標評分表

（3）將表3 各行求和得到“待選方案基本功能指標”得分，然后將各方案基本功能、輔助功能、一般功能求和得到各方案最后功能得分。

2.2.3 功能系數綜合分析

在前文求得各個待選方案各項指標評分表基礎上，綜合考慮各項功能指標最終綜合權重，求得各項指標加權后的功能評分即為各個待選方案功能最終得分，將各個待選方案得分值與各待選方案得分之和相除，計算得到功能系數，即為功能系數綜合分析結果。

2.3 成本系統分析

價值工程理論中提及的成本并非單獨某一時期成本，強調的是整個壽命周期成本。由于綜合管廊與地鐵合建方案成本包括建設期成本及運營期成本，本文出于以下兩點考慮僅考慮建設期費用，一是運營成本按年計算，每年的運營期費用相較于建設期費用來說是比較小的；二是對于任何一個待比選方案的運營期成本相差是不大的。故本文主要考慮各方案建設期成本[16~18]。各方案建設期成本與各方案建設期成本之和的比值為各方案成本系數。

2.4 價值系數計算與判斷

根據價值工程理論V=F/C，通過計算功能重要性系數和成本系數的比值，求出價值系數，再根據價值系數大小判斷對象的價值。通過判斷價值系數與1 間的關系選取合適方案，具體如表4 所示。

表4 價值系數判斷方案表

3 工程案例

某城市待建A 項目擬為地下綜合管廊與地鐵車站合建工程，目前處于方案待選階段?，F存在3個比選方案，方案Ⅰ擬建綜合管廊位于車站主體結構上方，與車站主體結構共頂板；方案Ⅱ擬建綜合管廊位于車站出入口下方，與車站出入口共底板；方案Ⅲ擬建綜合管廊位于車站一側，與車站主體結構相鄰?，F需從3 個方案中擇優選取最優方案。

3.1 功能系數分析

根據前文求得各個指標功能權重，邀請價值工作專家小組成員10 人運用多比例系數法按前文提及的功能指標評分法對3 個待選方案的各項功能指標分別進行評分，最終將評分結果填入功能指標評價表，求取各方案得分與總方案得分比值，即為各方案功能系數，結果均保留4 位小數，求得方案I、方案Ⅱ、方案Ⅲ各方案功能得分分別為8.1735，10.2574，11.5751，3 個待選方案總得分為30.0060，進而求得方案I 功能系數0.2724、方案Ⅱ功能系數0.3858、方案Ⅲ功能系數0.3418。具體各待選方案功能評價如表5 所示。

3.2 成本系數分析

對3 個待選方案建設期成本進行計算，求得各方案成本分別為0.229 億元、0.242 億元、0.258 億元，3 個方案總成本和為0.729 億元，故成本系數分別為0.314、0.332、0.354，如表6 所示。

3.3 價值系數分析

根據價值工程理論，求得3 個待選方案價值系數分別為0.8675、1.1620、0.9655?？芍桨窱 和方案Ⅲ，功能系數與成本系數比值小于1，還存在可優化區間，故3 個方案中方案Ⅱ作為最優方案，擬建綜合管廊位于車站出入口下方方案，如表7 所示。

表7 待選方案價值系數計算表

4 結語

本文在運用協同理論“1+1>2”效應的基礎上，按照價值工程對功能系統分析步驟，建立城市地下綜合管廊協同地鐵共建工程功能分析指標，將合建工程功能按功能指標重要性分為“基本功能”“輔助功能”“一般功能”3 項上位功能及其13 項子功能因素。在地下綜合管廊協同地鐵共建工程功能指標的基礎上，通過AHP 法與熵權法進行組合賦權的方式求取各項子功能指標綜合權重，在一定程度上削弱了主觀因素的影響，進而得出子功能指標對整個功能系統的影響大小與排序。建立了基于改進功能分析-價值工程理念的綜合管廊協同地鐵建設方案優選方法，該方法對價值工程理念中的功能系統分析進行改進，采用多比例系數法對子功能指標評分的基礎上綜合考慮各子功能指標對整個功能系統的組合權重大小，再結合各方案成本系數計算各方案價值系數，從而實現對各待選方案進行量化分析，選取最優方案。將基于改進功能分析-價值工程理念的綜合管廊協同地鐵建設方案優選方法運用于實際工程背景案例方案選取，驗證了該方法對同類工程方案比選具有可操作性及推廣性。