全壽命設(shè)計(jì)在橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■鄧佳琦 ■江西同濟(jì)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌 330000

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷的提升，交通運(yùn)輸?shù)玫搅税l(fā)展，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)使用過程中，傳統(tǒng)的橋梁在設(shè)計(jì)過程中未綜合考慮總體結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計(jì)構(gòu)件的使用壽命，或未協(xié)調(diào)周圍的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致存在一些影響橋梁正常使用的狀況，給后期運(yùn)營(yíng)管理造成了較大的社會(huì)負(fù)擔(dān)，這在一定程度上影響了橋梁工程設(shè)計(jì)的整體水平。目前全壽命設(shè)計(jì)理念針對(duì)這些問題都得到了良好的解決。

1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念

全壽命設(shè)計(jì)理念在橋梁工程設(shè)計(jì)中作為最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，將使用階段和社會(huì)需要的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為橋梁結(jié)構(gòu)體系的部分，建立成一個(gè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體方案，以實(shí)現(xiàn)一些現(xiàn)實(shí)需求。為確保橋梁設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)良好的使用狀況，全壽命設(shè)計(jì)理念主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容:(1)橋梁總體結(jié)構(gòu)及可更換構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的確定;(2)整體性能設(shè)計(jì)。為滿足橋梁安全性能的需求，需要進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，進(jìn)行行車安全性能的分析和設(shè)計(jì)，以滿足人車針對(duì)出行安全問題的需要。風(fēng)險(xiǎn)分析和對(duì)策設(shè)計(jì)，使橋梁在遭受到一定概率的風(fēng)險(xiǎn)事件后，不造成較大性的經(jīng)濟(jì)損傷和人員傷亡，明確工程保險(xiǎn)的成本。(3)整體美觀設(shè)計(jì)。包括橋梁外觀造型設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)，以滿足人們對(duì)橋梁美學(xué)和景觀欣賞的需要;(4)自然生態(tài)設(shè)計(jì)。包括環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)、可回收與再利用設(shè)計(jì);(5)施工全過程控制設(shè)計(jì)。保證良好的施工質(zhì)量并真實(shí)的體現(xiàn)出設(shè)計(jì)圖紙的內(nèi)容。(6)橋梁的管理系統(tǒng)、監(jiān)控養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。包括橋梁工程在運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)、維修、管理，使橋梁工程建設(shè)在使用全壽命期間內(nèi)始終保持著良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)狀況，滿足行車使用的功能需要;(7)全壽命周期成本的分析設(shè)計(jì)。這是進(jìn)行橋梁全壽命設(shè)計(jì)中不可或缺的重要內(nèi)容之一。要選擇最優(yōu)秀的橋梁工程設(shè)計(jì)方案，必須進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的詳細(xì)成本分析設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)壽命周期內(nèi)所發(fā)生的所有成本要進(jìn)行造價(jià)比較，在統(tǒng)籌的考慮各方面需求的前提下，選擇全壽命周期內(nèi)成本都比較低的設(shè)計(jì)方案。

2 橋梁全壽命設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

(1)可行性研究。可行性研究是橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目的立項(xiàng)、決策的主要依據(jù)，是在進(jìn)行項(xiàng)目影響區(qū)域內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及路網(wǎng)情況的調(diào)查研究、評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)和必要性的建設(shè)條件勘察的基礎(chǔ)之上，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的必要性、技術(shù)可行性、工程規(guī)模的經(jīng)濟(jì)合理性，并提出相關(guān)的研究報(bào)告。全壽命設(shè)計(jì)理念主要是體現(xiàn)在全壽命期間的經(jīng)濟(jì)成本合理性和實(shí)施可行性兩個(gè)方面，階段主要是對(duì)橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目的目標(biāo)進(jìn)行分析，對(duì)橋梁工程的使用功能和設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行研究調(diào)查，深入了解橋梁工程全壽命周期內(nèi)環(huán)境條件的詳細(xì)情況，分析全壽命周期內(nèi)環(huán)境對(duì)橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)可能產(chǎn)生的影響，為確保橋梁設(shè)計(jì)壽命所必須進(jìn)行初步的性能設(shè)計(jì)研究，明確運(yùn)行階段管理和養(yǎng)護(hù)工作的成本估算。

(2)初步設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)階段目的是確定工程建設(shè)方案，控制全壽命成本的概算，該階段應(yīng)深入研究自然環(huán)境條件，分析環(huán)境因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，橋梁工程全壽命的確定，編制全壽命周期的成本概算，進(jìn)行推薦、比較方案技術(shù)比選。初步設(shè)計(jì)文件是采取材料機(jī)具訂購(gòu)、安排科研項(xiàng)目研究、征地拆遷準(zhǔn)備方案、編制施工圖設(shè)計(jì)文件、控制投資等的依據(jù)。

(3)施工圖設(shè)計(jì)。根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件以及初步設(shè)計(jì)批復(fù)意見，進(jìn)行施工圖階段的全壽命設(shè)計(jì)流程。深化建設(shè)條件以及環(huán)境條件的研究調(diào)查，進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)情況勘察，深化性能、美學(xué)以及管理養(yǎng)護(hù)設(shè)施等設(shè)計(jì)，計(jì)算工程材料數(shù)量，明確施工及控制方案，編制管理養(yǎng)護(hù)及全壽命的預(yù)算。

