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1 可施工性研究概念在马来西亚瓜拉雪兰莪斜拉桥中的应用 Mekdam A Nima P E M ASCE1 Mohd R Abdul Kadir2 Mohd S Jaafar3 and Riadh G Alghulami Aff ASCE4 摘要 作家以瓜拉雪兰莪斜拉桥为例 阐述可施工性研究在概念性规划和项目的设计阶段 中的应用 本文展示了实行可施工性研究概念来解决在马来西亚瓜拉雪兰莪的斜拉桥 项目的规划和设计阶段运用中所遇到的障碍所带来的优势 作者认为在早期可施工性 概念规划阶段业主是其应用的主要障碍 还有一些工程师们认为该概念不适用也是阻 止可施工性研究概念运用的另外一部分因素 尽管如此 还是许多工程师认识并了解 该概念性并运用自己的能力在工程上运用此概念 介绍 本文介绍并讨论了在规划中实施可施工性概念情况下研究的结果 以及在瓜拉雪兰 莪项目设计运用的具体规划 这些概念是由马来西亚 Nima 2001 博士全面研究并应 用的一部分 本文根据 Mekdam Nima 博士的访谈和问卷调查进行编写 Mekdam Nima 博士是马来西亚雪兰莪州斜拉桥项目结构总工程师主管项目的概念性规划和设计阶 段 文章对 Mekdam Nima 博士的访谈和问卷调查的内容按时间顺序进行缩短和编辑以 方便阅读 当然 作为一个案例研究 它指出可施工性研究概念在瓜拉雪兰莪桥梁工 程中遇到的困难并进行评价 然而 由于阶段尚未开始 这项研究是唯一可以在概念 性规划和项目设计阶段施工对可施工性概念进行评价 可施工性概念 正如如建筑业协会定义 是施工知识和概念性规划 工程及采购及 野外作业阶段的最佳配合 实现项目的最终目标 在过去的 2 年 由于建筑业缺乏实 施可施工性概念的经验 项目的运行中发生了许多问题 如增加的成本和时间 人员 的使用率和设备的生产率较低 施工质量低等 如今 建筑行业由于项目的规模和复 杂程度以及施工现场的零碎性 需要进入更多的专业人员与专业知识来落实可施工性 概念 在发达国家 主要是美国 英国 澳大利亚的研究人员 认识到问题的严重性并 提出了解决方案 在英国 建造业研究信息协会 CIRIA1983 提出了七个概念 这些 概念后来被建筑业研究与信息协会的 Adams 1989 补充并扩展了成 16 个部分 在此 期间 美国进行了多个但不相关的研究 基于 Tatum 1986 和 O Connor 1986 等 2 人的研究 O Connor 和 Davis 1988 紧接着提出并阐述 14 个可施工性概念 与此同 时 澳大利亚的建筑业学会也制定了相同的 12 项概念 CIIA 1993 在马来西亚 可 施工性研究是最早是在 Nima 2001 论坛中提出来的 因此 Nima 2011 博士的这篇 文章以及其他文章 1999 2001a b 2002 是在马来西亚第一批研究此问题的文献 可施工性研究概念 Nima 博士的文章中 Nima 2001 and Nima et al 1999 提出并制定了 15 个可施工性 概念用来讨论预可行性研究 应当指出的是 在此案例中 由于该项目的建设阶段还 没有开始 因此 不讨论其他八个建立了施工阶段概念 十五个可施工性研究概念如下 Adams 1989 CII 1993 CIIA 1993 Nima 2001 Nima et al 1999 2001a b C1 C7 论述了如何在概念设计阶段增加项目可施工性 概念 C1 项目施工的程序中的执行计划应该由项目团队所有成员参与讨论并记 录 概念 C2 项目团队的业主 工程师和施工方代表 应制定并考虑项目从开始到结 束所有阶段关于可施工性的问题 概念 C3 由于每个人的施工知识和经验的不同 应该在项目规划初期进行研究与 分享 这样可避免设计和施工阶段之间有任何误解 概念 C4 施工方法应考虑选择执行项目的类型和合约规定的数量 概念 C5 项目总进度计划和施工竣工日期是工程关键应尽早安排 