本文選自北大核心期刊《現代城市研究》，《現代城市研究》創刊于1986年，本刊為雙月刊，南京市建設委員會主管，南京城市科學研究會主辦。國內統一刊號：CN：32-1612/TU，國際刊號：ISSN：1009-6000。

　　摘要：研究機械化施工中施工機械合理配置的數學模型，以實例計算論證模型是否是正確且有效的，適用于公路路面施工工程的機械設備選型與配置，以及校核公路路面施工機械設備是否達到優化組合，同時對施工工藝提出新的見解。

　　關鍵詞：公路路面,關鍵設備,優化組合,理論模型,施工工藝

　　1、引言

　　工欲善其事，必先利其器，日益發展的高速公路建設，日益提升的高品質、高性能產品的要求，預示機械化程度越發激烈，以高科技含量為突破口，追求高起點、鎖定新目標、求得新發展，是我們筑路人的追求。在公路路面施工工藝中，機械設備是完成各項工程施工的主要工具，是確保工程質量和安全生產、加快工程進度、提高經濟效益、改善勞動條件、降低工程成本的重要技術裝備。對于整個公路機械化施工系統，施工機械種類雜、數量大，施工環節多，在研究公路路面施工機械設備的重點是瀝青混凝土攪拌設備、攤鋪設備、運輸車輛和碾壓設備這四個工藝環節的相互配合問題。一方面，他們之間密切聯系又相互制約，任何一個環節配合不當，都會使整個機械化施工系統阻塞和混亂；另一方面，上述四類設備是公路施工的關鍵機械設備，數量多、投資大、使用范圍的局限性較大，絕大部分是專用機械，每一種設備只能完成一、二項或者三、四項性質相近的工程。公路路面施工機械設備的選用受作業內容、地理環境、運距遠近、氣象條件等各個方面的影響和制約，選用時應遵循以下基本原則：

　　(1)能與工地的地理環境，當地的氣象條件相適應；

　　(2)滿足工程質量標準要求，在施工工藝允許的條件下，盡可能采用重型機械，并保證為其安排足夠的工程量；

　　(3)不破壞周邊已有建筑設施和質量；

　　(4)具有良好的性能及可靠性，能高效完成既定工程量；

　　(5)機械使用費少，施工單價低；

　　(6)容易操作，維修方便，可靠性高；

　　(7)可實現自動化，節約勞動力；

　　(8)安全性能好，對環境不會造成污染和破壞；

　　(9)安裝調試簡便，轉場運輸容易。

　　公路路面工程機械化施工是由多種機械設備協同作業，發揮同一工程中多種作業機械的最大經濟效益是我們應該深入研究的課題，即對這些施工機械進行優化組合，優化組合的基本原則：

　　(1)選好既定工程的主導機械，其它機械必須與主導機械進行配套，主導機械在施工工藝中稱關鍵設備（關鍵設備隨著工程的變化而變化）。

　　(2)盡量減小配套機械設備的數量；

　　(3)各配套機械設備的工作能力必須相匹配；

　　(4)采用合理的施工組織方案；

　　⑸同一作業要盡量使用同一型號的機械，以便管理和維修；

　　⑹選用最經濟的機械優化組合。

　　關鍵設備決定施工方式、方法、工程的施工質量和進度，并且在很大程度上決定整套機械生產效益。因此，公路施工機械設備的選型與配置是否合理，對于提高設備利用率、圓滿完成施工任務、提高經濟效益具有十分重要的意義。為合理配置機械設備，充分發揮單體設備的技術性能并使公路施工機械設備之間的參數匹配合理，減少重復投資造成的浪費，降低能耗，首要的問題是建立優化組合的理論模型。

