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1、 基于仿真随机网络的建筑施工方案决策王凤起（中国建筑业协会 100835）摘要：施工方案决策是工程施工中的一个重要环节。施工工期及费用是决定施工技术方案优劣的主要指标。时间仿真随机网络针对工序时间服从不同分布的网络模型，能够对复杂的施工方案进行模拟，并作出费用分析和方案决策，是施工决策的一种有效手段。文章最后给出了仿真实例。关键词：施工方案 仿真 随机网络 Decision about the Construct Project Based Simulation and Random NetworkAbstract: Decision about the project is the impo
2、rtant process during the construct. And time and expense is the main factor of a project. Random Network Based on simulation is fit for the network model in which time of working procedures take on different distributing format. It can give the simulation about complex project and the analysis about
3、 time and expense for decision. The paper also gives an example for the method.Key words: construct project simulation random network1 引言建筑工程是一个庞大的系统工程，具有投资大，工期长，技术复杂，受气候、环境影响较大等特点。建筑施工是将“蓝图”转变为现实的阶段，也是控制工程质量的关键时期。在进行现场施工时，必须对每一分部工程或单项工程，甚至特殊的工程、难点制定更为具体的施工组织设计与施工技术质量保证措施，详细说明如何实施该分部或单项工程的施工并保证其质量，该
4、文件称为“施工方案”。施工方案的选择是工程施工中的一个重要环节，方案的优劣直接影响到工程的造价、工期、质量、安全、使用、效益等。一般在施工方案决策时，涉及到多个技术方案的比选，好的施工技术方案能够大大降低成本，提高工程质量，缩短建设工期。施工工期以及施工费用是决定某种施工技术方案优劣的主要指标。准确的量化施工工期及费用能够为施工决策提供可靠的科学依据。工程进度计划与控制通常采用关键线路法（CPM）1和计划评审技术（PERT）23。CPM适用于各工序间逻辑关系和持续时间都确定的情况。PERT为各工序持续时间不确定而逻辑关系确定的情况提供了简捷的处理方法，即：基于“三时估计法”计算各工序持续时间的
5、期望值D和方差2，然后将不确定型网络计划转化为确定型网络计划问题来处理。这些都基于如下假设：各工序的持续时间服从分布且相互独立。然而，没有任何的经验证明工序持续时间的最适合形式是分布。当工序时间服从各种不同的分布时，应用数学分析的方法就无法得到复杂网络系统的时间参数，应用分析法亦无法导出网络完成时间的确切分布。采用计算机模拟技术能够很好地解决这类问题，仿真随机网络就是针对这类多重随机网络而产生的。2 时间仿真随机网络模型仿真随机网络的形式与内容相对于一般的随机网络更为丰富，具备更强的网络表达能力。以时间为参数的单参数仿真随机网络称为时间仿真随机网络。其模型特点有：（1）它的各支线上不但有活动发
6、生的概率，而且有一个已知分布特征值的时间分布，该活动的持续时间是由服从该分布的随机数发生器所产生的。各支线还有记忆时间和次数的功能。（2）它的节点具有存储时间流的能力，具有记忆网络状态（如活动的实现次数等）的能力，以及某些特殊功能（如统计、排队等）。时间仿真随机网络可对具有多个原节点和终节点的网络进行计算，并允许多种节点形式并存与环路系统存在。时间仿真随机网络的输入输出的基本过程如下：（1）建立输入数据文件。包括建立网络节点数据文件、建立活动时间文件（涵盖活动发生概率，活动持续时间分布的各特征值）。（2）调用时间仿真随机网络计算时间子程序。首先调用随机数发生器产生各活动的时间随机数，根据各节点
7、的特性和逻辑关系，计算各节点的实现时间，并进行一系列统计。然后根据所需模拟次数进行仿真模拟。（3）输出模拟结果。包括各节点实现时间的最大值、最小值、期望值、方差、频数图形以及实现概率等。3 时间计算仿真方法常用的时间计算仿真方法的基本思想是以图论中的通路理论为基础，把网络分成各条可能的通路或子网络，然后按各条支线上的发生概率，随机的决定计算哪条通路或子网络，通过如此多次的仿真计算，再统计各条通路或子网络实现的频数等，得出最终的仿真结果。这是一种把不确定的网络分解成几个确定的通路或子网络的方法。但这种方法要求网络中不存在回路，而且对于复杂网络有一定的局限性。当网络中互斥节点较多且网络形状呈数形时
