工业工程视野下的校园规划

一、引言

进入知识经济时代后,教育事业在我们国家发展中的地位更加突出,高等教育对国民经济的发展更是有着举足轻重的影响。而大学校园作为知识经济的重要载体,其规划、建设、发展的成功与否,直接影响着高等教育质量,直接关系到国民素质的提高。自进入21世纪以来,近些年许多高校不同程度地进行了办学规模的扩大和调整,大学新建校区以及大学城的建设热潮一度席卷全国。高校校园建设满足我国高等教育规模扩张的需要的同时,也涌现出诸多问题。这些问题突出反映在两点:一是校园规划与学校发展之间的矛盾,二是校园规划与校内师生实际使用感受之间的矛盾。而高校校园建设往往投资巨大,一旦决策失误很难更改和挽回,因此研究如何更加科学合理地进行高校校园规划具有非常巨大的现实意义。

二、与高校校园规划相关的工业工程理论

总体来看,多数设计单位对于校园的规模、功能布局、交通联系等还都停留在感性认识和定性分析阶段,大多依靠经验和直觉进行判断和规划,这样就容易出现如分区不合理、交通组织不便捷等各种问题。造成这种情况的原因在于目前大多数的高校校园规划研究仍然只局限在建筑学与城市规划理论范畴内进行,研究视野受到一定局限。其不足之处在于:一是规划手段古老而不成熟,对于高校校园的规模、功能布局、交通组织等内容,至今仍然停留在粗放型定性分析的阶段,其规划设计还主要是依靠经验作直观的判断,缺乏对资料、数据进行深度加工的技术和手段,缺乏科学的方案比选方法和决策手段。二是缺乏驾驭全局的系统支持。校园规划是一个动态过程,随着大学的发展,校园的功能也不断充实和扩展。仅靠建筑学或城市规划理论,面对高校校园这一复杂系统工程,显得力不从心。因此,必须进行观念和理论创新,积极借鉴和汲取其他学科的理论与研究成果,这样使高校校园规划水平不断提高,向广大学生和教师交出满意的规划答卷。工业工程的主要目标是提高生产或服务系统的效率,其中重要一环就是生产系统的规划和设计,核心是设施规划与设计,通过对建设项目的各类设施、人员、物资进行规划,优化人流、物流、信息流,从而有效、经济地达到预期目标。其中物流系统理论以及设施规划与设计理论[1]可对高校校园规划工作起到一定借鉴意义。

1.物流系统

物流的概念是在20世纪50年代产生的,曾被定义为“实物配送(PhysicalDistribution)”。1935年,美国的销售协会将“实物配送”定义为“包含于销售之中的物质资料和服务从生产地点到消费地点流动过程中伴随的种种经济活动”。[2]在工厂企业、交通运输、城市规划、等活动中都存在物流,广义的物流概念可以表达为:物流是指物资或物料实体的场所(或位置)的转移和时间占用,即物理流动过程,目的是使物资有形或无形地从供给者手中转移到需求者手中,从而实现其使用价值。物流体系建立的好坏直接影响到企业的发展和进步,而高等院校尽管不是赢利性质的企业,也同样要考虑成本、效率和服务质量。因此,在高校的日常管理中同样可以认为存在着物流的概念,即实体(如学生、教师和各类信息、资源等)在校园内流动的过程。而高校的物流体系也应在满足师生日常物质及精神需要的前提下,尽可能追求高效益、低成本。[3]而高校的校园规划是不是科学合理是高校物流系统能否正常高效运转的前提。

2.设施规划与设计

设施规划与设计是工业工程的一个重要组成部分。它的任务实对建设项目的各类设施、人员、物资进行系统规划与设计,用以优化人流、物流、信息流,从而有效、经济、安全地达到建设项目的预期目标。[3]设施规划与设计的主要内容有场址选择、物流分析、工厂布置、物料搬运和贮存系统等。目前的设施规划与设计绝大多数应用在生产制造领域。而在其他领域,由于对其中物流关系的认识不够,人们往往不是很重视设施规划与设计,设施规划往往被建筑设计所取代。而高校校园内存在着教学楼、办公楼、学生宿舍、餐厅、体育场等建筑物设施,学生和教师在校内的流动尽管不像工厂那样严格和有序,但同样有着很多规律性。[4]从校园规划的设计过程来看,它具有现代工业工程的四个基本职能:规划、设计、评价、创新。而高校校园规划过程及建成后的校园硬件的使用过程,涉及到高等教育学、经济学、工程技术学、建筑学、环境工程学及管理科学等多个学科领域,使一个复杂的系统过程,具备系统工程的所有特征。因此,用定性和定量的工具,对高校校园规划进行系统结构和系统状态的分析,对各种方案进行比较、评价和协调,就具有了较高的可行性。

