市政工程管线综合优化研究

赵世华

（超胜工程项目管理有限责任公司，山东 济南）

引言

随着城市化进程的加速，市政工程管线建设也日益重要。由于不同类型管线通常由不同的部门管理，缺乏统一的规划和协调，经常导致资源的浪费和城市环境的破坏[1]。因此，对市政工程管线进行综合优化研究显得尤为重要。

当前，市政工程管线建设面临的主要问题包括以下几个方面：(1) 管线规划不统一：由于各部门的规划和管理标准不同，管线建设的协调性较差，经常出现交叉、重叠等现象，导致资源的浪费和安全隐患；(2) 管线建设周期长：传统的管线建设方式需要耗费大量的人力和物力，建设周期长，对城市交通和居民生活造成较大影响；(3) 管线维护困难：由于管线的复杂性和多样性，一旦出现问题，维护和检修困难，往往需要停水、停电等长时间的操作，影响居民的正常生活。针对上述问题，进行对市政工程管线综合优化设计研究。

1 工程简介

本文研究是针对一个工业园区内的市政管道系统的总体规划。在此基础上，提出了一种基于城市轨道交通的城市道路交通系统总体规划方案。内容包括各专业市政管道布局以及有关设施、结构的布局。在管线综合规划过程中，需要考虑各专业管线的空间关系，确保它们之间的安全距离和施工要求[2]。此外，还需要考虑各专业管线之间的协调问题，确保它们在布局上合理、美观，并且符合城市规划和相关法规要求。在该工程项目中，市政工程管线综合规划主要分为管线综合规划流程设计和空间布局两方面。

在搜集原始数据时发现，本项目所处区域为新发展工业区，土地以农田为主，并有部分仓储性土地。市政管道数据的获得，一般是通过当地的工程档案进行[3]。但是，有些数据年代太过久远，保存的信息并不完备，因此，只有通过实地测绘的方法才能获得。对采集到的资料进行了规范化的分类，为以后的信息化建设打下了基础。表1 中记录了该项目现状通信管线信息。

表1 项目现状管线信息记录表

在满足下述规划原则的基础上，对管线综合优化：要根据实际情况，对天津市区及滨海新区已有基础设施进行科学合理的规划，并将其与中心城市及滨海新区的城市基础设施相结合。从而提升了基础设施的安全、稳定、可靠。在此基础上，提出了“适度超前”、“协调发展”、“分期建设”、“保护环境”、“减少占地”等基本原则。在规划建设中，要注重对生态环境的主动保护，遵循“基础建设先行”、“以市场为导向”的理念[4]。最后，要有一套统一的城市规划与管理办法。

2 市政工程管线综合优化目标函数建立

城市管道系统的综合优化问题，其核心是要找到最优目标和最优约束的关系，并将其用数学模型表达出来。管道综合规划中有多种约束，它们的重要性不等，且有不同的维数。若将全部约束都纳入其中，则所构造的目标函数将变得十分复杂，而且在实际中的适用性将大大降低。为此，人们往往选取重要的、较强的约束，而忽视某些较弱的约束，以简化过程，凸显核心问题[5]。在构造目标函数时，将综合目标分解为单个目标，并采用对应的解法进行求解。

为使管道综合规划结果具有技术上的可行性和经济性上的合理性，应从以下两个方面进行优化。首先，根据规范对管道的使用功能以及规范中对覆盖层及间距的规定，从平面布置的角度出发，以最短的管道布设长度为目标，即求解最短路径问题[6]。其次，在纵向上，为减少土方工程，管道总埋深尽可能小，并尽可能地将管道设置在人行道及绿化带下，避免机动车道。

综上，首先完成对最短路径优化目标数学模型的构建：

式中：Z1代表最短路径优化目标数学模型，aij代表管线（i，j）权值系数，lijs代表从节点i 到节点j 的第s 类型管线的长度。为确保上述数学模型成立，需要设置相应的约束条件：首先，第t 种类型的管线与第s 种类型的管线水平间隔距离应当控制在规范要求管线之间应保持的水平最小间距与道路红线距离之间[7]。其次，对于aij的取值可结合节点i 到节点j 之间是否存在管线得出，即当节点i 到节点j 之间存在管线时，aij的取值为1；不存在，aij的取值为0。

管线的竖向布置要达到两个目的。首先，在满足最低覆盖层高度的条件下，市政管道埋设深度应尽量浅；这种方法的好处是可以减少土方工程，降低成本，降低建造困难，并且可以降低以后的维修和保养费用[8]。其次，在保证最小水平间距的前提下，管道应尽可能地布置在非机动车道下方，且最远处的两根管道之间的距离应尽量接近。最小深度与最小距离组成了竖向布局问题的目标函数：