8、，要求有较大的仿真次数，从而使得网络尾部的时间随机数产生足够次。否则要模拟服从某一分布是很困难的。同时，当网络比较复杂时，按照不同的节点分解成各子网络是相当繁杂的。在此，采用一种与上述模拟方法基本思想相反的模拟方法，它是把等效函数法和递推简化法综合起来所形成的一种仿真方法。它首先运用等效函数简化网络中的串、并联结构以及环路结构，然后再应用递推简化法，从始节点开始递推计算至终节点。同时在每一步递推简化时，每次应用等效函数简化网络中所产生的串、并联结构及环路。这种仿真方法的基本步骤如下：（1）根据网络中各活动的各种时间分布，产生各个活动的持续时间随机数。（2）应用等效函数法对网络进行简化，从中导出
9、相应活动和节点的实现概率与持续时间随机数。（3）应用递推简化法，根据网络中不同的节点类型，从始节点开始递推计算各节点的实现概率与时间，逐步算至终节点。在此计算过程中，当出现新的串、并联结构及环路结构时，回到步骤2。（4）存贮各节点的实现时间与概率，并进行一系列统计。检查其是否达到设计的仿真次数。如没有达到，回到步骤1。否则，结束仿真，输出统计结果。在这种仿真方法中，整个网络中各活动的时间随机数的产生次数是相同的，都等于总仿真次数，只要总仿真次数足够大，时间随机数分布的仿真形式可以保证的。4 施工方案决策仿真实例本例是一个实际建筑施工工程各施工方案的模拟和评价。工程对象是一幢四层的住宅。根据现有
10、的施工条件，可采用一层一段或一层两段的施工方法。当采用一层一段施工时，柱子钢模板就需要圈套，约四万元，而采用一层两段时，钢模板仅需半套，约两万元。此外，对于上面两种施工方法，可配用一台吊车或两台吊车，每台吊车得台班费为200元/日。下面应用时间仿真随机网络对各方案的进度进行模拟，并进行费用分析和方案决策。首先，假定采用下面三种方案。方案一：一层一段，全套柱模，两台吊车混合使用。方案二：一层两段，半套柱模，一台吊车。方案三：一层两段，半套柱模，两台吊车各管一段，但亦可相互帮忙。其中各个活动的完成时间分布列表如下：表1 各活动的完成时间分布活动名称发生概率需吊车否时间分布类型（小时）备注放线1否（
11、7，5）均匀分布方案一为（12，10 ）立柱模1是（12，2）正态分布方案三为（10，2）校正1否（6，2）均匀分布方案一为（8，4）浇柱1是（12，4）均匀分布方案三为（10，4）拆柱模1是（8，1）正态分布方案一：（10，1）方案三：（7，1）养护1否（12，4）均匀分布无吊梁1是（7，1）正态分布方案三为（6，1）放板1是（9，1）正态分布方案三为（8，1）五节点缝柱模1否（14，16，18 ）三参数分布方案一为（30，32，34）浇节点、缝1是（8，1）正态分布方案三为（7，1）拆模1否（8，1）正态分布方案一：（6，1）方案三：（7，1）三个施工方案的网络图见如下所示：浇节点缝立节点
12、缝模1273 4 5689101112拆模放板吊梁养护拆模浇柱校正立柱模放线图1 方案一网络图浇节点、缝拆模立节点缝模放板吊梁养护拆柱模浇柱校正立柱模放线立柱模校正浇柱拆柱模养护吊梁放板放线浇节点、缝1273 4 568910111213141516171819202132223立节点、缝模拆模图2 方案二网络图立节点缝模浇节点、缝拆模放板吊梁养护拆柱模浇柱校正立柱模放线立节点、缝模浇节点、缝拆模放板吊梁养护拆柱模浇柱校正立柱模放线1273 4 568910111213141516171819202132223图3 方案三网络图根据网络图和各活动参数，对各方案的时间进度进行仿真，得出各方案施工
13、工期表如下所示：表2 施工方案工期统计节点问题/计数均值标准离差最小值最大值12（方案一）1126.95419.115115.083139.45623（方案二）1135.87528.429118.872151.35823（方案二）1107.06633.61185.083123.332现计算三个方案的期望工期：方案一：天方案二：天方案三：天从工期看，方案三最佳，方案一次之，方案二最差。现计算三个方案的费用：方案一：元方案二：元方案三：元从费用看，方案二最佳，方案三次之，方案一最差。5 小结时间仿真随机网络对施工工期和费用的模拟，是进行施工决策的一种有效手段。本文实例所列的活动较少，逻辑关系简单，
14、是对工期和费用的一种粗略估计。如果要对工期和费用进行更为详细的估计，就需要列出更多的活动，描述其相互关系，还要考虑关键路径的变化。这些都可以借助专业的软件来完成，而且随着专业软件的不断开发与应用，仿真随机网络将成为项目计划的重要工具，在实际当中将会有更加广泛的应用。参考文献：1 冯勇，侍克斌. CPM进度计划在工程承包的应用. 施工技术. 2003，122 赵建国，王雪青. 蒙特卡洛模拟在随机网络中的工程应用. 内蒙古工业大学学报. Vol.23 No.3. 20043 胡肇枢，王卓甫. PERT网络计算分析之补充. 河海大学学报. 2002，1作者简介：王凤起（1962.10），男，硕士，从事专业为建筑业管理。Email：fufei_ Tel：13391965934。
