綠色設計在橋梁工程中應用之探討

彭華軍，李 念

(1．四川南渝高速公路有限公司，四川南充637000;2．中交一航局第二工程有限責任公司，山東青島266071)

1 綠色設計涵義及其基本設計原則

1.1 綠色設計的涵義

綠色設計(Green Design)，也稱生態(tài)設計(Ecological Design)、可持續(xù)設計(Sustainable Design)、產(chǎn)品全生命周期設計(Product Life Cycle Design)等，是指借助產(chǎn)品生命周期中與產(chǎn)品相關的各類信息(技術信息、環(huán)境協(xié)調性信息、經(jīng)濟信息)，利用模塊化設計、并行設計等各種先進的設計理論，使設計出的產(chǎn)品具有先進的技術性、良好的環(huán)境協(xié)調性以及合理的經(jīng)濟性的一種系統(tǒng)設計方法。綠色設計著眼于人與自然的生態(tài)平衡關系，在設計過程的每一個決策中都充分考慮到環(huán)境效益，盡量減少對環(huán)境的破壞。綠色設計不僅是一種技術層面的考量，更重要的是一種觀念上的變革[2］。要求設計師放棄那種過分強調產(chǎn)品在景觀上標新立異的做法，而是將重點放眼于真正意義上的創(chuàng)新，以一種更負責的方法去創(chuàng)造新產(chǎn)品的形態(tài)，用更簡潔、耐久的造型使產(chǎn)品盡可能地延長其使用壽命。

1.2 綠色設計的基本設計原則

綠色設計的基本設計原則:①產(chǎn)品全壽命周期閉環(huán)設計原則。設計從產(chǎn)品的概念形成到生產(chǎn)制造、使用乃至廢棄后的回收、利用及處理的各個階段，即從全生命周期出發(fā)，考慮產(chǎn)品的生命周期各個階段對周圍環(huán)境的影響;②技術先進性原則。是綠色設計的前提，強調從技術上保證安全、可靠、經(jīng)濟地實現(xiàn)產(chǎn)品的各項功能和性能，保證產(chǎn)品生命周期全過程具有很好的環(huán)境協(xié)調性;③技術創(chuàng)新性原則。是綠色設計的靈魂，作為新興交叉性邊緣學科，要求設計師善于思考、敢于想象、大膽創(chuàng)新;④功能先進實用原則。是綠色設計根本原則，綠色設計的最終目標是向用戶和社會提供功能先進實用的綠色產(chǎn)品;⑤環(huán)境協(xié)調性原則。通過綠色設計得到的產(chǎn)品應具有節(jié)能降耗和保護環(huán)境等特性;⑥資源最佳利用原則。盡可能選擇可再生資源，避免因資源的不合理使用，而加劇稀有資源枯竭的危機;⑦能量最佳利用原則。盡可能地采用可再生能源，優(yōu)化能源結構，力求使產(chǎn)品全生命周期中的能量消耗最少，以減少能源的浪費;⑧污染極小化原則。充分考慮如何使產(chǎn)品在其全生命周期中對環(huán)境的污染最小，如何消除污染源從根本上消除污染;⑨安全宜人性原則。要求產(chǎn)品在其中全生命周期過程中對人的身心健康造成的傷害最小;⑩綜合效益最佳原則。考慮產(chǎn)品的全生命周期過程，以最低的成本費用收到最大的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益[1］。

2 橋梁工程概述

橋梁作為供鐵路、公路、渠道、管線等線路跨越河流湖泊、山谷深溝或其它障礙具有承載能力的架空建筑物，其有投資成本高、使用壽命長、對周邊經(jīng)濟、文化甚至政治的影響深遠等特點，同時有使用和觀賞兩重功能，具有形體龐大、位置固定、設計和施工較少雷同、建造具有不可逆性且耗資巨大等特點，結構散布在社會各處，與人類的活動密切相關[3］。