概念 C6 主要施工方法应根据实际进行深入讨论和分析并尽早直接设计 用以方 便并高效地完成现场作业 概念 C7 施工组织图应仔细研究 以确保施工操作和维护有效地进行 并避免在 这些阶段中进行的施工相互之间有任何干扰 C8 C15 论述了如何在设计及采购阶段增加项目的可施工性 概念 C8 设计和采购时间表应该由施工顺序来决定 因此 施工进度必须先于设 计开发和采购计划讨论和研究 概念 C9 在任何领域中包括建筑行业领域 先进的信息技术都是很重要的 这些 技术的使用能够把分散的问题变成在该领域专业的问题 从而提高可施工性 概念 C10 必须配置合格的有设计简化能力的设计师和有设计评估能力的施工人 3 员以实现高效施工 概念 C11 在一定程度上规范项目内容将永远不会对项目成本产生负面影响 概念 C12 技术规范应在不有影响施工水平情况下简化配置 以实现项目的高效 执行效率 概念 C13 模板实施和预制件应考虑和仔细研究 模板和预制件的设计应考虑方 便制造 运输和安装等因素 概念 C14 项目设计应考虑到施工人员 材料和设备可以方便到现场内的指定的 要求位置 概念 C15 设计应考虑到在恶劣天气条件下的施工 应重点规划适宜的气候条件 下对项目的建设 除此之外恶劣天气条件下可以考虑在车间进行预制 项目描述及背景 此案例研究的项目是拟跨越雪兰莪河的第二大桥 见图 1 本项目路线是国道 B178 的一部分 这座桥梁从 Ujong Permatang 村北侧穿越到 Teluk Penyamun 村南侧 详情见 图 1 本项目路线全长约 2900 米 桥长约 1250 米 早在 1990 年前 瓜拉雪兰莪政府的公共工程处考虑到以下几个原因提出要在雪兰莪河 上修第二座桥梁 1 现有的一桥是一座双车道的窄桥 已经不能满足现阶段日益增长的车流量而成为 当地交的瓶颈 2 第二座桥梁将会是当地未来经济发展的催化剂 3 如果发生自然灾害或者战争 由于一桥的运输能力有限 自然成为南北岸地面运 输的限制因素 1996 年 马来西亚政府达成最终协议并投入资金修建该项目统称为马来西亚第七 计划 公共工程处在项目得到批准后立即派出专家进行调查 最终在 1998 年选出了修建 该桥的最佳位置 1999 年 政府向公主征集工程设计方案 其中被公共工程处认可三个方案如下 1 单跨 40 米的后张法预应力梁和钢筋现浇板的组合梁桥 2 250 米跨度的后张法预应力拱桥 3 主跨为 200 米边跨 50 为米的斜拉桥 4 图 1 斜拉桥的工地平面图 业主单位考虑到当地特色的旅游业 因此在选择桥梁方案的时候选择了更加美观 的斜拉桥 桥梁结构图如图 2 图 3 及图 4 所示 图 2 斜拉桥的平面图 图 3 斜拉桥的纵向截面图 5 图 4 斜拉桥整体效果图 项目可施工性研究的应用 此案例主要研究可施工性概念在斜拉桥详细设计中的应用 值得提出的是当时有许多关于斜拉桥技术的论文发表 其中有一篇是 Swiggum 博士 1994 发表的论文 其中写到当美国修建伯灵顿斜拉桥的时候由于缺乏斜拉桥的技 术和经验 给施工方 设计院及业主单位带来了巨大的挑战 最终以成本超支 进度 延迟告终 另一篇由 Rowings 和 Kaspar 博士 1991 编写的论文中叙述到由于伯灵 顿斜拉桥项目面临的问题直接导致了施工单位的索赔直线增加 最终业主单位以诉讼 的方式终止了和施工方的合同 在此案例中 直接原因是概念 C1 没有落实 主要是业主单位 设计院和施工 单位没有展开可施工性研究的会议 讨论可施工性的问题 其二 是施工单位没有在 设计阶段中选择可施工性研究 其三 业主单位拒绝在会议中讨论可施工性研究概 念 而概念 C2 是维持一个有效的项目团队及施工方面的协调 Stevens 博士 1997 在他的书中呼吁 战略思考 以 合作 为重点进行更好的项目管理 他提 到 合作就是通过承诺将双方连接在一起形成正式战略性利益相关者的工作关系 信 6 任和团队精神可以减少纠纷的产生 债务的合作被开发成大家的利益 与此同时 2001 年 Nima 