基于EEA山區(qū)橋梁架梁方案優(yōu)化研究

（1.河北秦皇島交通投資集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066000；2.長城汽車天津哈弗分公司，天津 300401；3.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401）

中國山區(qū)占全國國土總面積的69.1%，隨著高速公路工程項目的增加，高速公路向山區(qū)延伸。據(jù)統(tǒng)計目前高速公路的橋隧比越來越大，有的高達(dá)70%[1]。山區(qū)架梁施工由于地形復(fù)雜，成本高，據(jù)文獻(xiàn)顯示，李坤開展架運梁分離式架梁機(jī)型并對其進(jìn)行了理論分析與仿真計算[2]，賀國京等研究了山區(qū)大長縱坡下架梁運梁的施工特點并提出墩梁固結(jié)的設(shè)計[3]，向綠林對預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工進(jìn)行了安全評估理論研究，并利用有限元對裸梁運梁進(jìn)行力學(xué)分析[4]，唐小富結(jié)合有限元分析，對上坡米一號大橋的施工方案從適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及工期等方面進(jìn)行比選[5]，對山區(qū)橋梁架梁方案優(yōu)化的研究能夠減少架梁成本，提升施工效率，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 橋梁架設(shè)擴(kuò)展賬戶模型構(gòu)建

1.1 擴(kuò)展賬戶法的概念

擴(kuò)展賬戶法（Extended Exergy Accounting,EEA）將熱力學(xué)中評價定義有效能的與經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合，如果將所有的產(chǎn)品的原料都擁有一個成本，而不是貨幣價值，那么產(chǎn)品也將會擁有“成本”[6]，可以被定義為一個系統(tǒng)內(nèi)所做的有用功，擴(kuò)展賬戶法已應(yīng)用在了廢物回收利用研究[7]和水泥制造業(yè)的能耗空間差異[8]等研究中。在橋梁施工成本評價中，不僅資金成本，能源、物質(zhì)、勞動力和環(huán)境成本都是施工成本的主要評價要素，由于各指標(biāo)不容易進(jìn)行統(tǒng)一評價，EEA方法在這幾種要素綜合評價中有著較強(qiáng)的適用性，將EEA方法應(yīng)用于評價土木工程項目的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2 擴(kuò)展賬戶模型的構(gòu)成

擴(kuò)展賬戶是累積 （CExC）與擴(kuò)展（EEXT）之和，擴(kuò)展成本作為一個更加合理、全面的系統(tǒng)資源消耗評價函數(shù)，可以取代經(jīng)濟(jì)成本函數(shù)。其成本構(gòu)成模型如圖1所示：

模型函數(shù)為：

圖1 擴(kuò)展賬戶成本構(gòu)成模型

各構(gòu)成部分的模型函數(shù)為：

式中：

W為工程中所用機(jī)械的功率kW；

θ為本項目的勞動力人數(shù)占全國總?cè)藬?shù)的比例；

α為由社會吸收并轉(zhuǎn)化為勞動力的占總輸入Ein的比例；

γ為在一個項目所耗費的資金和社會貨幣總流通量的比值；

β為一個社會除了工資以外的產(chǎn)生貨幣流通的能力；

Eex為施工過程中的碳排放量，kJ；

Ede為施工過程對環(huán)境破壞而導(dǎo)致環(huán)境對碳的處理能力下降的量，kJ。

通常，橋梁的系統(tǒng)生命周期主要分為三個階段：施工 (construction)，運營 (operation)和退役（decommissioning），全生命周期的擴(kuò)展賬戶函數(shù)以時間為自變量，擴(kuò)展值為自變量，以系統(tǒng)消耗為負(fù)值，產(chǎn)出為正值，函數(shù)示意圖如圖2所示：

