1 引言

装配式建筑具有节约工期、降低能耗、改善构件质量等众多优点, 发展预制装配式能够大大提高行业劳动生产率, 有利于行业整体利润水平的提升。住建部于2017年印发《建筑业发展“十三五”规划》, 提出至2020年装配式建筑面积占新建建筑面积比需达15%。巨大的市场需求以及紧迫的时间节点要求, 对装配式建筑预制构件生产基地的有序建设提出了极大的挑战。为能有效地满足市场需求, 同时又能避免盲目投资, 如何对装配式建筑构件生产基地进行科学合理的规划布局是亟待解决的问题。 目前对装配式建筑构件生产基地的选址规划研究较少, 且定性规划居多, 缺乏定量化的分析。因为建筑业以及预制构件的特殊性, 这些成果都难以直接运用到装配式建筑构件生产基地科学选址研究。而0-1规划方法的模型在多阶段规划选址上有一定的优势, 可以进行联合运用。 鉴于此, 本文拟从影响装配式建筑预制构件生产基地选址的综合因素出发, 通过灰色预测法对城市未来的影响因素进行预测, 并建立数学函数模型, 通过定量分析得到区域内最优解, 从而为投资企业提供一定的决策依据。

2 预制构件生产基地规划选址影响因素及方法

2.1 预制构件生产基地规划选址影响因素

预制构件生产基地在规划选址的过程中需要考虑到各方面的影响因素, 同时由于建筑业以及预制构件的特殊性, 其考虑因素有区别于传统的制造业规划选址, 将预制构件生产基地规划选址过程中的影响因素归纳为: (1) 市场需求。预制构件生产基地的规划建设最终目的是满足城市建设的需求, 为了避免出现供大于求或供不应求的市场不平衡现象, 对预制构件的市场需求进行准确的判断便愈发重要。 (2) 土地条件。土地属于稀缺资源, 在预制构件生产基地的规划选址中, 必须考虑到其土地需求与投资成本, 则土地条件便成为其一大重要影响因素。显然城市中不同区域的土地储备与价格都大有不同, 同时生产基地的规划也将影响最终所需的土地面积大小。 (3) 产业链间相互影响。预制构件生产基地需在外采购水泥、砂石等原材料进行生产并最终运输至施工现场;并且目前正处于城市化的飞速发展中, 城市巨大的建设量也使其对预制构件的需求更为迫切。这些都会导致预制构件生产基地在规划选址时应考虑对上游原材料的需求、对下游施工现场的运输便利等条件。 (4) 交通条件。预制构件需从生产基地运输到施工现场才能进行吊、安装, 但由于预制构件相比其他材料在大小尺寸、重量等方面都属于超大型产品, 从而其运输要求也大大提高。就目前城市的道路情况来说, 许多干道、高架桥、桥梁存在限高、限重情况, 更有许多城市对工业运输车进入某些城市道路的时间上给出了限制, 从而为避免后期运输上的阻碍, 在进行预制构件生产基地规划选址中需提前考虑交通条件问题。

2.2 预制构件生产基地规划选址方法

本文运用0-1整数规划方法构建函数影响因素并设立其约束条件, 建立预制构件厂选址目标函数, 同时对城市各可选区域进行划分与选择, 并通过灰色预测法对目标函数中各区域相关影响因素作出合理预测, 在此基础上进行选址求解。

2.2.1 0-1整数规划

0-1整数规划是整数规划中的一种特殊形式, 在整数规划中决策变量取值只有0或1, 称为0-1变量或者二进制变量, 因其可以用数字表达出有或无、选择或放弃等现象中包含的离散变量间顺序关系、逻辑关系以及相互间约束条件。并且0-1整数规划在建立多阶段规划选址模型上具有独特优势, 而装配式建筑预制构件生产基地的推广与应用也一般为多层次、多阶段推进, 建立因此对于描述本文问题并对问题建立模型、求解, 0-1整数规划十分适用。

2.2.2 灰色预测法

灰色预测通过对系统因素间的发展趋势进行关联分析, 并对系统原始数据进行生成处理, 寻找其变动规律并得到有规律性的数据序列, 从而建立起相应的方程模型, 对事物未来发展趋势进行预测。通过构造灰色预测模型, 可用其在等时距中观测到的反应预测对象特征的一系列数值, 从而得到未来某一时刻的数值。并且灰色预测可以在样本数据较少、样本较小的情况下依然做出相应预测, 其他预测方法相较于此方面具有一定的局限。在预制构件生产基地的规划选址问题中, 需要对生产基地备选区域的规划期内各时段土地价格做出合理预测, 并对其未来趋势做出合理判断, 同时综合武汉市的土地出让结果可知, 在近五年中其价格变动较大, 可取用合理数据样本较少, 灰色预测模型的上述特点, 能够较好的满足要求, 得出相应结论。

