基于全壽命周期成本分析的橋梁設計研究綜述

唐仁偉

（浙江西城工程設計有限公司海南分公司， 海南 海口 570100）

0 前言

在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中，橋梁是不可或缺的組成部分，是社會經濟發(fā)展的重要組成部分。開展橋梁全壽命設計理論研究是橋梁建設適應社會經濟發(fā)展的需要,是滿足人們對交通出行"更安全、更便捷、更經濟、更舒適"要求的需要,是橋梁設計理論發(fā)展的必然階段。為了系統(tǒng)、全面地探討基于壽命周期費用分析的橋梁設計研究現(xiàn)狀，本文主要闡述了該研究的基礎和原理。在此基礎上，總結歸納了國內外生命周期成本研究的相關理論，分析了生命周期成本模型及其框架的研究現(xiàn)狀，比較了兩種典型模型的優(yōu)缺點。從而為全壽命費用分析在橋梁設計中提供理論參考。

1 全壽命周期成本分析

所謂全壽命周期成本分析法（LCCA），就是在設計階段對橋梁竣工到壽命完結的總體成本進行確定。在對設計方案進行比較時，不但要充分考慮到始建成本、設計成本，還應將使用期橋梁的檢查、日常養(yǎng)護及維護等方面成本考慮進去，把未來成本折現(xiàn)成凈現(xiàn)值（NPV），如此才可應用到設計方案的評估中。從根本上講，不管事先應用基于時間相關的養(yǎng)護對策，還是往后性能的完善計劃，均應在設計階段進行經濟預算、對比，以選出最佳一項。它的目標在于以最小化的全壽命投入，獲取最佳化的橋梁長期性使用，重點在于設計時就需要充分考慮到橋梁投入運行后的養(yǎng)護、管理等方面的問題，對橋梁建造成本、社會成本及使用成本等進行綜合性評估，以實現(xiàn)總資源消耗最少。把全壽命性能設計的思想利用到現(xiàn)代橋梁設計中，將有助于全面保證橋梁壽命期的使用情況和長期性投資控制。該理念充分體現(xiàn)了以人為本、資源利用最優(yōu)化的可持續(xù)發(fā)展思想，所以其具備長遠性的理論和實踐意義。該研究是現(xiàn)代橋梁科學技術發(fā)展的標志。

應用LCCA 進行工程評估的基本原則就是確保橋梁結構在正常使用基礎上，整個橋梁壽命周期內總成本凈現(xiàn)值最小化。目前，LCCA 法在現(xiàn)代橋梁工程中的應用尚在起步中。應用系統(tǒng)方法來分析技術、環(huán)境、社會及經濟等對基礎設施體系的綜合性影響。為達到此點，必須創(chuàng)建科學適用的模型結構，對不同的設計方案的風險及收益進行有效對比和評估，依照既有的理論知識在安全穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展中探尋平衡點，實現(xiàn)效益最大化。

2 全壽命橋梁優(yōu)化設計之設計框架

因為橋梁工程涉及的內容比較廣泛，前期方案設計時考慮的因素也比較多，特別是大型橋梁工程，需要進行全面的綜合規(guī)劃設計。目前我國的橋梁設計規(guī)劃主要分為前期研究和初步設計兩大類。生命周期優(yōu)化方法則主要介于工程初步設計和工藝技術設計之間。按橋梁前期設計方案、橋長、工程投資等進行初步設計，然后進入全壽命優(yōu)化設計過程，利用現(xiàn)代技術建立橋梁模型，初步確定養(yǎng)護維修的方針。在工程總投資規(guī)范、工程可行性與可靠性分析、工程力學等相關因素綜合指標的基礎上，對橋梁設計的各個環(huán)節(jié)進行合理優(yōu)化，進一步優(yōu)化初步設計方案。大多數(shù)情況下，實現(xiàn)最優(yōu)設計方案可將全壽命設計思想和方法與橋梁初步設計方案相融合，同時進最優(yōu)設計，得到最優(yōu)設計方案。

3 全壽命橋梁優(yōu)化設計之研究內容

通過對橋梁全壽命優(yōu)化設計理論及相關設計實例的研究，認為橋梁全壽命優(yōu)化設計是一個綜合過程，包括多階段、多參數(shù)、多學科的綜合過程，需要建立多種模型進行分析。與此同時，在建模過程中，還存在許多不確定因素和不確定參數(shù)。為了獲得準確的數(shù)據(jù)資料，為提高橋梁設計方案和最終提升方案的可操作性，建立了混合全壽命優(yōu)化模型，本文在以下幾點上進行了參考。