三、基于SLP方法的校园分区相关性分析

功能分区是指将校园内各建筑设施按照其使用功能进行布局,传统的高校校园布局,主要围绕着教学、生活、体育等功能进行区分,建筑物的布局往往只是按照交通流线进行规划安排,功能分区理念也起到了良好的作用。功能分区提供了校园规划的清晰结构,防止了各区间互相干扰,对于一定规模内的校园是合适的。但是当校园发展到万人乃至数万人的规模,区与区之间的步行距离超过了轻松可及的范围时,硬性的功能分区便成为校园规划的桎梏,带来一系列使用上的问题。因此,既要认识到功能分区的必要性,又要其局限性。在决定校园规划整体布局的时候,必须科学地分析各功能分区的规模及其联系。在分析各分区功能组成及相应空间特点的基础上,科学合理地明确校园内各分区的主要组成部分及其相互关系,围绕“主体-行人-空间”这一思路,可采取工业工程中的活动关联性分析,通过活动关系图和活动相关线图(行为流线图)进行图解分析。[5]

系统布置设置(SLP,SystematicLayoutPlanning)采用严密的系统分析手段和规范的系统设计步骤进行分析,具有很强的实践性。运用SLP法进行总平面布置时,首先要对各作业单位的相互关系进行分析,经过综合得到作业单位之间的关系矩阵;然后根据关系矩阵中作业单位之间相互关系的密切程度决定作业单位之间距离的远近,安排作业单位的位置,绘制出相应的位置关系图,并将作业单位实际占地面积与位置关系图结合起来,形成作业单位面积相关图,通过进一步的修正和调整,得到可行的布置方案,最后再对方案进行优选评估。SLP方法的流程图如图1所示。[6]图1SLP方法流程图针对学生在不同分区内的活动内容,首先进行关联性分析。一般而言,高校校园内的活动可分为两类:教学科研活动和教学科研辅助活动,这两类活动又可再进行细分。因此确定分区之间的关联,应首先分析活动相关性的类型,确定其重要性。通常有下列活动相关性类别:两项教学科研活动的相关性;一项教学科研活动和一项教学科研辅助活动的相关性;两项教学科研辅助活动的相关性。这里采取RichardMuther提供的相关程度评分等级系统,[6]共分为六个等级,如表1所示。一般来说,高校校园内各类建筑设施可分为教学区、行政办公区、学生生活区、体育运动区、后勤服务区、教职工生活区等类型。对各个功能分区的关联性分析,采取关联性两两判断矩阵来进行,按照SLP方法的习惯表示方法,即可得到图2所示校园功能分区活动关联图。根据图2,做出校园功能分区相关线图如图3所示。校园功能分区活动关联图和相关线图,为校园规划整体的布局提供了一个清晰的总体框架,可以在设计人员进行各个功能分区位置确定时提供重要的参考依据。在此基础上,可以进一步整合分区内的各项功能,根据其使用功能、空间特点、交通联系、防火及卫生要求等;并结合具体地形限制,将性质相同、功能相近、联系密切、对环境要求相似的建筑单体进行调整、归纳,从而较为有序地组织起整体的校园规划初步布局。

四、高校校园规划选址模型分析

数学模型的建立并不能够完全取代传统的分析及设计方法,但模型的应用可以对设计工作的科学性起到补充作用,在面临多方案优选时通过定量计算得出的数据也具有很大的参考价值。