博士的研究也肯定了这一结论 然而 此项目并没有进行合作研究 O Connor 和 Miller 博士 1994 将可施工性概念实施的障碍分为几类 其中一类 就是来自于业主的障碍 这些障碍包括 满于现状 在项目的早期阶段不愿投入更多 的金钱 总价合同制 早期建设投入不能体现价值 不相信施工性概念的有效性 业 主单位缺乏对施工性的概念的了解 业主总是以 我们做过了 来敷衍执行可施工性 概念缺乏真诚 缺乏可参考性文档 缺乏团队建设及合作 用人失当 概念 C1 和 C2 不适用的主要是由于上述障碍存在与大部分的项目及业主中 概念 C3 由于每个人的 施工知识和经验的不同 应该在项目规划初期进行研究与分享 作为斜拉索桥的设计 团队的总工程师 作者早已开始从以往类似的资料来概念性规划整个项目 通过与拥 有这种类型的建筑经验的人以及以往相关的资料咨询来实现概念项目的初步阶段的有 效途径 具有潜力的施工方被多次邀请参加学术会议与多个国家包括瑞士 英国和法 国的专家进行斜拉桥的研究 值得一提的是 在设计建造一体或总包工程 此概念可以很容易地被应用 但是 不能说对设计招标建筑这种类型的工程也是一样 这是由于在设计招标建造合同 施 工方不能参与项目的设计阶段 因此 为了公平起见 所有的施工方获得竞标的项目 必须概率相同 这意味着 业主单位和设计院不能在施工方设计过程中并去除某些设 计 由于某些施工单位在设计中对投标项目更加了解的施工单位使他们的预算比其他 施工单位更低 事实上 这是传统的合同阶层创建两极分化的群体 由此产生存在冲 突的角色与目标 但是 我们又不能指望施工单位在自愿提供设计资料 因为这会使 他们在施工中失去索赔的机会 即使在美国这样的困境仍然同样困扰着建设项目的业 主 特别存在于政府机关和公共工程部门这种报价低则优势的竞标过程中 Muhaned Aljabiry and Mekdam Nima personal communication May 2000 这实际上构成另一个施 工性概念实施的障碍 瓜拉雪兰莪斜拉桥项目也同样面临此问题 施工方以各种特殊情况来进行索赔 在美国 概念 C3 的实现却有着不同的过程 从 Gibson 等人的研究报告中了解 到 某个施工方曾在美国加尔维斯敦陆军工程兵团办公区矩举行过一个关于增加预算 以在设计阶段增强施工的研讨会 当时的会议主要是想召集一些行业专家对竞标人进 行评估 然后加尔维斯的专家们讨论的确实他们能否拥有合法的代表参加本次施工性 研讨会 在咨询法律顾问之后加尔维斯敦区决定将派出专家出席但不会与施工方代表 7 进行研究与讨论 由此看来设计 招标建一体化的这种模式仍然很难获得法律的支持 根据概念 C4 计划的定制必须在这一阶段决定 然后 如果项目的业主不愿意和 工程师或设计师谈论 和前面的概念一样 此概念便不能实施 概念 C5 通过 倒推法 来确定施工方提交给业主施工图的天数 当然这种方法是只适 用于在概念和设计阶段 因为业主不想牵扯其他阶段的工程师 概念 C6 主要用来分析概念性规划阶段的施工方法 大多数受访的工程师以及研究文献 认为斜拉桥需要特殊的建设的方法 因此 由于本项目的特定类型它必须在设计阶段 根据经验和规定设计建设方法 换句话说 可施工性概念必须在项目的早期阶段实 施 当提出在鹿特丹的伊拉斯谟斜拉桥的设计方面时 荷兰的两位博士 Reusink 和 Kuljpers 1998 在他们的文章中指出 对于这种类型的必须考核工程设计以及资金的 储备 此外 Swiggum 博士 1994 在文章中指出 当美国修建伯灵顿斜拉桥时 大 部分项目的参与者以前从未参加此类型的项目 缺乏经验再加上时间紧急 使得建筑 规划和方法分析被重视 因此 可施工的关键概念是利用精心的规划和创新确定施工 方法 Swiggum 1994 此外 Gimsing1998 称在斜拉桥的概念和设计中 其施工方面对桥梁有着很强的影 响 因为它在任何结构都具有相当规模 因此 结构体系和材料以及细节设计的选择 与施工工艺相符 Gimsing 1998 对于瓜拉雪兰莪大桥工程 