3 预制构件生产基地规划选址模型

3.1 模型假设

为利于模型建立, 可做出如下假设: (1) 预制构件生产基地备选区域在可提供的城市区域内进行选择并且生产基地的建设规模及配套面积已确定; (2) 城市道路条件近期内基本不发生改变; (3) 预制构件生产基地运营中运费差距测算周期为5年, 与城市规划时间相匹配。

3.2 模型建立

在预制构件生产基地的生产周期中, 其经济费用成本包含多项, 可分为前期的建设成本费用以及后期生产中的运营成本费。本文数学模型目标在于取得经济最优, 在对目前已有预制构件生产基地的调研数据中可知在针对不同备选地点进行预制构件生产基地的规划选址时, 各区域间造成成本投入有所差距的主要有前期的建设成本费用中的土地购置费、后期运营成本费中的预制构件的运输费用。则模型建立的目标函数要求为预制构件生产基地的土地购置费用与后期规划期内运营中运输费用支出之和最小。从而可结合0-1整数规划模型建立目标函数: 目标函数: 约束条件: 其中:L_ij:备选地点i在j年的土地价格;T_ij代表备选地点的年度运费;y_ij:预制构件生产基地在备选地点i的j年的年产量;C_j:j年预制构件市场需求量;i:备选地点;j:年份;m:备选区域的个数;n:考虑资金时间价值的五年内运费折现系数。 式 (1) 中, L_ij=a_ij×u_ij;其中, u_ij代表土地单价, 各备选区域的未来土地单价采用灰色预测法, 通过对近年来年均价进行统计, 预测未来短期内的价格趋势, 从而确定其土地单价;a_ij代表预制构件生产基地面积, 可根据各城市发展市场现状确定。 式 (1) 中, T_ij=p×y_ij×d_i;其中, p为预制构件单位运输价格, 包括基本运输费以及税费;y_ij为预制构件生产基地的年产量;d_i表示构件生产基地到建设点的运输距离, 其中建设点选择建设区域的几何中心点, 运输距离通过地图软件针对各方案中备选区域以及建设点确定最优路线, 即允许预制构件运输通过的最短路线。 式 (2) 为约束条件, 表示建成后的预制构件生产基地的年产量需满足当年预制构件市场的需求量;同时对于0-1变量f_ij的取值只能为0或者1。

4 实证分析

实证分析针对武汉市进行, 辖江岸、江汉、硚口、汉阳、武昌、青山、洪山、蔡甸、江夏、黄陂、新洲、东西湖、汉南13个行政区, 其中江汉、硚口、江岸、汉阳、武昌、青山、洪山区域组成了该市中心城区。同时长江与汉江的贯穿将武汉市分为三个区域, 即北部区域:江岸、江汉、硚口、东西湖、黄陂、新洲;西部区域:汉阳、蔡甸、汉南;东部区域:武昌、青山、洪山、江夏。由于在三大区域间运输时需要穿过长江大桥等, 从而运输时间与运输路线都将受到限制, 所以该市预制构件生产基地规划在考虑构件生产基地的辐射半径、最大运输距离、交通条件限制后, 可分为北部、西部、东部三大区域作为划分。本文以该市北部区域进行分析。

4.1 假设条件

为利于武汉市情况分析, 可对该市预制构件厂选址规划作出下列假设: 装配式建筑规划发展推进过程按武政规 (2017) 8号文平稳推进。其主要内容有下列范围内的房屋建筑在土地供应时应当明确按照装配式方式进行建造: (1) 自2018年1月1日起, 各中心城区、武汉东湖新技术开发区、武汉经济技术开发区 (不含汉南区) 、市东湖生态旅游风景区、武汉化工区范围内的民用建筑; (2) 自2019年1月1日起, 新城区人民政府所在地、都市发展区、武汉盘龙城经济开发区、武汉阳逻经济开发区范围内的民用建筑。 到2020年的房地产开发业平稳发展, 且各区域发展速度较均衡、稳定。 预制构件厂区内只考虑厂区 (生产区、堆放区) 、办公区及必备的道路条件, 且办公区域及道路条件满足基本需求。 考虑到预制构件厂的辐射半径以及各个区域的地域需求等, 各生产基地应规划在不同区域, 即不在同一个备选地址进行规划。

