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水利工程施工组织设计支持系统设计与实现水利水电技术第36卷2005年第7期
水利工程施工组织设计支持系统设计与实现
，王红卫，郭敏，邓跃跃，袁
中科技大学系统工程研究所，湖北武汉
【摘要】针对水利工程中的土方挖填平衡、拌和楼选址、集料场配供问题公路隧道施工组织设计（技术标施组），建立数学优化模型。之后
介绍了上述三个问题施工组织设计支持系统的设计与实现，详细描述了系统的功能、结构和具体实现。
【关键词】水利工程；施工组织设计；模型；支持系统；GIS
中图分类号：TV51
ordesignofconstructionorganizationfor
itute，HuazhongUniversity ofScience&Technology，W
Abstract: The significance of the design of the construction organization for water project is summarized herein,in which a
mathematic optimal model is developed for the problems from the balance of excavation and fill for the earthwork,selection of
the site for the concrete mixing plant and the batching for the aggregate preparation plant.Furthermore,the design and
realization of the the construction organization supporting system for solving the problems given above is presented with the
detaildescription on thefunction,the structure and theimplementation aswell.
Key words:water project;design of construction organization;mathematic model; supporting system;GIS
本文以南水北调中线工程河北省南段施
工组织优化设计问题为背景，介绍水利工程
施工组织设计支持系统的设计与实现。针对
南水北调中线河北省南段总干渠长度长、土
石方挖填量巨大、混凝土工程量大的特点，
运用系统工程理论，以资源优化配置为条
件，对工程组织实施设计阶段中的土方挖填
平衡、拌和楼选址、料源选择问题建立决策
南水北调中线河北省南段施工设计规划模
1.1土方挖填平衡模型
土石方挖填平衡规划原则是：(1)土石方挖填原则
上不跨段、不跨行政区划、不跨河调运；(2)开挖土方
尽量用以回填，以减少弃土量和借土量；(3)弃土区、
借土料场应控制弃土、取土范围和高度，因渠道中挖
出的石方只能弃方，故不将石方考虑进挖填优化平衡
挖方区中挖出的各种土可分为4类（IⅡ、Ⅲ、V
土方挖填平衡模型供应关系
类土），各类土方运输单价不同。其中I、Ⅱ，Ⅲ类土
可用于回填或弃土，Ⅳ类土只能弃土。粉砂、细砂
中砂、粗砂记为V类土，需要弃土，但运输单价则
按ⅡⅡ类土计。土料场供应的土均属】、Ⅱ类土。
图1中Q代表各方区间的土方运送量，A、B、C
分别代表IⅡ，Ⅲ，Ⅳ类土，D代表各类砂。系统中
各项费用包括：(1)各个土料场土方购置费用；(2)各类
土的运输价格：(3)各弃土区的弃土价格，系统目标函
作者简介：郭方（1980一），女，硬士研究生。
方，等/水利工程施工组织设计支持系统设计与实现
数是使各项费用之和最小。
约束条件：考虑土的可松性影响，实际
填方量应大于实际挖方量，土场和挖方区的
挖方量与填方区夯实体积之比为入=1.18。弃
到弃土区的土为松方，弃土区松方与挖方区
土自然方体积之比（最初可松系数)为1.25。
约束条件具体如下：(1)各填方区的填方量等
于各土料场和各挖方区填到该方区的土方量
之和；(2)各挖方区挖方量等于用于填的方量
和用于弃的方量之和：(3）各土料场储量应大
于等于各填方区所借土方量之和；(4)各弃土区容量应
大于等于各挖方区弃到该方区土方量之和。
将目标函数与约束条件合并后，可得土方调配优
化的数学模型，该模型为线性规划模型。
工程中除了输水干渠外，干渠上还有多种建筑物。
渠线按一定长度划分为工程段，以该段中点处桩号作
为工程点位置，每个建筑物都作为一个混凝土需求工
程点。沿渠道每隔相同距离设一个拌和楼待选点。
示选用，0表示不用。系统中各项费用包括：(1)混凝
土的出厂价格；(2)混凝土的运输费用；(3)拌和楼的建
设费用，系统目标函数是使各项费用之和最小。
约束条件：(1)选用拌和楼总个数不大于最初预计
个数；(2)单项工程的混凝土工程量应等于各拌和楼供
给量之和；(3)若某个拌和楼没有选用，则其运送到各
个工程点配送量为0；若选择之，运送到各个工程点
配送量之和不超过该拌和楼生产能力的限制。
将总干渠人为分段，逐段进行计算。模型中设立混凝土
最大运距，可以大大减小模型规模，提高运算速度。
天然集料场有石、砾、砂料场。砂料场只出产砂