主要施工方法是由设计顾问讨论与专家讨论得出的 在 最后的施工图纸 可施工性概念的应用是显而易见的 其中 10 以上 对施工方法进 行主要针对 而在传统图纸上 仅画出构造构件的细节 在该桥的备用方法中 最终 选择平衡悬臂法为主要施工形式 在该方法中 桥梁被分化成几多个连续段 并且每 一段都要承担下一段自身重量和相关设备 桥面临时拉索被设置在永久拉索之间用来 在施工阶段中支持结构受力 Mathivat 1983 其他主要施工注意事项包括结构施工期间使用滑动和快速移动的形式来构建桥塔 桥面板和临时索用来支持永久拉索 概念 C7 是研究概念设计过程中的场地布置 此概念是利用足够的土地进行空间规划来 保证正常的建筑活动 特别是公路项目 在农村地区场地布局的问题远远不及在大都 市地区的项目严重 项目被征集的土地应大于实际工程的需要 此外 业主由于并不 能介入项目设计 因此此概念在设计阶段并没能深入研究 8 概念 C8 施工顺序一般应决定采购和工程序列 因此设计和采购活动的时间表应该由 施工需要进行安排 施工进度必须在设计采购进度之前安排 CII1987 1993 在基 辛格博士 1988 的一篇关于美国密尔沃基市新会展中心建设的论文中写到当一个项 目接近完工时 意识到其实在设计建造中的最大力量其实是他们的能力 可以在施工 过程中更改传统的设计招标的建造方法以更加适合本项目 因此他们的团队完成项目 的第一阶段没有任何延误或成本超支 而这正是困扰着大型公共工程项目两个元素 与其余概念的对比 此概念在没有快速流程的情况下是很难进行适用的 而快速途径 则可以更容易地同时安排并设计采购和施工活动 很明显 实施这种方法需要管理者 有良好的背景和现场工作经验 在瓜拉雪兰莪斜拉桥 业主的首要任务是让设计院提 交的最后施工图纸以便进行评估 但是 本项目既不是一个设计建造合同也不是一个 快速流程项目 因此 我们发现 此概念是不适用这种情况 概念 C9 提倡设计院拥有先进信息技术的能力 此概念的目标是桥梁设计和施工之 间的差距 以解决专业化分散的问题 此概念在设计和准备过程中被广泛运用 例如 在概念设计的早期阶段通过互联网和制定模型来测试在桥的结构性能 互联网和它的 搜索引擎可以用来收集世界各地有关斜拉桥和悬索桥的资料 这对确定桥梁的各项要 素非常有帮助 如桥塔的高度与主跨度的长度之比 桥面板厚度与主跨度和背索到前 索等经济方面的问题 当然在这种类型的项目 美学的考虑是优先级高于经济比率和 可施工性方面的考虑 然而 这些方面应该是平衡的以此实现项目总体目标 因为这 是实现可施工性的目的 一个对现有斜拉桥的研究报告中显示 现有的斜拉桥的前索 距离普遍较大 此原因是 业主单位限制每边只能有 10 个拉索 因为此数字代表的雪 兰莪州地区的数量 因为主跨为 200 米 前斜拉索之间的距离是 20 米 长度大约是斜 拉桥主体的 2 倍 因此 所产生的应力是非常高的 桥梁具有许多复杂的部分 如多 个箱形梁 桥塔和拉索形成的桥面 则不得不使用计算机辅助设计和其它三维软件来 建模并执行的桥的分析研究 以确保活荷载 或者在极端的事件条件的风荷载 其部 件的配比和施工期间结构能满足要求 对斜拉桥进行静态分析 其中包括垂直和横向 载荷 三维建模分析静态和动态应力以及风荷载 并对设计的刚性和稳定性下进行评 估 对工程师来说斜拉桥的计算是非常大的难题 为了解决斜拉桥这些复杂的形状并 且相互依存的桥梁单元的计算 设计师不得不使用几种分析工具的联合计算 以精确 其计算 因此 斜拉桥结构主要是靠计算机进行计算并模拟的 以确保应力满足要 求 图 5 是斜拉桥的 3D 模型图 计算机辅助计算桥塔的倾斜角度以及桥塔和前索到背 9 索之间的距离 当然考虑到桥面进行悬臂法施工 在分析过程中也考虑了桥面板的施 工阶段并利用永久索和临时索在施工期间支持悬臂 由于永久索的间距较大所以施工 期间临时索是必须的 此外在背索的安装期间前索也应同步安装以保证各个阶段桥面 受力的平衡 图 5 模拟计算模型 为简化设计概念 C10 的使用 