基于成本-功能分析的公路橋梁伸縮裝置優(yōu)化選型

張愛(ài)華，王 楓，許 亮，徐子岸

(1.湖北路橋集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000;2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073)

1 引 言

眾多學(xué)者致力于伸縮裝置更換選型決策系統(tǒng)的構(gòu)建及決策模型的優(yōu)化，但在橋梁伸縮裝置最優(yōu)更換選型方案的決策方面，缺乏量性結(jié)合的系統(tǒng)性研究。為建立科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、智能的橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型決策系統(tǒng)，本文分析了影響橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)、施工、管理各階段的關(guān)鍵指標(biāo)因素，運(yùn)用層次分析法計(jì)算了更換優(yōu)化選型數(shù)學(xué)模型的功能系數(shù)，運(yùn)用全生命周期評(píng)估理論，進(jìn)行了基于伸縮裝置經(jīng)濟(jì)成本效益分析，基于價(jià)值工程進(jìn)行了選型，并結(jié)合一個(gè)伸縮裝置更換實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用分析。

2 基于成本-功能分析的裝置更換選型

2.1 考慮全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本的數(shù)學(xué)模型

伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本包括建設(shè)期初始成本，運(yùn)營(yíng)期車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本、交通延誤成本、養(yǎng)護(hù)成本，及拆除期拆除成本。

(1)建設(shè)期

初始成本()。橋梁伸縮裝置建設(shè)期初始成本主要包括人工、材料、機(jī)具、管理費(fèi)用等，初始成本的計(jì)算如公式(1)

=×

(1)

式中：為橋梁伸縮裝置建設(shè)單價(jià)；為橋梁伸縮裝置總長(zhǎng)。

(2)運(yùn)營(yíng)期

車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本()，由公式(2)計(jì)算

(2)

式中：為維護(hù)段長(zhǎng)度；為維護(hù)期車(chē)速；為正常運(yùn)營(yíng)期車(chē)速；為平均車(chē)流量；為維護(hù)天數(shù)；為車(chē)輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)用平均值。

交通延誤成本()由公式(3)計(jì)算

(3)

式中：為橋梁用戶(hù)單位時(shí)間價(jià)值，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用衿骄べY及乘客平均人數(shù)計(jì)算。

養(yǎng)護(hù)成本()主要包括檢測(cè)及維修成本，可由公式(4)計(jì)算

(4)

式中：為年均檢測(cè)和維修綜合費(fèi)用；為社會(huì)折現(xiàn)率；為橋梁伸縮裝置的服役年限。

(3)拆除期

伸縮裝置的拆除成本()與裝置建設(shè)期的初始成本密切相關(guān)，由公式(5)計(jì)算

(5)

式中：為拆除成本占建設(shè)期初始成本比重。

綜上，橋梁伸縮裝置全壽命周期成本()見(jiàn)公式(6)

(6)

式中：表示單項(xiàng)成本。

2.2 經(jīng)濟(jì)系數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)上文提出的全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析模型，可對(duì)橋梁伸縮裝置更換選型方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)系數(shù)評(píng)價(jià)。經(jīng)濟(jì)系數(shù)可由單一備選方案成本占據(jù)各類(lèi)方案總成本的比重來(lái)表征，如公式(7)所示

(7)

式中：為經(jīng)濟(jì)系數(shù)(Cost coefficient)，表示橋梁伸縮裝置更換選型方案。

2.3 功能系數(shù)評(píng)價(jià)

通過(guò)指標(biāo)分析，遴選出了橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)(溫度變化、縱向坡度、撓度、收縮、徐變、平整度)、施工(防排水、施工難度、施工周期)、運(yùn)營(yíng)(檢測(cè)、維修、更換)等影響裝置功能的12個(gè)重要指標(biāo)因素。綜合各項(xiàng)指標(biāo)因素，采用層次分析法建立了層次結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)德?tīng)柗品磳?zhuān)家調(diào)查法為明確各項(xiàng)因素的重要程度進(jìn)行權(quán)重的分配與賦值，計(jì)算出各方案的功能系數(shù)。

具體評(píng)價(jià)方法為

(8)

式中：表示功能系數(shù)(Performance coefficient)；和分別為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各因素的權(quán)重向量；表示指標(biāo)；為備選更換方案各項(xiàng)指標(biāo)的得分值，其值域?yàn)?～100，可由德?tīng)柗品?，即?zhuān)家調(diào)查法進(jìn)行賦值。

2.4 綜合評(píng)價(jià)

項(xiàng)目的價(jià)值可由功能性與經(jīng)濟(jì)性間的比值所表征，如公式(9)。據(jù)此，可對(duì)橋梁伸縮裝置更換選型方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

(9)

式中：為價(jià)值系數(shù)(Value coefficient)。

3 橋梁伸縮裝置更換選型實(shí)例

橋梁全長(zhǎng)為20.6 m，寬度為12 m，原采用MA型模數(shù)式伸縮裝置，其核定伸縮量為80 mm。在長(zhǎng)期環(huán)境影響和重載車(chē)輛沖擊作用下，橋梁伸縮裝置技術(shù)狀況每況愈下，需要進(jìn)行更換。本項(xiàng)目中所采用的備選方案如下：方案A：MA型模數(shù)式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量20～80 mm)；方案B：SC型梳齒板式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量60～240 mm)。

3.1 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)合項(xiàng)目開(kāi)展實(shí)際情況，所確定的橋梁伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析數(shù)學(xué)模型中的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析計(jì)算參數(shù)

表1(續(xù))

3.2 經(jīng)濟(jì)系系數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)全壽命周期模型針對(duì)橋梁伸縮裝置更換進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本分析，從而得到經(jīng)濟(jì)系數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果(保留至兩位小數(shù))，如表2。

表2 更換方案經(jīng)濟(jì)系數(shù)評(píng)價(jià) 單位：萬(wàn)元

3.3 功能系數(shù)評(píng)價(jià)

由上文得知，方案A的功能系數(shù)為0.854，方案B的功能系數(shù)為0.835。

3.4 綜合評(píng)價(jià)

綜上所述，依據(jù)所取得的更換方案功能系數(shù)評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，可結(jié)合公式9進(jìn)行基于價(jià)值工程的綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表3所示。

表3 更換方案綜合評(píng)價(jià)

可知，與更換方案A相比，方案B兼具更高的功能系數(shù)及更低的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，從而使得其價(jià)值系數(shù)優(yōu)于前者。這表明SC型梳齒板式伸縮裝置可作為最優(yōu)選型方案投入到橋梁的伸縮裝置更換項(xiàng)目中。

4 結(jié) 論

(1)建立了橋梁伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁伸縮裝置更換選型方案的經(jīng)濟(jì)性和功能性評(píng)價(jià)，并建立了基于價(jià)值系數(shù)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法。

(2)通過(guò)實(shí)例開(kāi)展了橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型工作，遴選出了兼具高功能系數(shù)、低成本系數(shù)的最優(yōu)更換方案，驗(yàn)證了所提優(yōu)化選型方法的合理性和可行性，能夠在滿(mǎn)足裝置功能需求的前提下?tīng)?zhēng)取可觀的成本節(jié)約，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目層面上的價(jià)值增值，對(duì)橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型方案的決策具有參考作用。