第三章工程项目资源计划与优化1014.docx
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第三章工程项目资源计划与优化1014
第三章工程工程资源方案与优化
任何工程的实施都需要有各种资源的投入，如人力资源、原材料、设备、资金等。
资源方案与均衡是以进度方案为依据，对工程中的各项工作所需的资源进展估计并进展均衡及分配的过程。
第一节概述
工程资源应分成两局部，一是工程本身所需要的材料与设备；二是工程实施中的人力，设施、设备及能源等。
资源方案要决定每一项工作所使用的资源种类与数量，另外，资源的供给量是有限的，因此，资源方案还涉及约束条件下的分配与均衡。
资源方案确定下来后，结合资源的使用价格，就可以估计资源费用和编制费用方案，因此，资源方案是费用方案与控制的根底。
一、资源方案的依据
1.工作分解构造WBS
利用WBS进展资源方案时，工作划分得越细、越具体，所需资源种类和数量越容易估计。
工作分解自上而下逐级展开，各类资源需要量可以自下而上逐级累加，于是便得到了整个工程各类资源需要量情况。
2.工程工作进度方案
工程工作进度方案是工程方案中最主要的方案，是其他工程方案〔如质量方案、资金使用方案〕的根底。
资源方案必须效劳于工作进度方案，什么时候需要何种资源及需要多少是围绕工作进度方案而确定的。
3.历史信息
历史信息记录了先前类似工作使用资源的情况，在新工程中，分配给某项工作的资源类型和数量可以参考同类工程的经历数据。
4.工作范围说明
工作范围说明详细说明了工程工作的要求、内容、工作量的大小等信息，工作量的大小及时间上的要求，决定了该项工作所需资源数量。
5.资源供给情况
什么资源是可能获得的及供给量大小是工程资源方案所必须掌握的。
资源需求方案与资源供给水平必须相适应，假设资源获取很困难甚至无法取得，就必须重新选择资源类型，从而需要修改原来的资源需求方案。
6.组织策略
在资源方案的过程中还必须考虑人事组织、所提供设备的租赁和购置策略。
例如，工程工程中劳务人员是用外包工还是本企业职工，设备是租赁还是购置等，都对资源方案产生影响。
二、资源方案的方法
1.专家调查法
在缺乏客观资料和数据的情况下，常常采用专家调查法估计资源类型和数量，制定资源方案。
这种方法能充分发挥专家个人的知识、经历和特长方面的优势。
其优点是简单易行，专家不受外界干扰，没有心理压力，可最大限度的发挥个人的知识潜力。
缺点是方案结果容易受专家个人经历及主观因素的影响，难免带片面性。
2.头脑风暴法
在确定资源的类型、数量以及如何分配资源时，也可采用头脑风暴法。
头脑风暴法的本质是激发群体成员无限制的自由联想和讨论，其目的在于产生新观念或新设想。
具体来说就是团队的全体成员在作出最后的决策前，自发地提出尽可能多的主张和想法。
头脑风暴法更注重出主意的数量，而不是质量。
这样做的目的是要团队想出尽可能多的主意，鼓励成员有新奇或突破常规的主意。
应用头脑风暴法时，要遵循两个主要的规那么：
不进展讨论；没有判断性评论。
实践证明，头脑风暴法在帮助团队获得解决问题最正确可能方案时，是很有效的。
3.数学模型
为了使编制的资源方案具有科学性、可行性，在资源方案的编制过程中，往往借助于某些数学模型，如资源分配模型和资源均衡模型等，这些模型将在下面的章节中予以详细介绍。
三、资源方案的类型
1.劳动力需要量方案
劳动力需要量方案，主要是作为安排劳动力、衡量劳动力消耗指标、安排生活福利设施的依据。
其编制方法是根据施工方案、施工进度和施工预算，依次确定专业工种、进场时间、劳动量和工人数，然后聚集成表格形式，作为现场劳动力调配的依据。
劳动力需要量方案的编制步骤为：
〔1〕根据工程量汇总表中分别列出的各个单位工程的主要实物工程量，查预算定额或有关资料，得到各个单位工程主要工种的劳动量；
〔2〕根据施工进度方案表的各单位工程中各工种的持续时间，得到某单位工程在某段时间里的平均劳动力数；
〔3〕按同样方法计算出各个建筑物各主要工种在各个时期的平均工人数；
〔4〕将施工进度方案表纵坐标方向上同工种的人数叠加在一起并连成一条曲线，即为某工种的劳动力动态曲线图；
〔5〕其他工种也用同样方法绘成曲线图；