此概念在设计过程中增加了上部结构长度的三分之 二 另一方面 此概念并没有关于斜拉桥的部分 因此它对于斜拉桥适用性有限 在 Nima 博士 1999 的论文中写道 项目的外观也是主要指标之一 因此会经常修改设 计方案 出于此原因 导致实施本概念增加了项目的总成本 因此下面的技术和措施 被应用 1 使用预制后张法预应力工字梁桥面板以减少脚手架的使用 2 减少元件的数量 3 使用预制梁以降低工程相互之间的依存性 例如可在异地提前进行预制梁的预 制 概念 C11 和以前的概念一样支持规范化 可用于引梁的规范化包括对桩类型 墩 柱 墩横梁 梁 护栏 扶手 护栏和 600 米长的引桥总跨度排水系统进行了设计规 范化 概念 C12 是对单位原件进行统一规格以提高施工效率 为了实现此理念 供应商和施 10 工方共同制定符合斜拉索技术规格的锚具 预应力桥塔 箱梁 拉索锚固箱和后张拉 索的尺寸 对于项目的其余元素 也应该有拟定的规格 概念 C13 是关于使用模块和预装配的设计理念 体现在预制后张法预应力工字梁 和管桩的使用 由于这两个单元占据项目总成本的比例很高 因此许多施工性概念应 用在这两个项目上 从而带来的是质量 成本和进度上的优化 概念 C14 是在设计阶段对施工人员 材料和设备以及适用于设计阶段进行合理安排 作为斜拉桥 交通易达程度比其他类型桥梁更加复杂 因此 应用概念 C3 和 C6 的使 用减少 C14 使用困难 并增加了这种类型的结构交通易达程度 概念 C15 是设计阶段考虑恶劣天气条件下施工 以吉隆坡国际机场为例 Stevens 1997 发现业主和施工在对此巨大的项目时有四大威胁 其的一个威胁是恶劣天气 状况 但是如果使用预制管桩和梁便正好解决了整个问题 但是该项目的斜拉桥并没 有使用此概念 这是由于斜拉桥的复杂性使得 C10 施工性概念第二更加适用于本项 目 然而 这是工程师是一个挑战 如果他想实现尽可能多的施工性概念的话 表 1 瓜拉雪兰莪斜拉桥使用的施工性概念摘要 概念 使用状况 使用或未使用原因 C1 可施工程序 C2 项目团队 未使用 业主缺乏施工性概念的认识 拒绝在项 目的早期阶段投入更多金钱和精力 缺 乏团队建设及合作的精神 C3 个体 使用 总工程师熟悉此施工问题了解采用此概 念的应用 C4 收缩战略 未使用 业主拒绝研究此概念 C5 项目主进度计 划 部分使用 没有指定施工方以及业主在这件事情上 阻止工程师 C6 主要施工方法 使用 工程师认为使用此概念可以为项目带来 效益 C7 现场布局 未使用 项目有多余的土地提供足够空间 不需 要运用此概念进行合理安排空间 另外 业主限制了工程师的工作范围 阻碍了 这一概念的应用 11 C8 设计与采购时 间表 未使用 业主的首要任务是对项目进行招投标 因此并不关注此概念的应用 C9 先进的信息技 术 使用 设计师具有此概念相关的设备 C10 简化设计 使用 设计师拥有丰富的施工经验了解此概 念 设计简化对工程项目带来的优势比 较明显 C11 规范化 使用 与先前的概念相比 设计师在此概念运 用中发挥起到主导作用 C12 技术规格 使用 项目的早期 供应商和施工方共同并制 定统一的规格以实现建设施工的高水平 和效率 C13 预制模块 使用 此概念有机会被使用是因为设计者了解 这个概念并知道这个概念在建设工程中 应用的重要性 C14 易达程度 使用 应用此概念可以提高施工率和减少施工 现场易达问题 采用此概念的主要原 因 C15 恶劣天气 条 件 部分使用 使用预制管桩和梁便可以解决了整个问 题 并且此概念并没有关于斜拉桥的部 分 讨论与结论 本文汇集了设计阶段可施工概念性的相关规划 以实例说明可施工性概念可以对 一个项目的成功带来的影响 这项研究中获得的结果通过比较在概念性规划和设计阶段的缺陷和障碍从而肯定 了主要研究的总体结论 Nima 2001 作家指出 可施工性的实现的障碍 都涉及到 业主在早期概念性规划阶段对施工性概念应用的认知 以及拒绝在项目的早期阶段投 入更多金钱和精力和缺乏团队建设及合作 即使在实践中遇到障碍 