3 橋梁全壽命設(shè)計(jì)計(jì)算方法

目前橋梁工程全壽命周期成本主要包括:①設(shè)計(jì)規(guī)劃成本;②建設(shè)和施工成本;③常規(guī)養(yǎng)護(hù)成本;④維修加固成本;⑤更換構(gòu)件成本等。通過合理的方法滿足橋梁工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)要求，并且滿足全壽命期間內(nèi)的維護(hù)和管理要求，所以，全壽命成本分析在橋梁的全壽命設(shè)計(jì)過程中極其重要。

全壽命成本分析主要利用經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)比重要的費(fèi)用，從而顯示出分析結(jié)果，折現(xiàn)將來(lái)費(fèi)用:Pw=Fc +;其中，Pw 代表現(xiàn)值，t 代表分析時(shí)間域，F(xiàn)c 代表初始費(fèi)用，Ic 代表檢測(cè)費(fèi)用，Mc 代表維護(hù)費(fèi)用，F(xiàn)rc 代表后續(xù)維修加固費(fèi)用，Uc 代表用戶費(fèi)用，Pwf 代表現(xiàn)值系數(shù)，S 代表殘值。

(1)初始費(fèi)用:通常包括罰款以及獎(jiǎng)金費(fèi)用，交付使用前，對(duì)用戶的成本以及利益予以體現(xiàn)。

(2)分析生命周期:整體結(jié)構(gòu)相似，僅需要一次修復(fù)便可，因此方案要控制實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)維護(hù)費(fèi)用:確保橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的維護(hù)費(fèi)用，該費(fèi)用需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的面積差異而予以整合。

(4)檢測(cè)費(fèi)用:受到橋梁結(jié)構(gòu)材料以及結(jié)構(gòu)面積的影響，檢測(cè)費(fèi)用也不盡相同，常規(guī)橋梁檢測(cè)費(fèi)用占到初始投資的0.1%-0.2%的比例。

(5)后續(xù)維修費(fèi)用:一般而言，維修頻率不僅和時(shí)間有關(guān)，而且與橋梁的交通運(yùn)輸量有關(guān)，并且受橋梁結(jié)構(gòu)形式以及橋梁結(jié)構(gòu)尺寸的限制，常規(guī)混凝土橋梁首次修復(fù)時(shí)間為完成橋梁建設(shè)的30a-50a 之間，且維修費(fèi)用是建設(shè)初期費(fèi)用的20%。

(6)殘值:通常在建設(shè)橋梁后的生命周期末尾存在，其中涵蓋拆除費(fèi)用，大約占到建設(shè)初期費(fèi)用的10%。

(7)用戶費(fèi)用:橋梁大維修、日常維護(hù)、初期施工等產(chǎn)生的用戶費(fèi)用，包括交通事故、車輛營(yíng)運(yùn)費(fèi)、延誤費(fèi)等。其中，延誤包括駕駛員不適、時(shí)間延誤以及燃料消耗。

駕駛員延誤費(fèi)用計(jì)算:DDC=W × N × ADT(L/Sa-L/Sn);其中，L代表影響路段長(zhǎng)度;Sa代表橋梁在維護(hù)過程中車輛速度;Sn代表正常車輛速度;ADT代表平均每天的車流量;N 代表進(jìn)行維護(hù)的人員數(shù);W 代表駕駛員駕駛的時(shí)間價(jià)值。

車輛營(yíng)運(yùn)費(fèi)用計(jì)算:VOC=r ×N ×ADT×(L/Sa-L/Sn);其中，r 代表車輛費(fèi)用平均值。

交通事故計(jì)算:AC=N ×ADT×L ×Ca(Aa-An);其中，Aa代表在維護(hù)過程中的事故發(fā)生率;An代表正常狀況下事故發(fā)生率;Ca代表事故費(fèi)用。

4 總結(jié)

作為新型的橋梁設(shè)計(jì)理念，在整個(gè)全壽命周期內(nèi)統(tǒng)籌考慮橋梁設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的各種成本。從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)工作，直到橋梁工程的拆除和材料的可回收利用。以往的橋梁設(shè)計(jì)將重心關(guān)注在工程建設(shè)方面，首要目標(biāo)是在開發(fā)和建設(shè)期間的成本最優(yōu)化。為了可持續(xù)發(fā)展，需要把傳統(tǒng)的短期方法擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用壽命期，充分實(shí)現(xiàn)橋梁工程全壽命期間內(nèi)安全性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化平衡。

［1］吳海軍，陳艾榮.壽命周期成本分析方法在橋梁工程中的應(yīng)用［J］.公路，2004(12).

［2］葉文華.橋梁全壽命設(shè)計(jì)有關(guān)問題探討［J］.世界橋梁，2008(1).

［3］毛艷芳.淺談橋梁設(shè)計(jì)中的全壽命理念的應(yīng)用［J］.科技信息，2011(17):347-414.