式中：Z2代表管线竖向空间布置最小剖面优化目标数学模型，S 代表最大面积约定范围。为满足上述模型成立，设置以下约束条件：

式中：int（Ft）代表第t 个类型管线所占空间区域面积；int（Fs）代表第s 个类型管线所占空间区域面积；Φ 代表不干涉。在建立了数学模型之后，接下来就是选取适当的求解方法。Matlab 是求解最优化问题的常用工具。Matlab 拥有三十多个工具包，其中的优化工具包可以对各种优化问题进行求解，为解决工程实际问题提供了便利的解决方案。

3 管线综合交叉口竖向优化设计

在完成对市政工程管线综合优化目标函数的构建后，结合上述工程的实际情况，对管线综合交叉口进行竖向优化设计。根据交叉口的规划要求和地形条件，确定交叉口的设计高程。在满足排水要求的前提下，尽量使交叉口的标高与周围道路相协调。根据交叉口的交通流量和车行速度，调整交叉口的横坡。通常情况下，横坡可以设置为1.5%左右，以满足车辆的排水要求和行驶舒适性。在进行交叉口的竖向设计时，需要考虑各个方向的道路高程和横坡变化情况。通过合理调整交叉口的设计高程和横坡，可以优化交叉口的排水系统、提高车辆的行驶安全性和舒适性。在进行交叉口竖向优化设计时，还需要考虑管线的设计和施工要求。例如，需要考虑管线的埋深、间距、施工工艺等因素，以确保管线的安全性和稳定性。利用计算机辅助设计软件进行交叉口竖向优化设计，可以提高设计的效率和准确性。通过输入地形数据、交通流量、设计要求等参数，可以自动生成交叉口的竖向设计图。在综合考虑上述要求的基础上，结合最小埋深法，进行管线综合较差口竖向优化设计。首先需要确定管线交叉点的性质，如果是重力流管道和重力流管道的交汇处，那么在管道相交处，根据自流管线的水力学计算结果，确定了管线交叉部位的标高，见图1。

图1 重力流管线交叉设计图

判定两个管道的垂直间隔距离，公式为：

式中：Z1代表污水管交叉点位置上的底部标高，Z2代表雨水管交叉点位置上的底部标高，D1代表交叉点位置上的任意管线管径，d 代表最小垂直净距。若上述公式（4）成立，则可将Z1和Z2视为管线底部标高。若不成立，则需要重新计算管段水力。

对于非重力流管线交叉设计见图2。

图2 非重力流管线交叉设计图

对于图2 中所示的非重力流管线交叉形式，其下层管线的管底标高可通过下述公式计算得出：

式中：（F上，F下）代表管底标高，dij代表第i 个节点到第j 个节点的最小垂直净距，D下代表下层管线管径。对于非重力流管线与重力流管线的交叉设计见图3。

图3 非重力流管线与重力流管线的交叉设计图

两个管道之间的距离为：

式中，L 代表两个管线之间的距离，H 代表道路控制点的设计标高，Zi代表重力流管线管底标高，M 代表最小覆土深度和埋设深度最大值比较中的较大的值，Df代表非重力流交叉点的管径，Dz代表重力流交叉点的管径。对最小埋深法进行三维效果图设计，见图4。

图4 最小埋深法市政工程管线综合三维效果图

4 优化效果

为验证上述管线综合优化效果，分别从安全性、可靠性、经济性等方面对其进行评分，评分结果见表2。

表2 市政工程管线综合优化效果评分

上述评价覆盖了安全性、可靠性、经济性、高效性、可扩展性、可维护性、环境适应性和技术创新性，共八个方面。这些指标可以用来全面评估市政工程管线的综合优化效果，帮助决策者更好地了解和掌握管线的性能和状况，从而作出更为科学合理的决策。从表中内容可以看出，优化后的市政工程管线综合得分可以达到90 分以上，能够充分满足管线综合优化实际需求。

5 结论

在一个地区的发展和建设中，城市管道体系的总体规划是一个非常重要的步骤。在设计方面，这将直接关系到各个专业管道在施工图设计中的配合难度。在建设过程中，这直接影响到每一根管道的铺设难度和数量，并对该地区的后续管理工作是否有序进行具有决定性的影响。如何使管线的总体规划工作有序而科学地进行，是一个值得探讨的课题。本文通过上述研究，提出了一种全新的市政工程管线综合优化方案。通过对其优化设计，使有限城市地下空间得以充分利用，同时也能够在一定程度上促进管线综合规划工作效率的提升。