料，砾料场可生产砂和砾石，石料场可生产砂、砾、
块石。根据拌和楼模型选址结果，确定拌和楼的选址
点以及各拌和楼混凝土生产量，由经验公式可将混凝
土量换算为砂、砾石的量，此外建筑物和渠道另需砾
石和块石用于施工衬砌。
如图2所示，QA表示砂料配送量，QB表示砾石
变量yp，系统中各种费用包括：（1)各个集料场的建设费
用；(2)各料场各类集料的出厂价格；(3)各类集料的运输
费用。系统目标函数是使各项费用之和最小。
约束条件：（1）拌和楼砂和砾的需求量等于各砂料
图2料场集料配供关系
场、砾料场、石料场供给其砂和砾量之和；(2)建筑
物、渠道砾和块石的需求量等于各砾、石料场供给其
砾和块石量之和；(3)各砂料场、砾料场、石料场供给
各工程各种集料量之和不大于其总储量。
施工组织设计问题模型的建立求解只是系统的后
台支持，系统须提供友好系统界面来支持模型的数据
输人、运算结果的输出显示，才能实现提供优化方案
供决策者参考选择的目的
内容如下：（1)信息录人、存储。包括各模型的基
本数据、模型参数等信息的录人，修改，建立相应数
据库来存储数据信息，供优化设计使用。(2)方案管理。
对历史方案的保存和管理，形成方案数据库，供用户
查看方案中的信息，进行比较分析。(3)与统计数据的
接口。水利工程的统计数据量巨大，系统需具备批量
数据导人、导出功能，方便用户进行数据处理。(4)在
数据库和模型库的支持下，对各个问题分别进行优化
计算，得到最优解决方案及相应方案的工程成本，进
行结果分析，辅助决策者进行方案选择。(5)方案的
GIS可视化。各模型的优化结果通过GIS电子地图形
象显示，供决策者参考查询。
该施工组织优化设计支持系统是以菜单式、数据
输人输出等形式直接与数据库管理部分对话，调用数
据库中的信息来运行计算模型以获得优化结果。系统
包括以下几个软件模块。
(1)方案管理模块：把3个模型相应的所有输入
数据和输出信息作为一套方案来操作。本模块完成新
建、查看历史方案、保存、另存方案功能，并建立专
门的方案表来管理历史方案，便于区分查询。
水利水电技术第36卷
水利水电技术第36卷2005年第7期
（2）基础信息管理模块：即数据初始化模块，完成模
型的初始数据信息及参数的录人，修改功能。水利工程
原始信息都是以Excel报表的形式提供，系统需具备从
Excel表中大批量导人数据信息的功能。
(3)模型计算模块：土方挖填平衡、拌和楼选址、
料源选择3个模型，各自相应数据录人完毕后，即可
调用模型进行计算，优化结果存入数据库中。
(4)计算结果显示模块：将各模型的运算结果以
表格形式显示，可实现结果的多种统计、查询分析功
能，并可将结算及统计结果导出到Excel文件中去。
(5)GIS显示模块：预先绘制好输水总干渠及其周
围的土料场、砂石料场、弃土区的电子地图，3个模
型的优化运算完毕后结果可在该地图上形象显示。
本软件系统由各功能模块组成，采用菜单驱动的
方式控制各功能模块的调用。系统各模块间有着时序
上的逻辑联系，如某个模型必须完成其初始化数据输
人，才可调用相应的模型进行优化运算。系统通过改
变界面菜单的“（Enabled)”属性，以及中间数据库传
递信息来满足功能模块调用的次序要求（见图3）。
系统新建一套方案，3个模型所有相关数据库
信息均为空。此时调用信息初始化模块，选择将要
进行优化计算的模型，如土方挖填平衡模型，输人
土料场、弃土区等信息。所有模型相关数据输人完
毕后，相关模型运算菜单被激活，此时可调用模型
料源配供模型需要考虑拌和楼对集料的需求量
须用到拌和楼选址模型的选择结果。在模块的调用顺
序上，先计算出拌和楼选址结果，经工程人员分析后
确定布点位置，然后才可调用料源配供模型运算，
水利水电技术第要据2005年第7期
2.3.2打开历史方案
点击此菜单将保存在数据库中的所有已存在的方
案显示在界面中，选择某个方案，可查看此方案中所
有模型的数据信息及优化运算结果。除可查看外，还
可对模型的初始化输人数据予以修改，但修改数据后，
系统会给出提示信息要求用户重新调用相应模型计算
出新的优化结果，以保持方案输人输出数据的一致性。
对于新建的方案，调用“保存”菜单系统将赋予它
一个最新方案编号，并存人方案数据库中。对于历史
方案，修改数据后调用“保存”菜单项将会覆盖原来的
方案数据。若调用“另存为"菜单项，可将历史方案作
为一套新的方案存人数据库中。
2.3.4GIS地图显示
GIS的主要功能为：(1)数据的操作和处理功能。
（2)制图功能。(3）空间查询与分析功能。（4）地形分析
当3个模型运算完毕后，GIS显示功能被激活
可在电子地图上形象地显示查询优化结果。查询方式
有两种：一是直接在查询框中选取要查询的内容；
是将鼠标移到想要查询的渠道或料厂的位置上双击鼠
标即可显示选中位置的各项相关信息。
本文系统是以系统工程理论为基础，以资源优化
配置为条件海南省中线高速公路冲击钻钻孔灌注桩安全专项施工方案，针对水利工程组织实施设计阶段的若干
具体问题建立的决策支持系统，它可以较大地提高施
工组织决策水平，节省工程投资，合理优化资源使用。
系统现阶段的目标是为南水北调中线工程河北省
南段的施工组织设计提供决策依据，在此基础土我们
将逐步完善系统的各项功能，拓展其通用性，以期将
GB 15322.2-2019标准下载道水利工程的施工组织优化设计中去。
[1]张文倬.水利工程施工组织设计问题[J].四川水利，1996，17(5)：