可持續性設計理念在城市橋梁建設中的應用

摘要 文章深入探討了可持續性設計理念在城市橋梁建設中的應用，旨在為橋梁的可持續發展提供理論支持和方法指導。詳細分析了城市橋梁可持續性設計的多個維度，包括環境、社會和經濟等，并強調了各維度在可持續性設計中的重要性。利用Topsis法和層次分析法，篩選出社會和環境兩個維度的核心評價指標，并對這些指標進行了權重分配。在此基礎上，通過層次分析法對某橋梁的可持續性進行評分，評分結果可用于指導橋梁的可持續性設計。

關鍵詞 可持續性設計；Topsis法；層次分析法；評價指標；綜合評分

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0179-04

0 引言

傳統的橋梁設計和建設方法往往忽略了環境和社會兩方面的影響，導致資源的過度消耗和環境污染問題日益嚴重。為了解決這一問題，可持續性設計理念應運而生，旨在實現橋梁建設的環境友好、社會公正和經濟可行。該文的目的是探討可持續性設計理念在城市橋梁建設中的應用，以期為未來橋梁的設計和建設提供新的理念和方法。論文從可持續性設計的環境和社會兩個維度出發，深入探討節能和資源效率、生態友好和橋梁材料可回收利用性、社會文化因素的融合、經濟效益與長期維護等方面的設計原則和方法。

1 城市橋梁的可持續性設計方法

1.1 可持續性設計的兩個維度：環境、社會

1.1.1 環境維度

環境維度涵蓋了對自然資源的合理利用、生態環境的保護以及環境污染的控制等多個層面。在城市橋梁設計中，對環境維度的考量有助于減輕人類活動對生態系統的壓力，提高資源利用效率，降低碳排放，促進環境的可持續發展。

通過采用新型材料、優化設計和施工工藝，可以有效降低橋梁建設和運營過程中的能耗和排放，實現低碳環保的目標。在橋梁的設計、建設和運營過程中，應加強環境監測，控制各類污染物的排放，保護水、土壤和空氣質量，維護生態平衡。

1.1.2 社會維度

城市橋梁的社會維度則主要考慮人的需求與權益，強調社會公平、文化尊重、公共參與和社會福祉的提高。橋梁建設應帶來積極的社會效益，包括改善交通條件、促進區域經濟發展、提供就業機會等，以實現人民群眾的共同利益。橋梁設計應尊重和保護當地的歷史文化，體現地方特色，以促進文化多樣性和文化傳承。橋梁建設必須確保人的生命安全和財產安全，采取科學的設計、嚴格的施工管理和完善的安全保障措施。

1.2 生態友好和橋梁材料可回收利用性

生態友好性是指在橋梁設計、建設和運營過程中，充分考慮對周圍生態環境的影響，采取一系列措施以減輕對生態系統的干擾和破壞。包括但不限于保護生物多樣性、減少土地使用、控制噪音和光污染、采用清潔能源等。在設計階段，生態友好性要求設計人員充分考慮橋梁的布局、形態、材料和構造方式，實現與自然環境的和諧共生。

橋梁材料的可回收利用性是指在橋梁的拆除或更新改造過程中，盡可能回收和重復利用橋梁結構中的材料，減少對新材料的需求，降低能源消耗和碳排放。可回收利用的橋梁材料主要包括鋼材、混凝土、玻璃纖維增強塑料等^[1]。這些材料在經過適當的處理和再加工后，可以再次用于橋梁或其他建筑結構的建設，實現材料的循環利用，延長橋梁使用壽命，提高資源利用效率。橋梁設計應盡可能采用模塊化和標準化的設計理念，以便于未來的拆卸和回收。

1.3 創新結構設計與優化

通過結構創新與優化，能夠提高橋梁的使用壽命，降低維護成本，提升資源利用效率，從而實現橋梁工程的可持續發展。結構優化指通過科學的計算和分析，調整結構參數，以實現結構性能的最大化和成本的最小化。結構優化涉及多個方面，如減震、隔振、輕量化、節能等^[2]，其目標是在滿足結構安全和功能需求的前提下，提高結構的經濟性、環保性和美觀性。通過計算機模擬、有限元分析、多目標優化算法等先進技術，設計人員能夠精確地分析結構響應，制定出最優的設計方案^[3]。