3 綠色設計在橋梁工程應用

傳統(tǒng)的橋梁工程設計主要考慮四大基本原則:適用性(serviceability)、安全性(safety)、經(jīng)濟性(economy)和美觀性(aesthetics)[4］。設計的目標主要是滿足橋梁在使用功能的基礎上，盡量降低造價的同時增加橋梁的可觀賞性。傳統(tǒng)的橋梁工程設計幾乎是離散考慮的，前后之間的整體利益考慮不夠周全。借鑒《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378－2006)中“綠色建筑”定義:指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)，保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[5］。橋梁作為一個有生命周期的建筑，應當在其全生命周期內(nèi)進行綠色設計。即綠色設計在橋梁中的應用，應從橋梁的生命周期各個階段上考慮:①勘測階段、②設計階段、③施工階段、④運營階段和⑤拆除階段。

3.1 勘測階段

橋梁工程的勘測階段是橋梁生命周期的第一階段，而且其成果的質量對后續(xù)的橋梁設計及施工影響很大。它包括初測、初勘、定測和詳勘四部分。除了嚴格執(zhí)行當前工程勘測規(guī)范之外，還應結合工程實際合理布置勘測任務。在調查研究完橋梁的具體任務和橋上交通種類及其要求后，選擇2～3個經(jīng)濟合理的可供比較的橋位方案，再選擇過程中除了要充分考慮每個方案能滿足使用上的要求外，還要充分考慮方案對后期的影響，如勘測的可操作性、設計的合理性、施工的難易程度、后期運營使用和養(yǎng)護的成本以及未來對環(huán)境的影響等。

測量橋位附近的地形并繪制適合比例的地形圖，對橋位所處區(qū)域進行地質鉆探，并繪制地質剖面圖。在勘測過程中，要根據(jù)工程實際靈活布置勘測點，不必全部按等間距布置。四川某院在進行巴南高速公路設計時，針對測區(qū)內(nèi)為低山、丘陵及河谷平壩地形，地勢西高東低、北高南低，隨著路線而緩慢遞降，區(qū)內(nèi)北段低山連綿起伏，河谷切割較深，水網(wǎng)發(fā)育，雞爪地形突出，山坡多呈臺階狀;南段丘陵區(qū)丘包相間，溝谷縱橫分割，江河彎轉曲折，谷底寬展，為四川盆地典型之丘陵景觀。勘測時先在已有的地形圖上預先作出比選方案，對地形復雜地段勘測點可以布置密一些，而地形條件較好的區(qū)域可以布置稀疏一點，重點加強橋位工程地質勘察工作，在充分利用初步設計勘察成果資料的基礎上，采用了物探、鉆探、原位測試、室內(nèi)試驗等綜合勘察手段，查明沿線橋位工程地質條件，這樣既能如實準確的反應地形和地質狀況，又能減少勘測成本。

調查測量河流的水文情況:如河床斷面、流量、流速、歷史洪水位資料等，在調查這些資料的過程時，務必從當?shù)鼐用裉幷{查得到第一手資料，再結合當?shù)厮恼镜挠涗浘C合考慮。同航運部門確定航道等級、設計通航水位和通航凈空要求;調查和收集有關氣象資料，包括氣溫、雨量及風速等情況;向地震局單位確定橋位所處區(qū)域屬于我國哪一類基本烈度區(qū)和歷史上出現(xiàn)過地震的記錄;調查當?shù)氐氖┕l件(包括建筑材料產(chǎn)地與供應、運輸條件、橋位所處區(qū)域的農(nóng)田和已有的建筑物和構筑物以及水電供應等)[6］。

3.2 設計階段

橋梁結構的基本體系包括:梁式橋(beam bridge)、拱式橋(arch bridge)、剛架橋 (rigid frame bridge)、懸索橋(suspension bridge)和組合體系橋如:斜拉橋(cable stayed bridge)、系桿拱橋(tied arch bridge)及鋼管混凝土拱橋(concrete－filled steel tubular arch bridge)等。每種基本體系都有它自己適用的范圍，設計者可根據(jù)工程具體實際情況進行因地制宜地合理選用。綠色橋梁結構設計應采用概率性方法，以充分考慮各種作用及其組合、結構及其缺陷、監(jiān)測誤差、自然環(huán)境等眾多的隨機和不確定因素，從而對結構的可靠性、危險性、耐久性、全壽命經(jīng)濟性以及對環(huán)境的影響等作出正確的評估。設計應是橋梁結構全壽命設計，將更加注重荷載作用的過程和概率。