此案例研究的结果还是和作者论文中描述的观点一致 从马 12 来西亚斜拉桥的项目中大致观察出可施工性概念相关的优势及应用障碍 与发达国家 案例描述基本相同 在对美国海湾沿岸航道工程案例研究 Gibson 博士 1996 建议 施工性专题讨论会并不适合获取施工信息 因为参会者并没有对该项目有足够的了 解 即使他们足够了解也会和施工方的意见相差很大 此外 Gibson 博士 1996 提 到如果施工方完全公开的施工信息则会让其竞争对手深入了解他们策略 Anderson 博 士 2000 建议在项目的早期阶段使用外部工程师取代施工性专题讨论会 从其他项 目过去的经验教训以及对可施工性概念专业技术咨询的来帮助可施工性的应用 在 Anderson 博士 2000 的理论中建议业主单位审核合作关系和工程造价之后进行投 资 由于 在项目的初期阶段即使是通过法律也很难获得业主单位的加资 因此 本 文提到的施工性概念也不能全部进行应用 此外 在不同的项目中施工知识和经验也没有系统的转移方法 当然如果存在这 种系统的转移方法 这种技术会缓解大部分有关施工性的问题 最后 瓜拉雪兰莪斜拉桥项目的施工性概念的使用状况及摘要均列于表 1 中 致谢 首先笔者要感谢 Khairi 咨询有限公司常务董事 Mohamad Khairi Ambran 先生 以 及公司董事 Manan Amir 和 Azmi 在马来西亚对此案例研究过程中提供的相关文件和 资金 感谢加拿大温哥华社区学院 Brian Pollard 先生对论文的校对 参考文献 1 Adams S 1989 可施工性应用 Construction Industry Research Information Association CIRIA Butterworths London 2 Anderson S D Fisher D J and Rahman S P 2000 可施工到项目开发 方 法 2 J Constr Eng Manage 126 2 81 88 3 Construction Industry Institute CII 1986 可施工性的开发 Publication 3 1 Univ of Texas at Austin Austin Tex 4 Construction Industry Institute CII 1987 可施工性概念 Publication 3 3 Univ of Texas at Austin Austin Tex 5 Construction Industry Institute CII 1993 可施工性实施指南 CII Special Publication 34 1 Univ of Texas at Austin Austin Tex 6 Construction Industry Institute Australia CIIA 1993 可施工性原则 Univ 13 of South Australia Adelaide Australia 7 Construction Industry Research Information Association CIRIA 1983 可施工 性评估 Special Publication 26 London 8 Gibson G E Jr McGinnis C I Flanigan W S and Wood J E 1996 公营部 门与可施工性 J Constr Eng Manage 122 3 274 280 9 Gimsing N L 1998 斜拉桥 2nd Ed Wiley New York 10 Kissinger J H 1998 快速设计 Civ Eng N Y 68 8 41 43 11 Mathivat J 1983 预应力混凝土桥梁悬臂施工 1st Ed Wiley New York 12 Nima M A 2001 马来西亚建筑业的可施工性概念 PhD thesis Univ Putra Malaysia Sela