各個時期的擴(kuò)展模型便可以在其相應(yīng)的時間域內(nèi)進(jìn)行計算，例如：

2 方案定性對比分析

某大橋位于承德市隆化縣張承高速，跨越山間溝谷，路線與溝底最大高差53m。共預(yù)制40mT梁192片，大橋兩端分別與隧道、高填方路基相連接，橋梁兩側(cè)沒有修建制（存）梁場的條件，制（存）梁場設(shè)置在橋下山間溝谷中，預(yù)制梁需要運至與溝底垂直距離53m的橋面進(jìn)行架設(shè)，施工難度較大。

2.1 施工工序?qū)Ρ?/h3>

施工步驟如圖3、圖4所示。

圖2 擴(kuò)展函數(shù)示意圖

圖3 原方案施工步驟

原方案施工步驟圖如圖3，原方案工序中包括修建便道、安裝架橋機(jī)、架梁三大步驟。原方案施工方法較為成熟，易于操作。優(yōu)化方案有安裝龍門吊、架設(shè)跨中兩孔梁、安裝架橋機(jī)、向東架梁、移動架橋機(jī)、向西架梁六大步驟，如圖4。優(yōu)化方案與原方案主要的區(qū)別為優(yōu)化方案不需要新建便道，但是需要在蓋梁及橋面頂端安裝龍門吊，架梁期間架橋機(jī)進(jìn)行一次大范圍移動，較原方案工序較多。龍門吊吊梁施工較為復(fù)雜，這種先架設(shè)中間兩跨梁，后向兩邊擴(kuò)散架梁的施工順序在山區(qū)架梁中較為少見。從施工步驟上來看，優(yōu)化方案更加復(fù)雜一些。

2.2 施工工期對比分析

根據(jù)各工序的工程量及施工特點，可以得出原方案與優(yōu)化方案的工序，推算出所需工期，繪制出工期甘特圖，如圖5、圖6所示。

圖4 優(yōu)化方案施工步驟

圖5 原方案工期甘特圖

圖6 優(yōu)化方案工期甘特圖

圖5為原方案預(yù)期工期，從圖中可以看出原方案中，修建便道和架梁占用較多的時間，在總的101天的工期中，這兩步工程占了94天時間，為總工期的93%。

圖6為優(yōu)化方案預(yù)期工期，優(yōu)化方案雖然步驟較多，但是安裝龍門吊與移動架橋機(jī)所需要消耗的時間約為新建便道時間的57%，架梁施工的時間與原方案基本持平，總體工期較原方案縮短了15%。

總的來看，原方案由于施工技術(shù)成熟，在施工工序復(fù)雜程度與難度上優(yōu)于優(yōu)化方案，但優(yōu)化方案在節(jié)約占地，縮短工期上有著較明顯的優(yōu)勢，通過以上分析，還未能確定優(yōu)化方案與原方案孰優(yōu)孰劣，需要進(jìn)行更加細(xì)致的定量分析。

3 擴(kuò)展成本模型計算對比分析

3.1 物質(zhì)和能量成本計算

在預(yù)制梁架設(shè)過程中，主要累積為各工序的機(jī)械消耗的燃油及電力所做的功，可以用各個機(jī)械的功率及做功時間來進(jìn)行計算，則物質(zhì)和能量火用成本為：

式中：Wi為某個工程步驟中所用機(jī)械的功率，kW。

由于整個工程需要考慮參數(shù)繁多，各步驟計算所需篇幅較多，在此僅針對優(yōu)化方案中向東架梁和向西架梁給出算例，參數(shù)如表1，下同。

將表1中數(shù)據(jù)帶入公式（4）：

3.2 勞動力成本計算

假設(shè)社會的主要產(chǎn)品都融入勞動力，并且這個社會的所有成員都通過勞動得以生存。勞動力成本計算公式為：

式中：

表1 架梁參數(shù)

n為本項目的勞動力總?cè)藬?shù)；

D為項目持續(xù)天數(shù)；

Nh是全社會人口數(shù)量，可查得2014年末全國總?cè)丝跒?36 782萬人[10]；

esurv為每個人每天維持新陳代謝的最小量（約為1.05×107J/人×天）[11]；

f為消耗擴(kuò)大指數(shù)，可以用人類發(fā)展指數(shù)（HDI）法來進(jìn)行計算：

式中：HDI0為前工業(yè)社會的人類發(fā)展指數(shù)值，約為0.055，HDI選擇現(xiàn)在國內(nèi)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國內(nèi)地平均值為0.693。