　　2、一般優化模型的建立

　　公路路面施工機械設備的配置應根據路面結構類型、材料種類、施工方法和工藝、工程數量及環境條件、生產工期等確定。路面的施工工序一般采用：瀝青混合料拌和一瀝青混合料運輸一瀝青混合料攤鋪一瀝青混合料初壓一瀝青混合料復壓一瀝青混合料終壓（圖1）。其對應的機械設備分別為瀝青混凝土攪拌設備、攤鋪設備、運輸車輛和碾壓設備，關鍵機械設備為瀝青混凝土攪拌設備，其生產能力決定其后續工作所選用機械設備的類型、數量和生產能力。下面以瀝青混凝土攪拌設備、攤鋪設備、運輸車輛三種機械設備(根據施工現場，碾壓設備一般不需要進行優化配置)的生產能力等性能參數為中心，以公路路面工程量為基本依據，建立公路路面施工機械優化配置理論模型。

　　圖1

　　設公路路面工程班所需生產能力(即拌和量)為Qm，則某種公路路面施工機械不同類型的數量分別為N1，N2，N3，…，其性能參數(即臺班生產能力)分別為C1，C2，C3，…，為使公路施工實現生產能力Qm，針對某種公路路面施工機械，其總的班生產能力之和必須大于工程班所需生產能力，即必須有下式成立

　　N1Cl+N2C2+N3C3+…≥Qm(1)

　　2.1瀝青混凝土攪拌設備的生產能力關系

　　瀝青混凝土攪拌設備的班生產能力根據式(1)有

　　βNjiCjihiaj≥Qm(2)

　　令aj＝NjiCjihjajβ／Qm

　　則aj≥1(3)

　　式中：aj一攪拌設備富余系數；

　　Nji一攪拌設備的數量，臺；

　　Cji一攪拌設備類型的臺班生產能力，t/h；

　　hj一每班工作時間(工程上一般以12h計)，h；

　　aj一攪拌設備時間利用系數；

　　β－為機械設備生產效率因子。

　　2.2瀝青混凝土攤鋪設備的生產能力關系

　　瀝青混凝土攤鋪設備的理論攤鋪能力比拌和能力大得多，但其實際攤鋪量取決于攤鋪速度、寬度、厚度等三個方面，利用瀝青混凝土攤鋪設備生產能力的經驗公式，根據式(1)得

　　NpiCpi≥Qm(4)

　　根據臺班生產能力有

　　Cpi＝Vtγbhhpαp

　　令B2=Vtγbhhpαp／Qm(6)

　　由式(4)～(6)得αp＝B2Npi≥1(7)

　　式中：αp一攤鋪設備的富余系數；

　　Vt一攤鋪速度(一般來說，對于下層攤鋪速度為2.1～2.7m／min，對于上層攤鋪速度為3.08～5.34m／min)，m／min；

　　γ一瀝青混凝土密度，t／m3；

　　b一攤鋪寬度，m；

　　h一攤鋪厚度(分為上層厚度和下層厚度，計算時分開計算)，m；

　　Npi一攤鋪設備的數量，臺；

　　hp一攤鋪設備班工作時間，h；

　　αp一時間利用系數。

　　2.3瀝青混凝土運輸車輛的生產能力關系

　　公路路面施工用瀝青混凝土運輸車輛一般采用自卸汽車，因拌和站基本上設在標段中點，故考慮到經濟性，取經濟運距一般為最大運距的80％。根據瀝青混凝土運輸車輛生產能力，由式(1)有

　　NqiCqi≥Qm(8)

　　根據臺班生產能力，有

　　Cqi＝60Ghqklk2／[(t1+2t2+t3+t4)k3](9)

　　令B3＝60Ghqk1k2／[(t1+2t2+t3+t4)k3Qm](10)

　　將式(8)～(10)整理得

　　αq＝NqiGB3≥1(11)

　　式中：αq一運輸車輛的富余系數；

　　Nqi一運輸車輛的數量，輛；

　　Cqi一運輸車輛的生產能力，t／班；

　　G一運輸車輛的載重，t／次；

　　hq一班工作時間，h；

　　k1一運輸車輛載重利用系數；

　　k2一運輸車輛時間利用系數；

　　k3一運輸車輛備用系數；

　　t1一攤鋪1車料的時間，min；

　　t2一車輛在攪拌站和攤鋪機之間途中行駛的時間，min；

　　t3一車輛在攪拌場裝料及等待的時間，min；

　　t4一攤鋪現場車輛等待卸載的時間，min。

　　1.4一般優化理論模型

　　根據上面的推導，得到了在滿足公路路面生產能力條件下三種類型機械的富余系數αj、αp、αq的表達式，要使公路路面施工連續進行并保證機械設備充分發揮生產效率，即要求各工序機械的富余系數之差值應最小，并且均不小于1。為此優化目標確定為各工序機械的富余系數之差的平方和最小，即