〔6〕根据劳动力曲线图列出主要工种劳动力需要量方案表，其表格形式如表3-1所示。
表3-1劳动力需要量方案表
序号
工种
名称
劳动量
〔工日〕
月份
1
2
3
4
5
6
7
2.主要材料需要量方案
主要材料需要量方案，主要是作为备料、供料和确定仓库、堆场面积及组织运输的依据。
其编制方法是根据施工预算工料分析和施工进度方案，依次确定材料名称、规格、数量和进场时间，并聚集成表格，其表格形式如表3-2所示。
主要材料需求量方案的编制步骤为：
〔1〕根据工程量汇总表所列各建筑物的工程量，查定额或有关资料，可得出各单位工程所需的建筑材料的需要量；
〔2〕根据施工进度方案表，大致算出某些建筑材料在某一时间内的需要量，编制出建筑材料的需要量方案表。
表3-2材料需要量方案表
序号
材料名称
规格
需要量
供给时间
备注
单位
数量
某些分项工程是由多种材料组成的，应按各种材料分类计算，如混凝土工程应计算出水泥、砂石、外加剂和水的数量，列入表格。
3.构件和半成品需要量方案
建筑构造构件、配件和其他加工半成品的需要量方案主要用于落实加工订货单位，按照所需规格、数量、时间组织加工、运输，确定仓库或堆场面积等。
其编制步骤与编制材料需要量方案一样，其表格形式如表3-3所示。
表3-3构件和半成品需要量方案表
序号
品名
规格
需要量
使用部位
供给时间
备注
单位
数量
4.施工机械需要量方案
施工机械需要量方案主要用于确定施工机具的类型、数量、进场时间，落实施工机具来源，组织其进出场。
其编制方法为：
将单位工程施工进度表中的每一个施工过程，每天所需要的机械类型、数量按施工工期进展汇总，即得施工机械需要量方案，其表格形式如表3-4所示。
表3-4施工机械需要量方案表
序号
机械名称
型号
需要量
货源
使用时间
备注
单位
数量
在安排施工机械进场时间时，应考虑某些机械需要铺设轨道、拼装和架设的时间，如塔式起重机、桅杆式起重机等需要现场拼装和架设。
四、资源方案的工具
1.资源矩阵
资源矩阵用以说明完成工程中的各项工作需要用到的各种资源的情况。
表3-5给出了资源矩阵的一个例子。
在表3-5中，左边的列给出了工程中的各项工作〔任务〕，上面的行给出了工程中所用到的资源的名称，行列穿插处的元素代表各项工作所需要各种资源的数量。
表3-5资源矩阵
资源
工〔台〕时
任务
工长
高级工
中级工
初级工
1m3挖掘机
8m3铲运机
人工挖一般土方〔三类土，100m3〕
人工铺筑砂石垫层〔100m3〕
挖掘机挖土方〔三类土，100m3〕
挖运机铲运土〔三类土，100m3〕
2
2.资源数据表
资源数据表用以说明各种资源在工程周期内各时间段上需要的类型和数量。
表3-6是资源数据表的一个例子。
在表3-6中，第1周，需要电焊工2人、电工1人；第2周，需要电焊工2人、木工1人、电工1人。
依此类推，可知工程周期内各时间段上所需资源种类及数量。
表3-6资源数据表
时间
人数
资源
时间
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
电焊工
2
2
钢筋工
3
3
3
3
砌筑工
2
2
2
2
2
2
2
木工
1
1
1
1
1
1
电工
1
1
1
1
1
1
1
1
3.资源甘特图
资源甘特图用以反映各种资源在工程周期内各时间段上分配给了哪些工作。
表3-7是资源甘特图的一个例子。
某分局部项工程要用到两类资源：
砌筑工和混凝土工。
砌筑工要完成的任务包括砌半砖隔墙、砖外墙和砌女儿墙，其在每一项任务上的工作时间用表格右边的短横线表示。
例如，砌筑工要在第12-13天砌筑女儿墙。
表3-7资源甘特图
资源名称
时间〔天〕
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
砌筑工
M5混合砂浆砌半砖隔墙
M5混合砂浆砌砖外墙
M5混合砂浆砌女儿墙
混凝土工
混凝土构造柱
混凝土圈梁
混凝土有梁板
4.资源负荷图
资源负荷图以图形的方式展示了工程周期内的各时间段上所需要的资源的数量，可以按不同种类的资源画出不同的资源负荷图。
图3-1是人力资源负荷图的一个例子。
图3-1人力资源负荷图
5.资源累计图