將公式（6）、公式（7）帶入公式（5）中可以得出本架梁項目的勞動力成本為：

將表1中的數(shù)據(jù)代入公式（8）：

3.3 資金的火用成本計算

對于資金的消耗計算需要另一個基本假設(shè)，就是在一個社會中貨幣流通產(chǎn)生的量和轉(zhuǎn)化為勞動力的量是成比例的，即：

在公式（9）中，貨幣量的量EK和勞動力的量EL通過參數(shù)建立比例關(guān)系，一個社會的貨幣總流通量為M2，β即金融活動的貨幣流通量MF與總累計工資S的比值：

根據(jù)國家最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)[12]，全國貨幣流通量為348 109.5億元，總工資為102 817.2億元，可以得出β=2.39。

γ表示在一個項目所耗費的資金MP和社會貨幣總流通量的比值：

將公式（10）、公式（11） 帶入公式（9），可以得出資金成本為：

將表1中的數(shù)據(jù)代入公式（12）：

3.4 環(huán)境火用成本計算

在橋梁架梁施工中，對環(huán)境的影響可以以碳排放量來衡量，主要包括兩方面，第一方面是施工過程中的碳排放量Eex，第二方面為施工過程對環(huán)境破壞而導(dǎo)致環(huán)境對碳的處理能力下降的量Ede，即：

可以將碳排放成本轉(zhuǎn)化為購買碳排放權(quán)的資金成本，則：

式中：δ為碳排放成本與總流動資金的比值，為：

將公式（12）、公式（15） 帶入公式（14） 可以得到環(huán)境成本為：

將表（1） 中數(shù)據(jù)代入公式（16）：

同理，對原方案與優(yōu)化方案的各步驟進(jìn)行計算，得到原方案CExC=233.7×106kJ、EL=146.7×106kJ、EK=8.2×106kJ、EO=0.037×106kJ，得到優(yōu)化方案 CExC′=178.4×106kJ、

3.5 擴(kuò)展成本對比

依據(jù)圖2及圖3的施工步驟及以上算例，將各參數(shù)代入山區(qū)架梁擴(kuò)展賬戶模型中，計算出原方案與優(yōu)化方案的總耗以及組成部分的各部分成本，包括物質(zhì)和能量耗、勞動力耗、資金耗和環(huán)境耗，如圖7所示。

圖7 方案成本對比圖

由于優(yōu)化方案所使用的龍門吊需要更多的指揮、操作人員，并且需要多一組運梁車班組，從勞動力消耗上高于原方案，可以從計算結(jié)果中得出勞動力消耗上優(yōu)化方案高于原方案11.3%。但是優(yōu)化方案相對于原方案能量消耗降低23.7%，在工期縮短15%的基礎(chǔ)上，將總耗降低了9.5%，并且減少了燃油的炮車運梁時間，將梁體提升的任務(wù)主要交給耗電的龍門吊，降低碳排放量70.2%。優(yōu)化方案整體上優(yōu)于原方案，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。

4 結(jié)論

通過將EEA與橋梁工程結(jié)合，構(gòu)建了橋梁工程EEA模型，從施工步驟、工期等方面定性對比了原架梁方案和優(yōu)化架梁方案，在定性比對的情況下無法甄別其優(yōu)劣。采用EEA模型從能源、勞動力、資金和環(huán)境四個方面以及整體的成本對比了優(yōu)化方案與原方案的優(yōu)劣。經(jīng)過計算，可以得出在山區(qū)特殊的地形下，進(jìn)行擴(kuò)散式架梁要比傳統(tǒng)的架梁方案具有更高的經(jīng)濟(jì)社會效益，體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念。

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