基于改進關鍵鏈的地鐵車站土建工程進度優化

陳桂香，宋久樂，張 昭

（1.同濟大學 土木工程學院，上海，200092；2.河南工業大學土木建筑學院，河南 鄭州450001；3.同濟大學經濟與管理學院，上海200092）

0 引言

城市軌道交通項目不僅技術要求高、資金需求大而且建設周期長，尤其是建設周期長成為了比較難以克服的瓶頸.目前，多數軌道交通項目普遍采用傳統的進度管理方法，其管理效果比較一般.然而，基于約束理論的關鍵鏈項目管理技術在進度管理方面具有巨大的優勢，但關鍵鏈技術在軌道交通項目進度管理中的應用還沒有引起相關人員足夠的重視.

約束理論（Theory of Constraint，TOC）的提出者Gol dratt認為，每一個項目中都至少存在一個制約最大產出的因素，即約束［1］.因此，約束理論要求從系統的最大產出角度來進行項目的效率／進度管理.基于約束理論的項目管理技術稱為關鍵鏈項目管理（Critical Chain Pr oject Management，CCPM）［2］.關 鍵 鏈 技 術 （Critical Chain Method，CCM）認為，影響項目進度的因素不僅僅局限于各個工序之間的邏輯關系和工序持續時間，同時還應該包含資源因素，也即項目工期由各個工序持續時間、工序間邏輯關系以及資源約束三個因素共同決定.

1 關鍵鏈技術在地鐵進度管理中的優勢

引起項目持續時間過長或者進度延期的因素有很多，例如資金不足，技術落后以及場地有限等等.傳統的進度管理技術分散考慮各種風險因素，導致了工期不合理的延長.基于風險聚合原理［3－4］，關鍵鏈技術提出在項目中插入三類緩沖區以應對導致進度延期的各種風險因素.具體來說，CCM在應對軌道交通項目進度延期風險的作用主要體現在以下幾個方面：

1.1 考慮了各類可能的制約因素

城市軌道交通項目的進度風險主要來自于地下管線遷改以及征地拆遷［6］.管線遷改以及征地拆遷持續時間長且工作難度高，很容易造成項目工期的延遲.基于約束理論的關鍵鏈技術要求提前識別項目中存在的約束因素，也即影響進度的風險因素，并通過“五步法”最大限度的利用項目制約因素和優化項目的進度計劃.由于CCM將約束因素提到了與工序邏輯關系同等重要的地位，因此在工程建設前就會詳細考慮征地拆遷等因素對工程進展造成的影響，以保障項目按期完工.

1.2 插入緩沖區

軌道交通項目工序多，若其中某一工序出現延遲就可能會導致其后的工序也出現延遲，并極有可能發生積累的延遲，對項目工期造成不良的影響.關鍵鏈技術要求合理的安排各個工序的持續時間，剔除存在于每個工序中的安全時間，同時嚴格保證各工序在規定的時間內完成.因此，即使某些工序出現了延遲也可以由緩沖區來吸收，保證項目按計劃進行.

1.3 考慮了資源因素

城市軌道交通工程路線長、工種多且工序復雜，常常涉及土建、安裝、水電、信號、設備、鋪軌等等作業，在施工過程中往往需求多種多樣的資源，這些資源中任何一種安排不合理或者供應不及時都會對進度計劃產生不良影響.基于約束理論的關鍵鏈技術中為了解決上述問題提出在某些關鍵工序前插入資源緩沖區以保障資源被合理地在項目工序間進行調動.

1.4 考慮了人的因素

目前的大多數項目進度管理計劃在編制過程中往往按照最早開始時間或者最早完工時間來安排項目的進度計劃，這就導致項目的管理者在開始的時候思想放松，工作效率低，把大量的工作都放到最晚開始的那一刻才開始進行［5］，這使得帕金森癥和學生綜合癥成為了制約項目進度的潛在風險.CCPM按照各個工序的最晚開始時間編制項目進度計劃，這使得項目參與者從一開始就必須投入足夠的精力到項目中去，達到很高的生產效率，加速項目的完成.

2 對關鍵鏈技術的改進及其必要性

Goldratt認為，項目中各個工序持續時間中均存在所謂的“安全時間”，他把所有工序持續時間的一半作為活動的安全時間，并且把緩沖區的大小定義為所有工序安全時間之和的一半［2］.該方法簡單明了，但簡單地把各個工序時間的一半作為安全時間卻是不嚴謹的，同時造成了緩沖區的大小與工作鏈的長度成線性關系，容易產生緩沖區過大或過小的現象.因此，必須對關鍵鏈進行改進.

2.1 對資源分類的改進

約束理論最早應用于制造領域，Goldratt指出其中的約束主要為資源約束，也即實物類約束.然而，不同的項目擁有不同的約束因素，類似的項目也會因為生產條件的不同而產生不同的約束.對于軌道項目來說可以把約束分為兩類：資源類約束和非資源類約束，諸如征地拆遷、政策法規、行政審批以及組織結構［5］類型等不消耗資源的因素都為非資源類約束［6］，其他消耗資源的因素則為資源類約束.針對資源類約束可以增加資源供應量以應對項目進度延遲的風險，對于非資源類約束例如征地拆遷、行政審批類約束項目可以成立特設的部門加快約束解決速度.