在资源负荷图的根底上，按时间累计出工程周期内的各个阶段所需要的资源的数量，绘制而成的曲线就是资源累积图。
图3-2是材料需要量累计图的一个例子。
图3-2材料需要量累计图
五、资源方案的结果
资源方案的结果是一份资源需求方案文件，其应对工程所需各种资源的类型、数量及在时间上的安排加以详细描述，并以图表的形式予以反映。
资源的需求安排一般应分解到具体的工作上，即要确定每一项工作需要什么类型资源、需要多少、啥时候需要等。
资源方案的结果如下：
〔1〕资源的需求方案；
〔2〕各种资源需求及需求方案的描述；
〔3〕具体工作的资源需求安排。
第二节资源需求量的计算
为了便于研究工程的资源需求和工作进度安排之间的关系，假定工程实施中只使用一种资源〔劳动力〕，并且假设每项工作的资源使用率保持不变，于是，劳动力在该工作上的总劳动时数等于每天需要的劳动力与工作持续时间的乘积。
如果资源的使用率发生变化，就应该分别确定每一时间区段的资源需要状况。
一、最早时间下的资源需求量
下面以一个例子来说明当工程中所有工作都按最早时间安排时，其对应的资源需求量应该如何计算。
[例3-1]某分部工程包括7项工作，工作的持续时间及相互之间的逻辑关系见图3-3所示，每项工作每天需要的劳动时数及总劳动时数见表3-8所示。
试绘制最早时间资源需求量负荷图及累计曲线。
图3-3工程网络图
表3-8工作所需资源数量
序号
工作名称
持续时间
每天需要的劳动时数
总劳动时数
1
A
5
8
40
2
B
3
4
12
3
C
8
3
24
4
D
7
2
14
5
E
7
5
35
6
F
4
9
36
7
G
5
7
35
[解]
1.计算工作最早时间，并绘制甘特图
工作最早开场时间和最早完成时间的计算方法参见第二章相关内容，计算结果见表3-9所示。
据此绘制最早时间甘特图，如图3-4所示。
2.根据工作最早时间安排，计算工程的资源需求量
根据图3-4的工作进度安排，统计工程的每天资源需求量〔劳动时数〕，见表3-10所示。
3.绘制相应的资源负荷图
根据表3-10所示数据，绘制相应的资源负荷图，见图3-5所示。
4.绘制相应的资源累计曲线
根据表3-10所示数据，将劳动时数按时间〔天〕逐步累计，然后绘制出相应的资源累计曲线，见图3-6所示。
表3-9工作时间参数表
工作名称
最早开场时间
最早完成时间
最迟开场时间
最迟完成时间
A
0
5
0
5
B
0
3
3
6
C
5
13
5
13
D
5
12
6
13
E
0
7
6
13
F
13
17
13
17
G
17
22
17
22
图3-4最早时间甘特图
表3-10最早时间下的资源需要量
图3-5最早时间资源负荷图
图3-6最早时间资源累计曲线
二、最迟时间下的资源需求量
1.计算工作最迟时间，并绘制甘特图
工作最迟开场时间和最迟完成时间的计算方法参见第二章相关内容，计算结果见表3-9所示。
据此绘制最迟时间甘特图，如图3-7所示。
图3-7最迟时间甘特图
2.根据工作最迟时间安排，计算工程的资源需求量
根据图3-7的工作进度安排，统计工程的每天资源需求量〔劳动时数〕，见表3-11所示。
表3-11最迟时间下的资源需要量
3.绘制相应的资源负荷图
根据表3-11所示数据，绘制相应的资源负荷图，见图3-8所示。
图3-8最迟时间资源负荷图
4.绘制相应的资源累计曲线
根据表3-11所示数据，将劳动时数按时间〔天〕逐步累计，然后绘制出相应的资源累计曲线，见图3-9所示。
图3-9最迟时间资源累计曲线
第三节资源优化
资源是指为完成一项方案任务所需投入的人力、材料、机械设备和资金等。
完成一个工程所需要的资源量根本上是不变的，不可能通过资源优化将其减少。
资源优化的目的是通过改变工作的开场时间和完成时间，使资源按照时间的分布符合优化目标。
在通常情况下，网络方案的资源优化分为两种，即“资源有限，工期最短〞的优化和“工期固定，资源均衡〞的优化。
前者是通过调整方案安排，在满足资源限制条件下，使工期的延长值到达最少的过程；而后者是通过调整方案安排，在工期保持不变的条件下，使资源需用量尽可能均衡的过程。
在优化过程中，不能改变网络方案中各项工作之间的逻辑关系；不能改变网络方案中各项工作的持续时间；除规定可中断的工作外，一般不允许中断工作，应保持其连续性。