若設計者在橋型上盲目追求標新立異，這不僅會抬高工程造價，增加施工難度，從而拖延施工工期，也會給后期的維護和加固留下難題。若設計只追求景觀，相鄰兩座橋采用不同體系，或者在相鄰的幾座上將不同體系的橋全部應用上，或者沿線的橋型不斷變換體系，都是不從工程實際出發(fā)，都不是符合綠色設計思想的。這樣做的后果帶來的負面影響是:大量的體系變換使得設計者自己計算和繪圖工作量加大，勘測成本和設計成本增加;還使得施工更復雜，對模板和其他設備需求的種類和數(shù)量都會加大，不僅會延長工期還會增加施工成本，如某院設計的在建的南大梁高速公路的多跨簡支梁，為減小工程量，一座橋梁中存在多種直徑的橋墩，相當同一座橋的施工也需要多種模板，直接增加施工成本;某些體系(如索結構)橋梁對后期的維護和保養(yǎng)費用高，而且不利于后期的改建或擴建。

除了嚴格執(zhí)行當前的橋梁設計規(guī)范，在橋梁結構型式的選擇、施工方案、橋梁與沿線景觀的融合等方面，選擇橋梁基本體系應當盡量采用經(jīng)濟橋型，因地制宜、就地取材，并便于進行大規(guī)模、工廠化施工管理和質量控制，力求結構標準化、統(tǒng)一化。在同一個施工區(qū)段采用比較統(tǒng)一的上下部結構型式，有利于進行規(guī)模化施工，降低工程造價，提高工程質量。四川某院在進行巴南高速公路設計時，除了K81+418新政嘉陵江特大橋結合橋位地形地質情況，設計方案如下:主橋采用(95+180+95)m連續(xù)剛構，引橋用30 m、40 m跨徑T梁組合，具體布置為(6×30+5×40+(95+180+95)+9×30)m，全橋長1036 m，其余一般大橋、中橋采用20 m跨徑小箱梁、30 m跨徑T梁，通過調整預制梁長和翼板外懸臂來適應平曲線線形。切實貫徹“不破壞即是最好的保護”的設計理念。該項目沿線樹林覆蓋率高，自然環(huán)境優(yōu)美，除個別跨線橋采用搭架現(xiàn)澆連續(xù)梁外，其余均采用預制安裝結構，避免因搭架施工而砍伐大量樹木;少在斜坡上開挖擴大基礎、大承臺等基坑，以免因開挖引起坡面坍塌而破壞植被;盡量采用塔吊、天線等運輸設備，少開挖便道。對于跨越敏感水源地帶的橋梁，設置橋面雨水收集系統(tǒng)，經(jīng)凈化處理后再排放，避免污染飲用水源。

其做法基本符合綠色設計要求及基原則:橋型簡單，基本都是梁橋;結構標準化統(tǒng)一化，設計與施工的工作量都得以大大減化，縮短施工工期，節(jié)約模板和機具、節(jié)省建筑材料，可以更好的控制施工質量;都是上跨結構，利于將來交通的發(fā)展，方便進行道路擴建或改造，滿足橋梁的可持續(xù)使用;橋梁作為一個有生命的建筑，其本身應該與周圍環(huán)境相融洽成一體，體現(xiàn)綠色生命意義;將橋梁的前期設計和施工成本降低，后期運營保養(yǎng)費用降低，對周邊的環(huán)境影響降到最低，從生命周期上來考慮，節(jié)約資源、節(jié)省能源、保護環(huán)境。