4.2 参数确定

a_ij代表面积, 按照武汉市目前发展现状以及市场发展选择, 通常情况下存在大型基地或小型基地两个选项, 其关于面积a_ij的公式如下: T_ij代表年度运费, T_ij=p×y_ij×d_i;其中, 目前武汉市预制构件单位运输价格p可选取2.925元/公里;y_ij为预制构件生产基地的年产量, 按照武汉市目前的市场现状, 可分为大、小两种规模的预制构件生产基地, 其中大型生产基地的年产量为25万m³, 小型生产基地的年产量为15万m³; 由武政规 (2017) 8号文可知, 2018年武汉市中心城区建设需采用装配式建筑进行建设, 由此本文将从2018年起预制构件需求进行考虑。在近年该市新开工面积与中心城区占比中, 考虑到该市近年区域发展较为平稳, 可在去除近年最大、最小值后得其平均值进行分析, 即该市开工量为22601216m², 北部中心城区占比为22.61%, 从而北部区域2018年新开工建筑面积可计算为22601216×22.61%, 即5110135m²。 根据对目前武汉市预制构件生产基地以及装配式建筑项目的调研, 装配式建筑面积与预制构件的换算系数大致为0.12, 即2018年北部区域预制构件的需求量为61.32万m³。又因目前北部区域中建三局已在新洲区域建设一座年产25万m³的预制构件生产基地并投产, 从而新建预制构件生产基地的需求量应为两个数据之间的差额, 即36.32万m³。 表1 各备选区域土地单价 下载原表 表2 模型软件运行结果 下载原表 在对备选区域的确定上, 可对武汉市规划的工业用地进行选择, 由于中心城区土地资源紧缺、自然及经济等条件不允许, 故预制构件生产基地可规划在东西湖、黄陂、新洲三个非中心城区进行建设。根据武汉市土地利用总体规划图可选出非中心城区中适合建设生产基地的备选区域;对备选区域近四年内的所有土地出让备案进行汇总, 得到其土地出让年平均价, 并运用灰色预测法对所有备选区域在2018年的土地价格进行预测, 最终得出各区域在2018年的土地单价做出预测 (表1) ;同时对备选区域与建设区域之间的运输路线进行选择, 排除掉不允许预制构件生产基地运输的线路, 从而确定其距离最短的最优路线。

4.3 计算结果与分析

通过对武汉市数据确定并代入模型, 同时由于备选区域较多, 采用MATLAB软件进行程序求解, 根据程序运行结果可得计算结果, 见表2。 求解目标即为达到成本最优化, 根据上述运行结果分析可知应建设一大一小两个建设基地, 即最后结论为:应在黄陂区盘龙城经济开发区域建设大型基地, 年产值为25万m³;在黄陂区武湖区域建设小型基地, 年产值为15万m³, 初步无需满负荷运载。 根据目前国家及省市推进建筑工业化的相关政策, 武汉市正处于逐步且大力推广装配式建筑的时期。随着政策以及鼓励措施的相继落实, 装配式建筑必将逐步在建筑市场站稳脚跟。但目前武汉市预制构件生产基地远远不足以支撑下一步发展需要, 故相继有许多企业意向在武汉进行投资建设。根据对该市相关部门调研的实际情况表明, 目前在武汉北面区域选址中, 企业意向大致为在黄陂区域筹备建立预制构件生产基地, 投放生产线。此数据与论文模型运算结果基本一致, 可初步认定论文模型建立、运行有效。

5 结语

本文根据装配式建筑预制构件生产基地的规划选址要求, 提出了联合运用0-1整数规划及灰色预测方法建立目标函数、以市场需求为主要约束条件的选址模型, 最终能达到满足城市规划设计、市场需要及经济最优的定量研究目的。 通过实证分析得出武汉市装配式建筑预制构件生产基地的初步规划选址布局具体方案是:在黄陂区盘龙城经济开发区域建设大型基地及在黄陂区武湖区域建设小型基地。该选址方案有助于在满足城市规划条件下, 满足装配式建筑预制构件的市场需求。