2 橋梁設計可持續性分析

為了全面評估橋梁結構的可持續性，該文提出采用Topsis法和層析分析法對橋梁設計的可持續性進行分析，分析結果對橋梁設計有指導作用。

2.1 Topsis法篩選評價指標

為了全面評估橋梁結構的可持續性，論文采用了Topsis法，這是一種基于理想解的多準則決策方法，通過計算備選方案與正負理想解的距離來進行評價和排序。

2.1.1 Topsis法篩選指標步驟

（7）排序。根據綜合得分Ci的大小進行排序，得分較高的評價對象被認為更接近理想解，因此被選為核心評價指標。

2.1.2 社會維度指標篩選

在社會維度，初選了以下11個備選指標：社會效益、公共參與、文化保護、安全性、便利性、公平性、服務質量、用戶滿意度、經濟效益、就業機會、社區關系。

為了更為準確地篩選出重要指標，對每個指標進行了詳細的定義和屬性權重分配，并參考相關研究和專家意見確定了初始權重。接下來，運用Topsis法計算了各指標與正負理想解的距離，根據距離值的大小進行排序，篩選結果見表1。

2.1.3 環境維度指標篩選

在環境維度，初選了以下9個備選指標：節能減排、橋梁材料可回收利用性、污染控制、資源利用效率、噪音控制、綠化覆蓋率、水資源管理、廢物管理、生態友好性。為這些環境維度指標分別分配了權重，并運用Topsis法進行篩選。經過詳細計算和比較，節能減排、橋梁材料可回收利用性、污染控制、資源利用效率四個指標被選中作為環境維度的核心指標。篩選結果見表2。

2.2 層次分析法進行可持續性評分

經過Topsis法的篩選，確定了社會和環境兩個維度的核心評價指標，接下來以某橋梁工程為例，運用層次分析法（AHP）對該橋梁結構的可持續性進行評分。層次分析法是一種定量和定性因素相結合的決策分析方法，通過構建層次結構模型，對各層次的因素進行兩兩比較，獲得其權重，從而達到綜合評價的目的。

2.2.1 層次結構模型構建

首先，構建層次結構模型，包括目標層（橋梁結構可持續性），準則層（社會維度和環境維度）以及子準則層（各個核心評價指標），見圖1。

2.2.2 兩兩比較和一致性檢驗

接下來，進行兩兩比較，構建判斷矩陣，利用特征值法計算各因素的權重，并進行一致性檢驗，確保判斷的一致性。兩兩比較的判斷矩陣和權重計算結果，見表3、表4。

權重：W社會={0.5，0.25，0.15，0.1}

一致性檢驗：CI=0.02<0.1，一致性通過。

權重：W環境={0.4，0.3，0.2，0.1}

一致性檢驗CI=0.03<0.1，一致性通過。

最后，根據各指標權重進行綜合評分，得到該橋梁在社會和環境兩個維度上的可持續性評分，見表5。綜合評分結果顯示，該橋梁在考慮了各個核心評價指標后，表現出了較高的可持續性，該評分可為后續的橋梁設計和優化提供依據。

2.3 可持續性分析對設計的指導

2.3.1 優化設計決策

通過對不同指標的權重分析，設計單位可以明確各個因素在橋梁設計中的重要性，從而在設計過程中做出更加科學合理的決策。例如，如果環境保護指標得分較高，那么在設計時就應更加重視采用環保材料和技術，降低橋梁對環境的影響。

2.3.2 提高資源利用效率

綜合評分可以幫助設計師識別橋梁設計中的優勢和不足，進而優化資源分配，提高資源利用效率。例如，將更多的投資和資源集中在得分較低但影響較大的指標上，以提高整體性能。

2.3.3 強化可持續性發展

通過對社會和環境維度的評分，可以明確可持續性發展在橋梁設計中的位置和重要性。這有助于推動設計師在設計過程中更加注重可持續性原則，實現橋梁工程的環境、社會和經濟效益的平衡。