一、“资源有限，工期最短〞的优化
“资源有限，工期最短〞的优化本质上是为了解决资源需求和供给的冲突问题，当资源的需求量超过了资源的供给量时，工程管理者就要思考如何解决这一矛盾。
方法之一是增加资源的供给量，可通过购置、租赁等手段提高资源的最大供给量。
方法之二是通过调整工程中工作的开工时间和完工时间，来降低对资源的需求量，在不增加任何额外资源的情况下，解决资源冲突矛盾。
“资源有限，工期最短〞优化主要是针对后者。
1.优化步骤
〔1〕按照各项工作的最早开场时间安排进度方案，并计算工程每天的资源需要量。
〔2〕从方案开场日期起，逐个检查每天的资源需要量是否超过资源限量。
如果在整个工期内资源需要量均能满足资源限量的要求，那么此方案即为可行方案，否那么必须进展优化。
〔3〕分析超过资源限量的时段〔资源需要量一样的时间区段〕。
如果在该时段内有几项并行工作，那么采取将一项工作安排在与之平行的另一项工作之后进展的方法，以降低该时段的资源需要量，其结果是工程的总工期有可能变长了。
如图3-10所示，在时间段[t1，t2]内资源出现冲突，即资源需要量大于资源供给量。
观察发现，在这一时间段内，工作i和工作j在并行实施。
为减少这一时段的资源需要量，拟将工作j安排在工作i完成之后立即开场，如图中黑粗线所示。
这一安排上的改变对总工期的影响可用下述公式表示：
〔3-1〕
当然，还可将工作i安排在工作j之后实施来减少这一时段的资源需要量。
此时，对总工期的影响为：
〔3-2〕
“资源有限，工期最短〞优化就是在上述两种方案中寻找对总工期影响最小的方案。
如果在冲突时段有多项并行工作，要使
最小，就必须选择LS最大的一项工作安排在EF最小的另外一项工作的后面，如此安排可使其对总工期的影响最小。
〔4〕对调整后的网络方案重新计算每天的资源需用量。
〔5〕重复上述第2个步骤到第4个步骤，直至网络方案整个工期范围内每天的资源需要量均满足资源限量为止。
LS
图3-10并行关系变成先后关系后对总工期的影响
2.优化例如
[例3-2]某工程双代号网络方案如图3-11所示，图中箭线上方数字为工作的资源强度，箭线下方数字为工作的持续时间〔以天为单位〕。
假定资源限量Ra=12，试对其进展“资源有限，工期最短〞的优化。
图3-11初始网络方案
[解]
〔1〕计算网络方案每天的资源需用量，如图3-11图形下方数字所示。
〔2〕从方案开场日期起，经检查发现时段[3，4]存在资源冲突，即资源需要量超过资源限量，故应首先调整该时段工作安排。
〔3〕在时段[3，4]有工作1-3和工作2-4两项工作并行作业，它们的最早完成时间和最迟开场时间如下所示：
工作1-3：
EF1-3=4，LS1-3=3
工作2-4：
EF2-4=6，LS2-4=3
其中EF最小的是工作1-3，LS最大的是工作2-4，所以应将工作2-4安排在工作1-3之后。
方案调整结果如图3-12所示。
〔4〕重新计算每天的资源需要量，如图3-12所示。
从图中可知，在时段[7，9]存在资源冲突，故应调整该时段工作安排。
图3-12第一次调整后的网络方案
〔5〕在时段[7，9]有工作3-6、工作4-5和工作4-6三项工作并行作业，它们的最早完成时间和最迟开场时间如下所示：
工作3-6：
EF3-6=9，LS3-6=8
工作4-5：
EF4-5=10，LS4-5=7
工作4-6：
EF4-6=11，LS4-6=9
其中EF最小的是工作3-6，LS最大的是工作4-6，所以应将工作4-6安排在工作3-6之后。
方案调整结果如图3-13所示。
图3-13第二次调整后的网络方案
〔6〕重新计算每天的资源需用量，如图3-13所示。
由于此时整个工期范围内每天的资源需要量均未超过资源限量，故图3-13所示方案即为最优方案，其最短工期为13。
二、“工期固定，资源均衡〞的优化
“工期固定，资源均衡〞的优化，是指在工期不变的情况下，使资源的分布能够尽量到达均衡，即在整个工期范围内每天的资源需要量不出现过多的顶峰和低谷，力求每天的资源需要量接近平均值，这样不仅有利于工程建立的组织与管理，而且还可以降低工程费用。
“工期固定，资源均衡〞的优化方法有多种，如方差值最小法、极差值最小法、削顶峰法、遗传算法等，这里仅介绍方差值最小法和遗传算法。