在選擇施工原料上，要依據(jù)綠色設計的3R原則:Reduce(減少)、Recycle(循環(huán)使用)、Reuse(重復利用)盡量選用綠色材料，可循環(huán)利用材料。綠色材料特點包括材料本身的先進性(優(yōu)質的、生產(chǎn)能耗低的材料);生產(chǎn)過程的安全性(低噪聲、無污染);材料使用的合理性(節(jié)省的、可以回收的)以及符合現(xiàn)代工程學要求等。比如選擇綠色混凝土:降低水泥用量，大量利用工業(yè)廢料;比傳統(tǒng)混凝土材料更有良好的力學性能和耐久性;具有與自然環(huán)境的協(xié)調性，減輕對環(huán)境的負荷，實現(xiàn)非再生性資源的可循環(huán)使用，節(jié)省能源，以及有害物質的“零排放”;能夠為人類提供溫和、舒適、便捷和安全的生存環(huán)境[7］。如高強、高耐久性混凝土、再生骨料混凝土、環(huán)保型混凝土和機敏型混凝土等。

3.3 施工階段

橋梁工程施工的特點:固定場地、機具和材料;施工周期較長;施工程序和工藝不斷變化調整。復雜的管理工作要求所有參建人員(建設方、設計方、施工方和監(jiān)理方)必須相互協(xié)作，在施工中隨時掌握工程進展的實際情況和存在的問題，采用科學的管理方法，從計劃、技術、質量、造價、信息和企業(yè)規(guī)章制度等方面，切實有效地進行工作[8］。

橋梁施工使橋梁設計思想和設計意圖得以實現(xiàn)，施工技術的發(fā)展為實現(xiàn)橋梁設計意圖提供了靈活多樣的手段，為增大橋梁跨度、改善結構性能和線形以及應用新材料提供了充分的條件。橋梁施工技術的發(fā)展將在各種施工方法和施工工藝上不斷創(chuàng)新，以適應橋梁結構在體系、跨徑、材料和結構性能等方面的發(fā)展要求。

橋梁施工應包括施工方法的選擇，必要的施工驗算，選擇或設計制作施工機具設備，選購與運輸建筑材料，安排水、電、動力、生活設施以及施工計劃，施工組織與管理等方面的事務。施工是一項復雜而涉及面很廣的工作，上至天文、氣象、下至工程地質、水文、地貌、機械、電子、管理等各領域，同時與人的因素，與地方政府的關系密切。因此，現(xiàn)代的大型工程施工，應由多種行業(yè)的技術人員協(xié)力完成[8］。

對不同結構形式的橋梁，施工方法可不同;對體系復雜的橋梁，采用不同的施工方法，因其施工過程的結構受力體系各不相同，結構的內(nèi)力將隨結構計算圖式的改變而變更，結構運營階段的受力狀況取決于所選用的施工方法。因此，在考慮橋梁設計方案時，必須根據(jù)實際情況，考慮施工的可能性、經(jīng)濟性與合理性;施工方法的選用可依據(jù)工程結構的跨度、孔數(shù)、橋梁總長、截面形式和尺寸、地形、設備能力、氣候、運輸條件、設備的重復使用等綜合條件來選擇。在技術設計中要計算施工各階段結構的強度(應力)、變形和穩(wěn)定性，橋梁設計要同時滿足施工階段與營運階段的各項要求[8］。

橋梁工程的施工費用一般要占工程總造價的60%以上，近年來，受經(jīng)濟增長的影響，工程施工費用和勞動力的工資所占的比例呈上升趨勢，對于特大跨徑和結構比較復雜的橋梁更是如此，因此，施工造價對工程造價有著舉足輕重的影響，選擇合理的施工方案有助于降低工程造價。影響橋梁施工費用的主要因素是構件制作的費用、架設費用和工期。為在施工階段降低工程造價、節(jié)省投資，除采取加強施工的組織管理、節(jié)約材料、提高機械設備的利用率等措施，一條重要途徑是在施工中應用新技術、新工藝來改善施工條件。為此，橋梁施工的組織管理人員和工程技術人員必須有高度重視施工技術的合理應用，加強施工的科學管理，提高施工機械化的程度，組織專業(yè)化施工，使工程質量、施工期限、工程造價處于最優(yōu)狀態(tài)[8］。另外施工方案也不能僅為施工方便離散考慮，應根據(jù)橋梁綠色設計思想結合橋梁生命周期中運營階段的維護成本綜合權衡。