　　Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2(12)

　　因此，綜合式(3)、(7)、(11)、(13)得到公路路面施工機械優化配置的數學模型如下

　　Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2

　　而且

　　由式(13)可以看出，公路路面施工機械的數量和性能參數(如設備的規模)是優化配置的核心，它們相互影響，相互制約，并且受多方面不穩定因素的影響，對于不同公路路面基層各因素的影響程度不一樣。

　　3、模型驗證

　　式(13)為一般公路路面施工機械優化配置的理論模型，對于不同的公路路面，各參數的影響程度不一樣，而對于具體的公路路面施工，各種類型設備相應的影響系數就可以確定了。對于一個公路路面施工工程，可以根據式(3)、(7)、(11)分別確定機械設備的性能、數量與公路路面施工規模進行優化配置，再根據約束條件和目標函數計算出優化配置結果。

　　下面以山東省同三線第十五標段高速公路瀝青混凝土路面工程施工為例進行優化配置計算。該路面工程概況為：全長21.6km高速公路，總投資5356.6萬元。路面分三層，下層為6cm厚粗粒式瀝青混凝土，中層為6cm厚中粒式混凝土，上層為4cm細粒石瀝青混凝土，總拌和量為28.4×104t,瀝青混凝土路面施工工期為5個月。

　　該工程所用的瀝青混凝土攪拌設備、攤鋪設備、運輸車輛三種機械設備的實際情況分別為：

　　瀝青混凝土攪拌設備日本生產的NBA240型攪拌設備1臺，生產率為200～240t／h；瑪蓮尼MAP120E190L型攪拌設備1臺，產量100～120t／h，兩設備產量可達300—360t／h。

　　瀝青混凝土攤鋪設備ABG423型攤鋪機2臺，福格勒S1800型攤鋪機1臺，理論攤鋪能力可達2400t／h，比攪拌能力大得多。但其實際攤鋪量取決于攤鋪速度、寬度、厚度三個方面，可以根據式(4)、(5)進行計算。

　　瀝青混凝土運輸車輛考慮到經濟性，避免車輛過多閑置，取經濟運距11km(最大運距的80％)，車輛載重15t，運輸車輛20臺。

　　利用式(13)進行核驗，山東省同三線第十五標段高速公路瀝青混凝土路面工程施工機械設備的配置并不優化，兩種類型設備其生產能力都有較大富余：以瀝青混凝土攪拌設備為例，它的生產能力可達300～360t／h，富余系數αj達到了1.5，造成了較大浪費。在優化計算中，瀝青混凝土攪拌設備的生產能力達到200～240t／h，攤鋪機富余系數也為1.5（其主要原因是因為當地的特殊施工工藝，攤鋪機并機作業、碾壓工藝要求很嚴，同時當地屬暖溫帶半溫潤季風氣候，夏季多雨，攤鋪速度、碾壓速度和溫度比較苛刻，故產生此結果）。

　　4、結論

　　根據以上分析及應用結果，可以得到如下結論：

　　(1)該優化配置理論模型是正確且有效的，在進行公路路面施工機械優化配置時，應以公路路面工程量為基礎，在完成施工工程量的前提下，使得各種類型機械設備的富余系數之差為最小，謀求最高的效益。

　　(2)該理論模型的結構不是固定的，具有分形性，可以根據公路路面工程的實際情況靈活添加項數的因子。

　　(3)根據該理論模型計算出來的優化配置結果一定要結合公路路面施工的作業內容、地理環境、運距遠近、氣象條件等實際情況來確定公路路面施工的最佳優化配置方案。

　　(4)該理論模型可以校核公路路面施工機械設備是否達到優化配置。