1.连续点校园规划选址———交叉中值模型

连续点选址问题指的是在同一条路径或一个区域内的任何位置都可以作为地址的一个选择。对于拟进行定量分析的校园规划方案,将学生的人流看作物流来进行分析,首先做如下假设(建模前提):一是校园中人流活动是随机的、不确定的,但是根据学校教学活动的安排以及学生自发的课余时间安排,从某一较长时间(如半学期、或一学期)内,学生的流动过程有一定的规律性,从物流成本分析的角度,可以看作均匀、连续、确定的。二是校园中有k个学生(k是有限正整数),每一个学生的流动成本都可以以一种当量物流量来表示(如耗费的时间或者消耗的自身能量等)。如某高校拟在一个由5栋学生公寓组成的学生宿舍区内新建一座清真餐厅,主要服务于这5栋学生公寓中的回民学生。用图4中的笛卡尔坐标系确切的表达这些学生公寓的位置,可把学生公寓看作需求点;表2是各个学生公寓对应的权重,在此权重即为经过调查后所知的各个学生公寓需要去清真餐厅就餐的学生总量,设最终的清真餐厅坐标点为(xs,ys)。为了找到x方向上的中值点xs,从左到右将所有的Wi加起来,按照升序排列到中值点,如表3所示。然后再从右到左将所有的Wi加起来,按照升序排列到中值点。从表中可以看出,从左边开始到需求点A就刚好到达中值点,而从右边开始则是到需求点C到达中值点。从图3中可知在需求点A、C之间100m的范围内对于x轴方向都是一样的,所以xs在300m到400m之间。接着寻找在y方向上的中值点ys。从上到下逐个叠加各个需求点的权重Wi,如表3所示。在考虑E、D两个需求点时,权重之和是9,没有达到中值点10,但是加上C之后,权重之和为12,大于10。所以从上向下的方向考虑,清真餐厅应设置在C点或者C点以上的位置。然后从下往上,在A和B点之后,权重总和达到8,仍旧不到10,当加入C后,权重总和为11,所以清真餐厅应设置在该C点或者其下的位置。结合两个方面的限制和其相对位置,在y方向,只能选择一个有效的中值点即ys在300m处。由此,可得清真餐厅的位置可在图5中粗线所标示的范围内选择。考虑到清真餐厅与学生公寓之间的相互影响,故而距离100m较好,因此最终可选址在坐标(3,3)所示的位置。

2.离散点校园规划选址———P-中值模型

在校园规划设计研究中,对于某一个建筑单体或构筑物,其实际可备选的位置往往都是有限的,因此采用离散点选址模型更为便捷和适用。候选方案中只有有限个元素,只需要在这有限的几个位置中进行分析来确定选址。我们采用P-中值模型来解决此类问题,即在一个给定数量和位置的需求集合和一个候选选址位置的集合下,分别为p个设施找到合适的位置并指派每个需求点到一个特定的设施,使之达到在需求点和候选选址点之间的运输成本最低如某高校宿舍区共8栋学生公寓,拟在其中建设2个学生餐厅,用最低的交通成本来满足学生就餐需求。根据实际地形和校园现状,可以确定4个候选地址,如图6所示。从A、B、C、D4个候选地址到不同学生公寓的交通成本、各个宿舍的需要就餐人数,如表4所示。采用贪婪取走启发式算法(GreedyDroppingHeuristicAlgorithm)求解,[7]步骤如下:(1)初始化,令循环参数k=m,将所有的m个候选位置都选中,然后将每个学生宿舍指派给距离其最近的一个候选位置;(2)选择并取走一个位置点,满足以下条件:假如将这个点取走并将该学生公寓内的学生重新指派后,总交通成本增加量最小。然后令k=k-1;(3)重复2.,直到k=p(在这里p=2)。对交通成本进行比较,在初始化中,假设1、2、3公寓的学生就餐由A来提供,4、5公寓的学生就餐由D提供,6公寓的学生就餐由B提供,7、8位置的就餐由C提供,如图7所示(因为属于过程中的交通成本分析,故这里暂且不考虑餐厅规模及学生就餐喜好等问题)。

五、结语

本文针对当前高校校园规划中出现的一些问题,结合工业工程的部分理论方法,建立了基于交叉中值的连续点校园规划选址模型和基于P-中值算法的离散点校园规划选址模型,并各自通过实例进行了验证。在当前,我国的高等教育的投资还比较有限,土地资源也很匮乏,因此在进行校园规划时,如何结合本校的特点,根据国家和地方经济对各类的人才需求充分论证,从而使得校园规划科学合理,不留或少留遗憾,值得认真研究。应用工业工程理论,将物流和设施规划的理论、方法引入高校校园规划工作中,对于一直以来偏重于依靠设计规范和主观经验的校园规划工作带来了新鲜的理念。当然,物流系统规划理论主要应用于企业,若应用于高校校园规划,应实事求是,具体情况具体分析,这样才能起到有益的补充和完善作用。