3.4 運營階段

在橋梁的運營過程中，經(jīng)營部門應嚴格監(jiān)管通行車輛，嚴防超載、違規(guī)行駛，尤其是結構復雜的跨越江海、深溝的大橋，不同的車型都有設計的通行車道。虎門大橋的建成給當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展鋪了一條騰飛的大道，但由于曾經(jīng)夜間超載車輛過多，導致鋼梁頂板出現(xiàn)最長近1 m的縱向裂縫，小裂紋不計其數(shù)，這對結構的安全構成嚴重威脅，同時對這些裂縫的修復工作是困難復雜的，維護造價也是相當高昂，最致命地是嚴重縮短橋梁的使用期限。對于有通航要求的橋梁，還必須注意船只的導向，曾經(jīng)廣東九江大橋就因為霧天導向不清使船只撞擊橋墩而導致橋梁垮塌。

對于線路運營期間全線所有的橋梁應進行定期檢查維護，對每座橋建立健康紀錄檔案，讓橋梁從施工、運營到拆除階段都有一個完整的記錄，這樣既可以了解每一個座橋梁的健康情況，就可以預測橋梁病害，即早籌備排查處理方案。

另外設計師在橋梁結構設計應引入綠色設計理念，使結構具有可檢性(Examinability)、可修性(Repairability)、可換性(Replaceability)、可強性(Retrofittability)、可控性(Controllability)和可持續(xù)性(Sustainability)等六大特性。事實上，如果建成的橋梁結構不具備以上特征，在運營階段各種復合作用下，結構維護困難、養(yǎng)護成本增高，甚至會縮短使用壽命。在一些大橋上為減少運營成本可以采用新型材料與新型能源相結合利用，如高墩和橋面長時間接受太陽照射，可在其表面采用太陽能材料，而墩柱之間在不影響通行凈空的前提下可安裝風能發(fā)電機，這樣太陽能和風能都可轉化為橋梁運營所需電能。

3.5 拆除階段

橋梁達到設計使用年限后，可考慮將其拆除，但由于橋梁投資巨大，施工期限也較長，為減少社會資源浪費，一般情況，采取降等級使用或改作人行橋。不得已需要拆除的情況下，要預先計劃好拆除產(chǎn)生的廢料綠色處理問題，這就是為什么橋梁的建設盡量采用綠色材料，其一，可以減小對環(huán)境的污染，其二，拆除的材料還可進行二次利用。

4 結束語

綠色橋梁是符合資源節(jié)約，可持續(xù)發(fā)展和綠色設計的主題思想、是橋梁工程全生命周期分析方法的體現(xiàn)，是橋梁工程設計創(chuàng)新發(fā)展的一個重要方向，就我國目前現(xiàn)狀人均資源稀缺的情況下，應當大力提倡對橋梁工程進行綠色設計，大力發(fā)展綠色橋梁。由于我們國家的綠色設計發(fā)展較晚，現(xiàn)階段還沒有完全成熟可靠具有較強的操作性的且適用于綠色橋梁的評價體系，應盡快建立一套適用于橋梁工程的綠色橋梁全生命周期分析評價方法，以更好的評價和指導綠色橋梁的發(fā)展。

[1]許彧青．綠色設計[J］．北京:北京理工大學出版社，2007(5):8－47

[2]劉志峰．綠色設計方法、技術及其應用[J］．北京:國防工業(yè)出版社，2008(9):15－144

[3]羅華瑩．橋梁美學設計方法探索與研究[D］．西南交通大學，2006

[4]李亞東．橋梁工程概論[M］．成都:西南交通大學出版社，2001:30

[5]GB/T 50378－2006綠色建筑評價標準[S］

[6]邵旭東，胡建華．橋梁設計百問[M］．北京:人民交通出版社，2005

[7]姚武．綠色混凝土[M］．北京:化學工業(yè)出版社，2006

[8]魏紅一．橋梁施工及組織管理[M］．北京:人民交通出版社，2008