（1）建立橋梁資料可視化數(shù)據(jù)庫，進行研究，為計算時變失效概率和維護分析奠定基礎：

（2）橋梁維修過程中失效模式確定及失效概率計算的退化機理研究；

（3）以時變可靠性和狀態(tài)指數(shù)為基礎的橋梁性能評估模型；

（4）橋梁維修一成本一服務水平綜合關系研究；

（5）是智能優(yōu)化算法的研究。

4 全壽命優(yōu)化設計的注意事項和原則

4.1 嚴格按原則操作

（1）當技術和條件允許時，作為橋梁設計過程中的業(yè)主，應首先根據(jù)自身的需要，結合橋梁建設的目的，對橋梁工程提出合理的目標要求，橋梁設計者和承建者應本著尊重、配合的原則，對方案進行修改和完善。與此同時，橋梁結構設計者在專業(yè)范圍內為業(yè)主提供技術方面的咨詢，包括造價、維護和保養(yǎng)費用等；

（2）根據(jù)現(xiàn)代人們的需求結合當前技術條件，結構工程師優(yōu)化設計橋梁服務水平并精確計算橋梁的使用年限與耐久性；

（3）在工程設計中，結構工程師應根據(jù)業(yè)主要求，共同確定橋梁的性能指標和安全等級等；

（4）優(yōu)化橋梁設計方法，在明確橋梁最終性能指標的前提下，結構工程師根據(jù)當前技術與自身經驗來優(yōu)化設計方案并最終得出最佳的設計方案。

4.2 重視規(guī)范和明確參數(shù)

以壽命周期成本為基礎的橋梁全壽命結構設計者應合理確定橋梁各參數(shù)和等級的要求，科學設計橋梁結構域內的服務水平，嚴格遵循橋梁最終性能指標，在保證橋梁使用安全的前提下，提升人們的使用體驗。另外，結構工程師在設計和確定橋梁最終性能指標時，應綜合多方面因素的影響，根據(jù)不同的性能指標等級對有關參數(shù)的要求，進行多次試驗和驗算，以獲得最優(yōu)的參數(shù)值，直至滿足用戶要求。應用橋梁全壽命優(yōu)化設計方法的驗算是優(yōu)化設計的關鍵環(huán)節(jié)，只有根據(jù)橋梁結構的最終性能指標，調整不同的參數(shù)值才能得到最優(yōu)的設計方案。但在后期修改和完善過程中，同樣需要對每一步和細節(jié)進行驗算，以確定其合理性和科學性，并驗證是否符合設計的最終目標。對大跨度橋梁進行系統(tǒng)驗算，對小跨度橋梁根據(jù)實際情況可簡化。橋梁結構的合理與否，不僅關系到橋梁的質量和使用壽命，更關系到人們的生命安全，所以目前我國橋梁設計規(guī)范對結構設計的重視程度是最高的。但是隨著社會的發(fā)展，人們對橋梁設計的要求也逐漸提高，在注重結構設計的同時，對結構維修設計也提出了更高的要求。而在橋梁結構設計中，工程技術人員是絕對主角，肩負著橋梁設計方案的優(yōu)化工作。但以壽命周期成本為基礎的橋梁壽命最優(yōu)化設計，其涉及的不僅僅是單一的結構設計，也因此不能僅由結構工程師來決定，需要將成本因素考慮在內，還需要各部門或組織的共同參與和協(xié)調工作。

4.2 聯(lián)合設計的策略

基于目前對橋梁壽命周期費用分析的相關理論，在橋梁設計中必須建立相應的制度和規(guī)范，以規(guī)范為橋梁結構設計的最低標準。明確規(guī)定有關限值；明確各類參數(shù)等。對企業(yè)積極采用新技術、新材料的行為或企業(yè)，給予肯定和鼓勵。就橋梁的使用功能或經濟性而言，在設計和施工過程中，業(yè)主可提出比現(xiàn)行規(guī)范要求的性能指標更高的要求，同時，作為橋梁設計者和結構工程師也有責任和義務為其提供專業(yè)意見。

（1）主要是通過提高業(yè)主對橋梁設計和結構性能的認識，使其在合理的范圍內提出要求；

（2）與業(yè)主有效溝通，確定橋梁性能改善目標。施工過程中，雙方應相互配合，密切溝通，既能最大限度滿足業(yè)主要求，又能按規(guī)范要求順利施工。使用壽命周期成本法優(yōu)化橋梁設計時，專業(yè)設計人員應靈活處理橋梁設計規(guī)范與實際需要的關系，不能一味被動地遵循規(guī)范進行設計，而應加強調查研究，將設計與實際情況相結合，靈活處理，從而得出最佳的設計方法與方案，指導后期施工，選擇最佳的建筑材料。在結構設計中采用能改變橋梁性能的新材料、新技術(采用 FRP 加高強混凝土)，有利于促進各結構專業(yè)的發(fā)展。

5 結語

總之，以壽命周期成本為基礎的橋梁全壽命優(yōu)化在橋梁設計中起著巨大的作用，而完整的優(yōu)化設計體系包括了前期設計、中間合理性評價、工程施工、后期質量檢驗、橋梁使用年限、維修和報廢等各個環(huán)節(jié)，因此，在每個過程中都需要專業(yè)人員的協(xié)作配合，共同完成整個工程。橋梁全壽命優(yōu)化設計方法是當前和今后一段時間橋梁設計的主要方法之一，但仍有許多內容需要加強探索，不斷完善，以進一步促進橋梁設計的優(yōu)化。