〔一〕方差值最小法
1.方差值最小法的原理
某工程网络方案如图3-14所示，工程总工期为T，每天的资源需要量用R1，R2，…，RT表示。
图3-14网络方案及资源需要量
表达资源需求不均衡的指标可用其方差
来表示，方差越大，说明资源需要量越不均衡，其计算公式为：
〔3-3〕
〔3-4〕
上述公式中，
：
第t天的资源需要量；
：
平均资源需要量。
将式〔3-3〕展开，可简化为：
〔3-5〕
因为优化时要保证总工期不变，所以上述公式中的T和
为常数。
据此，方差
的大小仅与
的值有关，当
的值变小时，也就意味着方差
变小了，即资源需要量变得更加均衡了。
令
从网络方案中任意挑选一项工作k，假设工作k从第i天开场，到第j天完成，工作k的资源需要量为
，见图3-14所示。
假设将工作k右移一天，即工作k从第i+1天开场，到第j+1天完成，从图中可以看出，如此调整后，只有第i天和第j+1天的资源需要量发生了变化，其他时间的资源需量未发生改变。
记调整后的资源需用量的平方和为
，那么
调整前后两者的差值为：
如果
为负值，那么说明工作k右移一天能使资源需要量的平方和减少，从而使资源需用量更加均衡。
因此，工作k能够右移一天的判别式是：
〔3-6〕
由于
不可能为负值，故判别式〔3-6〕可以简化为：
〔3-7〕
判别式〔3-7〕说明，当工作k完成时间之后下一天所对应的资源需用量
与工作k的资源需要量
之和不超过工作k开场时间所对应的资源需用量
时，将工作k右移一天能使资源需要量更加均衡。
这时，就应将工作k右移一天。
如此判别右移，直至工作k不能右移或工作k的总时差用完为止。
2.优化步骤
〔1〕按照各项工作的最早开场时间安排进度方案，并计算网络方案中每天的资源需用量。
〔2〕从网络方案的终点节点开场，按工作完成节点编号值从大到小的顺序依次进展调整。
当某一节点同时作为多项工作的完成节点时，应先调整开场时间较迟的工作。
在调整工作时，一项工作能够右移的条件是：
1〕工作具有足够的机动时间，在不影响工期的前提下能够右移；
2〕工作满足判别式〔3-7〕。
只有同时满足以上两个条件，才能调整该工作，将其右移至相应位置。
〔3〕当所有工作均按上述顺序自右向左调整了一次之后，为使资源需用量更加均衡，可再按上述顺序自右向左进展屡次调整，直至所有工作不能右移为止。
3.优化例如
[例3-3]某工程双代号网络方案如图3-15所示，图中箭线上方数字为工作的资源强度，箭线下方数字为工作的持续时间〔以天为单位〕。
试对其进展“工期固定，资源均衡〞的优化。
[解]
〔1〕计算网络方案每天的资源需用量，放在时标网络图的下方，如图3-15所示。
图3-15初始网络方案及资源需要量
由于总工期为14，故资源需用量的平均值为：
Rm＝〔2×14+2×19+20+8+4×12+9+3×5〕／14=116／14
〔2〕第一次调整
1〕以终点节点⑥为完成节点的工作有三项，即工作3-6、工作5-6和工作4-6。
其中工作5-6为关键工作，由于工期固定而不能调整，只能考虑工作3-6和工作4-6。
由于工作4-6的开场时间晚于工作3-6的开场时间，应先调整工作4-6。
①由于R11+r4-6＝9+3＝12，R7=12，二者相等，故工作4-6可右移一天，改为第7天开场；
②由于R12+r4-6＝5+3＝8，小于R8=12，故工作4-6可再右移一天，改为第8天开场；
③由于R13+r4-6＝5+3＝8，小于R9＝12，故工作4-6可再右移一天，改为第9天开场；
④由于R14+r4-6＝5+3＝8，小于R10＝12，故工作4-6可再右移一天，改为第10天开场。
至此，工作4-6的总时差已全部用完，不能再右移。
工作4-6调整后的网络方案及资源需求量如图3-16所示。
工作4-6调整后，就应对工作3-6进展调整。
①由于R12+r3-6＝8+4＝12，小于R5＝20，故工作3-6可右移一天，改为第5天开场；
②由于R13+r3-6＝8+4＝12，大于R6＝8，故工作3-6不能右移一天；
③由于R14+r3-6＝8+4＝12，大于R7＝9，故工作3-6也不能右移一天
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