2.3.4 提升公共滿意度

通過層次分析法和Topsis法的綜合評分，能夠更全面地考慮社會、環境和經濟等多方面因素，使得橋梁設計更加人性化和社會化，提升公眾對橋梁項目的接受度和滿意度。

3 橋梁可持續性設計與城市功能的融合

城市橋梁的可持續性設計不僅僅關乎其結構與功能，更深刻地涉及與城市環境、商業活動和文化脈絡的和諧融合。

3.1 整合周邊地段環境

在城市的發展進程中，隨著功能和形態的不斷變化，很多地段可能會出現相對混亂或破碎的狀態，這時，橋梁及其周圍的空間成為重要的工具，起到了整合周邊地段環境的作用。這種整合不僅僅是在物理空間上的連接，更是在功能和文化意義上的融合。以廈門海滄大橋為例，這座橋梁不僅僅是一個單純的交通工具，它還承擔了周邊地段的整體開發和保護任務。通過對橋梁和周邊環境的成功整合，海滄大橋成了刺激周邊地段整體發展的重要催化劑。南京路與西藏路人行天橋位于上海市心臟地帶，為了解決行人流量大、車流繁忙的問題，設計師們采用了橢圓環形的4口互通式大型人行立交橋的設計。與傳統的天橋不同，這座天橋所有的上、下橋樓梯均布置于室內，使得橋下空間整潔且通暢。這種設計不僅方便了行人的游逛和購物，還減少了對道路空間的占用，極大提高了交通的流暢性。其美觀的設計也使得它成為這一繁華商業區的新地標。

3.2 促進商業活動與經濟發展

在現代城市中，一些橋梁處于城市的人流匯聚點，橋梁及其周邊地區常常逐漸演變為繁華的商業集聚地。這種現象背后的邏輯很簡單：大量的人流不僅意味著繁忙的交通，更代表了巨大的商業潛力。

精心設計的橋梁能夠更有效地吸引和引導人流，進而促進周邊的商業活動。合理的步行路徑、舒適的休息區域、獨特的景觀設計等都能夠吸引更多的市民和游客，進一步促進周邊商業區的繁榮。而這種繁榮，又能夠帶動整個地區的經濟增長，形成一個正向的循環。

3.3 融合城市文化脈絡

橋梁的設計和建設不僅僅是滿足交通需要，更是要與城市的整體文脈結構形成有機的聯系，實現流動、滲透、交疊等延展性關系。橋梁不僅是歷史時代的載體，更是城市中不同空間、文化和歷史的連接點。

4 結論

該研究通過深入探討了可持續性設計理念在城市橋梁建設中的應用，提出了一套綜合的評價體系和方法，論文得出的結論可為橋梁工程的可持續發展提供理論支持和實踐指導。

（1）論文詳細探討了城市橋梁可持續性設計的核心要素，包括環境、社會兩個維度。強調了節能和資源效率、生態友好與生物多樣性保護、社會文化因素的融合以及經濟效益與長期維護在橋梁可持續性設計中的重要性。

（2）論文引入了Topsis法和層次分析法，對社會維度和環境維度的評價指標進行了篩選和權重分配。從眾多的備選指標中篩選出了8個核心指標，并計算了各指標的權重，在此基礎上，應用層次分析法對橋梁結構的可持續性進行了綜合評分。通過構建層次結構模型、進行兩兩比較、計算權重和一致性檢驗，得到了橋梁結構在社會和環境兩個維度上的可持續性評分，評分結果可用于指導橋梁設計。

（3）在城市橋梁設計中，通過整合周邊地段環境，深入融合城市的文化傳承，橋梁不僅能夠滿足現代都市的交通需求，更能成為城市發展與文化演進中的關鍵節點，為城市的持續與和諧發展提供有力支撐。

參考文獻

[1]馬軍海， 陳艾榮， 賀君. 橋梁全壽命設計總體框架研究[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2007（8）： 1003-1007.

[2]耿爽. 橋梁全壽命設計理論研究[D]. 西安：長安大學， 2007.

[3]王瓊. 鋼與混凝土梁橋結構可持續性指標及評價[D]. 上海：同濟大學， 2013.

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：鄭劍飛（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向：道橋工程設計與管理。