2.2 對安全時間確定的改進

城市軌道交通項目涉及多工種多工序，而各個工種的施工特點又各不相同，有的只需增加機械設備就可以提高工程進度，有的則因為工程環境的影響而制約工程的進展，因此，剪切－粘貼法—對各個工序取50%的工序持續時間作為安全時間—是不夠嚴謹的.安全時間的大小應分門別類，根據各個工種的特點，依據工作效率和工作難度等取原工序持續時間Di的αi倍作為工序的關鍵鏈工期，Di與關鍵鏈工期的差di為工序的安全時間.

2.3 對緩沖區的改進

緩沖區的設置是CCM的核心所在.因為工序中安全時間的剔除，項目中各個活動的進度計劃幾乎就沒有任何可以變動的可能，但實際工程項目的建設環境是動態變化的.緩沖區的插入正是用來應對因為不能預見的因素而對工程造成的工期延遲風險.另外，關鍵鏈緩沖區的大小與工程的持續時間緊密相關，工程持續時間越長則項目不可預見的風險越多，緩沖區可能越大，這主要取決于項目管理者的風險偏好［7］.

3 建立模型

3.1 工期折減系數αi的確定

折減系數可以通過專家打分法、頭腦風暴法以及計劃—實際對比法等方法獲得.在已獲得本工程或類似工程原計劃工期和實際工期的條件下，可以采用計劃—實際對比法獲得αi.相反地，在沒有本工程或者類似工程工期相關統計資料的情況下則可以采用專家打分法或頭腦風暴法取得αi.

城市軌道交通項目工序多且復雜，如果自工程開始至結束都采用上述三種方法確定αi，其工作量將會十分巨大.為了克服這個不足，在項目實施過程中，可以根據項目環境的不同對已取得αi進行適當的調整，以得到滿足各個階段項目特點的工期折減系數.

3.2 緩沖區的確定

CCPM提出緩沖區的大小與項目所有工序的安全時間有關［8］，但Goldratt提出的緩沖區為安全時間之和一半的算法并不能滿足實際要求.緩沖區與項目的安全時間有關，但其大小卻與其他許多因素相關.其中，對緩沖區大小有重要影響的主要有以下幾個：

（1）項目安全時間di

（2）工序位置權數βi［11］

式中：li為工序i的時間中點與項目開始時間的距離；Li為工序i所在鏈路的總時間長度.

（3）風險偏好度γi

式中：ai為一線工人估計的工序i的持續時間；mi為專家估計的工序i的持續時間；bi為項目管理者估計的工序i的持續時間.

（4）緩沖區大小

根據以上分析，在綜合考慮工期折減系數、工序位置權數及風險偏好度的情況下，各鏈路的緩沖區估計為

運用該緩沖區的設置方法既不會因為鏈路上任務較少而縮小緩沖區，也不會因為任務過多而放大緩沖區.同時，該方法綜合考慮了三種不同的影響項目工期的風險，所以更具針對性和靈活性，與實際結合也更加緊密.

4 實例研究

作者以鄭州市軌道交通一號線某車站部分土建工程進度為研究對象，將優化后的關鍵鏈方法運用到該實例中.該工程的初始進度計劃安排見圖1.

圖1 初始進度計劃Fig.1 Pri mavera scheduling

4.1 關鍵鏈方法工期的計算

經過相似工程項目相關工序計劃與實際完成時間的對比分析，得出本案例中相關工序的工期折減系數及折減后得到的關鍵鏈工期如表1所示.

表1 工期折減系數及關鍵鏈工期Tab.1 The coefficient of reduction and activity duration

4.2 位置權數的計算

各個工序的位置權數見表2.

表2 各工序位置權數Tab.2 Position weight

4.3 風險偏好度的計算

項目管理者的風險偏好度見表3.

表3 風險偏好度Tab.3 Risk preference degree

4.4 緩沖區的計算

各個工序緩沖區的大小見表4.

表4 各個工序的緩沖區Tab.4 The activity buffer

通過改進后的關鍵鏈技術方法，得到了鄭州市軌道交通一號線某車站部分工程的關鍵鏈進度計劃.與初始計劃相比較而言，關鍵鏈進度計劃工期為628 d，加上項目緩沖區60 d后，項目持續總時間為688 d，比初始計劃922 d縮短了234 d.證明了改進后的關鍵鏈進度技術大大的優化了工程的進度計劃，同時也說明了關鍵鏈技術在應對工程延遲風險方面具有十分獨特的優勢.關鍵鏈技術方法的鄭州市軌道交通一號線某車站部分工程進度計劃見圖2.

圖2 關鍵鏈進度計劃Fig.2 Critical chain scheduling

5 結論

作者通過對約束理論及關鍵鏈技術的研究，結合城市軌道交通項目的特點，提出了關鍵鏈技術在城市軌道交通項目中運用的可行性及優勢.同時提出了關于工期折減系數、位置權數、風險偏好度以及緩沖區確定的優化關鍵鏈模型.最后通過實例研究表明，改進后的關鍵鏈技術在城市軌道交通項目進度管理中是符合實際的、適用的.

［1］ GOLDRATT E M.What Is This Thing Called the Theor y of Constraints［M］.New Yor k：The North River Press，1990.

［2］ GOLDRATT E M.Critical Chain［M］.New York：North River Press，1997.

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